(2.10)-10愛因斯坦物理光學

阿爾伯特·愛因斯坦（德語：AlbertEinstein，1879年3月14日－1955年4月18日），20世紀偉大科學家，猶太裔理論物理學家，創(chuàng)立了相對論，現(xiàn)代物理學的兩大支柱之一（另一個是量子力學）。愛因斯坦的質能方程E=mc2最著稱于世，因為“對理論物理的貢獻，特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應”而獲得1921年諾貝爾物理學獎。折疊相對論相對論的提出相對論的提出是物理學領域的一次重大革命。它否定了經(jīng)典力學的絕對時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質屬性。它也發(fā)展了牛頓力學，將其概括在相對論力學之中，推動物理學發(fā)展到一個新的高度。狹義相對論的創(chuàng)立早在相對論16歲時，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波，他產(chǎn)生了一個想法，如果一個人以光的速度運動，他將看到一幅什么樣的世界景象呢？他將看不到前進的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發(fā)生嗎？與此相聯(lián)系，他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題。以太這個名詞源于希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀的笛卡爾和其后的惠更斯首創(chuàng)并發(fā)展了以太學說，認為以太就是光波傳播的媒介，它充滿了包括真空在內的全部空間，并能滲透到物質中。與以太說不同，牛頓提出了光的微粒說。牛頓認為，發(fā)光體發(fā)射出的是以直線運動的微粒粒子流，粒子流沖擊視網(wǎng)膜就引起視覺。18世紀牛頓的微粒說占了上風，19世紀，卻是波動說占了絕對優(yōu)勢。以太的學說也大大發(fā)展：波的傳播需要媒質，光在真空中傳播的媒質就是以太，也叫光以太。與此同時，電磁學得到了蓬勃發(fā)展，經(jīng)過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現(xiàn)象的動力學理論——電動力學，并從理論與實踐上證明光就是一定頻率范圍內的電磁波，從而統(tǒng)一了光的波動理論與電磁理論。以太不僅是光波的載體，也成了電磁場的載體。直到19世紀末，人們企圖尋找以太，然而從未在實驗中發(fā)現(xiàn)以太，相反，邁克耳遜莫雷實驗卻發(fā)現(xiàn)以太不太可能存在。電磁學的發(fā)展最初也是納入牛頓力學的框架，但在解釋運動物體的電磁過程時卻發(fā)現(xiàn)，與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度，也就是光的速度是一個恒量；然而按照牛頓力學的速度加法原理，不同慣性系的光速不同。例如，兩輛汽車，一輛向你駛近，一輛駛離。你看到前一輛車的燈光向你靠近，后一輛車的燈光遠離。根據(jù)伽利略理論，向你駛來的車將發(fā)出速度大于C（真空光速3x10^8m/s=3×10∧5km/s）的光，即前車的光的速度=光速+車速；而駛離車的光速小于C，即后車光的速度=光速-車速。但按照，這兩種光的速度相同，因為在麥克斯韋的理論中，車的速度有無并不影響光的傳播，說白了不管車子怎樣，光速等于C。麥克斯韋與伽利略關于速度的說法明顯相悖。我們如何解決這一分歧呢？愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的，但是有一個問題使他不安，這就是絕對參照系以太的存在。他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實際意義。于是他想到：以太絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？這時他一開始懷疑以太存在的必要。愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作，并從哲學中吸收思想營養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對性原理已經(jīng)在力學中被廣泛證明，卻在電動力學中卻無法成立，對于物理學這兩個理論體系在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認為，相對論原理應該普遍成立，因此電磁理論對于各個慣性系應該具有同樣的形式，但在這里出現(xiàn)了光速的問題。光速是不變的量還是可變的量，成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。當時的物理學家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀末，馬赫在所著的《發(fā)展中的力學》中，批判了牛頓的絕對時空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領悟到了什么，回到家經(jīng)過反復思考，終于想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開鎖的鑰匙，經(jīng)過五個星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)在人們面前。190宇宙5年6月30日，德國《物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》，在同年9月的該刊上發(fā)表。這篇論文是關于狹義相對論的第一篇文章，它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。狹義相對論所根據(jù)的是兩條原理：相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發(fā)點，是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想，但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學體系時也講了相對性思想，但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動，在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發(fā)展了相對性原理，在他看來，根本不存在絕對靜止的空間，同樣不存在絕對同一的時間，所有時間和空間都是和運動的物體聯(lián)系在一起的。對于任何一個參照系和坐標系，都只有屬于這個參照系和坐標系的空間和時間。對于一切慣性系，運用該參照系的空間和時間所表達的物理規(guī)律，它們的形式都是相同的，這就是相對性原理，嚴格地說是狹義的相對性原理。在這篇文章中，愛因斯坦沒有討論將光速不變作為基本原理的根據(jù)，他提出光速不變是一個大膽的假設，是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學問題的結果，他從同時的相對性這一點作為突破口，建立了全新的時間和空間理論，并在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。什么愛因斯坦是同時性的相對性？不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發(fā)生的呢？一般來說，我們會通過信號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度，但如何測出這一速度呢？我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間，空間距離的測量很簡單，麻煩在于測量時間，我們必須假定兩地各有一只已經(jīng)對好了的鐘，從兩個鐘的讀數(shù)可以知道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢？答案是還需要一種信號。這個信號能否將鐘對好？如果按照先前的思路，它又需要一種新信號，這樣無窮后退，異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的，同時性必與一種信號相聯(lián)系，否則我們說這兩件事同時發(fā)生是無意義的。光信號可能是用來對時鐘最合適的信號，但光速非無限大，這樣就產(chǎn)生一個新奇的結論，對于靜止的觀察者同時的兩件事，對于運動的觀察者就不是同時的。我們設想一個高速運行的列車，它的速度接近光速。列車通過站臺時，甲站在站臺上，有兩道閃電在甲眼前閃過，一道在火車前端，一道在后端，并在火車兩端及平臺的相應部位留下痕跡，通過測量，甲與列車兩端的間距相等，得出的結論是，甲是同時看到兩道閃電的。因此對甲來說，收到的兩個光信號在同一時間間隔內傳播同樣的距離，并同時到達他所在位置，這兩起事件必然在同一時間發(fā)生，它們是同時的。但對于在列車內部正中央的乙，情況則不同，因為乙與高速運行的列車一同運動，因此他會先截取向著他傳播的前端信號，然后收到從后端傳來的光信號。對乙來說，這兩起事件是不同時的。也就是說，同時性不是絕對的，而取決于觀察者的運動狀態(tài)。這一結論否定了牛頓力學中引以為基礎的絕對時間和絕對空間框架。相對論認為，光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運動的最大速度。由于相對論效應，運動物體的長度會變短，運動物體的時間膨脹。但由于日常生活中所遇到的問題，運動速度都是很低的（與光速相比），看不出相對論效應。愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學，指出質量隨著速度的增加而增加，當速度接近光速時，質量趨于無窮大。他并且給出了著名的質能關系式：E=mc^2，質能關系式對后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導作用。廣義相對論的建立1905年，愛因斯坦愛因斯坦發(fā)表了關于狹義相對論的第一篇文章后，并沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學的權威人士普朗克注意到了他的文章，認為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推動，相對論很快成為人們研究和討論的課題，愛因斯坦也受到了學術界的注意。1907年，愛因斯坦聽從友人的建議，提交了那篇著名的論文申請聯(lián)邦工業(yè)大學的編外講師職位，但得到的答復是論文無法理解。雖然在德國物理學界愛因斯坦已經(jīng)很有名氣，但在瑞士，他卻得不到一個大學的教職，許多有名望的人開始為他鳴不平，1908年，愛因斯坦終于得到了編外講師的職位，并在第二年當上了副教授。1912年，愛因斯坦當上了教授，1913年，應普朗克之邀擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學教授。在此期間，愛因斯坦在考慮將已經(jīng)建立的相對論推廣，對于他來說，有兩個問題使他不安。第一個是引力問題，狹義相對論對于力學、熱力學和電動力學的物理規(guī)律是正確的，但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的，兩個物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無窮大的速度傳遞，這與相對論依據(jù)的場的觀點和極限的光速沖突。第二個是非慣性系問題，狹義相對論與以前的物理學規(guī)律一樣，都只適用于慣性系。但事實上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說，一切自然規(guī)律不應該局限于慣性系，必須考慮非慣性系。狹義相對論很難解釋所謂的雙生子佯謬，該佯謬說的是，有一對孿生兄弟，哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行，根據(jù)相對論效應，高速運動的時鐘變慢，等哥哥回來，弟弟已經(jīng)變得很老了，因為地球上已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年。而按照相對性原理，飛船相對于地球高速運動，地球相對于飛船也高速運動，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應該年輕了。這個問題簡直沒法回答。實際上，狹義相對論只處理勻速直線運動，而哥哥要回來必須經(jīng)過一個變速運動過程，這是相對論無法處理的。正在人們忙于理解相對狹義相對論時，愛因斯坦正在接受完成廣義相對論。1907年，愛因斯坦撰寫了關于狹義相對論的長篇文章《關于相對性原理和由此得出的結論》，在這篇文章中他第一次提到了等效原理，此后，愛因斯坦關于等效原理的思想又不斷發(fā)展。他以慣性質量和引力質量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù)，提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系。他還提出了封閉箱的說法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什么方法也無法確定他究竟是靜止于一個引力場中，還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中，這是解釋等效原理最常用的說法，而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。1915年11月，愛因斯坦先后向普魯士科學院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點的進動，并給出了正確的引力場方程。至此，廣義相對論的基本問題都解決了，廣義相對論誕生了。1916年，愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》，在這篇文章中，愛因斯坦首先將以前適用于慣性系的相對論稱為狹義相對論，將只對于慣性系物理規(guī)律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理，并進一步表述了廣義相對性原理：物理學的定律必須對于無論哪種方式運動著的參照系都成立。愛因斯坦的廣義相對論認為，由于有物質的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲，而引力場實際上是一個彎曲的時空。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點進動中一直無法解釋的43秒。廣義相對論的第二大預言是引力紅移，即在強引力場中光譜向紅端移動，20年代，天文學家在天文觀測中證實了這一點。廣義相對論的第三大預言是引力場使光線偏轉，最靠近地球的大引力場是太陽引力場，愛因斯坦預言，遙遠的星光如果掠過太陽表面將會發(fā)生一點七秒的偏轉。1919年，在英國天文學家愛丁頓的鼓動下，英國派出了兩支遠征隊分赴兩地觀察日全食，經(jīng)過認真的研究得出最后的結論是：星光在太陽附近的確發(fā)生了一點七秒的偏轉。英國皇家學會和皇家天文學會正式宣讀了觀測報告，確認廣義相對論的結論是正確的。會上，著名物理學家、皇家學會會長湯姆孫說：“這是自從牛頓時代以來所取得的關于萬有引力理論的最重大的成果”，“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成果之一”。愛因斯坦成了新聞人物，他在1916年寫了一本通俗介紹相對論的書《狹義與廣義相對論淺說》，到1922年已經(jīng)再版了40次，還被譯成了十幾種文字，廣為流傳。引力波在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年

，愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當中，因為牛頓的經(jīng)典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。能量守恒定律公式：E=MC2物質不守恒定律滅定律，說的是物質的質量不滅；能量守恒定律，說的是物質的能量守恒。（信息守恒定律）雖然這兩條偉大的定律相繼被人們發(fā)現(xiàn)了，但是人們以為這是兩個風馬牛不相關的定律，各自說明了不同的自然規(guī)律。甚至有人以為，物質不滅定律是一條化學定律，能量守恒定律是一條物理定律，它們分屬于不同的科學范疇。愛因斯坦認為，物質的質量是慣性的量度，能量是運動的量度；能量與質量并不是彼此孤立的，而是互相聯(lián)系的，不可分割的。物體質量的改變，會使能量發(fā)生相應的改變；而物體能量的改變，也會使質量發(fā)生相應的改變。在狹義相對論中，愛因斯坦提出了著名的質能公式：E=mc2（E代表能量，m代表質量，c代表光的速度，近似值為3×10^8m/s，這說明能量可以用增加質量的方法創(chuàng)造?。?。愛因斯坦的理論，最初受到許多人的反對，就連當時一些著名物理學家也對這位年青人的論文表示懷疑。然而，隨著科學的發(fā)展，大量的科學實驗證明愛因斯坦的理論是正確的，愛因斯坦才一躍而成為世界著名的科學家，成為20世紀世界最偉大的科學家。愛因斯坦的質能關系公式，正確地解釋了各種原子核反應：就拿氦4(He4)來說，它的原子核是由2個質子和2個中子組成的。照理，氦4原子核的質量就等于2個質子和2個中子質量之和。實際上，這樣的算術并不成立，氦核的質量比2個質子、2個中子質量之和少了0.0302u（原子質量單位）！這是為什么呢？因為當2個氘[dao]核（每個氘核都含有1個質子、1個中子）聚合成1個氦4原子核時，釋放出大量的原子能。生成1克氦4原子時，大約放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因為這樣，氦4原子核的質量減少了。這個例子生動地說明：在2個氘原子核聚合成1個氦4原子核時，似乎質量并不守恒，也就是氦4原子核的質量并不等于2個氘核質量之和。然而，用質能關系公式計算，氦4原子核失去的質量，恰巧等于因反應時釋放出原子能而減少的質量！這樣一來，愛因斯坦就從更新的高度，闡明了物質不滅定律和能量守恒定律的實質，指出了兩條定律之間的密切關系，使人類對大自然的認識又深了一步。折疊光電效應1905年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。光照射到金屬上，引起物質的電性質發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應（Photoelectriceffect）。光電效應分為光電子發(fā)射、光電導效應和光電效應光生伏特效應。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內部，稱為內光電效應。赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)光電效應，愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應（金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應，發(fā)射出來的電子叫做光電子）。光波長小于某一臨界值時方能發(fā)射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面