爱因斯坦传-第13部分

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　　　　爱因斯坦关于分子物理学的研究证明了下述观点是正确的，即热是能量的一种形式，它是由不规则的分子运动所引起。同时，还使原子论得到了充实，即从物理意义上说来，“物质”是由分子和原子构成。

　　　　根据爱因斯坦提出的测定分子体积方法，加上关于布朗运动的公式，能够数出分子的数目。过去，物理学一直依赖奥地利物理学家格施米德发明的近似方法，而现在可以根据爱因斯坦的理论，用精确的数学方法进行计算了。

　　　　爱因斯坦对于热运动的研究，除了对专业学科十分重要，还在认识论上具有重大意义。它说明，某些自然科学家否定和怀疑原子论是没有道理的，爱因斯坦对分子观念的证明是令人信服的，以至连马赫和另一位原子论的坚决反对者奥斯瓦尔德也声称“改信原子学说”了。关于这一点，爱因斯坦在《自述》中说得很清楚：

　　　　“在那些年代里，我自己的兴趣主要不在于普朗克的成就所得出的个别结果，尽管这些结果可能非常重要。我的主要问题是：从那个辐射公式中，关于辐射的结构，以及更一般地说，关于物理学的电磁基础，能够得出什么样的普遍结论呢？在我深入讨论这个问题之前，我必须简要地提到关于布朗运动及有关课题（起伏现象）的一些研究，这些研究主要是以古典的分子力学为根据的。在不知道玻尔兹曼和吉布斯的已经发表而且事实上已经把问题彻底解决了的早期研究工作的情况下，我发展了统计力学，以及以此为基础的热力学的分子运动论。在这里，我的主要目的是要找到一些事实，尽可能地确证那些有确定的有限大小的原子的存在。这时我发现，按照原子论，一定会有一种可以观察到的悬浮微粒的运动，而我并不知道，关于这种‘布朗运动’的观察实际上早已是人所共知的了。最简单的推论是以如下的考虑为根据的。如果分子运动论原则上是正确的，那么那些可以看得见的粒子的悬浮液就一定也像分子溶液一样，具有一种能满足气体定律的渗透压。这种渗透压同分子的实际数量有关，亦即同一克当量中的分子个数有关。如果悬浮液的密度并不均匀，那么这种渗透压也会因此而在空间各处有所不同，从而引起一种趋向均匀的扩散运动，这种扩散运动可以从已知的粒子迁移率计算出来。但另一方面，这种扩散过程也可以看作是悬浮粒子因热骚动而引起的、原来不知其大小的无规则位移的结果。通过把这两种考虑所得出的扩散通量的数值等同起来，就可以定量地得到这种位移的统计定律，也就是布朗运动定律。这些考察同经验的一致，以及普朗克根据辐射定律（对于高温）对分子的真实大小的测定，使当时许多怀疑论者（奥斯瓦尔德、马赫）相信了原子的实在性。这些学者之所以厌恶原子论，无疑可以溯源于他们的实证论的哲学观点。这是一个有趣的例子，它表明即使是有勇敢精神和敏锐本能的学者，也可以因为哲学上的偏见而妨碍他们对事实作出正确解释。这种偏见——至今还没有灭绝——就在于相信毋须自由的概念构造，事实本身就能够而且应该为我们提供科学知识。这种误解之所以可能，只是因为人们不容易认识到，经过验证和长期使用而显得似乎同经验材料直接相联系的那些概念，共实都是自由选择出来的。”

　　　　爱因斯坦对于布朗运动的理论研究，成功地继承了过去分子物理学的工作，并使它获得完满结果。他在光学理论方面的研究工作是同已经取得的发现分不开的。不过，这一研究工作，一开始就具有革命性：它意味着科学发展史上的一次“飞跃”。

　　　　１９０５年，爱因斯坦的第一篇著作《有关光的产生和转化的一个试探性观点》问世了。在以后的几年中，他还发表了几篇有关量子物理学的论文。

　　　　在光的新理论中，爱因斯坦以普朗克１９００年提出的假设为基础，认为在热辐射过程中能量的放出和吸收都是以不连续方式进行；能量的最小数值叫量子，它的数值取决于基本作用量h——“普朗克常数”。每次放出和吸收的辐射能都是这个数值的整数倍。

　　　　普朗克的这一发现与当时普遍认为正确的光的波动理论是不相容的。光的波动学说认为光是以波动状态连续传播的。１９世纪初，这一学说战胜了牛顿的微粒说。后来，麦克斯韦和赫兹还在实验和理论上证实了这个学说。

　　　　普朗克希望通过分析热辐射，能够解开热学和电磁学之间联系的奥秘。他想通过自己的研究，将物理学中这两个领域彼此不相矛盾地统一起来。突然，他当时面临一个事实，发现某些辐射过程具有不连续量子的特性，这一点无法纳入经典物理学世界观中去。由于在学术上，普朗克的基本态度是保守的，因此普朗克坚持不懈地企图寻求某种方法和途径把他获得的认识与经典假设调和起来。不过，事实证明是行不通的。

　　　　爱因斯坦在思想方法上没有任何保守性，他很少顾及权威和因袭的教条，因而进一步发展了普朗克的思想，迈出了勇敢的第一步。他认识到，正确运用普朗克假设之后，光的学说便焕然一新：虽然光是在空间连续传播的一种波动现象，但光仅能集中于特定地点，产生物理作用。因此，光具有不连续的颗粒特性，它可以是一束光量子，即“光子”。

　　　　爱因斯坦用下面的比喻解释过光子假说和普朗克理论的相互关系：

　　　　“如果啤酒总是装在可容一品脱的瓶子里出售，由此完全得不出啤酒是由等于一品脱的不可分割的部分所组成的结论。”

　　　　为了检验小桶里的啤酒是否由不可再分割的部分所组成，我们可以把小桶里的啤酒分别倒进一定数量的容器中，比方说十个容器中。我们用完全任意的方式将啤酒分份，听任偶然去确定每一个容器中倒进多少。我们测量一下在每一个容器中啤酒有多少，然后再把啤酒倒回小桶里。我们多次重复这种操作。如果啤酒不是由不可分割的部分所组成的，那么在每个容器中啤酒的平均分量和所有这些容器的平均分量将是同样的。如果啤酒是由不可分割的部分组成的，那么在各容器之间就会出现不同的啤酒的平均分量。设想一种极端的情况，小桶里只能容纳一份不可分割的啤酒。这时，整个一份啤酒每一次只能倒进一个容器，在这些容器里面所装的东西之间的区别就十分巨大了：一个容器中装了小桶里所有的啤酒，剩下的容器将空无一物。如果小桶是由两份、三份这种不可再分割的份额组成的，那么偏离平均分量将越来越小。因此，按照偏离平均分量的大小，即按照起伏的大小，可以判断啤酒的不可分割的份额的大小。

　　　　我们转回来研究电磁波。让电磁波占满一个被限定的“桶”壁——由许多单个胞格所组成的某个空间容积。是否可以把这些波的能量分为随便多大数量的部分，或许我们将碰到不可进一步分割的“份额”？并且，如果辐射的电磁场是间断的，那么它的最小“份额”的大小又是怎样的呢？

　　　　测量一下胞格中能量的分量对于平均分量的偏离——这个分量在由一个胞格转到另一个胞格时的变化，就可以解答这些问题。如果最小“份额”大，那么这种变化就大；如果“份额”小，那么变化也小。

　　　　爱因斯坦的光量子学说，以最简炼的方式阐明了“光电效应”，这种效应的基础是光与电子之间进行能量交换。这样便解释了光束打到金属上时，能把电子从其表面拉出来。这些电子在脱离金属表面之后的动能，与光源的强度无关，而完全取决于其颜色，在紫外光的情况下，电子的动能最大。１８８６年，赫兹发现了这个现象，尽管许多物理学家对此作过进一步的深入研究，但是运用光的波动学说无论如何也解释不清。然而，借助爱因斯坦的光量子理论却可以把光电效应阐述得清楚。紫外光是由能量高的光子、亦即冲击力大的光粒子构成，而红光是由能量较低的光量子构成，所以紫外光打出的电子比红光打出的电子的动能要大。

　　　　１０年之后，美国实验物理学家密立根的研究证明，爱因斯坦对于光电效应的解释是正确的。“康普顿效应”是以发现者的名字命名的一种散射现象，这是波长极短的x射线跟原子中结合得很松散的电子发生作用时产生的一种现象。１９２３年，这一效应证实了光子的实在性，给人的印象极为深刻，从此以后光量子学说成为现代物理学的当然组成部分。

　　　　爱因斯坦关于光的新理论，究竟超过他同时代自然科学家的思想境界有多远，这从１９１３年柏林第一流的物理学家们的评论中可以一目了然。当爱因斯坦被任命为柏林科学院院士时，他们在赞扬了他在科学上的多方面成就后，要大家特别重视他的光量子假说：

　　　　“他在探索过程中，往往会超出预想目标，比如在光量子假说方面就是这样，因而对他作出评价不会太困难；在精密自然科学中，一次冒险也不作，便不会有真正的创新。”

　　　　光量子假说在学术上具有划时代的意义，是整个原子物理学进一步发展的基础。不论是１９１３年玻尔提出的赫赫有名的原子模型，还是２０年代初期法国物理学家德布洛伊天才的假说“物质波”，没有光量子假说都是难于设想的。

　　　　爱因斯坦关于光的新理论，在哲学上从两个方面说来是重要的：其一，证明了普朗克在热辐问题上发现的量子现象并非是辐射现象所特有，而在一般物理过程中都有表现。这样，由于普朗克的发现而动摇了的旧的形而上学观念，即大自然不作飞跃的观点彻底垮台了。其二，爱因斯坦的研究结果，揭示了光的两重性。原来光既是微粒，又是波动。于是，光的辩证矛盾得以证实。爱因斯坦的发现使惠更斯和牛顿彼此对立的光学理论统一起来，在更高一级上成为天才的假说。

　　　　它是自然界中辩证法的光辉范例。

　　　　后来，爱因斯坦也时常感到遗憾，因为人们都认为他是“相对论之父”。他在“相对论争论”中曾经对荷兰朋友说过：“为什么总是在我的相对论上饶费口舌？我还干了其他有用的、或许是更好的事情嘛！”

　　　　确实，爱因斯坦如果不是相对论的创始人，他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他有关热运动、光量子理论和固体比热等问题的研究，对于自然科学的进一步发展有着极其重要意义。然而，相对论无疑是他最重要的成就。与他其他的研究工作相比，相对论对自然科学思想体系产生了更深远的影响，它的作用远远超出哲学思想的范畴。它引起了一场最激烈的争论。也正是它点燃了爱因斯坦誉满天下的火炬。

　　　　１９１１年，劳厄撰写了第一篇关于相对论的专著。他在《物理学历史》一文中指出，自古至今的物理学问题，还没有比得上空间与时间概念对人们产生这样巨大的震动。这也说明，爱因斯坦为什么对这类问题的研究特别重视。后来出版了千百本各种书刊，有反对相对论的，也有赞同相对论的。１９０５年，爱因斯坦在《物理学年鉴》上发表了长达３０页的论文《论动体的电动