文档介绍：爱因斯坦与相对论
爱因斯坦与相对论
赵峥教授博士生导师
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;1900年,在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后,他充满自信地说:物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云,一朵与黑体辐射有关,另一朵与迈克尔逊实验有关。
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;然而,事隔不到一年(1900年底),就从第一朵乌云中降生了量子论,紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇,物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓"山重水复疑无路,柳暗花明又一村"。
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;事情还要从19世纪下半叶说起,1870年在"铁血宰相"俾斯麦的领导下,德国(普鲁士)赢得了普法战争,从法国得到大量战争赔款,同时迫使法国割让了亚尔萨斯和洛林两个省。当时的德国,急于从一个以农业为主的"土豆王国",变成一个工业化的"钢铁王国"。德国的鲁尔区产煤,而紧靠鲁尔区的亚尔萨斯和洛林有丰富的铁矿,再加上大量的赔款,德国发展钢铁工业万事具备,就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温,数千度的炉温,任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度,这就大大促进了对黑体辐射(热辐射)的研究。早已完成工业革命的英国,当然也在改进炼钢技术,因此许多英国科学家和德国同行一样,也致力于黑体辐射的研究。奇怪的是,无论怎么努力,构造什么样的辐射模型,理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。不是在长波波段符合不好,就是在短波波段出现发散,即所谓"紫外光灾难"。这就是开尔文勋爵在迎接新世纪的庆祝会上所谈的第一朵乌云-黑体辐射困难。
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;1900年底,德国理论物理学家普朗克发现,只要认为原子吸收或发出辐射时,能量不是连续的,而是一份一份的,就可以克服"紫外光灾难",使黑体辐射的理论曲线与实验曲线相符。普朗克简直不敢相信自己的发现,辐射能怎么可能会是一份一份的呢?以往的物理理论都导不出这一结果。然而,只要这样做,就可使理论曲线与实验曲线相符。普朗克不能不重视这一点。他在和儿子一起散步时,激动地说,这个发现如果不是错误的,将是非常重要的,也许能够与牛顿的成就相比。然而,在公开场合,普朗克讲得极为谨慎。他毕竟已是一个世界闻名的科学家,他不希望别人看自己的笑话。普朗克在大学的学术会议上报告了自己的结果,但没有加以评论。听报告的许多学生都认为没有听到什么新东西,浪费了自己的时间。实际上,这个报告宣告了物理学的一场革命。普朗克提出了能量量子的概念,给出了著名的普朗克公式
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;其中E是辐射量子的能量,是辐射的频率,h是一个常数,就是现在众所周知的普朗克常数。普朗克的论文开创了量子论,标志着近代物理学的开端。
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;然而,普朗克的工作是不彻底的。他认为,辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的,一份一份的,而在传播过程中,则仍是连续的。曾有记者问他:"您说能量到底是连续的呢?还是不连续的呢?"普朗克回答说:"如果一个人用小碗从缸里舀水,倒在水池中,你说水是连续的呢?还是不连续的呢?"从普朗克的回答中,我们可以看出,他认为辐射本质上还是连续的,只是在原子发射或吸收辐射时,才是一份一份的。把量子化思想贯彻到底的是爱因斯坦。他认为辐射本质上就是不连续的,就是量子化的。不仅在被原子发射或吸收时,而且在传播过程中,辐射的能量都是一份一份的。1905年,爱因斯坦据此提出光子说,把普朗克的量子理论推进了一大步,并用以解释光电效应。普朗克最初对爱因斯坦的这一观点持批评态度,后来才接受下来。以上所说的,就是从第一朵乌云中降生的量子论。
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;第二朵乌云与光的电磁理论有关。托马斯·扬观察到光的干涉现象之后,惠更斯的波动说战胜了牛顿的微粒说。大家都认识到光是一种波动,进而又认识到,光波本质上是电磁波。人们认为,既然光是波动,就应有载体。19世纪下半叶,流行的是以太理论。以太被描述成无孔不入、无所不在的东西。人们认为以太就是光的载体。光波就是以太的弹性振动。
nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;一个自然的问题是,当介质运动时,它附近(或者渗入它内部)的以太是否被带动?对遥远恒星的天文观测(光行差实验)告诉人们:以太未被地球带动,迈克尔逊实验认为以太完全被地球带动(即地球附近的以太相对于地球静止)。斐索的水流实验则似乎告诉我们,以太部分地被运动介质带动。这些实验的结论互相矛盾。第二朵乌云指的就是迈克尔逊实验与光行差实验的矛盾。光行差实验的