爱因斯坦对量子力学的贡献_张小安

才能进入物理理论的思想进行了批评 $ 海森堡回答 说 ,你处理问题不正是这样的吗 3 你说绝对时间是不 许可的 $ 仅仅因为绝对时间是不可观察的 $ 而只有运 动的参照系或静止的参照系中存在的时钟读数才同 时间的确定有关 ) 2 爱因斯坦回答说 !,一个人把实际 观察到的东西放在心中 $ 会有启发性的帮助的也许 能更加灵活的解释它 ) 但在原则上试图单靠可观察 量来建立理论 $ 那是完全错误的 ) 实际上恰恰相反 $ 是理论决定我们能够观察到的东西 ) 2爱因斯坦的谈 话在海森堡的思想中留下了深刻的印象 $ 因此 $ 在此 后的几个月里 $ 同波尔一道寻求具有说服力的量子 力学地解释 $ 问题的焦点就集中在云室中电子径迹 上 ) 矩阵力学没有轨道的概念 $ 海森堡坚信量子力学 的形式已为其中出现的量规定了唯一的解释 ) 在云 室中看到的电子径迹是那么粗大 $ 实际电子本身没 有并没有那么大 $ 因此 $ 正确的提法是一个电子只能 以一定的不确定性处在给定的位置 $ 而又以一定的 不确定性具有给定的速度 $ 可以把这种确定性搞得 最小 $ 以便不和实验产生矛盾 ) 终于发现了电子动量 和位置坐标具有普朗克常数这个量级 ) 这就是后来 海森堡著名的测不准关系式 )
% 在我年轻时代 " 也就是在 -1--0-1-1 年间 " 我满腔 热情地钻研了那个时期物理的一切最新成果 # 我了 解庞家莱 ’ 洛仑兹 ’ 郎之万的著作 " 也了解波耳兹曼 和吉布斯关于统计力学方面的著作 # 但是 " 特别引起 我注意的是普朗克 ’ 爱因斯坦 ’ 玻耳论述量子的著 作 # 我注意到爱因斯坦 -162 年在光量子理论中提出 的辐射中波和粒子共存是自然界的一个本质现象 # 在我随我哥哥莫里斯作了 J 射线普的研究后 " 我觉 察到电磁辐射的这种二重性具有十分重要的意义 # 在研究了力学中的哈密顿 ( 雅可比理论后 " 我进一 步在其中发现了一种波粒统一的初期理论 # 最后 "在 深入研究相对论后 " 我相信他一定是一切新的假设 的基础 # & 德布罗意很早就读过关于光量子假说的思 想 "-1!! 年他接受了光量子的思想发表了题为 ) 黑 体辐射和光量子 * 的文章 " 在引言中试图 % 只利用热 力学 " 气体动理论和量子理论 " 而不借助于电磁学推 出辐射理论中一系列已知的结果 &# 他仿照爱因斯坦 的方法 " 把黑体辐射作为一种光量子来处理 # -1!! 年底德布罗意的论文 ) 干涉和光量子 * 则更为明确的 认识到在处理干涉问题时 " 必须用光量子假设来解 释干涉现象 # % 从光量子的观点看 " 干 涉 现 象 与 光 原子的集合有关 # 这些光原子的运动不仅不是独立 的 "而且是相干的 # 因此 " 如果有一天光量子理论能 够解释干涉现象 " 那么采用这种量子集合的假定是 十分自然的 # &-1/5 年德布罗意在一封信中谈到他 把 波 粒 二 象 性 推 广 到 实 物 粒 子 时 说 道 $ % 在 -1!!0 -1!3 年 期 间 " 当 我 开 始 获 得 波 动 力 学 的 基 本 想 法 时 " 我的意图是把爱因斯坦发现的光的波粒共存现 象推广到所有粒子 " 因此我开始用爱因斯坦建立的 光量子公式 $!"#! 和 $"#!%&"#K" # 我把这些公式应 用到光子以外的其它粒子上 # & 这种对量子论的兴趣 促使他探索物质波理论 # 不过 " 物质波理论最初并未受到重视 " 后经爱因 斯坦的极力推荐和说明 "才逐渐被世人所接受 # 据德 布 罗 回 忆 $%-1!3 年 我 写 了 博 士 论 文 " 需 要 申 请 学 位 # 我打印了三份 " 送了一分给郎之万 " 让他决定是 否 可 以 作 为 博 士 论 文 接 受 # 郎 之 万 +L’(:AM$(;N -.>!0-1/5, 也许对我的新思想有点吃惊 " 拿不定主 意 " 要我在提供一份拷贝 " 由他送给爱因斯坦 " 请爱 因斯坦评定 # 爱因斯坦认为这篇文章很有价值 # 这促 使郎之万决定接受我的论文 # & 爱因斯坦对德布罗意 的想法很感兴趣 " 也非常赞同 " 多次在不同的场合给 以了较高的评价 # 爱因斯坦在给郎之万的复信中说 道 $% 揭开了大幕的一角 &# 在给洛伦兹的信中称 % 我 们熟知的 #+ 德布罗意的弟弟已经对于解释波尔和 索末菲的量子规则作了非常有趣的解释 # 我相信这
!"# 爱因斯坦对物质波理论的促进作用 路易 + 德布罗意是诺贝尔物理学奖获得者 " 物质
波理论的创立者 " 他提出的电子和原子中的其它粒 子具有波动性的假说 " 创造性的构思了物质波的概 念 "为开创量子力学的理论奠定了基础 # !!!!!! 德布罗意在谈到波粒二象性思想的起源时说 $
第!期
张小安 ! 爱因斯坦对量子力学的贡献
的时代 % 因为他的相对论开创了物理学的新纪元 $他 对量子论和量子力学的贡献 $ 几乎涵盖了整个 "$ 世 纪物理学的创造历程 $ 指引着物理学前进的方向 % 爱 因斯坦和相对论的关系人人皆知 $ 但爱因斯坦和量 子力学的关系并非人人了解 %
文章编号!!+$#,#*!%%#""-$"%,""#!,"’9&(; 于 ’9$$ 年为解决黑体辐射谱而提出的一个假
+’ 咸阳师范学院物理系 $ 陕西 咸阳 (’"### , " 中国科学院近代物理研究所 $ 甘肃 兰州 (A#### #
摘
要 !相对论和量子力学是现代物理学的两大基础科学&然而在量子力学的发展史上却
极少提到爱因斯坦的工作’ 本为依据历史资料&分析了爱因斯坦对现行量子力学理论的形成和 完善都有着极为重要贡献&并讨论形成人们片面认识的原因’ 关键词!爱因斯坦( 量子力学( 贡献 中图分类号 ! L&:#9 文献标识码! 7 !!!!!! 正 像 历 史 学 家 认 为 ’( 世 纪 下 半 叶 是 牛 顿 ")*+,-./0 ’1&"2’("(# 的 时 代 那 样 $ 人 们 常 把 "$ 世 纪的上半叶看成是爱因斯坦 345.6,*5./7 ’8(9:’9%%;
说 % 他认为物体发出辐射时所放出的能量不是连续 的 $而是量子化的 % 然而 $ 大多数人 $包括普朗克本人 在内 $ 都不敢把能量不连续概念再向前推进一步 $ 甚 至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系 % 爱困 斯坦的态度则截然不同 $ 他预感到量子论带来的 $ 不 是小的修正 $而是整个物理学的根本变革 % 他把量子 论推向前进 $ 利用量子概念分析辐射的传播和吸收 $ 提出光量子概念 $ 完满地解释了经典物理学无法解 释的光电效应的经验规律 $ 从而动摇了光的波动论 的正统地位 % 光量子概念的提出在人类认识自然界 的历史第一次揭示了光同时具有波动性和粒子性 $ 它直接为德布罗 意 3I* J=-KC5* ’89":’98(; 的 物 质 波 理论的建立 $ 以及随后的量子力学的建立开辟了道 路 % 这项工作获得 ’9"’ 年诺贝尔物理学奖金 % 不仅 如此 $ 爱因斯坦于 ’9#1 年又把量子论扩展到物体内 部的振动上去 $ 成功地说明了低温时固体的比热同 温度变化的关系 % ’9’1 年他继续发展量子论 $ 从玻 尔的量子跃迁概念导出黑体辐射 % 在这项研究中他 把统计物理概念和量子论结合起来 $ 提出自发发射 及受激发射等概念 % 从量子论的基础直到受激发射 概念 $ 对天体物理学 $ 特别是理论天体物理学都有很 大的影响 % 理论天体物理学的第一个成熟的理论 :: 恒星大气理论 $ 就是在量子理论和辐射理论的基础 上建立起来的 % 尽管爱因斯坦的论证清晰简明 $ 但是他的光量 子假设还是受到了广泛的质疑 $ 他们认为光量子假 设与光的波动理论完全相悖 $ 当人们把用连续空间 函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的
收稿日期： ２００５－０４－２５ 基金项目 !国家自然科学基金!编号"!"#$%"&&#资助和陕西省教育厅专项!编号""%’()""$ 作者简介：张小安 %!*+#,$&男&陕西省乾县人&咸阳师范学院物理系主任&博士&教授&主要从事高电离态离子物理的研究’
! !! !
咸阳师范学院学报
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第 ２０ 卷
现象上时 " 这个理论会导致和经验相矛盾 # 甚至量子 论的创始人普朗克也认为爱因斯坦的光量子理论走 得太远 " 在推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士说到 $ % 爱因斯坦也会在思索中迷失方向 # & 密立根 "#$%! %$&’() *+, -./.0-1234 则 试 图 从 实 验 上 否 定 光 量 子 理论 " 但结论却相反 # -151 年在给爱因斯坦发的寿 词中说道 $% 在我的一生中花了十年的时间检验爱因 斯坦的 -162 年的方程 # 结果和我所有的预期相反 " 在 -1-2 年我不得不宣布他的毫不含糊的实验鉴定 " 尽管它似乎与我只知道的光的干涉的每一件事都相 违背而不合常情 # & 密立根不仅没有能否定爱因斯 坦 "反而给光量子理论提供了坚实实验支持 " 并因此 获得了 -1!3 年的诺贝尔物理学奖 # 早期的量子理论在解释热辐射定律 ’ 光电效应 和氢原子光谱规律等问题上取得巨大的成果 " 但在 对待原子光谱线的强度 ’ 宽度 ’ 偏振 ’ 复线结构以及 多电子问题时 " 却不能准确地解释实验结果 " 这暴露 出光量子理论的缺陷 # 其本质问题是没有一套完整 地 ’自洽的理论体系和解决问题的基本方法 # 人们说 不清什么时候用经典理论 "什么时候用量子假设 # 布 拉格 789’::;<+= -.160-1>-4风趣地说 " 人们必须在星 期一 ’ 三 ’ 五运用经典理论 " 而在星期二 ’ 四 ’ 六用量 子理论 # 这给人们提出的问题非常明确 "就是寻求合 乎逻辑 " 能够解释实验结果并自洽的 ’ 适应于微观的 理论体系 " 这是摆在 !6 世纪初期物理学家面前的重 大课题 #
! 爱因斯坦与量子力学重要理论之间的关系
量 子 力 学 的 名 称 是 波 恩 78?9( #+-..! 0-1>64 -1!2 年首先提出的 " 而量子力学这门新科学的体系 是在 -1!> 年在比利时首都布鲁塞尔召开的第五届 索尔为会议上基本完成的 " 历史上也被认为是量子 力学的诞生日 # 量子力学理论的基础则由德布罗意 的 物 质 波 理 论 ’ 海 森 堡 7@A$BA(CA9:;=+D -16-0-1>/4 的 矩 阵 力 学 和 测 不 准 关 系 ’ 薛 定 谔 7<EF9?G$(:A9;H -..>0-1/-I 的波动力学以及波恩的几率波等组成 # 从表面上看似乎与爱因斯坦没有任何关系 " 而且他 还是量子力学正统解释的反对者 " 但实际上量子力 学却是在爱因斯坦的影响下完成的 # 爱因斯坦的思 想无时无刻都在影响着这些经典物理的叛逆者 " 促 使他们完善量子理论 #
第 "$ 卷
２００５ 年 ８ 月 第&期
咸阳师范学院学报 Ａ ｕｇ!"#$% !"$ Ｎ ｏ!& ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸ ｉ ａｎｙａｎｇ Ｎ ｏｒｍ ａｌＵ ｎｉ ｖｅｒｓｉ ｔ ｙ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Ｖ ｏｌ
爱因斯坦对量子力学的贡献
张小安 !& #
! 量子力学建立的历史背景
’9 世纪末是物理学的变革时期 $新的实验结果冲 击着伽利略 &牛顿以来所建立的经典物理学体系 % 以 洛伦玆3<-=*.,>/?@7 ’8%A:’9"8; 等为代表的老一代理 论物理学家力图在原有的理论框架内解决旧理论同 新事实之间的矛盾 % 爱因斯坦则从实验事实出发重新 考查了物理学的最基本的概念 $ 抛弃了一些熟知的 & 但并不正确的观念 $在理论上做出根本性的突破 % 他 的一些主要成就 $大大地推动了物理学的发展 % 爱因斯坦的开创性贡献之一是发展了量子论 % ’9$% 年 $ 爱 因 斯 坦 在 德 国 ’ 物 理 学 年 鉴 ( 上 发 表 了 ’有关光的产生和转换的一个试探性观点 ( 的重要文 章 $ 该文的主要思想是认为经典物理学内部存在着 严重的不协调 $ 他指出 !) 在物理学家关于气体或其 他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓 空虚空间中的电磁过程的理论之间 $ 有着深刻的形 式上的分歧 % * 他认为 ) 用连续空间函数来运算光的 波动理论 $ 在描述纯粹的光学现象时 $ 已被证明是十 分卓越的 $ 似乎很难用任何别的理论来替换 % * 由此 第一次提出了光量子的概念 $ 直接发展了普朗克的 量 子 假 说 % 量 子 论 是 普 朗 克 3BCD.EFGH@4@< ’8%8:
" "# "
对于揭露我们物理学中最难以捉摸的迷 # 开始露出 了一线微弱的光芒 $ 我还发现了支持他的解释的一 些东西 % & 他对玻恩说 ’你一定要读它 $虽然看起来有 一点荒唐 $ 但很可能是有道理的 &% 这些足以说明爱 因斯坦与物质波理论之间的联系 $ 物质波理论不仅 获得了爱因斯坦的支持 $ 也是光量子思想的继续 %