愛因斯坦的物理故事

　　阿爾伯特·愛因斯坦因為“對理論物理的貢獻，特別是發現了光電效應”而獲得1921年諾貝爾物理學獎，現代物理學的開創者、奠基人，相對論——“質能關係”的創立者，你知道關於他的物理故事嗎?接下來小編為你整理了，一起來看看吧。

　　——相對論

　　早在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，他將看到一幅什麼樣的世界景象呢?他將看不到前進的光，只能看到在空間裡振盪著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發生嗎?

　　與此相聯絡，他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題。以太這個名詞源於希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀的笛卡爾和其後的克里斯蒂安·惠更斯首創並發展了以太學說，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，並能滲透到物質中。與以太說不同，牛頓提出了光的微粒說。牛頓認為，發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流，粒子流衝擊視網膜就引起視覺。18世紀牛頓的微粒說佔了上風，19世紀，卻是波動說佔了絕對優勢。以太的學說也大大發展：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展，經過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學，並從理論與實踐上證明光就是一定頻率範圍內的電磁波，從而統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現以太，相反，邁克爾遜-莫雷實驗卻發現以太不太可能存在。

　　電磁學的發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現，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恆量;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，後一輛車的燈光遠離。根據伽利略理論，向你駛來的車將發出速度大於C***真空光速3.0x10^8m/s***的光，即前車的光的速度=光速+車速;而駛離車的光速小於C，即後車光的速度=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，車的速度有無並不影響光的傳播，說白了不管車子怎樣，光速等於C。麥克斯韋與伽利略關於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，特別是經過赫茲和洛倫茲發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現，所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經過研究愛因斯坦發現，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沒有實際意義。於是他想到：以太絕對參照系是必要的嗎?電磁場一定要有荷載物嗎?這時他開始懷疑以太存在的必要。

　　愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作，並從哲學中吸收思想營養，他相信世界的統一性和邏輯的一致性。相對性原理已經在力學中被廣泛證明，卻在電動力學中卻無法成立，對於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，因此電磁理論對於各個慣性系應該具有同樣的形式，但在這裡出現了光速的問題。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麼，回到家經過反覆思考，終於想明白了問題。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，時間與光訊號的速度有一種不可分割的聯絡。他找到了開鎖的鑰匙，經過五個星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。

　　1905年6月30日，德國《物理學年鑑》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》，在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於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絡在一起的。對於任何一個參照系和座標系，都只有屬於這個參照系和座標系的空間和時間。對於一切慣性系，運用該參照系的空間和時間所表達的物理規律，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，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，並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。

　　什麼是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢?一般來說，我們會通過訊號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道訊號的傳遞速度，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訊號傳遞所需的時間，空間距離的測量很簡單，麻煩在於測量時間，我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘，從兩個鐘的讀數可以知道訊號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢?答案是還需要一種訊號。這個訊號能否將鍾對好?如果按照先前的思路，它又需要一種新訊號，這樣無窮後退，異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的，同時性必與一種訊號相聯絡，否則我們說這兩件事同時發生是無意義的。

　　光訊號可能是用來對時鐘最合適的訊號，但光速非無限大，這樣就產生一個新奇的結論，對於靜止的觀察者同時的兩件事，對於運動的觀察者就不是同時的。我們設想一個高速執行的列車，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，一道在後端，並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，收到的兩個光訊號在同一時間間隔內傳播同樣的距離，並同時到達他所在位置，這兩起事件必然在同一時間發生，它們是同時的。但對於在列車內部正中央的乙，情況則不同，因為乙與高速執行的列車一同運動，因此他會先截取向著他傳播的前端訊號，然後收到從後端傳來的光訊號。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，而取決於觀察者的運動狀態。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。由於相對論效應，運動物體的長度會變短，運動物體的時間膨脹。但由於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，質量趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式：E=mc^2，質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。

　　——光電效應

　　光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應***Photoelectric effect***。

　　光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。

　　赫茲於1887年發現光電效應，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射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子。光波長小於某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於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。可事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位***即光子或光量子***所組成。

　　光電效應裡，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關 ,光是電磁波，但是光是高頻震盪的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。

　　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。

　　“上帝不擲骰子”

　　愛因斯坦曾經是量子力學的催生者之一，但是他不滿意量子力學的後續發展，愛因斯坦始終認為“量子力學***以玻恩為首的哥本哈根詮釋：“基本上，量子系統的描述是機率的。一個事件的機率是波函式的絕對值平方。”***不完備”，但苦於沒有好的解說樣板，也就有了著名的“上帝不擲骰子”的否定式吶喊!愛因斯坦到過世前都沒有接受量子力學是一個完備的理論。愛因斯坦還有另一個名言：“月亮是否只在你看著他的時候才存在?”***注：愛因斯坦對量子力學的挑戰已經失敗，試驗證實了，“上帝不僅擲骰子，而且他總是把骰子扔到我們看不到的地方!”——斯蒂芬·威廉·霍金***