爱因斯坦对量子理论的贡献

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dfyfl
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  1引言
  正像历史学家认为17世纪下半叶是牛顿(Newton,1642--1727)的时代那样,人们常把20世纪的上半叶看成是爱因斯坦(Einstein,1879-1955)的时代,因为他的相对论开创了物理学的新纪元,正因为爱因斯坦的相对论对物理学的影响非常深远,以至于一谈到爱因斯坦在物理学领域的贡献,人们首先想到的就是他的狭义相对论、广义相对论,而他对量子理论和量子力学的贡献却知之甚少,甚至,由于爱因斯坦始终反对量子力学的哥本哈根诠释而被误认为是量子理论发展中的一个顽固派,事实上,在爱因斯坦一生的科学工作中,量子力学始终是他关注的重要领域,他不仅对早期的量子论,而且对现行的量子力学理论的形成和完善都有过重要贡献。
  2爱因斯坦对量子力学的贡献
  2.1光量子理论
  量子概念和量子假设起源于普朗克1900年对黑体辐射的础究,他在研究黑体辐射时,获得了一个与实验结果一致的纯粹的经验公式,1900年12月,他提出了量子论假说,普朗克的量子论虽然符合实验结果,但是在相当长的时间内不为人们所理解和重视,连普朗克本人对量子的假设也感到迷惑不解,甚至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系,但是,就在这个时候,又发现了用经典理论无法解释的新现象——光电效应,把一块擦的很亮的锌板连接在验电器上,用弧光灯照射锌板(如图1),验电器的指针就张开了,这表示锌板带了电,进一步的检查表明锌板带的是正电,这实验表明在弧光灯的照射下,锌板中的一些自由电子从表面飞出来了,这种在光的照射下物体发射电子的现象,叫做光电效应,最初观察到光电效应的时候,物理学家们没有感到惊讶,但是,进一步的研究发现,对各种金属都存在极限频率和极限波长,如果入射光的频率比极限频率低,那么无论光多么强,照射时间多么长,都不会发生光电效应;而如果入射光的频率高于极限频率,即使光不强,当它射到金属表面时也会观察到光电效应,这一点无法用光的波动理论解释,还有一点与光的波动性相矛盾,这就是光电效应的瞬时性,按波动理论:如果入射光比较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累足够的能量,飞出金属表面,可是事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光电子的产生都几乎是瞬时的,不超过10-9s。
  爱因斯坦则从实验事实出发重新考查了物理学的最基础的概念,抛弃了一些熟知的、但并不正确的观念,在理论上作出了根本性的突破,1905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》,这篇文章的主题思想就是认为经典物理学内部存在严重的不协调,从而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,爱因斯坦认为光的能量在传播、吸收及产生的过程中都具有量子性,并用光量子的概念成功的解释了光电效应,他在人类的历史上第一次揭示了光同时具有波动性和粒子性,在观念上远远超过了普朗克,光量子概念直接为以后德布罗意的物质波理论的建立,以及随后量子力学的建立开辟了道路,这项工作获得了1921年诺贝尔物理学奖,尽管爱因斯坦的论证清晰简明,但在当时他的光量子假设还是受到了广泛的质疑,人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现象上时,这个理论的结果与经验相矛盾,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的太远,在推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士时说到:“爱因斯坦也会在思索中迷失方向,”密立根则试图从实验上否定光量子理论,但结论却相反,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的实验支持,并因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。
  2.2爱因斯坦对矩阵力学和测不准关系的影响
  量子力学的重大突破是在1925~1926年间取得的,1925年海森堡关于量子力学的第一篇论文使量子力学在新的发展方向上迈出了正确的第一步,海森堡这位因建立量子力学而获得诺贝尔物理学奖的物理学大师,出身于德国的书香门第,少年时代逐步形成了追求简单、真实的性格,在当时原子物理的三大中心——哥本哈根、慕尼黑、哥廷根学习和工作过,受过多位名师的指点,他自己说:“在索末菲那里学了物理,在波恩那里学了数学,在玻尔那里学了哲学。”
  据海森堡自己的回忆录《部分与整体》中所述,他的第一篇论文《关于运动和力学关系的量子论的解释》和著名的不确定关系的提出,都与爱因斯坦的思想启迪有关,1926年春天,海森堡应邀到柏林大学讲新量子力学时,爱因斯坦正在柏林大学工作,讲演后,爱因斯坦和海森堡进行了一次长谈,谈话中爱因斯坦对海森堡认为量子力学中“只有可观变量才应当进入物理理论”的思想提出质疑,他详细的阐明了自己的观点,他说:“一个人把实际观察到的东西放在心中,会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,”这次谈话给海森堡留下了深刻的印象,1926年7月,海森堡和薛定谔在量子力学的解释问题上发生了争论,焦点集中在云室中电子径迹的解释上,矩阵力学中没有轨道的概念,为了让大家接受他们的理论,海森堡和波尔一起寻求具有说服力的量子力学的解释,海森堡坚信,只能从这种力学本身对云室中的电子径迹作出数学表述,但这样做在数学上陷入了困境,在困境中他又想起了上次和爱因斯坦的谈话,他突然感觉到,也许找电子轨迹这个问题的提法就不对,在云室中看到的电子径迹是那么粗大,实际上电子本身并没有那么大,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,而有以一定的不确定性具有给定的速度,可以把这种不确定性弄的最小,以便不和实验产生矛盾,测不准关系的基本思路就这样形成了。
  2.3爱因斯坦对波动力学的促进
  波动力学既是沿着物理学家L·德布罗意于1923年新开创的径迹发展到最高潮的产物,又是按爱因斯坦的纲领解决量子问题的一个巨大成就,首先,在起源上,薛定谔的理论是受L·德布罗意理论和爱因斯坦那“简短却无限深刻”的评论的启发所为,在方法上,他使用的是爱因斯坦所主张的传统的时空连续描述和微分方程,并保持了因果性和守恒性。   在海森堡创建矩阵力学的同时,薛定谔正沿着另一条途径为创立波动力学而孤军奋战,他创建的波动力学共有4篇文章,题目是《量子化是本征值问题》,完成的时间1926年,其间还有两篇重要文章,即《从微观力学到宏观力学的连续过渡》、《论海森堡、玻恩、约当的量子力学和薛定谔的量子力学关系》,薛定谔思想的关键点是电子可以看成是一种波,他的动量、能量与相应的波的波长、频率的关系由德布罗意一爱因斯坦公式给出,1925年12月,薛定谔发表了《论爱因斯坦的气体理论》,文章一开始就指出,没有德布罗意·爱因斯坦的波动理论,问题是无法解决的,在《量子化本征值问题》的前两篇文章中,薛定谔多次提到他的工作是受到爱因斯坦的启发而来的,1926年在给爱因斯坦的信中更明确表明了这个观点,“没有你的关于简并气体的第二篇论文引起我对德布罗意思想的重要性的认识,这一切在现在或在其他任何时候都不会开始,”这其中提到的第二篇文章就是爱因斯坦的《单原子理想气体的量子理论》,对德布罗意的博士论文作了高度评价。
  2.4爱因斯坦、玻尔之争与量子力学的发展
  在20世纪20年代最后的岁月里,量子力学的进展向两方面发展:一方面开拓了量子理论的应用,一方面加深了量子理论的概念基础,最终为量子力学理论诠释奠定了基础。
  波函数的统计解释、不确定关系的发现和玻尔的互补性原理的提出形成了量子力学的哥本哈根解释,这种诠释的基本出发点是认为我们人类对于微观世界的物理过程,只能进行概率描述,对于某个人,我们可以说出此人在某时某刻处于某个位置,但是对于一个像电子这样的微观物体,我们就只能说它在某时某刻处于某个位置的概率是多少,这种解释完全违背了经典物理学原理,在爱因斯坦的世界观中,世界是客观存在的,“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础”,更重要的是,宇宙的一切遵循自己的既有轨道,根本就看不到概率的影子,这个世界是严格遵守因果律的,因此爱因斯坦认为量子力学还不完备,只给出运动概率的量子力学是一种最终完备的量子力学的暂时形式,他说:“量子力学固然是堂皇的,可是有一种内在的声音告诉我,它还不是那真实的东西,这理论说的很多,但是一点也没有使我们更加接近于”上帝“的秘密,我无论如何深信上帝不是在掷筛子,”1927年9月,在意大利的科漠湖畔召开了纪念伏打逝世一百周年大会,玻尔参加了这次会议,他在会上提出了“互补原理”,对量子力学第一次作了互补解释,玻尔指出,微观粒子现象的任何观测,都必须使得粒子和观测仪器间存在原则上不可控制的相互作用,因而我们不可能是微观粒子的波动性和粒子性在同一实验中表现出来,这样,粒子性和波动性,位置和速度,以及能量和时间这些概念是互相排斥的,但在描述同一微观现象时,这些互斥的概念又是互相补充的,缺一不可的,这就是所谓的“互补原理”,也就是说量子力学的规律具有统计性质,并且,在量子物理中应当抛弃因果性和决定论的概念,而代之以互补原理,这样一种观点,很明显爱因斯坦是不会接受的,但是玻尔继续发言解释他的互补原理,爱因斯坦则声明他反对互补原理,反对抛弃严格的因果性和决定论的概念,坚持基本理论不应该是统计性的,在几率解释后面应当有更深一层的关系,人类应当能够解释微观世界的因果性联系,通过这次激烈的争论,很多物理学家接受了以玻尔为首的哥本哈根学派的观点,但爱因斯坦并没有改变自己的观点,尽管爱因斯坦用巧妙的实验试图揭露哥本哈根学派观点错误,但玻尔证明这些实验其实是根本站不住脚的,玻尔成功地捍卫了自己的观点,
  爱因斯坦不断设计理想实验试图从逻辑上反驳哥本哈根学派,但屡屡受挫,最后他不得不放弃在这方面的努力,转而集中于批评量子力学理论的完备性,1935年5月,爱因斯坦与他的两位助手波多尔斯基和罗森在美国著名的《物理学评论》一起发表了一篇题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗》的文章,提出了著名的“EPR悖论”来证明量子力学是不完备的,但最终,EPR悖论还是被玻尔破解了,EPR悖论可以说是爱因斯坦和玻尔在量子力学的诠释问题上所谓最后一次大论战,最后的结局是玻尔的解释被大多数物理学家接受,而爱因斯坦则至死都相信可以找到更完备的理论,双方谁也没有能够说服对方。
  很多人都感到非常奇怪的是,在量子力学早期作出重要的奠基贡献的爱因斯坦为何在量子力学体系形成之后要一而再地对其进行批判?是不是爱因斯坦在晚年更加保守而且不能容忍新事物?其实爱因斯坦一生都是极富创新精神的,他不向权威低头,对权威具有挑战精神,他对量子力学持怀疑态度一个重要原因就是物理学史上根深蒂固的“因果性”概念影响,科学,给人的感觉就是它要追究事物和现象背后的深层原因,人们相信,任何现象都不会无中生有,都能找出其背后的原因来,这几乎是每一位科学家的一种信仰,但是量子力学的概率解释显然不遵守这样一种因果律,因此,有一部分科学家始终不能接受量子力学,爱因斯坦和玻尔的争论推动着量子力学的深入发展,连玻尔本人也曾提到:“爱因斯坦用他那灵妙的批判对我们进行了挑战,他的批评特别的启发了我们,使我们对仪器在测量过程中所占的地位进行了更详细的分析”,论战推动人们对量子理论的探讨,对微观世界的深入理解,也一步步地揭示了量子力学的本质含义。
  综上所述,在爱因斯坦一生的科学工作中,量子力学始终是他关注的重要领域,对早期的量子理论爱因斯坦做出了直接的贡献,他突破性的提出了光量子理论,为量子理论的的发展开拓了新纪元,对量子力学的发展,爱因斯坦虽然没做出直接的贡献,但他的见解推动着量子力学的深入发展,海森堡的矩阵力学和测不准关系、薛定谔的波动力学、玻尔的理论等都受到爱因斯坦的影响,很多时候爱因斯坦的批评给他们指明了进一步研究的方向,连玻尔本人也曾提到:“爱因斯坦用他那灵妙的批判对我们进行了挑战,他的批评特别的启发了我们,使我们对仪器在测量过程中所占的地位进行了更详细的分析”,论战推动人们对量子理论的探讨,对微观世界的深入理解,也一步步地揭示了量子力学的本质含义。
其他文献
运动的合成与分解是继力的合成与分解后的教学内容,作为力的合成与分解方法的延伸与拓展,同样有着重要的地位.在我们的教材中的讲解了两个典型例子,一个是关于石蜡块的,由两个相互垂直方向上的匀速直线运动的合成,其合运动为匀速直线运动;另一个是平抛运动,由相互垂直方向上的一个匀速直线运动和一个匀加速运动的合成,其合运动为匀变速曲线运动(抛物线轨迹),在历年的高考中,围绕这两种模型的试题考查频度很高.在推行新
党的十九大报告描绘了我党我国事业的美好蓝图,吹响了新时代前进的号角,是我们每一位共产党人前进的行动指南.作为一名党的教育工作者,我们要聚焦发展不平衡不充分问题,谋求
教育公平是社会公平的重要基础.我国的教育不公平问题主要表现在城乡教育差距较大等方面,实现教育公平需要采取切实可行的措施.在党的正确领导下,以及广大教育工作者的积极努
期刊
期刊
期刊
协作意愿、共同目的和信息沟通是系统理论的三个基本要素。系统理论学家巴纳德认为:社会是一个需要组织成员通过信息沟通进行协作,以达到共同目的的人本性、协作性、动态性、
期刊
新质量时代,强调立德树人,聚焦学生核心素养的培养.学校要扎扎实实开展校本研训,引领教师拓展视野,积极投身课堂教学改革,突出学生主体地位.要加大力度,研究学生家长的教育联
高中物理新课程将牛顿运动定律(牛顿第二定律)与运动学规律(匀变速运动的速度公式)相结合推导出了新的力学规律——动量定理,动量定理虽基于牛顿第二定律,但它的适用条件大大拓宽,远远超出牛顿第二定律的适用范围,尤其是对变力作用下的动力学系统,采用动量观点去研究解决问题,其优越性愈加突出,下面我们就通过以下四个典型实例来体现动量定理在解决电磁学综合问题方面的应用: