邮票上的物理学史--赫兹和电磁波

德国物理学家H.赫兹(1857～1894年)(图1,西德1957年;图2,东德1957年)虽然只活了短短37年,却作出了两大发现:一是在实验上证实了麦克斯韦预言的电磁波;二是发现了光电效应.     

邮票上的物理学史连载邮票上的物理学史(29)--门捷列夫和周期表

19世纪里无机化学有了很大的发展.从1807年到1844年,通过电解方法制得了钾、钠、钙等活泼金属元素.到了60年代,开创了光谱分析方法,又发现了铯、铷、铟等元素.到1869年,一共发现了63种化学元素.对这些元素及其化合物的性质,积累了大量经验知识.但是,这些知识却显得杂乱无章,缺少一条综合的、有内在逻辑联系的规律.不少化学家进行过元素分类的尝试,但是他们的工作只是对部分元素有效,不能把全部元素归纳到一个总系统中,直到俄国化学家门捷列夫提出周期律,才建立了这么一个体系.     

邮票上的物理学史--爱因斯坦和相对论

爱因斯坦于1879年3月14日出生于德国的一个犹太家庭.他从小特立独行,坚持独立思考,反抗传统的桎梏,富有叛逆精神.他对当时德国学校中窒息自由思想的军国主义教育深恶痛绝 ,后来曾说过："对一个随着军乐队在队列中摇头晃脑齐步走的人,我只能给予鄙视.他长 着一个脑袋简直是个错误,这样的人一根脊髓就够了."1894年,他全家移居到意大利的米 兰,把他一个人留在慕尼黑上中学.由于厌恶德国学校,不到一年,中学还没有毕业,他就 自动放弃学籍回到意大利家中.1895年,他到瑞士的阿劳进大学预科班.他喜欢瑞士比较自由 宽松的气氛,办理了放弃德国国籍的手续.1896年进苏黎世的联邦综合工业大学师范系学习 物理学,1900年毕业.1901年,他加入瑞士国籍.此后,终爱因斯坦一生,即使在他回柏林担 任普鲁士科学院院士时和入籍美国后,他都保留了瑞士公民身份(图1,瑞士1972年,瑞士名 人). 大约在他到阿劳的同时,他就开始思考一个问题："如果我以光速〖WTBX〗c追随光线运动 ,我应当看到这样一条光线,就好像一个在空中振荡着而停止不前的电磁场.可是不论是依 据经验,还是按照麦克斯韦方程,看来都不会发生这样的事情."他对这个悖论思考了10年 ,直接引导他建立狭义相对论. 大学毕业后,他找不到工作,只能以当代课教师和替人补习物理为生.1902年,他的同学格 罗斯曼的父亲替他在伯尔尼的联邦专利局找到一份工作,从事专利申请的技术鉴定.他对这 项工作挺满意,因为他在处理公务、审定专利之余,还有时间自己思考问题.他在这个岗位 上干了7年. 1905年,26岁的爱因斯坦一年里在著名的《物理学杂志》(《Annalen der Physik 》)上发表了4篇论文,涉及3个不同的领域,每一篇都足以使他在物理学史上占据不朽的地 位.这种旺盛的创造力,只有当年在伍尔索普农场躲避瘟疫的23岁的牛顿可以相比.第一篇《 关于光的产生和转化的一个启发性的观点》,提出了光量子的概念,并作为这个概念的简单 应用解释了光电效应.有关的史实和邮票我们在"波粒二象性"一节中介绍.第二篇《热的分 子动理论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动》讨论了布朗运动的理论,用这个理论确证原 子的真实存在,并提出一种测定玻尔兹曼常量的新方法.第三篇《论运动物体的电动力学》 全面阐述了狭义相对论,掀起了时空观的革命.第四篇《物体的质量同它所含的能量有关吗? 》根据狭义相对论导出了著名的质能关系〖WTBX〗E=mc2,"物质的惯性是它所含能量的 量度".这个公式是爱因斯坦邮票中最常见的公式,因为它是狭义相对论中对人类生活影响 最大的公式,是核能利用(包括和平利用和用作武器)的理论基础(图2,尼加拉瓜1971年," 改变世界的10个方程"邮票之一.图上有蘑菇云,也有原子能的和平利用).但是有一种流行 的说法,即正是这个公式使原子弹成为可能,因此爱因斯坦是"原子弹之父",却纯粹是胡 说.正如爱因斯坦传作者、物理学家派斯所说,这个说法就和"字母的发明使圣经的写作成 为可能"一样. 爱因斯坦最伟大的贡献当然是创立相对论.但是我们在前面已经看到,狭义相对论的许多公 式,如洛伦兹变换、质量随速率的变化等,洛伦兹和庞加莱在爱因斯坦之前已经得到了.那 么,为什么我们说相对论是爱因斯坦创立的呢?这是因为,他们的出发点和思路是完全不同 的,得到的公式虽然形式一样,意义也完全不同.爱因斯坦是把相对性原理和光速不变原理 这两条似乎矛盾的原理放在一起作为出发点,推导出简洁明快的理论.而洛伦兹则作出种种 特定的假设,叠床架屋,非常繁琐,运动的相对性是满足一些特定假设的动力学所导出的运 动学效应.相对论里的长度收缩是一种空间变换性质,与任何物质的具体结构无关,虚空也 会出现收缩,而洛伦兹则假设长度收缩与分子力的变化有关.这里的关键是扬弃牛顿的绝对 时间的观念.爱因斯坦曾这样回忆自己发现新观念的过程："忽然我领悟到这个问题(指相 对性原理和光速不变原理的表观矛盾)的症结所在.这个问题的答案在于对时间概念的分析, 不可能绝对地确定时间,在时间与信号速度之间有着不可分割的联系.利用这个新观念,我 第一次彻底解决了这个难题."他又说："只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不 知不觉地留在潜意识里,任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试都是注定要失败的."洛 伦兹和庞加莱正是由于没有跳出绝对时空观的框架,虽然走到了狭义相对论的边缘,却没能 创立相对论.[JP] 迈克耳孙-莫雷实验的否定结果是光速不变的一个实验证明.爱因斯坦肯定也知道这个实验 结果,但是在爱因斯坦的文章里却没有提到它.这是因为,这个实验结果的确没有在爱因斯 坦创立相对论的思考中起重要的作用.爱因斯坦是以自己的方式,从麦克斯韦方程用到运动 物体时的不对称性来提出问题的. 新的时空观是如此超出日常经验,人们不容易接受.因此狭义相对论也没有很快得到物理学 界承认.普朗克和他的助教劳厄是最早支持相对论的人.普朗克从《物理学杂志》编辑部看到 爱因斯坦的文章后,立即看出它的价值,并在柏林大学主持了狭义相对论的讨论班.他还在 把相对论从电动力学推广到力学方面做了一些工作.劳厄参加了这个讨论班,深为这个理论 所吸引.1907年他专程去伯尔尼拜访爱因斯坦,从此成为终生的挚友.1911年,劳厄写了世界 上第一本介绍狭义相对论的专著《相对性原理》. 随着学术声誉的提高,爱因斯坦的境遇也有所好转.1908年兼任伯尔尼大学无公俸讲师,190 9年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授,1911年任布拉格德语大学教授,1912年任 母校苏黎世联邦工业大学教授.德国的物理学家们希望爱因斯坦能回到德国工作.为此,普朗 克和能斯特于1913年亲自跑到苏黎世,向爱因斯坦提供优厚的条件,邀请他去柏林.爱因斯 坦在保留瑞士国籍的条件下接受了邀请.但是德国人则认为,爱因斯坦担任普鲁士科学院院 士就自动取得了德国国籍,爱因斯坦也就认可了.爱因斯坦于1914年4月去了柏林.同年8月第 一次世界大战爆发,他参加了公开和地下的反战活动.当时,为了对协约国谴责德国入侵中 立国比利时作出反应,德国一些著名的学者,包括普朗克、伦琴、能斯特在内共93人,发表 了一个为德国侵略暴行辩护的《文明世界的宣言》.爱因斯坦拒绝在这个宣言上签名,而在 一个针锋相对的宣言《告欧洲人书》上签了名,是总共4位签名者之一. 他是地下反战组织 "新祖国同盟"的创始人之一,并且同著名法国作家、和平主义者罗曼罗兰保持着联系. 大战期间,爱因斯坦仍然没有间断他的科学研究.事实上,1915年到1917年这3年是爱因斯坦 第二个科学创造高峰期.1916年3月他完成了广义相对论.同年发表论文《关于辐射的量子理 论》,在玻尔的量子跃迁概念的基础上,进一步发展了光量子理论,提出了自发辐射和受 激辐射这两种辐射形式和跃迁概率的概念,奠定了激光的理论基础;还讨论了光子的动量.1 917年他用广义相对论的结果研究整个宇宙的结构,开创了现代宇宙学.1917年爱因斯坦是38 岁.爱因斯坦邮票上出现的爱因斯坦像大都是老年时的肖像,反映这一段比较年轻的时候的 邮票有图3(乍得1997年,右下方是以爱因斯坦的名字命名的航天器)和图4(库克群岛的艾图 塔基1980年,纪念爱因斯坦逝世25周年,全套6张之一).此外,民主德国1979年纪念爱因斯 坦诞生100周年的小型张(图5)上的画像也还在中年,边纸下方是民主德国科学院的爱因斯坦 塔楼. 爱因斯坦在建立了狭义相对论之后就开始试图把相对性原理推广到非惯性系.他从惯性质量 等于引力质量(即一切物体在引力场中具有同一加速度.这一事实伽利略就已知道,有关邮票 见"伽利略"一节;后来厄特沃什用更高的精度证实,有关邮票见"重力场的研究"一节) 出发,于1907年建立了等效原理："引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价" .然后,经过多年的反复思索,在理论的协变性方面走了一些弯路,在他的同学格罗斯曼 的帮助下找到了合适的数学工具黎曼几何和张量分析,终于在1926年建立了广义相对论.爱 因斯坦本人更欣赏他在广义相对论方面的工作.他曾对他的助手英费耳德说："要是我没有 发现狭义相对论,也会有别人发现的.问题已经很明确了.但是我认为,广义相对论的情况不 是这样."他这段话强调了,广义相对论涉及的内容和发现它的动机,与其他物理学家的关 心和兴趣相去甚远. 广义相对论的一个可用实验检验的结论是,太阳使经过它附近的光线偏转.预言的偏转值是1 .7″.1919年发生日全食,英国天文学家爱丁顿等人率两支观测队分赴西非的普林西比岛和 巴西的索布拉耳两地观测,观测结果基本上符合爱因斯坦的预言.多哥在1979年为爱因斯坦 诞生100年发行了一套6张纪念邮票,其中一张(图6)示意性地表示了这一观测.上面的实线代 表真实的光线,下面的虚线代表星星的视位置. 多哥的这套邮票中还有一张(图7)是爱因斯坦拉小提琴.爱因斯坦擅长拉小提琴是有名的,他 喜欢莫扎特的音乐.他曾以音乐为例说明兴趣的重要性："我在6岁到14岁时学过小提琴,但 是都没有碰上好教师.对于这些老师来说,音乐只是机械的练习.我真正学到音乐是在我爱上 莫扎特的奏鸣曲以后.我渴望把异常优美的乐曲表达出来,就逼着自己提高演奏技巧.我认为 ,对一切都一样,兴趣才是最好的教师,它远远超过责任感".本来,德、奥的科学家由于 家庭教养和社会风气,音乐素养一般都很好,如普朗克、玻恩、海森伯、薛定谔等,普朗克 还考虑过以音乐为职业,但他们一般都是长于钢琴,像爱因斯坦这样擅长拉小提琴是比较少 的.由于多次到布鲁塞尔参加索耳未会议受到比利时国王招待,爱因斯坦和比利时王室熟悉 起来.王后小提琴也拉得很好,他们常常在一起合奏,爱因斯坦拉第一小提琴,王后拉第二 小提琴,建立了终身的友情.     

邮票上的物理学史--哥白尼的日心说

文艺复兴时期自然科学方面最大的进展是哥白尼的日心说、哥伦布和麦哲伦的地理发现和伽里略在物理学方面的工作.地理发现无可辩驳地证明了地圆说,而日心说则根本改变了人们的宇宙观.     

邮票上的物理学史(68)--宇宙学

同星系天文学方面的工作相比 ,哈勃更重要的贡献是关于红移 -距离关系的哈勃定律的发现 (图1,圣文森特所属格林纳丁斯 2 0 0 0年 ,2 0世纪重大事件 ,邮票下方的英文是“192 9:哈勃和膨胀的宇宙”) .星系光谱的频移是美国天文学家斯里弗 (V .Slipher)发现的 ,他发现了绝大部分红移和个别同我们距离近的蓝移 .对光谱频移现象最现成的解释是多普勒效应 :红移表示星系离我们而去 .星系的这种退行并不是以我们为中心 ,而是整个宇宙的膨胀 ,如同一个膨胀气球的表面上的各点 ,每一点都相对于其他点退行 .个别星系的谱线蓝移表示离我们距离近的一些星团或星系的本动超过了膨胀运动 .192 9年 ,哈勃利用美国哈佛大学女天文学家勒维特 (H .S .Leavitt)发现的造父变星的周光关系确定星系的距离 ,发现了星系光谱的红移与星系离我们的距离成正比关系 .当时他掌握的资料只有 33个近距离星系的数据 ,距离测量也不准确 ,数据分布非常弥散 ,离拟合的直线很远 .但是后继研究却证明了上面的关系是正确的 .两年后 ,1931年 ,哈勃积累了更多的更远的星系的数据 ,发现这个关系仍然成立 ,而且拟合的质量好多...     

邮票上的物理学史(78)--诺贝尔物理学奖

每年10月上旬,人们的目光都移向斯德哥尔摩,都在猜测：本年度的诺贝尔奖将花落谁家?诺贝尔奖是科学界的最高荣誉,每年一度的诺贝尔奖,对于把公众的注意力引向当前的科学前沿起了不可替代的作用．     

邮票上的物理学史(75)--计算机和物理学

20世纪后半叶一件大事是计算机的发展 .它同物理学的发展紧密联系 ,互相促进 ,相辅相成 .我们先简略回顾一下计算机发展的历史 .在电子学之前 ,人们总是企图用机械办法造出计算机 ,像钟表一样用齿轮传动的装置来实现 .早期的繁重计算主要出现在天文学中 ,因此天文学家特别关心计算工具的改革 .16 2 3年 ,德国人施卡德在写给开普勒的信里 ,介绍了他设计的一种计算机 .图 1(西德 1973年 ,计算机器 35 0年 )是复原的他的样机模型 .此后的重要两步是帕斯卡和莱布尼兹迈出的 (他们的邮票见前 ) .帕斯卡的计算器是一个原始的加法器 .莱布尼兹的机…     

邮票上的物理学史——中世纪

希腊衰亡，罗马代之而起．罗马人在政治上和军事上很在行，政治家纵横捭阖，在元老院里发表雄辩的演说，军队统帅率领军队南征北战，但自然科学却不怎么样．他们关心的是实用问题，对抽象思维很少兴趣．罗马人没有继承好希腊文化中丰富的自然科学遗产．罗马帝国衰亡之后，...     

邮票上的物理学史B28--原子论的确立

原子论最早是由古希腊哲学家德谟克利特(邮票见本专栏第一篇"古希腊时期")提出的.他认为,万事万物都由原子和虚空组成.原子既不可分,也不会变,并且没有内部组成.不同元素的原子不同.它们以机械的嵌合方式结合,构成万物.各种物体及其属性的差别归结为组成它们的原子的数量不同.这个理论带有朴素唯物论的色彩.伊壁鸠鲁继承和发展了德谟克利特的原子论,他的原子可以有内部组成,但仍是不可分的.罗马的卢克莱修的长诗<论物性 >系统地阐述和宣扬了伊壁鸠鲁的原子论.     

邮票上的物理学史--气体动理论和统计力学的建立

气体动理论是热学的一种微观理论,用分子的运动来解释物质的宏观性质.它的基本概念有两个:一是物质由大量分子和原子组成;二是热现象是这些分子无规运动的一种表现形式.     

邮票上的物理学史(73)--现代光学

现代光学的进展主要集中在四个方面：信息光学,激光,非线性光学,光电子学．     

邮票上的物理学史(77)--生物物理学

生物物理学是生物学和物理学之间的边缘学科,它用物理学的概念和方法研究生物各层次的结构与功能的关系,以及生命活动的物理过程和物理化学过程.它的研究范围很广泛,历史上,像对生物发光(萤火虫)现象的研究,伽凡尼对肌肉的电学性质的研究,托马斯*杨对眼睛的几何光学性质的研究,亥姆霍兹把能量守恒定律应用于生物系统等,都可以归到生物物理学.我们不在这里追溯这些历史,只结合邮票上的资料就20世纪40年代以来的新进展作一简述,以便从中看到物理学和物理学家对生物学发展所起的重要作用.     

邮票上的物理学史(74)--电子学

电子学是一门应用科学,用来研究和利用电子在真空、气体和固体中的运动及其和电磁波的相互作用,特别是制成各种电子器件,为信息、能源和材料科学服务．前面说过,电子学和无线电波的研究和应用是分不开的,二者合起来构成无线电电子学．我们分成了两节来介绍,前面已介绍过无线电,本节专门讨论电子器件的发展,一是因为内容大多,二是因为晶体管是在固体能带论和半导体物理学的指导下发明的,在凝聚态物理学之后来讲更合适．     

邮票上的物理学史(57)--原子核物理学

前面说过的放射性、同位素、中子、裂变、聚变、反应堆都属于原子核物理学.本节讨论原子核物理学更进一步的内容.     

邮票上的物理学史(76)--医学物理学

在科学技术发展的基础上,现代医学在20世纪取得了飞跃进展,物理学对此作出了重大的贡献。