时空巨人爱因斯坦

 19世纪末经典物理学的理论已基本建立完整。许多物理学家认为物理学的理论已足够完美。在这种观点的影响下,物理学的研究工作处于消极状态之中。如果说实验物理学的三大发现---Ｘ射线、电子、放射性的发现动摇了这种观点,普朗克在1900年为解决热辐射中的“紫外灾难”而创建的“量子论”对这种观点提出了挑战。那么爱因斯坦在这方面所作出的贡献却彻底地将这种观点送入了坟墓。下面让我们对爱因斯坦的生平、主要贡献及成功的原因作一简要的回顾。一、爱因斯坦的生平1879年3月14日爱因斯坦出生于德国南部小城乌尔姆一个犹太人家庭。父亲海尔曼·爱因斯坦是一位电气设备制造商。母亲波林·科克是一位富商的女儿。     

爱因斯坦的科学人文观

爱因斯坦是20世纪伟大的物理学家、思想家和哲学家.他在自然科学特别是物理学方面做出了前无古人、举世无双的巨大贡献,他的量子理论以及相对论开辟了微观物理和宇观物理研究的新纪元,引领着现代科学研究和自然探索的方向.为此,联合国通过大会决议将2005年定为国际物理年,以纪念爱因斯坦在物理学方面为人类做出的贡献,并借此为物理学吸引人才,以及唤起社会对物理学的关注.除此之外,爱因斯坦在人类的和平事业上也做出了不朽的贡献.     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

沃尔顿：从实验家到大先生

相对论是爱因斯坦对人类做出的最伟大科学贡献,特别是脍炙人口的质能方程.但世人却对用实验证明爱因斯坦质能方程的物理学家们不甚了解,直到曼哈顿工程造出原子弹才知晓.其实早在1932年,来自爱尔兰的沃尔顿和来自英国的科克罗夫特在分裂原子的过程中,他们成功通过实验的方式证实了爱因斯坦质能方程的等价性.沃尔顿和科克罗夫特两人由于1932年“用人工加速粒子产生原子核嬗变”这项伟大成就共享了1938年的休斯勋章以及1951年的诺贝尔物理学奖.相比于科克罗夫特的热情与外向,沃尔顿为人低调温和、谦虚内敛,也许正是因为他安静的性格,使得许多人忽视了他杰出的科研成就与卓越的社会贡献.本文以质能方程验证90周年为契机,向广大读者详细全面地介绍这位低调却备受爱尔兰人民爱戴的物理学家——沃尔顿.     

赫兹对经典电磁场理论发展的贡献及其影响

文章根据赫兹的日记、书信和论文集，对赫兹在电磁场理论研究方面的主要论著进行了深入分析，对他在经典电磁场理论发展过程中所起到的重要作用和历史地位给予了更为客观的评价．文章指出，赫兹所发表的电磁学理论研究论文不仅促进了麦克斯韦理论在德国的传播和认同，而且对麦克斯韦方程组的理论基础进行了合理的重建和拓展，并给予更为清晰的逻辑论证，从而对经典电磁场理论的发展和最终完善起到了重要作用．文章还指出，赫兹在电磁场理论研究方面的成就对洛伦兹电子论的建立起到了一定的启发作用，对爱因斯坦早期物理学研究也产生了直接的影响。     

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.     

固体比热问题和量子论的兴起

固体比热的研究是继黑体辐射和光电效应之后量子论的又一次成功.1900年,普朗克在推导热辐射定律中第一次运用了量子假说;1905年,爱因斯坦把量子假说推广到光的产生和转化,提出光量子概念和光电方程.然而,普朗克和爱因斯坦的工作却一直没有得到物理学界的普遍承认.1907年,爱因斯坦进一步把量子论用于固体比热,克服了经典理论面临的又一困难,由于在这方面及时地得到了能斯特(Walther Nernst,德,1864—1941)的实验验证和大力宣传,量子论才开始被一些物理学家认识,打开了进一步发展的局面.本文简要介绍固体比热问题的研究经过. 固体比热问题的…     

前进中的我国物理学研究

非常荣幸同我最尊敬的前辈在人民大会堂一起纪念爱因斯坦、一起纪念世界物理年．刚才，前辈们的报告介绍了爱因斯坦对物理学的贡献、探讨了爱因斯坦的人生观和思想体系、表达了对爱因斯坦的怀念和敬仰、阐述了对物理学的精辟认识、论述了物理学发展对人类社会的重要影响，使我深受教益．今天我想在这个纪念大会上主要汇报的是我国物理学工作者特别是青年一代物理学工作者在我国所做的一此工作。     

走近量子纠缠系列之二 玻尔和爱因斯坦之争

<正>现在,让我们再回到玻尔和爱因斯坦有关量子理论的争论——以下简称为"玻爱之争"。两人都是伟大的物理学家,对量子理论的发展都做出了杰出的贡献。分别因为解决光电效应问题和量子化原子模型而获得1921年、1922年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦和玻尔的争论主要是有关量子力学的理论基础及哲学思想方面。实际上,也正因为这两位大师的不断论战,量子力学才在辩论中发展成熟起来。爱因斯坦一直对量子论及玻尔一派的解释持怀疑态度,他提     

迈克耳孙实验对创立狭义相对论起了决定作用吗?

近年来,我国物理学界对如何评价迈克耳孙实验在创立狭义相时论中的作用,发生了热烈的争论.一种意见倾向于:根据爱因斯坦本人的许多言论,迈克耳孙实验在创立狭义相对论的过程中并未起直接的作用,甚至连1905年以前爱因斯坦是否知道这个实验也还有疑问;另一种意见倾向于:爱因斯坦不仅知道这个实验,而且正如过去多数学者和教科书所说的那样,这个实验对创立狭义相对论起了决定性作用.两种意见都有爱因斯坦本人的言论为据:前者举出他晚年一系列谈话和信件,后者则根据1982年才发现的爱因斯坦1922年在日本所作的《我是怎样创立相对论的?》讲演(发表…     

漫谈两个基本假设与相对论时空观

 爱因斯坦是人类历史上最具创造才智的科学家,他一生开创了物理学的四个领域---狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论,他是量子理论的主要创建者之一,有人说爱因斯坦应该拿6个诺贝尔奖,足见他对物理学和对社会的贡献。一、爱因斯坦创立狭义相对论经历了三个阶段爱因斯坦16岁时就提出“追光”假想实验,这是萌发狭义相对论思想的第一个阶段;爱因斯坦对光、麦克斯韦方程、电磁波、以太、地球运动等问题的深入思考,最初起源于消除电磁学理论中的不统一性,可以看作他思想发展的第二阶段;重审、放弃传统的时间观念,在同时性问题上的突破,可看作第三个阶段。     

法拉第──提出波粒二象性概念的先驱者

法拉第──提出波粒二象性概念的先驱者阎康年（中国科学院自然科学史研究所，北京１０００１０）很多史料表明，在爱因斯坦提出波粒二象性概念之前，在波粒二象性概念的起源上还有一个发展过程，例如法拉第在这个问题上曾经作出了重要的贡献，而且与爱因斯坦在提出该概念...     

邮票上的物理学史——赫兹和电磁波

德国物理学家Ｈ .赫兹 ( 1 857～ 1 894年 ) (图 1 ,西德1 957年 ;图 2 ,东德 1 957年 )虽然只活了短短 3 7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 .1 9世纪 70年代 ,当赫兹开始科学活动时 ,人们对电磁现象的认识 ,还处于莫衷一是的状态 .麦克斯韦的电磁理论刚刚建立 ,由于用到比较高深和新颖的数学工具 ,更由于牛顿力学的概念已经深入人心及宏观力学现象的直观性 ,它并没有被普遍接受 ,许多物理学家仍然局限在机械论的框框内 ,企图依照力学理论来建立电磁理论 .麦克斯韦理论的关键是位移电流…     

关于对爱因斯坦的误读问题

爱因斯坦在一封有名的短信中,讲西方科学发展的基础时,提到了中国.这封信被收入<爱因斯坦文集>第一卷574页(商务印书馆,1976年),由胡文耕先生译出.这封信虽短,但对我国学术界却产生了不小的影响.近年来我们看到,在国内一些学术书刊上,一些专家学者们都在引用它.遗憾的是,这封信最后一句对我们中国有影响的译文,却不是爱因斯坦的原意.陈明远先生曾在<文汇报>(1998年4月16日)上发表<对爱因斯坦的误读>一文,指出"译者看错了原意",使得"引述者(包括许多知名的学问家)以此作为‘中国古代已经做出了西方科学两个伟大成就'的证据,无不沾沾自喜."我们觉得,陈明远先生指出了对爱因斯坦原文的误读,对我国学术界来说,是一件很有益的事.     

低温辐射计不同结构黑体腔吸收率仿真与实验测量

目前,国际最高光辐射功率基准为低温辐射计,其可探测光谱范围覆盖真空紫外到太赫兹波段(115 nm～T Hz),利用真空低温超导条件下的电替代测量原理,将光辐射功率参数溯源到可以精确测量的电参数进行高精度测量,实现超宽光谱范围的光辐射绝对功率测量,其测量不确定度达到10-5量级,尤其在国防军事和光辐射计量领域,光电有效载...     

论爱因斯坦奇迹年——纪念爱因斯坦逝世50周年

 科学史上“奇迹年”一语长期以来用于描述1666年。在该年,牛顿为17世纪科学物理学和数学的许多方面奠定了基础。把这一词语用来描述1905年也完全合适。在这一年里,爱因斯坦发表了5篇划时代的物理学论文,在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献,创造了科学史上更大的奇迹。一是他在该年里提出光量子假说,为量子理论的发展做出了巨大贡献.     

狄拉克科学贡献中的美学思想

 狄拉克（Ｐ．Ｄｉｒａｃ,１９０２-１９８４）是世界著名的数学物理学家．他的研究工作主要在量子力学的数学和理论两个方面,他最重要的科学贡献是于１９２８年建立了相对论量子力学的狄拉克方程,从而获得了１９３３年诺贝尔物理学奖．其实,狄拉克巨大的科学贡献深受他的美学思想的影响,让我们在此一睹狄拉克科学贡献中的数学美和对称美．一、狄拉克方程──数学美２０世纪２０年代末,量子力学已经建立,用它来研究和处理微观粒子的低速运动问题取得了很大成功．同时,爱因斯坦建立的相对论,虽然能够讨论粒子的高速运动,但在处理微观粒子的波粒二象性上却无能为力．     

从罗伯森到今天的宇宙学

爱因斯坦创立了引力的现代理论——广义相对论.这一理论将引力和宇宙学都几何化了.爱因斯坦本人曾设想过一种空间封闭的定态宇宙.弗里德曼发现(或猜想)了一种爱因斯坦场方程的非定态解.哈勃发现了遥远星系的红移,从而证实了宇宙膨胀演化的观念. 罗伯森采取了一条在逻辑上和数学上都严格的途径.在假定宇宙是严格均匀和各向同性的情况下,他找出了所有可能的“宇宙学”.他的结果和弗里德曼的猜测一致但更为可信. 罗伯森继后还探讨了这个解的所有观测性质:如天体的红移、角大小、亮度等与光从发射到接收所经历的时间的关系. 1965年发现了宇宙微…     

臂型网格结构增强石墨烯电调制太赫兹透射

为提高单层石墨烯薄膜电控太赫兹调制器的调制深度,提出一种臂型金属网格微结构与石墨烯结合的太赫兹波透射调制器件.通过臂型金属网格结构激发的共振耦合场增强石墨烯与太赫兹波的相互作用,使石墨烯在外加电压调制下对太赫兹波透射幅度的调制深度获得大幅提升.通过有限元仿真分析了金属结构参数对石墨烯与太赫兹波相互作用增强规律的影响,理论结果表明,臂型网格结构使石墨烯对太赫兹波透射幅度调制深度从7.7%提升到了28.2%.在理论结果的基础上,基于光刻工艺完成了器件的结构制作,实验测试中获得了24%的太赫兹幅度调制深度,且调制深度曲线与理论仿真规律基本一致.     

全反式β-胡萝卜素太赫兹光谱的实验及理论研究

采用傅里叶变换红外光谱技术和太赫兹时域光谱技术,在室温下对全反式β-胡萝卜素薄膜进行了光谱测试.据此,详细地指认出全反式β-胡萝卜素在太赫兹波段的指纹谱峰,并验证了近期报道的棕树叶的太赫兹光谱结果.运用密度泛函理论的B3LYP方法计算了全反式β-胡萝卜素的太赫兹光谱,理论计算结果与实验测量结果基本符合.此外,根据理论计算结果,对实测的太赫兹特征峰的振动模式进行了系统归属.本文研究结果有助于推动有机物的太赫兹光谱规律和太赫兹响应原理等理论与应用研究.