爱因斯坦发表的第一篇论文

爱因斯坦的一项开创性贡献是发展了量子论。量子论是普朗克于1900年为解决黑体辐射谱而提出的一个假说。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，都不敢把能量不边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（今通称二象性），它直接为德布罗意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1921年诺贝尔物理学奖金。爱因斯坦于1906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。1916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方面--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。 作为爱因斯坦终生事业的标志是他的相对论。他在1905年发表的题为《论动体的电动力学》的论文中，完整地提出了狭义相对论。他根据惯性参考系的相对性和光速的不变性这两个具有普遍意义的概括，改造了经典物理学中的时间、空间及运动等基本概念。否定了绝对静止空间的存在，否定了同时概念的绝对性。在这一体系中，运动的尺要缩短，运动的钟要变慢。狭义相对论最出色的成果之一是揭示了能量与质量之间的联系。著名的关系式E=mc^2成为打开核能源理论的金钥匙。核能的发现，使长期存在的恒星能源的疑难最终获得了满意的解决。近年来发现越来越多的高能天体物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。 狭义相对论确立之后，爱因斯坦开始致力于引力理论的研究。他也象在建立狭义相对论的工作一样，抓住一个众所周知的基本事实，即：惯性质量同引力质量之比是一个与物性无关的普遍常数。根据这一点，他提出等效原理。经过多年的努力，终于在1915年建立了本质上与牛顿引力理论完全不同的引力理论---广义相对论。广义相对论从一开始就与天文现象有密切的关系。广义相对论的一系列关键性的检验，都是在宇宙“实验室”中完成的。根据广义相对论，爱因斯坦推算出水星近日点的（反常）进动，解决了一个天文学上多年不解之谜。同时，他推断光线在引力场中要弯曲。这一预言于1919年由爱丁顿等通过日食的观测而得到证实。在六十二年后的1978年，测定了射电脉冲星双星PSR1913+16的周期变化，许多人认为它完全符合引力波阻尼理论所作的预言，对广义相对论可能是又一个有力的证明。在强引力场情况下，广义相对论有许多独特的结论。例如奥本海默根据广义相对论预言，恒星在核能用尽之后，如果质量足够大，就不可避免地会演变成黑洞。1967年发现脉冲星并证实为中子星后，人们认识到到空中的确存在着强场天体。现在，天鹅座X-1被认为可能就是一个黑洞。上述这一切构成相对论天体物理学的基本内容，它是目前天体物理学中最活跃的分支之一。 最能代表爱因斯坦对天文学有重大影响的莫过于他的宇宙学理论了。爱因斯坦在确立了广义相对论之后，紧接着就转向了对宇宙的考察。1917年，爱因斯坦发表他的第一篇宇宙论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》。象他多次以一篇论文开创一个领域一样，这篇论文宣告了相对论诞生。虽然时间已经过去六十多年了，但是，这篇论文所引进的许多观念至今仍富有生命力。在探索宇宙中，爱因斯坦首先指出无限宇宙与牛顿理论二者这间存在着难以克服的内在矛盾。在原则上，根据牛顿力学不能建立无限宇宙这一物理体系的动力学。从牛顿理论和无限宇宙这两点出发，根本得不到一个自洽的宇宙模型。因此，必然是：或者修改牛顿理论，或者修改无限空间观念，或者对二者都加以修改。爱因斯坦放弃了传统的宇宙空间三维欧几里得几何的无限性。他根据广义相对论建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型。在这个模型中，宇宙就其空间广延来说是一个闭合的连续区。这个连续区的体积是有限的，但它是一个弯曲的封闭体，因而是没有边界的。 爱因斯坦在宇宙学的研究中引进用动力学建立宇宙模型的方法，引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念。而且他主张，宇宙的体积是无限的或有限的这个问题，只有依靠科学而不是依靠信仰才能解决。这种崇尚科学的态度，继承了由哥白尼等开创的科学探索精神。他曾说：“科学研究能破除迷信，因为它鼓励人们根据因果关系来思考和观察事物。”他的宇宙学研究，体现了这种反对迷信的精神。因此，无论是同意或反对他的宇宙观念的人，都有不能不承认，爱因斯坦在宇宙学中也写下了十分光辉的一页。

1905年，年轻的阿尔伯特·爱因斯坦改变了我们思考空间、时间和物质的方式。他认识到，要理解为什么光速在所有参照系中都相同，唯一的方式就是假设时间并不像牛顿所认为的那样是绝对的，而是相对的。在运动系统中时间的流逝是不同的。而且，刚体的长度也不是恒定的而是变化着的，这种现象被称为洛伦兹收缩。此外，爱因斯坦还认识到，物质和能量在本质上是相同的。根据他的着名公式E=mc2，质量可以转变为能量。爱因斯坦并不认为他的公式会对描述粒子的相互作用有用，可是在适当的时候我们已经看到，爱因斯坦的公式甚至还描述了电子及其反粒子即正电子湮灭成两个光子，或者通过两个光子碰撞而产生一对正负电子。核反应堆中能量的产生也是爱因斯坦公式的直接应用。1905年，爱因斯坦发表了5篇论文，掀起了一场影响百年的物理革命。至今，爱因斯坦的科学思想仍引导着我们改变世界。他的5篇论文分别是： 《关于光的产生和转化的一个启发性观点》讨论光量子以及光电效应 《分子大小的新测定》推导出计算扩散速度的数学公式 《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》提供了原子确实存在的证明 《论动体的电动力学》提出时空关系新理论，被称为"狭义相对论” 《物体的惯性是否决定其内能》建立在狭义相对论基础上，表明质量和能量可互换，后来推出最着名的科学方程：E=mc2 阿尔伯特.爱因斯坦(1879年至1955年)在1919年与儿子埃德瓦的谈话中说："当一只甲虫在一根弯曲的树枝上爬行的时候，它并没有觉察到这根树枝是弯曲的。我有幸觉察到了甲虫没有觉察到的东西。”这便是爱因斯坦的科学之旅。 一个智力迟钝的小孩26岁发表改变世界的论文 爱因斯坦出生在德国南部小城市乌尔姆，该市的座右铭是"乌尔姆人都是数学家”。市民们对教育十分重视。爱因斯坦却并未被父母和老师看作天才，他3岁才开始说话，上学时回答问题要思考半天，校长甚至对爱因斯坦的父亲说：您的孩子无前途可谈。中年以后，爱因斯坦在给朋友的信中曾写道："为什么是我，而不是他人发现了相对论?我想可能是由于我童年时代是一个智力迟钝的小孩。一般人对时间和空间的认识大都在童年时代完成，而我发育较迟，到了成年才开始考虑时间与空间的问题。成年人思考孩童时的问题当然要更深一些，更成熟一些。” 爱因斯坦对时间与空间这类科学问题的纯真追求贯穿一生。12岁时，他就在担任电气工程师的叔叔等人引导下，阅读古代大数学家欧基理德的几何着作；16岁时，他撰写了第一篇科学论文《关于磁场中以太状态的研究》。爱因斯坦1900年从瑞士的苏黎世高等工程学院毕业，获得了数学教师的资格证书，却没有去教书，他的一些科学论述被认为"不合逻辑”。在瑞士专利局当了小职员后，他仍坚持自己的研究，论文一次次地被退回。直到1905年，德文版的《物理学纪事》(又称《物理学年鉴》)终于发表了爱因斯坦的第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，这一年，爱因斯坦26岁，他在这个权威杂志上连发了5篇"改变世界的论文”。 光.光电效应.激光无限 爱因斯坦1905年6月发表的第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，解释了光的本质，这使他在1921年荣获了诺贝尔物理学奖。在论文中，爱因斯坦将量子概念应用于解释光电效应：当一块带静电的金属受到光线照射时会释放电子。他认为光束是由粒子(后来被称作光子)组成，从而与光只有波动属性的主流观念相矛盾。这篇论文为构成量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。光电效应后来成为众多技术的基础。 爱因斯坦对光的研究一直影响着现代光学的发展，仅以激光技术为例。1917年，爱因斯坦在论文《论辐射的量子性》中，继续探索着光和物质的问题。他认识到如果原子吸收了光，它们可以变为激发态，也就是说跳到更高的能级，它们自然发光返回到较低能级。除了吸收和自发辐射之外，爱因斯坦推断出一定存在第三种作用，那就是光子可以诱导受激原子发出另外一个光子，这两个光子可以激发另外两个原子放出光子，于是产生了四个光子，四个光子又可以产生八个，依此类推。 这种产生相乾光束的把戏，会建立"粒子数反转”，即受激原子多于未受激原子，从而找到使光子发射聚集成强光束的方法。这一设想直到1954年才得以实现，哥伦比亚大学的H.Townes和他的同事们从"爱因斯坦的超前理论”得到启示，发明了激光的前身微波激射器"maser”。 原子.悬浮小粒子.现代统计力学 爱因斯坦1905年7月发表的论文《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，被认为是第二篇"对世界产生革命性影响”的论文。在论文中，爱因斯坦为"特定大小原子的存在”提供了证明。 在19世纪至20世纪初，原子是否存在是有争议的。爱因斯坦在这篇论文中，创立了支配"布朗运动”的数学定律，推进了"布朗运动”和原子存在的观点。他预测了给定体积的液体中分子的数量和质量，以及这些分子如何快速运动。这种飘忽不定的运动被称作"布朗运动”，以罗伯特.布朗在19世纪初对水中花粉粒不规则的"之”字型运动的观察而命名。爱因斯坦认为，水分子的运动足够剧烈，从而能够推动悬浮的颗粒，使得颗粒的飘舞在显微镜下能够观察得到。该文是对现代统计力学的一项重大贡献，其导出的方法可用于模拟空气污染物的行为或股票市场涨落走势。2003年，利用类似于制造微芯片的技术，美国普林斯顿大学的C.Sturm及其合作者制造了布朗棘轮，它看上去有点像大拇指甲大小的弹球盘机。在几次测试中，Sturm进行了分离实验，他将水和两种不同病毒的DNA混合物通过棘轮，结果很可靠地把较重的病毒基因组与较轻的分离开来。利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大DNA片段所需用的时间，较之当前所用的方法，可省时2/3，而且更廉价且设备更便携。 相对论.时间空间概念.质量能量转换 爱因斯坦在1905年9月和11月发表的两篇论文《论动体的电动力学》和《物体的惯性是否决定其内能》，被简述为"狭义相对论”，被认为是最具有划时代意义的理论革命。在《论动体的电动力学》中，爱因斯坦提出的一种理解时空关系的新方式；在《物体的惯性是否决定其内能》上，爱因斯坦论述了建立在狭义相对论基础上，质量和能量是可以互换的。 相对性原理的出现要早于爱因斯坦数百年。1632年伽利略就提出：无论观察者的运动状态如何，只要其运动速度不变，所有物理定律都相同。在一艘匀速运动轮船的甲板上观察，石块从桅杆上垂直落下；从静止轮船的甲板上看到的将是同样的情况。对于牛顿在17世纪中期提出的力学定律而言，该相对性原理也成立。但是随着19世纪后期电磁学的出现，这种一致性被打乱了。 爱因斯坦着手处理的是电磁学与物理学其他领域的不调和。作为一位具有深刻审美意识的科学家，他无法容忍相对性原理不能像解释牛顿力学一样去解释电磁学。1905年的这篇关于狭义相对论的文章，通过将相对性原理应用于电磁学，他重新肯定了该原理适合于所有物理学，并且确认光速为一个常数。在解决了相对性悖论的同时，文章还提出一个与人们常规直觉相违背的新的相对性原理，即无论观察者是坐在前廊的摇椅上，还是乘坐以接近光速飞升的未来太空船上，光速对他都保持不变。光速不变原理彻底摧毁了我们的绝对时空观。速度等于距离除以时间。他们的体重将比飞船起飞前增加了。 爱因斯坦奇迹年的第5篇论文作为狭义相对论的补遗，他在文中描述道："物体质量是其内能的一个尺度”。爱因斯坦于1907年将内能概念重新表述为有史以来最着名的科学方程。方程E=mc2同样适用于动能。相对于摇椅中观察者，太空船的速度越快，则其动能和质量也越大，从而使得它越来越难以加速。当飞船速度接近光速时，提升飞行速度所需要能量增量太过巨大，以至于继续加速越来越费劲，这也是为什么超光速火箭飞船只可能出现在科幻小说中的原因之一。 1905年之后，最佳成就才真正出现。作为一项知识成果，爱因斯坦1916年又发表了广义相对论。从证明原子的存在、推出E=mc2公式到原子弹爆炸，爱因斯坦的理论与现实很近很近。1939年8月，爱因斯坦曾致函罗斯福总统，建议美国开展对原子核的研究，担忧德国法西斯可能制造原子弹。随之美国有了研制原子弹的"曼哈顿计划”。但是，爱因斯坦并未参与其中。他的理论被广泛应用各个领域。 相对论的意义