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爱因斯坦与相对论 赵峥教授 博士生导师 1. 两朵乌云 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后, 他充满自信地说:物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。 然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村”。 事情还要从19世纪下半叶说起，1870年在“铁血宰相”俾斯麦的领导下，德国(普鲁士) 赢得了普法战争，从法国得到大量战争赔款，同时迫使法国割让了亚尔萨斯和洛林两个省。当时的德国，急于从一个以农业为主的“土豆王国”，变成一个工业化的“钢铁王国”。德国的鲁尔区产煤，而紧靠鲁尔区的亚尔萨斯和洛林有丰富的铁矿，再加上大量的赔款，德国发展钢铁工业万事具备，就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温，数千度的炉温，任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度，这就大大促进了对黑体辐射(热辐射)的研究。早已完成工业革命的英国，当然也在改进炼钢技术，因此许多英国科学家和德国同行一样，也致力于黑体辐射的研究。奇怪的是，无论怎么努力，构造什么样的辐射模型，理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。不是在长波波段符合不好，就是在短波波段出现发散，即所谓“紫外光灾难”。这就是开尔文勋爵在迎接新世纪的庆祝会上所谈的第一朵乌云－黑体辐射困难。 1900年底，德国理论物理学家普朗克发现，只要认为原子吸收或发出辐射时，能量不是连续的，而是一份一份的，就可以克服“紫外光灾难”，使黑体辐射的理论曲线与实验曲线相符。普朗克简直不敢相信自己的发现，辐射能怎么可能会是一份一份的呢? 以往的物理理论都导不出这一结果。然而，只要这样做，就可使理论曲线与实验曲线相符。普朗克不能不重视这一点。他在和儿子一起散步时，激动地说，这个发现如果不是错误的，将是非常重要的，也许能够与牛顿的成就相比。然而，在公开场合，普朗克讲得极为谨慎。他毕竟已是一个世界闻名的科学家，他不希望别人看自己的笑话。普朗克在大学的学术会议上报告了自己的结果，但没有加以评论。听报告的许多学生都认为没有听到什么新东西，浪费了自己的时间。实际上，这个报告宣告了物理学的一场革命。普朗克提出了能量量子的概念，给出了著名的普朗克公式 其中 E 是辐射量子的能量，是辐射的频率，h是一个常数，就是现在众所周知的普朗克常数。普朗克的论文开创了量子论，标志着近代物理学的开端。 然而，普朗克的工作是不彻底的。他认为，辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的，一份一份的，而在传播过程中，则仍是连续的。曾有记者问他:“您说能量到底是连续的呢? 还是不连续的呢?”普朗克回答说:“如果一个人用小碗从缸里舀水，倒在水池中，你说水是连续的呢? 还是不连续的呢?”从普朗克的回答中，我们可以看出，他认为辐射本质上还是连续的，只是在原子发射或吸收辐射时，才是一份一份的。把量子化思想贯彻到底的是爱因斯坦。他认为辐射本质上就是不连续的，就是量子化的。不仅在被原子发射或吸收时，而且在传播过程中，辐射的能量都是一份一份的。1905年，爱因斯坦据此提出光子说，把普朗克的量子理论推进了一大步，并用以解释光电效应。普朗克最初对爱因斯坦的这一观点持批评态度，后来才接受下来。以上所说的，就是从第一朵乌云中降生的量子论。 第二朵乌云与光的电磁理论有关。托马斯·扬观察到光的干涉现象之后，惠更斯的波动说战胜了牛顿的微粒说。大家都认识到光是一种波动，进而又认识到，光波本质上是电磁波。人们认为，既然光是波动，就应有载体。19世纪下半叶，流行的是以太理论。以太被描述成无孔不入、无所不在的东西。人们认为以太就是光的载体。光波就是以太的弹性振动。 一个自然的问题是，当介质运动时，它附近(或者渗入它内部)的以太是否被带动? 对遥远恒星的天文观测（光行差实验）告诉人们:以太未被地球带动，迈克尔逊实验认为以太完全被地球带动(即地球附近的以太相对于地球静止)。斐索的水流实验则似乎告诉我们，以太部分地被运动介质带动。这些实验的结论互相矛盾。第二朵乌云指的就是迈克尔逊实验与光行差实验的矛盾。光行差实验的结果早已被普遍接受，与之矛盾的迈克尔逊实验又做得非常精密，可信度很高。以太怎么可能既被带动又不被带动呢? 两难之下，开尔文勋爵不得不在迎接新世纪的庆祝会上指出这朵乌云的存在。1905年，爱因斯坦－一个名不见经传的26岁的年轻人，解决了这个问题。他在一篇名为《论运动媒质的