《相对论、宇宙与时空》连载②——爱因斯坦与狭义相对论上

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1、万方数据第28卷第2期2008年2月大学物理COLLEGEPHYSICSVoll28No．2Feb．2009《相对论、宇宙与时空》连载②——爱因斯坦与狭义相对论(上)赵峥(北京师范大学物理系，北京100875)1两朵乌云1900年，就是八国联军侵略中国的那一年，东方各国大都处于西方帝国主义的奴役之下，只有Et本由于明治维新而走上了富强的道路．那年的4月27日，在英国皇家学会迎接新世纪的年会上，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

2、是明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克耳孙实验有关¨一73．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

3、国的鲁尔区产煤，而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～样，也致力于黑体辐射的研究．当时一些人把辐射体视为由大量谐振子(例如分子、原子或其他抽象的东西)构成．吸收辐射，谐振子振动就加强；释放辐射，谐振子振动就减弱．物理学家以谐振子为基础来构造辐射模型．奇怪的是，无论怎么努

4、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(图1)．维恩的模型在短波波段与实验符合较好，但在长波波段偏离较大．瑞利和金斯的模型则在长波波段符合较好，但在短波波段偏离很大，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．波长／104cm图1黑体辐射曲线1900年底，德国理论物理学家普朗克发现，只要认为物质单元(例如原子)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

5、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美．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，“人怕出名猪怕壮”，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万方数据大学物理第28卷告了自己的结果，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

6、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，y是辐射的频率，h是一个常量，就是现在众所周知的普朗克常量．它和光速c、引力常量G、电子电荷e是物理学中4个最重要的普适常量．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，普朗克的量子论是不彻底的．他认为原子在发射和吸收能量时是一份一份的，而能量(电磁波)在传播过程中仍是连续的．有人曾经问过普朗克：“您到底认为辐射是连续的呢，还是不连续的呢?”普朗克回答：“如果在一个水池边有一个水缸，有人用小碗从缸中将水一碗碗舀到池子里，你说水是连续的呢，还是不连续的呢?”这段话充分反

7、映了普朗克的看法：辐射本质上是连续的，只是原子在吸收或发射它们时，才是一份份分离的．年青的爱因斯坦发展了普朗克的量子论．他认为，辐射本质上就是一份份不连续的．不论在原子发射、吸收它们的时候，还是在传播过程中，它们都是一份份的．爱因斯坦称它们为光量子，并用光量子说解释了光电效应．普朗克最初反对爱因斯坦的这一观点，他在给维恩的信中写道：“当然了，爱因斯坦的这一观点肯定是错误的．”随着时间的推移，普朗克终于接受了爱因斯坦的看法．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．观察到光的干涉、衍射现象之后，惠更斯的波动说战

8、胜了牛顿的微粒说．大家都认识到光是一种波动，后来又认识到，光波本质上是电磁波．人们认为，既然光是波动，就应有载体．一些人想到了古希腊学者谈论的以太，认为以太可能就是光波的载体．1