主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 46999

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2018-09-20 07:56:45
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奔波儿
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【原创翻译】第二章·专利的奴仆(7) 20

第二章·专利的奴仆(6)

随着时间流逝,由于普朗克对相对论的拥护,以及对布朗运动的研究取得了这一突破性的进展证实了原子的存在,爱因斯坦的名气与日俱增,尽管他的光量子学说在当时依旧应者寥寥。爱因斯坦经常收到一些寄给他的信件,但上面的收信人地址却为伯尔尼大学,因为没有几个寄信人了解他原来只是专利局的一个公务员。维尔茨堡大学的雅格布·劳卜(Jakob Laub:1884~1962)在信中说“我必须要对你坦诚相告,当我知道你每天要在办公室里坐上八个钟头时,我非常吃惊”。对此,爱因斯坦在1908年三月的回信中说道:“历史总是充斥着黑色幽默。”在专利局干了六个年头以后,爱因斯坦决定与自己专利奴仆的身份说再见。

他向苏黎世的一所学校递交工作申请,想去做一名数学教师,同时声明自己做好准备并愿意教物理。随求职申请寄出的,还有一份他的论文拷贝。这篇论文是与布朗运动相关的一些基础性工作,凭借这篇论文,爱因斯坦最终于1905年,即在他第三次冲击苏黎世大学的博士学位之时,获得了成功。为了增加自己成功求职的把握,他还寄去了自己所有发表的论文。尽管爱因斯坦这些科学成就给人留下深刻的印象,可在21个求职者当中,爱因斯坦甚至没能进入候选名单的前三位。

在苏黎世大学的实验物理学教授阿尔弗雷德·克莱纳(Alfred Kleiner:1849~1916)的督促下,爱因斯坦第三次尝试去申请伯尔尼大学的讲师(该职位是没有薪水的)一职。他第一次申请这个职位被拒是因为当时他没有博士学位。1907年6月,他第二次申请再次失败,因为他没有按要求递交一份尚未公开发表的论文。克莱纳想让爱因斯坦接替一个即将空出来的理论物理学教授的重要职位,而要想实现这个目标,当上讲师是其中的一个必要环节。因此这一次,爱因斯坦按照要求递交了自己的尚未公开发表的学术论文,最终与1908年的春天成为了一名不领薪水的讲师。

爱因斯坦开的第一堂课所讲授的内容是热的理论,只有三个学生听课,这三位彼此是好朋友,也只有志趣相投的朋友才有可能一起来上课,因为爱因斯坦的这门课的时间是每周二、六的早七点至八点。对于讲师们开设的课程,大学生们拥有充分的自由来决定自己是来听课还是翘课,而且没有几个人愿意这么早爬起来上课。而爱因斯坦自己呢?作为一名讲师,爱因斯坦显然不是很称职,他备课总是马马虎虎,屡次犯错。每次一卡壳,爱因斯坦就转身对学生们说:“谁能指出来我在哪儿出了错?”或者“我在哪儿犯错误了?”如果有学生指出他讲授内容里的数学错误,爱因斯坦通常会说,“我早就跟你说过,我的数学功底稀松平常嘛。”

如果爱因斯坦想得到为他虚位以待的教授一职,他必须要证明自己有教学能力。为了确保爱因斯坦能胜任,克莱纳去旁听了他的课。但是,爱因斯坦却对自己“被调查”感到非常恼火,他那天的教学表现一团糟。但是,克莱纳又给了他一次证明自己的机会,他在第二堂课上的表现总算是达标了。“我真运气。”,爱因斯坦写信给雅格布·劳卜说“那天,我好像换了个人似的,课讲得非常精彩——然后,我就过关了。”1909年5月的一天,当爱因斯坦收到了苏黎世大学的一封邮件时,他终于能够炫耀自己现在是“婊子公会的正式成员”。在携妻子米列娃和五岁的儿子汉斯·阿尔伯特前往瑞士之前,爱因斯坦在九月间访问了萨尔兹堡,并在“德国自然科学家和医生协会(Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Arzte)”所举办的学术会议上做了一次物理学的主题演讲。这一次,他做了充分的准备。

能被邀请做这样一个演讲对爱因斯坦来说是一种殊荣,因为在一般情况下,只有物理学界声望卓著的耆老才有资格做这个演讲,而爱因斯坦当时刚满30岁,而且还只是一名尚未就职的教授。那一天,所有的目光都聚焦在爱因斯坦身上,但他却仿佛浑然不觉,箭步走上讲台,做了一场后来名垂青史的演讲——“有关辐射现象的本质及其特性的研究进展(On the Development of Our Views Concerning the Nature and Constitution of Radiation)”。他对听众说“理论物理发展的下一阶段将迎来光学理论上的创新,这将有可能是将波的理论同光的释放理论融合在一起”。这并非是一种预言,而是基于一个充满想象力的实验的结果得出的结论,在该实验中,一面镜子被悬挂在黑体中。爱因斯坦设法推导出一个公式,从而能用它来计算辐射的能量及动量的扰动;另外,该公式将两种截然不同的观点融为一体,其中一个为光波学说,而另一个则是由量子武装起来的辐射学说,这两种光学理论缺一不可。这是第一次有人提出了这种观点,后来被人们称之为“波粒二相性(Wave-Particle Duality)”——光既是一种波,同时又是一种粒子。

在这次会议上,普朗克是主持会议的主席。当爱因斯坦结束了他的演讲后,普朗克立即站起来发言。他首先感谢爱因斯坦所作的演讲,接着正告在座诸位,他反对爱因斯坦的观点,并再一次重申了他的根深蒂固的认识,即只有在物质与辐射进行接触时,才会出现量子。普朗克认为“根本没有必要”去相信爱因斯坦说的那些什么光实际是由量子组成的学说。只有一个人挺身而出支持爱因斯坦,他就是德国物理学家约翰内斯·斯塔克(Johannes Stark:1874~1957)。可令人遗憾的是,他同菲利普·莱纳德(Philipp Lenard:1862~1947)一样,后来都成为了纳粹党徒的一员,而且俩人将爱因斯坦和其学说批判为“犹太物理学(Jewish Physics)”。

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为了能将更多的时间投入到科学研究中,爱因斯坦离开了专利局。可等他真的到了苏黎世,无奈的现实像一盆凉水兜头罩脸泼将下来。每周,爱因斯坦必须要承担七个小时的教学任务,为此他不得不花大量的时间来备课,以至于他大发牢骚,觉得“真正的空闲时间比在伯尔尼还少”。爱因斯坦一向不注重穿着,学生们刚见到他们的这位衣冠不整的新教授都很惊讶,但爱因斯坦很快就获得了学生们的尊敬和爱戴,因为他的讲课风格一点也不死板,如果学生在他的课上有什么地方没听懂,可以随时打断他。在课外时间,每周至少有那么一次,他会带学生去露台咖啡店(Café Terasse)侃大山,而且经常聊到店里打烊。很快,爱因斯坦就适应了他的新工作,同时,他开始将自己的注意力放在用量子理论解决一个悬而未决的问题。

1819年,两位法国科学家皮埃尔·杜隆(Pierre Dulong:1785~1838)和亚历克西斯·柏蒂(Alexis Petit:1791~1820)测量了比热(Specific Heat Capacity),即每公斤的物质的温度升高一度所需要的能量,他们测量的材料涵盖从铜到金的各类金属。在他们之后的五十年,对原子的存在持赞同态度的人们都认同他们的结论,即“所有简单物质的原子都具有完全相同的热容(Heat Capability)”。而在十九世纪七十年代,一些与该结论相左的结果被人们发现,这在当时的学术界引发了强烈的地震。

爱因斯坦在研究这些特例时借鉴了普朗克的方法,也就是假想在加热状态时,组成物质的原子是一些振子。这些原子的震荡频率不是随意的,而是“量子化的”,即其频率值只能是某种“单位”频率的倍数。利用这种方法,爱因斯坦找到了一种新的理论,可以用它来解释固体是如何吸收热量的。原子所吸收的能量只能是离散状态,也就是说能量也是由一份份的量子化的单位能量构成的。但是,随着温度的降低,物质所具有的能量也随之下降,一直到这些能量不足以向每个原子提供特定大小的能量子,这将导致该固体所吸收的能量也随之减少,从而引起热容的降低。

爱因斯坦的研究在当时无人问津,这种情况一直持续了有三年,在这期间,爱因斯坦潜心研究如何用量子化的能量(即在原子尺度上,能量可以被切分成一块一块的)去解决问题,他所开创的是物理学的一个全新领域。瓦尔特·能斯特(Walther Nernst:1864~1941)是一位来自柏林的物理学家,他曾经去苏黎世拜访过爱因斯坦,当他向大家谈起了他的这次访问时,大家纷纷坐下来做笔记。为什么会这样呢?能斯特成功地测量出低温状态下固体的比热,并发现他的测量结果与爱因斯坦基于量子理论所作的预测完全一致。

伴随着不断的成功,爱因斯坦的名气与日俱增,布拉格的德意志大学聘请他去做正教授。如果接受这一聘请,爱因斯坦就不得不离开他待了15年的瑞士,但他实在找不出什么理由一口回绝。于是,爱因斯坦带着妻子米列娃,还有两个儿子,即汉斯和不到一岁的爱德华,在1911年的四月来到了布拉格。

“我不再关注量子是否真的存在,”爱因斯坦一有了新的邮件地址,就写信给他的朋友米歇尔·贝索(Michele Besso),“也不再想着用它们构建什么理论体系,因为我现在明白我的大脑在这方面不够用了。”他告诉贝索自己将专注于思考量子理论会产生什么样的结果,同时,别的学者也在寻求这个问题的答案。六月九日,爱因斯坦收到一封来信,这是一封让他觉得不可思议的邀请函。欧内斯特·索尔维(Ernest Solvay:1838~1922)是一位比利时工业家,因为其革命性地改进了制造苏打的工艺,故此大发横财。他邀请爱因斯坦参加将于当年10月29日至11月4日在布鲁塞尔举行的一次科学会议,并愿意支付一千法郎作为差旅费。作为与会的22位欧洲物理学家之一,爱因斯坦将和其他学者探讨“与分子运动学相关的一些问题”。普朗克、鲁本、维恩以及能斯特都也将参加这次会议,这将是一次量子理论的峰会。

普朗克和爱因斯坦,以及其他六位物理学家被邀请在会议上就特定专题做学术报告,这些报告可以用法文、德文或者英文进行书写,并将在会前被分发给与会的各位学者,从而作为大家在会议召开期间共同讨论的话题。普朗克将探讨黑体辐射理论,而爱因斯坦则要就比热的量子理论写一份报告。作为一项荣誉,爱因斯坦将受邀最后一个做报告,但是本次会议上并不会因此而讨论他的光量子理论。

“我觉得这次会议非常吸引人,”爱因斯坦写信给瓦尔特·能斯特说,“我毫不怀疑你将是这次会议的心脏和灵魂。”能斯特曾经认为量子理论不过是一种“稀奇古怪的理论”,但到了1910年,他却认为正视这一理论的时机终于成熟了。在他的劝说之下,索尔维慷慨地资助了这次会议,并把会场选在奢华的蒙特波里大酒店(Hotel Metropole)。在这个美轮美奂的地方,爱因斯坦和其他学者享受到周到的服务,他们在这儿一共待了五天,探讨了量子问题。尽管爱因斯坦并没有指望能在这个“女巫的安息日聚会(The Witches' Sabbath)”上取得什么进展,但他在返回布拉格的时候还是颇感沮丧,因为他觉得自己此行一无所获。

但可以肯定的是,他还是很高兴能结识其他那些“女巫”。玛丽·居里(Marie Curie:1867~1934)在爱因斯坦眼中是一位“丝毫不造作的”人,她对爱因斯坦也是惺惺相惜,觉得他“思维敏锐,观察问题深入浅出,而且知识深厚”。在会议召开期间,居里夫人被告知她被授予了诺贝尔化学奖,由于她在1903年已经获得过诺贝尔物理学奖,因此她成为荣膺两次诺贝尔奖的第一人。但是,在会议期间发生的一件绯闻却令这一显赫的荣誉有些失色。一家法国媒体探听到她和一位已婚的法国物理学家有了婚外情。保罗·郎之万(Paul Langevin:1872~1946)瘦高个儿,留着一部漂亮的胡子,也是与会的学者之一,关于他与居里夫人私会的小道消息传得沸沸扬扬。但爱因斯坦却没有发觉这两位学者之间有什么特别的关系,觉得那些八卦消息都是谣言。在他看来,尽管居里夫人“睿智超群”,但“也不是那种魅力四射会对什么人产生危险的女人”。

虽然在压力之下,爱因斯坦有很多次至少在表面上动摇过,但他却是第一个运用量子理论的人,并藉此发现了光的原理,揭示了其背后的真正秘密。另外,还有一位年轻的理论物理学家运用量子理论将一个漏洞百出无人重视的原子模型重新塑造,在这之后,他也成为了量子理论的信徒。

(第二章完)

第三章·金子般的丹麦人(1)


通宝推:五藤高庆,青颍路,桥上,mezhan,
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