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阿尔伯特·爱因斯坦和他的成就

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爱因斯坦简介
阿尔伯特·爱因斯坦(德语:Albert Einstein,1879年3月14日-1955年4月18日),20世纪犹太裔理论物理学家,创立了相对论,现代物理学的两大支柱之一(另一个是量子力学)。虽然爱因斯坦的质能方程 E = mc2 最著称于世,他是因为“对理论物理的贡献,特别是发现了光电效应”而获得1921年诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦总共发表了300多篇科学论文和150篇非科学作品。 爱因斯坦被誉为是“现代物理学之父”及二十世纪世界最重要科学家之一。他卓越的科学成就和原创性使得“爱因斯坦”一词成为“天才”的同义词。
阿尔伯特·爱因斯坦Albert Einstein (Альберт Ейнштейн),世界十大杰出物理学家之一,现代物理学的开山鼻祖、集大成者和奠基人,同时也是一位著名的思想家和哲学家。爱因斯坦1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍(原德国人)。1905年获苏黎世大学哲学博士学位。曾在伯尔尼专利局任职,在苏黎世工业大学、布拉格德意志担任大学教授。1913年返德国,任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授,并当选为普鲁士皇家科学院院士。1933年爱因斯坦在英国期间,被格拉斯哥大学授予荣誉法学博士学位(LL.D)。因受纳粹政权迫害,迁居美国,任普林斯顿高级研究所(Institute for Advanced Study)教授。从事理论物理研究,1940年入美国国籍。


主要科学成就


相对论和爱因斯坦质能方程
主条目:狭义相对论

经典电动力学开始是在牛顿力学框架内发展起来的,但后来在解释运动物体的电动力学时却遇到了麻烦。考虑同样的两个光源,光源A相对观察者静止,光源B以速度V向观察者移动。麦克斯韦说,两个光源发出的光速跟运动的速度无关,都是光速,是一个常量。可是按照经典物理学的理论,运动的光源发出的光速应当是光速和光源运动速度的叠加。爱因斯坦的狭义相对论解决了这个矛盾。狭义相对论指出,绝对化的参照系选取造成了这个问题。在观察者看来,光源A和B发出的光速的确相同;但是对两个光源来说,A的一秒钟并不等于B的一秒钟:B所经历的时间更慢;所以不能把它们放在同一个参照系中比较。这否定了以太的存在,并颠覆了牛顿的绝对时空观。


承认时空的相对性导致了几个必然的推论。一是运动的物体会在其运动的方向上长度收缩。二是运动的物体会经历时间膨胀。也就是说,一个高速运动的钟表要比静止的同样钟表走得慢。三是能量和质量其实是一回事,可以相互转换。用公式表达出来,就是E = mc2 。因此,对于任何物体来说,其质量会随着其速度的增加而增加。


值得指出的是,爱因斯坦的相对论在很多年里备受争议,以致于他在接受诺贝尔奖时,颂词里根本就没有提到相对论。第一个接受相对论的物理学家据说是普朗克。


波粒二象性
主条目:波粒二象性

在一篇1909年的文章中,爱因斯坦证明普朗克的“能量子”具有精确的动量,并且表现得像一个独立的点状粒子。[18]这篇文章提出了“光子”的概念。但光子作为一个名词,是吉尔伯特·路易斯在1926年提出的。


临界乳光理论
由于流体中分子的无规律运动,流体的密度在不同的区域会略有不同。在常温下这个现象比较微弱。但在流体的温度和压力趋于其三相点时,流体的密度不均会越来越明显,直到流体内部不同密度小团块的尺度接近或达到入射光的波长。此时原本透明的流体会变得不透明,并会强烈的散射入射光。这被称为临界乳光。爱因斯坦用统计热力学的方法定量的解释了这个问题,并指出天空的蓝色其实也是由于空气的密度涨落而引起。


零点能
主条目:零点能

1913年,爱因斯坦和奥图·史特恩在一篇论文里指出,谐振子在绝对零度时,仍存有一定能量。他们把它称作“残余能量”,后世称为零点能。在绝对零度,谐振子的能量仍有值?hν。零点能的存在导致了一些有趣的现象,比如兰姆位移与卡西米尔效应。


广义相对论和等效原理
主条目:广义相对论

参见:等效原理及爱因斯坦引力场方程
广义相对论是爱因斯坦在1907-1915年间提出的一种引力理论。其基本要义是观测者不能在封闭环境里分辨出由加速度所产生的惯性力或由物体所产生的引力;惯性参考系和非惯性参考系的动力学效应都是不能分辨,其中的两类观察者都是能用各自的方式去正碓描述事实,所以这两种分析方法是等效的。等效原理揭示,运动的相对性不但包括狭义相对论中的常速运动,加速运动也在其中。


广义相对论预言了很多物理现象,比如物质的引力场会使时空弯曲。光子的路径在引力场中会发生偏折,即当光子途径一个大质量物体时路径会朝向物体发生弯曲。同时,当有一个大质量物体存在时,同一个过程在离大质量物体近时会比远离该物体时进行得更慢,这叫做引力时间膨胀。射入引力势阱中的光会发生蓝移,而相反从势阱中射出的光会发生红移,这被称作引力红移。这些预测后来纷纷得到了实验验证。


玻色-爱因斯坦统计
参见:玻色-爱因斯坦凝聚

1923年,印度物理学家玻色把关于玻色统计的一篇论文寄到英国《哲学杂志》(Philosophical Magazine),结果遭到拒绝发表。不得已,他在1924年将该论文转寄给爱因斯坦,寻求他的意见。玻色认为,频率相同的光子全同,无法分辨。因此在一个能级上有很多光子,这称做一个分布。根据其能量,必然有一些分布出现的几率比其它的分布更大。爱因斯坦注意到玻色的统计方法不仅适用于光子,还适用于其他的一些粒子。后世把这些粒子称为玻色子。他把玻色的文章翻译成德文后发表。


爱因斯坦根据玻色的理论发表了自己的文章,并预言了玻色子冷却到非常低的温度后,会凝聚到能量最低的可能量子态中,导致一种全新的物态。这种物态被称为玻色-爱因斯坦凝聚态。1995年,科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克?康奈尔和卡尔?威曼使用气态的铷原子在170 nK(1.7×10?7 K)的低温下首次观测到了玻色-爱因斯坦凝聚。四个月后,麻省理工学院的沃尔夫冈?克特勒使用钠蒸气独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚。


与其他科学家的合作与关系
1927年在比利时布鲁塞尔索尔维国际物理研究所召开的索尔维会议集中了当时最著名的物理学家。爱因斯坦在前排中央。


爱因斯坦-德哈斯效应
主条目:爱因斯坦-德哈斯效应

爱因斯坦和万德尔·德哈斯证明了磁化是由电子的自旋造成的。他们把一个静止的铁磁体悬挂在细线一端,放在在导线圈里,然后给线圈施加一个电流脉冲,造成铁磁体的偏转。转动时铁磁体将具有一个特定的角动量。根据角动量守恒定律,需要在铁磁体内部产生一个大小相等,但方向相反的角动量。这个角动量正是由铁磁体中电子自旋的反转而产生。这个效应又称作理查森效应,以物理学家欧文?理查森的名字命名。


薛定谔气体模型
1924-1925年,爱因斯坦发表了三篇关于理想气体的论文,运用玻色-爱因斯坦统计来计算理想气体的热力学性质。薛定谔阅读了爱因斯坦的文章后,对其方法不解,甚至一度认为爱因斯坦错了。爱因斯坦建议他用经典物理学的方式考虑一个三维势箱,把势箱中的粒子当作独立谐振子,然后对这些谐振子进行量子化处理。薛定谔用这个方法推出了半经典意义上理想气体的热力学性质。薛定谔希望爱因斯坦在文章上署名,但是爱因斯坦婉拒了。


爱因斯坦冷冻机
1926年,爱因斯坦和他的学生列奥·西拉德共同发明了一种吸收式冷冻机,既不用电,也没有活动部件。他们在1930年申请了专利美国专利
1,781,541。该发明在当时是革命性的,但却没有立即商业化。一家瑞典制冷设备公司Electrolux为了防止这种新技术带来的竞争,买断了他们的专利。这种冷冻机被称为爱因斯坦冷冻机。


2008年,牛津大学开展了一项为期三年的研究计划,目的是为缺电的地区研发耐用的家用机械,其中包括冷冻机。研究人员说,爱因斯坦冷冻机经改进设计并使用不同的压缩气体后,其效率是原来设计的四倍。


爱因斯坦与玻尔
主条目:玻尔-爱因斯坦论战

爱因斯坦和尼尔斯·玻尔都是旧量子力学的奠基人。他们之间关于量子力学发生了一系列著名的争论。爱因斯坦认为,物理学应该能告诉他在公式背后的真实世界发生了什么。而玻尔只对公式本身感兴趣而不关心现实世界中的事件。爱因斯坦对于量子力学持续有力的批评促进了量子力学的发展。他们之间辩论因其对科学哲学的重要性而被加载史册。


爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论
主条目:爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论

爱因斯坦-波多斯基-罗森悖论是由爱因斯坦、玻理斯·波多尔斯基和纳森·罗森在1935年发表于美国《物理评论》杂志的论文中提出的一个思维实验,又称为EPR佯谬或EPR悖论。


爱因斯坦等认为,如果一个物理理论是正确和完备的,就应该同时满足两个判据:完备性判据和实在性判据。第一个判据要求物理实在的每个要素都必须在该理论中体现出来。第二个判据是,如果我们能不干扰某体系,却能够确定该体系中某一个物理量的话,那麽这个物理量一定对应物理实在的要素。量子力学很显然不能同时满足这两个判据,因此爱因斯坦等人不相信它是完备的。
EPR悖论引起后世对量子纠缠现象的兴趣。

宇宙学
1915年爱因斯坦提出了广义相对论。因为那时的物理学家有一种偏见,认为宇宙是静态的、无始无终的,爱因斯坦在他的方程中加入了一个宇宙常数项使稳恒态的方程成立。在哈伯红移被发现后,爱因斯坦放弃宇宙常数,并认为在引力方程中引入该常数是他“一生中最大的错误”。但是后来,人们发现宇宙常数不为零,而是一个很小的值10?52 m?2。爱因斯坦的直觉最终还是正确的。


爱因斯坦名言


1、Imagination is more important than knowledge.
想象力比知识更重要。


2、Logic will get you from A to B. Imagination will take you everywhere.
逻辑会把你从A带到B,想象力能带你去任何地方。


3、Joy in looking and comprehending is nature's most beautiful gift.
从观察和理解中获得乐趣是大自然赐予的最美好的礼物。


4、Try not to become a man of success, but rather try to become a man of value.
试着不去做一个成功的人,而去做一个有价值的人。


5、If you can't explain it simply, you don't understand it well enough.
如果你不能把它简单地解释出来,那说明你还没有很好的理解它。


6、When the solution is simple, God is answering.
当答案很简单时,是上帝在回答。


7、A question that sometimes drives me hazy: are I am or the others crazy?
有一个问题常常把我搞迷糊:究竟是我疯了还是别人疯了?


8、Isn't it strange that I who have written only unpopular books should be such a popular fellow?
这件事不奇怪吗——我写的书从不畅销,但我却是个如此有名的家伙?


9、Small is the number of people who see with their eyes and think with their minds.
只有少数人在用他们自己的眼睛观察、用他们自己的头脑思考。


10、The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible.这世界最无法理解的事情是它是可理解的。


11、The value of a man should be seen in what he gives and not in what he is able to receive.
一个人的价值,应当看他贡献了什么,而不应当看他取得了什么。


12、Only to devote oneself to the society can find the significance of the actuaully short and risky life
人只有献身于社会,才能找出那短暂而有风险的生命的意义。


13、Life is like riding a bicycle. To keep your balance you must keep moving.
人生就像骑单车。想保持平衡就得往前走。


14、没有侥幸这回事,最偶然的意外,似乎也都是事有必然的。


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