问题

除了光电效应、狭义/广义相对论的提出,爱因斯坦还做出了什么杰出的成果?

回答
除了那些早已深入人心、被载入史册的光电效应和相对论,阿尔伯特·爱因斯坦的头脑里还孕育着许多同样重要,甚至在某些领域更具颠覆性的思想火花。他的工作范围之广、思考之深邃,远不止我们通常提及的那几项。

1. 布朗运动的解释:为原子真实性正名

在1905年,也就是他的“奇迹年”,爱因斯坦发表了另一篇奠基性的论文,解释了当时科学界一个困扰已久但又无法轻易理解的现象——布朗运动。这是植物学家罗伯特·布朗在1827年观察到的,显微镜下,悬浮在液体中的微小粒子(比如花粉)会进行永不停歇、杂乱无章的运动。

在爱因斯坦之前,人们对此现象众说纷纭。有些人认为这是因为溶液本身存在流动,有些人猜测是粒子内部某种生命的活力在作祟。然而,爱因斯坦从一个全新的角度切入。他认为,这些看似杂乱的运动,实际上是液体(比如水)中无数肉眼看不见的分子,在随机撞击这些微小粒子时产生的效果。

想象一下,一个微小的粒子就像在一片海洋中漂浮,而这片海洋是由无数看不见的、高速运动的水分子组成的。这些水分子虽然小,但它们以极高的速度向粒子四面八方撞来。即使每个分子的撞击力都很微小,但由于撞击是随机且不对称的,会在不同时刻对粒子施加不同的合力,导致粒子在任何瞬间都受到一个不平衡的推力,从而产生不规则的运动。

爱因斯坦不仅提出了这个理论,他还给出了精确的数学模型,预测了粒子的运动轨迹的统计规律,比如在一段时间内粒子位移的平均平方值与时间成正比。这些预测可以通过实验来验证。

这篇论文的意义非凡。在当时,原子和分子的存在尚未被普遍接受,很多科学家仍然持怀疑态度。爱因斯坦的布朗运动理论,通过一个清晰可观的宏观现象,为原子和分子真实存在的微观机制提供了强有力的证据。它就像一把钥匙,打开了通往原子世界的门,坚实地确立了原子论在物理学界的地位,也为统计力学的发展打下了基础。

2. 斥力与相干性:揭示了激光的可能性

我们今天生活中无处不在的激光,其背后也有爱因斯坦的思想影子。在1917年,他发表了一篇关于量子理论的论文,提出了“受激发射”的概念。

在爱因斯坦之前,人们已经知道了自发辐射:一个处于较高能级的原子,会自发地跃迁到较低能级,同时释放出一个光子。爱因斯坦则进一步思考,如果一个原子已经处在激发态(能级较高),并且有一个特定能量的光子恰好经过,会发生什么?他预言,这个光子可以“刺激”这个激发态原子,让它以几乎相同的方式(相同的能量、频率、方向和相位)发出另一个光子。

这就像一个“传染”的过程。一个光子引发了另一个相同的光子,这两个光子又可能继续引发更多的相同光子,形成一个“链式反应”。如果在一个介质中,能够让大量的原子处于激发态,并且让它们同时被一个“种子”光子触发,那么就能产生一束高度集中的、方向性极强、相位一致的光。这就是我们今天所说的相干光,也就是激光。

这篇论文虽然在当时并没有立刻引起轰动,因为实验上实现一个高度激发的原子群体并精确控制光子的触发仍然非常困难。但它的理论价值是划时代的。它不仅深化了我们对光与物质相互作用的理解,更是为后来激光技术的诞生铺平了道路。没有爱因斯坦对受激发射的预见,就没有我们今天看到的激光笔、激光雕刻、光纤通信等一系列改变世界的科技。

3. 玻色爱因斯坦统计:描述物质世界的另一面

在量子力学的早期发展阶段,物质的微观粒子被分为两大类:玻色子和费米子。爱因斯坦在19241925年与印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色合作,发展了一种描述粒子集合行为的统计方法,即“玻色爱因斯坦统计”。

玻色的工作是研究光子的统计分布。他发现,将光子看作是无法区分的粒子,并应用一种特殊的计数方法,可以更准确地描述黑体辐射的能量分布,这比早期普朗克的量子假设更加完善。爱因斯坦对玻色的想法非常感兴趣,并将其推广到其他类型的粒子,特别是那些没有内部量子数的粒子(例如光子、原子等)。

玻色爱因斯坦统计的核心在于,它认为同一状态下的全同粒子是无法区分的。这意味着,如果我们有几个相同的粒子,它们可以同时占据同一个量子态。这与我们日常生活中熟悉的“一个座位只能坐一个人”的概念不同。

这种统计方法的提出,为描述多体量子系统提供了强大的工具。例如,它成功地解释了超流体(如液氦在极低温度下出现的零电阻流动现象)和凝聚态物理中的许多其他现象。尤其是在极低的温度下,大量粒子会涌向最低能量的量子态,形成一种叫做“玻色爱因斯坦凝聚”的奇特物质状态。这种凝聚态物质具有许多非凡的性质,是现代物理学研究的重要领域。

4. 统一场论的探索:一个未竟的宏愿

除了上述已得到广泛验证的成果,爱因斯坦晚年还倾注了大量精力去追求一个更宏伟的目标——统一场论。他希望能够找到一个单一的数学框架,能够同时描述和解释宇宙中所有的基本力和粒子,特别是将引力(广义相对论描述的)与电磁力(麦克斯韦方程描述的)统一起来。

在爱因斯坦看来,自然界的各种力不应该是孤立存在的,而应该是同一个更深层、更基本规律的不同表现。他的相对论已经成功地将时间和空间、质量和能量统一起来,他相信物理学的终极目标是实现力的统一。

他尝试了多种数学方法,比如使用黎曼几何的推广——微分几何,来构建一个能够同时包含引力和电磁学的几何理论。他相信,宇宙的结构本身就蕴含着这些力的信息。

虽然爱因斯坦在他有生之年未能完成他的统一场论,未能找到那个能够完美解释一切的“万有理论”,但他的探索为后来的物理学研究开辟了新的思路。许多后来的物理学家,包括弦理论、圈量子引力等现代物理学前沿理论,都在不同程度上继承和发展了爱因斯坦的统一思想,试图揭示宇宙最深层的奥秘。他的晚年努力,虽然结果不尽如人意,但体现了他作为一名伟大科学家的不懈追求和对自然界终极规律的深刻洞察。

总而言之,爱因斯坦的贡献绝不仅限于光电效应和相对论。他对布朗运动的精确解释,为原子论提供了坚实证据;他对受激发射的预言,是激光技术得以诞生的思想源泉;他对玻色爱因斯坦统计的贡献,揭示了物质在低温下的奇特行为;而他晚年对统一场论的执着追求,更是展现了他作为一位伟大战士,在探索宇宙真理道路上永不停止的脚步。这些成就,共同构筑了爱因斯坦作为二十世纪最伟大物理学家的不朽传奇。

网友意见

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写一个爱因斯坦在流体力学领域做的贡献。其实就是爱因斯坦1905年的博士论文《一种测量分子大小的新方法》。在详细介绍之前,先简单讲讲背景吧。

众所周知,1905年被称为爱因斯坦奇迹年,他一共发表了五篇著名的论文,与其他四篇论文相比(分别是光量子假说,布朗运动,狭义相对论,质能等效关系),爱因斯坦的博士论文似乎没啥名气,但并不意味着这篇文章很普通。在当时的技术条件下,人们无法直接观测到分子的存在,分子理论并不被广泛接受,甚至有科学家认为,分子理论与数学一样,只是作为物理学的研究工具而已。直到爱因斯坦的博士论文发表后,人们才可以精确测量分子的大小以及阿伏伽德罗常数(连接微观与宏观的桥梁)。至此,分子理论才被广泛接受。由此可以看出,这篇文章本身就意义非凡。

第二个意义就是它奠定了布朗运动那篇论文的基础。当时,爱因斯坦关于布朗运动的文章迟迟不被期刊接受,但当他的博士论文发表11天后,论文就被接收了。仅仅凭此两点,就足够显示这篇博士论文的地位了。还有一点很多人可能不知道,五篇文章里,他的博士论文引用量是最高的。以web of science数据为例(截至2020.3.3),如下图所示,注意这篇文章有两个版本,加起来就是5000多,超过了布朗运动那篇文章,生涯引用最高的是那篇EPR佯谬的文章。

现在回到主题,这篇文章是怎么跟流体力学扯上了关系呢?其实爱因斯坦博士论文里考虑的一个核心问题是,如果一种液体中充满小颗粒,会对液体的粘性产生多少影响呢?其中一个典型的例子就是蔗糖溶液。

爱因斯坦给出的回答是,

具体推导过程见附录。其中 为纯液体的粘性, 为所有小颗粒的体积分数, 即为该溶液的有效粘性。例如在蔗糖溶液中,小颗粒就是蔗糖分子。在论文的后半部分,爱因斯坦以此为基础,给出了测量分子大小和阿伏伽德罗常数的方法。

1932年,著名流体力学大师G.I.Taylor注意到了这篇文章,他进一步推广了爱因斯坦的结果,发表了两篇文章。也就是将固体小球换成了液体小球,来考虑混合溶液的有效粘性。这两篇文章后来获得了极高的引用,成为了流变学和多相流等领域中的基本方法。G.I.Taylor本人在1937年到1963年之间,获得过20次诺贝尔物理学奖的提名。我们试着想象一下,爱因斯坦的博士论文只是他的研究中较为普通的工作,却足以启发G.I.Taylor做出出色的流体力学成果,如果爱因斯坦博士毕业后从事了流体力学的研究,那么保底也是一个诺贝尔奖。当然,这就太浪费爱因斯坦的天才了。

最后再补充一点,爱因斯坦的这种处理含大量悬浮粒子流体的粘性的方法有非常广阔的应用范围,这些方法后来成为了胶体化学的基本方法,在建筑工业,乳制品业,生态学等很多领域中有极其重要的应用,这也是他的博士论文引用量远高于其他文章的一个重要原因。爱因斯坦如果地下有知,一定会非常高兴,因为他十分喜欢把物理学应用到实践中去。

所以你看看,爱因斯坦的伟大到了什么程度?

【附录】

在流动较为缓慢的情况下,纳维-斯托克斯方程可简化为

(1)

(2)

其中 表示速度, 表示压力, 为流体粘性。这种流动一般称为斯托克斯流动。

首先我们考虑小尺度下的背景流动,可写为

这种线性流动既普遍,又可以视为流场在参考点 附近的一阶近似,其中 为常数。在流动不可压缩的条件下(2),满足 。 现在,我们需要将一个半径为 的小球,放置在处,来求解受扰动后的流场。在这里,爱因斯坦利用出色的数学技巧,经过几页详细的计算后,得出了

其中, 。为加深大家印象,我画两张流场图。取 , 。那么背景流场和受扰动流场分别为,

求解这种流场的方法还可以参考朗道的《流体动力学》,同时朗道也给出了这个问题的另一种求解方法,此处不赘述。现在我们来计算整个流场(取半径为R的球体)的能量耗散率

其中, 为应力张力张量, 为单位法向量。

忽略含 的高阶项,可计算得到

其中 , , .将上式变形,

其中 表示所有颗粒的体积比, 表示单位体积内小球的个数。

引进有效粘性 ,

现在考虑另一个关键的东西,大量的颗粒加入进流体后,原有的背景流场也会发生改变,

常数 变为 。现在我们来求 ,将流场写为

表示第 个小球对流场的扰动,设 ,则

认为小球均匀分布,则求和可以近似为积分,

根据散度定理,

根据之前计算得到的流场,可计算得到,

同理

所以,有效粘性的定义应写为

考虑 为小量,将上式化简,最终流体的有效粘性为

【参考文献】

【1】Einstein A. A new determination of molecular dimensions[J]. Ann. Phys., 1906, 19: 289-306.

【2】Straumann N. On Einstein's Doctoral Thesis[J]. arXiv preprint physics/0504201, 2005.

【3】Pais A. Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein: The Science and the Life of Albert Einstein[M]. Oxford University Press, USA, 1982.

【4】Taylor G I. The viscosity of a fluid containing small drops of another fluid[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 1932, 138(834): 41-48.

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