03.05 有人說楊振寧可以比肩愛因斯坦,這樣說對嗎?他有哪些貢獻?

夏天的風41445476


楊振寧先生對物理學有自己的觀點,對愛因斯坦並不認可。

事實上,我們在不瞭解物質的來源的情況下,根本無法想象電與磁場的關係。

相對論與量子力學也要經受實踐的檢驗,不斷完善;可見那種無意義的排名次,是非常無聊的。




金童希瑞


這句話不知出自哪裡,愛恩斯坦,相信上過學的人都知道他。我第一次瞭解楊振寧是從他結婚的故事開始的,82歲的老頭娶了一個28歲的姑娘。至於他做過什麼貢獻,有什麼突出的事蹟,我還真的一點也說不上來,是不是我孤陋寡聞了.....


海東青161381582


楊振寧是國內經常被人討論的一位科學家。近幾年來越來越多的人知道了楊振寧是一位偉大的科學家,至於偉大到什麼程度,有人說他可以和愛因斯坦比肩;有人說他有十多個諾貝爾獎級別的成就;有人說他是在世最偉大的科學家。

如果要對物理學家進行一次劃檔排名,牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋會劃到第一檔中,伽利略也可以位居其中。牛頓在物理學中的貢獻是非常巨大的,建立了牛頓力學,發現了萬有引力定律,在光學領域中也有很多開創性的貢獻。愛因斯坦給出了狹義相對論和廣義相對論,刷新了人類對時間、空間等概念的認識,將引力幾何化。麥克斯韋統一了電和磁,他在電磁學中的地位足以和牛頓在力學中的地位相匹配。伽利略可以稱得上是近代物理之父,他打開了近代科學的大門,給出了科學的研究方法。

實話實說,楊振寧達不到牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋的高度。楊振寧在科學上的主要成就包括楊-米爾斯理論、弱相互作用下宇稱不守恆、楊-巴克斯特方程等,這三項成就是楊振寧的最重要理論成就,都是有實力拿諾貝爾獎的。其中的楊-米爾斯理論更是為粒子物理學的發展指明瞭方向,一些人說楊振寧可以比肩愛因斯坦,就是因為他的楊-米爾斯理論。

1994年,在楊-米爾斯理論發表50週年的時候,楊振寧獲得了鮑爾獎,授獎詞中稱讚楊振寧的工作排在了牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦的工作之列。不過需要注意,說楊振寧的工作排在了牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦的工作之列,並不意味著楊振寧就和他們一樣偉大。楊振寧的理論發表後因為存在不小的漏洞,在當時並沒有被重視,直到希格斯給出希格斯機制解決了粒子的質量問題,楊振寧的理論才逐漸爆發出威力。之後建立起的粒子物理的標準模型取得了巨大的成功。

但是標準模型也不是完美的,好在修補一下還是很好用的。另外,萬有引力還沒有納入到楊振寧的理論框架中,這使得他的偉大有一些打折。如果有一天萬有引力也在楊振寧的理論框架下和其他幾種相互作用力統一在了一起,楊振寧也是達不到愛因斯坦、麥克斯韋的高度。

說到麥克斯韋,想起了麥克斯韋之前的法拉第,在法拉第完成了一堆發現後,麥克斯韋將所有的電磁現象歸納到四個方程中。法拉第儘管偉大,但不如麥克斯韋偉大。楊振寧就好像是麥克斯韋之前的法拉第,在他之後很多物理學家一起做了麥克斯韋的工作。


刁博


楊振寧是個優秀的物理學家,有突出的成就,值得學習與尊重。媒體對他的學術成就報道的少,而過多報道他的私人生活方面,只是迎合吃瓜群眾的談資口味,這是自媒體對他不公平的存在,應該引導大眾公平、客觀的談論公眾人物。

愛因斯坦是個偉大物理學家,全世界都值得敬仰。

楊振寧於1956年與李政道教授共同提出弱相互作用中宇稱不守恆原理,因而共獲1957年諾貝爾物理學獎。這一原理徹底改變了人類對對稱性的認識,為人們正確認識微觀粒子世界開闢了新天地。

提出非阿貝爾規範場理論,大大促進了四種基本相互作用的研究。在粒子物理方面做了大量的開拓性工作。另外,楊振寧還是統計物理、凝聚態物理、量子場論、數學物理等諸多領域中重要研究方向的先驅和奠基人。和李政道先生合作給華人迎來第一個諾貝爾獎,給世界華人帶來了聲望。

而且他在國外利用自己的影響力,極力地宣傳我國的實際情況,化解國外對我國的妖魔化報道,讓別國瞭解我們真實的情況,促使他們和我國正常交流,甚至建立外交關係。在楊振寧的影響下,中美兩國關係,不論是在政府層面,還是科技層面,都得到了積極的發展。在楊振寧回國後,他利用自己的學術地位,大力招攬人才,牽頭我國科研人員參與國際項目,促進我國科學研究的國際化水平。

同時,利用自己的專業知識指導具體的科學研究,為我國的科研進行規劃,促進物理學科的發展。這些貢獻,都不是一般人能夠做出來的。

儘管他是回國晚一些,但他為國家培養了一大批科技人才,並且為清華大學捐贈幾百萬元美金,應該說他是一位愛國科學家,他為世界科學進步發明做出了卓越貢獻。這是很多人做不到的。


水善利萬物而不爭m


錢學森、鄧稼先等人的名字之所以耳熟能詳,是因為他們的事蹟被刻意宣傳過。而楊振寧,他是民國時期的公費留學生,1957年獲諾貝爾獎時手裡拿著的還是中華民國的護照。1957年國內大型官方媒體談到他和李政道的發現時,在標題中還突出了“美”、“蔣”。他的岳父是蔣的愛將杜聿明,那時還作為戰犯被關押在國內監獄中。楊振寧的事蹟沒有像錢學森、鄧稼先、袁隆平等人的事蹟那樣被官方刻意宣傳過,作為讀者只能從可靠的楊振寧的生平傳記、隨筆作品、以及一些新聞報道中主動的尋找楊振寧對中國的貢獻,感受他的愛國熱情。所以,絕大多數人並不瞭解楊振寧對中國到底有什麼具體貢獻。70年代,中美關係剛開始有鬆動時,楊振寧就破除重重阻礙訪問中國,他是第一位訪問新中國的海外傑出華人學者。他的破冰之旅以及之後的努力不僅為中國的科學界搭建了和國外交流的橋樑,為一大批學者、學生外出學習提供了便利,同時也在政治方面有破冰意義。楊振寧是保釣領袖,在多種重要場合發言闡述了釣魚島屬於中國的立場,也曾在《紐約時報》上給當時的卡特總統致公開信,呼籲中美建交。1979年鄧小平訪美簽署中美建交協議時,楊振寧在歡迎鄧小平的宴會上致辭。

楊振寧回國後,他的財產也幾乎全部捐獻了出來,他在清華大學工作的薪水也全部捐獻了出來,他的心思也全部放在了中國的科學教育事業上。他在中國建立了多所高等研究院,清華大學的高等研究院在他的影響下逐步走到了世界的前列。楊振寧也憑藉自己偉大科學家的個人魅力,勸說了一批傑出學者回中國工作。這樣的工作,只有他這樣的科學領袖能夠做得到。楊振寧放棄美國國籍,由中科院外籍院士轉為中科院院士,這也是作為科學領袖的凝聚力轉移到了中國。

當然,這裡看到的只能是楊振寧對中國貢獻的一部分,也可能只是一小部分。楊振寧幾十年裡對中國的貢獻不是幾段文字就能夠說明白的,僅憑這些已知的貢獻就能夠知道對中國的貢獻是巨大的,也是無人能夠替代的。如果你是中國人,就應感謝楊振寧。

至於他的婚姻生活和家庭的一些事,不想打一個字。因為那是人家個人的私事。和別人沒有任何關係。也沒必要去說三道四的。



GENGYANG


在科學界,存在三位“科學巨人”,分別是伽利略、牛頓和愛因斯坦,可以說,如果沒有這三位,人類的科技發展或許沒有這麼快,很可能我們現在的生活並沒有如今這般便捷。就拿愛因斯坦舉例子,愛因斯坦的相對論在他生前是並不被主流科學所認可的,可是在愛因斯坦去世後,特別是近半個世紀以來,伴隨著人類科學的不斷進步,相對論開始逐漸變成主流觀點,直到今天仍然深深影響著人類科技前進的腳步。

除了愛因斯坦之外,目前世界上最有名的科學家就是霍金,雖然霍金已經去世了,但是霍金很多預言仍然影響著我們,包括之前霍金曾經預言的人類200年之後或許將遭受生存危機,很多陰謀論者將其放大,成為他們的論證之一。

說起來,霍金出名除了自己本身就是一位傑出的物理學專家之外,很大一部分原因是因為霍金的身體,在霍金21歲的時候,原本健康帥氣的霍金突然換上了盧伽雷氏症,全身癱瘓,除了3根手指可以活動之外,半生只能依託一臺特殊定製的智能輪椅工作,可是霍金卻遵循著愛因斯坦的腳步,在宇宙、黑洞等多方面,取得了非常大的成就。

除了霍金,對於中國人來說,還有一位非常知名的科學家,他就是中國首位諾貝爾獎獲得者,被稱作繼愛因斯坦和費米之後的第三位“全才科學家”的楊振寧。如果與霍金相比較,楊振寧無論是學術界的評價,還是個人成就,都要高出霍金很多,霍金之所以出名,一部分原因是因為霍金“個人營銷”做得非常好。

在這裡為大家舉一個例子,相信很多人都看過著名美劇《生活大爆炸》,在第五季中,霍金就曾本色出演了自己,同時,霍金還參加了很多豐富的綜藝節目和各種紀錄片的錄製,可以說在普通人群中,賺足了人氣和熱度。不過,霍金的個人成就主要是《時間簡史》,這與楊振寧已經完成了75%的大統一理論相比,存在著很大的差距。

此外,楊振寧還擁有著至少13項諾貝爾物理學獎級別的研究成果,分別是:相變理論、楊-Baxter方程、玻色子多體問題、超導體磁通量子化的理論解釋、宇宙不守恆定律、楊-Mills規範場論、規範場論與纖維叢理論的對應、1維δ函數排斥勢中的玻色子在有限溫度的嚴格解等,這些成就任意一個拿出來,都要比霍金的成就高出很多。

同時,楊振寧還是一位愛國科學家,1957年楊振寧獲得諾貝爾獎之後,可以說為中國科技的發展打了一針“強心劑”,要知道,自從鴉片戰爭以來,中國很長一段時間都曾一蹶不振,而因為楊振寧榮獲了諾貝爾獎,所以很多年輕的中國學子也都在楊振寧的感召下,






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楊振寧研究的多。主要有後來的“場論”,和丁肇中合作的諾貝爾獎項目。但場論好像解決百分之七十五的強核力、萬有引力、星球引力(電磁力)。弱核力沒能體現在公式裡。也就是缺了一塊。和愛因斯坦沒得比。愛因斯坦的理論都接近完美。有一系列整套理論,雖然廣義相對論和狹義相對論都打了補釘,但還是能對以後的物理學天文學的研究有指導作用。再說愛因斯坦有那麼多發明...但楊振寧對世界物理學發展的貢獻還是很大的。


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首先不以成敗論英雄,貢獻也會隨著時間的變化而變化的,牛頓的理論在當時甚至不被認可,哥白尼甚至被當時的邪教徒燒死。但時至今日隨著人們的認知提高,他們的理論也被廣泛認可,同時為當今科學屆發揮著巨大作用。

楊振寧主要長久,相變理論,玻色子多體問題。愛因斯坦主要是相對論,光電效應,能量守恆,宇宙常熟。

首先說楊振寧教授的功效。

主要成就

相變理論

統計力學是楊振寧的主要研究方向之一。他在統計力學方面的特色是對紮根於物理現實的普遍模型的嚴格求解與分析,從而抓住問題的本質和精髓。1952年楊振寧和合作者發表了3篇有關相變的重要論文。 第一篇是他在前一年獨立完成的關於2維Ising模型的自發磁化強度的論文,得到了1/8這一臨界指數。這是楊振寧做過的最冗長的計算。Ising模型是統計力學裡最基本卻極重要的模型,但是它在理論物理中的重要性到20世紀60年代才被廣泛認識。1952年,楊振寧還和李政道合作完成並發表了兩篇關於相變理論的論文。兩篇文章同時投稿和發表,發表後引起愛因斯坦的興趣。 論文通過解析延拓的方法研究了巨配分函數的解析性質,發現它的根的分佈決定了狀態方程和相變性質,消除了人們對於同一相互作用下可存在不同熱力學相的疑惑。這兩篇論文的高潮是第二篇論文中的單位圓定理,它指出吸引相互作用的格氣模型的巨配分函數的零點位於某個複平面上的單位圓上。

玻色子多體問題

起源於對液氦超流的興趣,楊振寧在1957年左右與合作者發表或完成了一系列關於稀薄玻色子多體系統的論文。首先,他和黃克孫、Luttinger合作發表兩篇論文,將贗勢法用到該領域。在寫好關於弱相互作用中宇稱是否守恆的論文之後等待實驗結果的那段時間,楊振寧和李政道用雙碰撞方法首先得到了正確的基態能量修正,然後又和黃克孫、李政道用贗勢法得到同樣的結果。他們得到的能量修正中最令人驚訝的是著名的平方根修正項,但當時無法得到實驗驗證。不過,這個修正項隨著冷原子物理學的發展而得到了實驗證實。

再論愛因斯坦

主要成就

相對論

狹義相對論的創立:

早在16歲時,愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波,與此相聯繫,他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題。以太這個名詞源於希臘,用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀的笛卡爾和其後的克里斯蒂安·惠更斯首創並發展了以太學說,認為以太就是光波傳播的媒介,它充滿了包括真空在內的全部空間,並能滲透到物質中。與以太說不同,牛頓提出了光的微粒說。牛頓認為,發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流,粒子流衝擊視網膜就引起視覺。

18世紀牛頓的微粒說佔了上風,19世紀,光是波動說佔了絕對優勢。以太的學說也大大發展:波的傳播需要媒質,光在真空中傳播的媒質就是以太,也叫光以太。與此同時,電磁學得到了蓬勃發展,經過麥克斯韋、赫茲等人的努力,形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學,並從理論與實踐上證明光就是一定頻率範圍內的電磁波,從而統一了光的波動理論與電磁理論。以太不僅是光波的載體,也成了電磁場的載體。直到19世紀末,人們企圖尋找以太,然而從未在實驗中發現以太,相反,邁克耳遜莫雷實驗卻發現以太不太可能存在。

愛因斯坦

電磁學的發展最初也是納入牛頓力學的框架,但在解釋運動物體的電磁過程時卻發現,與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。按照麥克斯韋理論,真空中電磁波的速度,也就是光的速度是一個恆量;然而按照牛頓力學的速度加法原理,不同慣性系的光速不同。例如,兩輛汽車,一輛向你駛近,一輛駛離。你看到前一輛車的燈向你靠近,後一輛車的燈遠離。根據伽利略理論,向你駛來的車將發出速度大於c(真空光速3.0x10^8m/s)的光,即前車發出的光的速度=光速+車速;而駛離車發出的光的速度小於c,即後車發出的光的速度=光速-車速。但按照麥克斯韋理論,這兩種光的速度相同,因為在麥克斯韋的理論中,車的速度有無並不影響光的傳播,說白了不管車子怎樣,光速等於c。麥克斯韋與伽利略關於速度的說法明顯相悖!

愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論,特別是經過赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的,但是有一個問題使他不安,這就是絕對參照系以太的存在。他閱讀了許多著作發現,所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經過研究愛因斯坦發現,除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外,以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。

愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作,並從哲學中吸收思想營養,他相信世界的統一性和邏輯的一致性。在“奧林匹亞科學院”時期大衛·休謨(David Hume)對因果律的普遍有效性產生的懷疑,對愛因斯坦產生了影響。相對性原理已經在力學中被廣泛證明,卻在電動力學中卻無法成立,對於物理學這兩個理論體系在邏輯上的不一致,愛因斯坦提出了懷疑。他認為,相對性原理應該普遍成立,因此電磁理論對於各個慣性系應該具有同樣的形式,但在這裡出現了光速的問題。光速是不變的量還是可變的量,成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。當時的物理學家一般都相信以太,也就是相信存在著絕對參照系,這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。

19世紀末,馬赫在所著的《發展中的力學》中,批判了牛頓的絕對時空觀,這給愛因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題,貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法,兩人討論了很久。突然,愛因斯坦領悟到了什麼,回到家經過反覆思考,終於想明白了問題。第二天,他又來到貝索家,說:謝謝你,我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事:時間沒有絕對的定義,時間與光信號的速度有一種不可分割的聯繫。他找到了開鎖的鑰匙,經過五個星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。

1905年6月30日,德國《物理學年鑑》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》,在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於狹義相對論的第一篇文章,它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。狹義相對論所根據的是兩條原理:相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發點,是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想,但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學體系時也講了相對性思想,但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動,在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展了相對性原理,在他看來,根本不存在絕對靜止的空間,同樣不存在絕對同一的時間,所有時間和空間都是和運動的物體聯繫在一起的。對於任何一個參照系和座標系,都只有屬於這個參照系和座標系的空間和時間。對於一切慣性系,運用該參照系的空間和時間所表達的物理規律,它們的形式都是相同的,這就是相對性原理,嚴格地說是狹義的相對性原理。在這篇文章中,愛因斯坦沒有討論將光速不變作為基本原理的根據,他提出光速不變是一個大膽的假設,是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學問題的結果,他從同時的相對性這一點作為突破口,建立了全新的時間和空間理論,並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。

世界著名的物理學家愛因斯坦

什麼是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢?一般來說,我們會通過信號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度,但如何測出這一速度呢?我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間,空間距離的測量很簡單,麻煩在於測量時間,我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘,從兩個鐘的讀數可以知道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢?答案是還需要一種信號。這個信號能否將鍾對好?如果按照先前的思路,它又需要一種新信號,這樣無窮後退,異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的,同時性必與一種信號相聯繫,否則我們說這兩件事同時發生是無意義的。

光信號可能是用來對時鐘最合適的信號,但光速非無限大,這樣就產生一個新奇的結論,對於靜止的觀察者同時的兩件事,對於運動的觀察者就不是同時的。我們設想一個高速運行的列車,它的速度接近光速。列車通過站臺時,甲站在站臺上,有兩道閃電在甲眼前閃過,一道在火車前端,一道在後端,並在火車兩端及平臺的相應部位留下痕跡,通過測量,甲與列車兩端的間距相等,得出的結論是,甲是同時看到兩道閃電的。因此對甲來說,收到的兩個光信號在同一時間間隔內傳播同樣的距離,並同時到達他所在位置,這兩起事件必然在同一時間發生,它們是同時的。但對於在列車內部正中央的乙,情況則不同,因為乙與高速運行的列車一同運動,因此他會先截取向著他傳播的前端信號,然後收到從後端傳來的光信號。對乙來說,這兩起事件是不同時的。也就是說,同時性不是絕對的,而取決於觀察者的運動狀態。這一結論否定了牛頓力學中引以為基礎的絕對時間和絕對空間框架。

相對論認為,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運動的最大速度。由於相對論效應,運動物體的長度會變短,運動物體的時間膨脹。但由於日常生活中所遇到的問題,運動速度都是很低的(與光速相比),看不出相對論效應。

愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學,指出質量隨著速度的增加而增加,當速度接近光速時,質量趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式:E=mc^2,質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。

廣義相對論的建立:

1905年,愛因斯坦發表了關於狹義相對論的第一篇文章後(即《論動體的電動力學》),並沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學家普朗克注意到了他的文章,認為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美,正是由於普朗克的推動,相對論很快成為人們研究和討論的課題,愛因斯坦也受到了學術界的注意。

亞瑟·愛丁頓拍攝到的1919年5月29日日食

1907年,愛因斯坦聽從友人的建議,提交了那篇著名的論文申請聯邦工業大學的編外講師職位,但得到的答覆是論文無法理解。雖然在德國物理學界愛因斯坦已經很有名氣,但在瑞士,他卻得不到一個大學的教職,許多有名望的人開始為他鳴不平,1908年,愛因斯坦終於得到了編外講師的職位,並在第二年當上了副教授。1912年,愛因斯坦當上了教授,1913年,應普朗克之邀擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學教授。

1907年,愛因斯坦撰寫了關於狹義相對論的長篇文章《關於相對性原理和由此得出的結論》,在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理,此後,愛因斯坦關於等效原理的思想又不斷髮展。他以慣性質量和引力質量成正比的自然規律作為等效原理的根據,提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系。愛因斯坦並且提出了封閉箱的說法:在一封閉箱中的觀察者,不管用什麼方法也無法確定他究竟是靜止於一個引力場中,還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中,這是解釋等效原理最常用的說法,而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。

5歲的愛因斯坦和3歲的妹妹

1915年11月,愛因斯坦先後向普魯士科學院提交了四篇論文,在這四篇論文中,他提出了新的看法,證明了水星近日點的進動,並給出了正確的引力場方程。至此,廣義相對論的基本問題都解決了,廣義相對論誕生了。

1916年,愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》,在這篇文章中,愛因斯坦首先將以前適用於慣性系的相對論稱為狹義相對論,將只對於慣性系物理規律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理,並進一步表述了廣義相對性原理:物理學的定律必須對於無論哪種方式運動著的參照系都成立。

相對論的意義:

狹義相對論和廣義相對論建立以來,已經過去了很長時間,它經受住了實踐和歷史的考驗,是人們普遍承認的真理。相對論對於現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響。相對論從邏輯思想上統一了經典物理學,使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系,指出它們都服從狹義相對性原理,都是對洛倫茲變換協變的,牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上,通過等效原理,建立了局域慣性長與普遍參照系數之間的關係,得到了所有物理規律的廣義協變形式,並建立了廣義協變的引力理論,而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上解決了以前物理學只限於慣性系的問題,從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念,給出了科學而系統的時空觀和物質觀,從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。

狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律,並提示了質量與能量相當,給出了質能關係式。這兩項成果對低速運動的宏觀物體並不明顯,但在研究微觀粒子時卻顯示了極端的重要性。因為微觀粒子的運動速度一般都比較快,有的接近甚至達到光速,所以粒子的物理學離不開相對論。質能關係式不僅為量子理論的建立和發展創造了必要的條件,而且為原子核物理學的發展和應用提供了根據。

對於愛因斯坦引入的這些全新的概念,當時地球上大部分物理學家,其中包括相對論變換關係的奠基人洛侖茲,都覺得難以接受。甚至有人說“當時全世界只有兩個半人懂相對論”。舊的思想方法的障礙,使這一新的物理理論直到一代人之後才為廣大物理學家所熟悉,就連瑞典皇家科學院,1922年把諾貝爾物理學獎授予愛因斯坦時,也只是說“由於他對理論物理學的貢獻,更由於他發現了光電效應的定律。”對愛因斯坦的諾貝爾物理學獎頒獎辭中竟然對於愛因斯坦的相對論隻字未提。(注:相對論沒有獲諾貝爾獎,一個重要原因就是還缺乏大量事實驗證。)

光電效應

1905年,愛因斯坦提出光子假設,成功解釋了光電效應,因此獲得1921年諾貝爾物理獎。

愛因斯坦“達達主義”照

光照射到金屬上,引起物質的電性質發生變化。這類光變致電的現象被人們統稱為光電效應(Photoelectric effect)。

光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面,又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體內部,稱為內光電效應 。

赫茲於1887年發現光電效應,愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應(金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應,發射出來的電子叫做光電子)。光波長小於某一臨界值時方能發射電子,即極限波長,對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料,而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關,這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾,即光電效應的瞬時性,按波動性理論,如果入射光較弱,照射的時間要長一些,金屬中的電子才能積累住足夠的能量,飛出金屬表面。可事實是,只要光的頻率高於金屬的極限頻率,光的亮度無論強弱,光子的產生都幾乎是瞬時的,不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即光子或光量子)所組成。

光電效應裡,電子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直於金屬表面射出,與光照方向無關,光是電磁波,但是光是高頻震盪的正交電磁場,振幅很小,不會對電子射出方向產生影響。

能量守恆

E=mc2,物質不滅定律,說的是物質的質量不滅;能量守恆定律,說的是物質的能量守恆。

愛因斯坦書寫質能方程

雖然這兩條偉大的定律相繼被人們發現了,但是人們以為這是兩個風馬牛不相關的定律,各自說明了不同的自然規律。甚至有人以為,物質不滅定律是一條化學定律,能量守恆定律是一條物理定律,它們分屬於不同的科學範疇。

愛因斯坦認為,物質的質量是慣性的量度,能量是運動的量度;能量與質量並不是彼此孤立的,而是互相聯繫的,不可分割的。物體質量的改變,會使能量發生相應的改變;而物體能量的改變,也會使質量發生相應的改變。

在狹義相對論中,愛因斯坦提出了著名的質能公式:E=mc^2(這裡的E代表能量,m代表多少質量,c代表光的速度,近似值為3×10^8m/s,這說明能量可以用減少質量的方法創造)。

愛因斯坦的質能關係公式,正確地解釋了各種原子核反應:就拿氦4(He4)來說,它的原子核是由2個質子和2箇中子組成的。照理,氦4原子核的質量就等於2個質子和2箇中子質量之和。實際上,這樣的算術並不成立,氦核的質量比2個質子、2箇中子質量之和少了0.0302u(原子質量單位)!這是為什麼呢?因為當2個氘[dāo]核(每個氘核都含有1個質子、1箇中子)聚合成1個氦4原子核時,釋放出大量的原子能。生成1克氦4原子時,大約放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因為這樣,氦4原子核的質量減少了。

這個例子生動地說明:在2個氘原子核聚合成1個氦4原子核時,似乎質量並不守恆,也就是氦4原子核的質量並不等於2個氘核質量之和。然而,用質能關係公式計算,氦4原子核失去的質量,恰巧等於因反應時釋放出原子能而減少的質量。

愛因斯坦從更新的高度,闡明瞭物質不滅定律和能量守恆定律的實質,指出了兩條定律之間的密切關係,使人類對大自然的認識又深了一步。

宇宙常數

愛因斯坦在提出相對論的時候,曾將宇宙常數(為了解釋物質密度不為零的靜態宇宙的存在,他在引力場方程中引進一個與度規張量成比例的項,用符號Λ表示。該比例常數很小,在銀河系尺度範圍可忽略不計。只在宇宙尺度下,Λ才可能有意義,所以叫作宇宙常數。即所謂的反引力的固定數值)代入他的方程。他認為,有一種反引力,能與引力平衡,促使宇宙有限而靜態。當哈勃將膨脹宇宙的天文觀測結果展示給愛因斯坦看時,愛因斯坦說:“這是我一生所犯下的最大錯誤。”

宇宙是膨脹著的。哈勃等認為,反引力是不存在的,由於星系間的引力,促使膨脹速度越來越慢。星系間有一種扭旋的力,促使宇宙不斷膨脹,即暗能量。70億年前,它們“戰勝”了暗物質,成為宇宙的主宰。最新研究表明,按質量成份(只算實質量,不算虛物質)計算,暗物質和暗能量約佔宇宙96%。看來,宇宙將不斷加速膨脹,直至解體死亡。(也有其它說法,爭議不休)。宇宙常數雖存在,但反引力的值遠超過引力。林德饒有風趣的說:“我終於明白,為什麼他(愛因斯坦)這麼喜歡這個理論,多年後依然研究宇宙常數,宇宙常數依然是當今物理學最大的疑問之一。






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科學是全人類的財富,是改變世界歷史世界的火炬,科學的進步是不是改變了人類生存的軌跡,是不是加速了人類走向終點的進程,不得而知。


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