重读爱因斯坦的五篇论文

1905年，时年26岁的爱因斯坦(1879~1955)发表了5篇极其重要的物理学论文，奠定了20世纪物理学乃至整个科学发展的基础，开拓了人类科学技术革命的方向。

差不多每年暑假我都要重新温习这5篇文章，或详细阅读思考，或摘其要点欣赏，或只是品味一下公式的内涵与美妙之处，至今仍兴趣盎然舍不得放下。

作为人类历史上最伟大的物理学家之一的爱因斯坦，他的5篇论文阐释了宇宙中几项最根本的法则。大自然崇尚简洁（简约）、对称（和谐），这5篇论文所表达的道理与数学公式，皆具有至简至美的特点，不由得对其欣赏之余仍余音绕梁。

我在美国逗留期间，曾经多次前往普林斯顿高等研究院、爱因斯坦故居幽思怀古，努力在时空一体的瞬间追踪爱因斯坦的思维，在空旷、少人、安静、神圣的普林斯顿，那是极其微妙的一种体验！

在人类文明历史上，大物理学家必定有牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦、伽利略等人的位置，且牛顿的位置难以撼动。爱因斯坦应该是仅次于牛顿的大物理学家，从对物理学基础的贡献来看，爱因斯坦的理论贡献主要体现在三方面：改变了人们对时间和空间的理解，从而给理论物理带来对称性的概念和对称性支配相互作用的思想；创立了广义引力的几何概念；参与创立了量子力学理论体系。

爱因斯坦出名之后被附会了很多故事，甚至是政治色彩。很多人以为他参与了美国的曼哈顿计划并参与到原子弹的研制中。事实上，他并没有从事过核物理的研究。他与曼哈顿计划或美国原子弹研制计划的关系，也仅仅是写给美国总统罗斯福一封信件，敦促后者考虑原子弹的可能性，并就此与物理学家接触，以防止被狂人希特勒抢先。若再要牵强一点地说，他不过另外帮助做过一点根本就不保密的同位素分离理论研究。

爱因斯坦在1919年与儿子埃德瓦的谈话中说：“当一只甲虫在一根弯曲的树枝上爬行的时候，它并没有觉察到这根树枝是弯曲的。我有幸觉察到了甲虫没有觉察到的东西。”这便是爱因斯坦的科学体验的自我评价。

5篇论文阐释了哪些道理呢？

1．《关于光的产生和变换的启发性观点》

爱因斯坦这篇论文使他在1921年获得诺贝尔物理学奖，也是他一生惟一一次获得诺贝尔奖，后来的更有科学价值的论文并未获得诺贝尔奖。

爱因斯坦在这篇论文中提出光量子（即后来所说的光子）假说，解释了光的本质，认为电磁波由作为基本单元的光量子组成，揭示了物质与电磁辐射的本质。

爱因斯坦用量子概念解释光电效应：带静电的金属受光线照射时会释放电子。他认为光束是由粒子(光子)组成，这与光只有波动属性的主流观念矛盾。在他之前，普朗克也曾经提出，物质辐射电磁波的一种方式是离散的，其最小单元即称为光量子。该学说推动了对作为量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受。

光电效应理论后来成为众多技术的基础影响着现代光学的发展。爱因斯坦1917年论文《论辐射的量子性》指出，原子吸收了光可以变为激发态——跳到更高的能级；自然发光则返回到较低能级。除了吸收和自发辐射，他推断一定存在第三种作用：光子可以诱导受激原子发出另外一个光子，这两个光子可以激发另外两个原子放出光子，如此倍增，可以产生相干光束，出现 “粒子数反转”即受激原子多于未受激原子，从而找到使光子发射聚集成强光束的方法。这一想法到1954年才得以实现，汤斯(C. H.Townes) 和肖洛(A.I.Schawlaw)受爱因斯坦的超前理论启示，发明了激光的前身微波激射器。

2．《分子大小的新决定》

这是爱因斯坦的博士论文，文章给出了计算测量分子大小的新方法，推导出分子扩散速度的数学公式。论文说明：未解离的稀溶液中溶质的分子大小，可以从溶液和纯溶剂的内黏性，以及从溶质在溶剂里面的扩散率求出来，只要一个溶质分子的体积大于一个溶剂分子的体积即可。

论文内容涉及以下问题：悬浮在液体中很小的球如何影响液体的运动；关于有大量悬浮小球不规则分布着液体的黏性系数的计算；分子体积大于溶剂分子体积的被溶物质的体积；不离解的物质在溶液中的扩散；借助已经得到的关系来测定分子的大小。

3．《用热的分子运动论研究悬浮在静止液体中的微小粒子的运动》

这篇论文创立了支配布朗运动的数学定律，推进了布朗运动和原子存在的观点。他预测了给定体积的液体中分子的数量和质量，以及这些分子如何快速运动，为“特定大小原子的存在”提供了证明。

19世纪初，罗伯特.布朗（Robert Brown，1773~1858）对水中花粉粒不规则的之字型运动进行了观察，这种飘忽不定的运动被称作布朗运动。爱因斯坦认为水分子的运动足够剧烈，能够推动悬浮的颗粒做无规则运动，这种运动可以在显微镜下观察到。

20世纪初还在争议原子是否存存在。以上两篇是对统计力学的重要贡献，有力地支持了原子、分子的真实性，使人能接受玻尔兹曼等人关于宏观热力学的微观解释。

文章的方法可用于模拟空气污染物行为、股票市场涨落走势。2003年，普林斯顿大学的C.Sturm及其合作者制造了布朗棘轮进行分离实验。使水和两种不同病毒的DNA混合物通过棘轮，能快速、可靠地把较重的与较轻的病毒基因组分离。

4．《论运动物体的电动力学》

正是这篇文章，提出了时空关系的新理论，创立了狭义相对论。

以真空中的光束和物理定律不依赖于惯性观察者自身速度为基本假设，推导出了不同观察者关于同一事件所观察到的时间和空间坐标之间的关系，将相对性原理扩展到电磁学范畴。依据该理论，迈克尔逊－莫雷实验等疑难结果得到解释，揭示出时间和空间是一个整体，引发了时空观念的深刻变革。

相对性原理的出现要早于爱因斯坦数百年。1632年伽利略就提出：无论观察者的运动状态如何，只要其运动速度不变，所有物理定律都相同。在一艘匀速运动轮船的甲板上观察，或是在静止轮船的甲板上观察，石块从桅杆上垂直落下的情况完全一样。对于牛顿在17世纪中期提出的力学定律而言，相对性原理也成立。

19世纪后期观察到电磁现象并建立起电磁学理论，这种一致性被打乱。爱因斯坦关注电磁学与物理学其它领域的不调和，试图用相对性原理解释电磁现象。这篇文章将相对性原理应用于电磁学，肯定了其原理适于所有物理学，并且确认光速为一个常数。

文章解决了相对性悖论，还提出了与常规直觉相违背的新的相对性原理。无论观察者是静坐在椅子上，还是乘坐以接近光速运动的飞船上，光速对观察者保持不变。光速不变原理彻底摧毁了绝对时空观，但是，飞船上的人的体重将比飞船起飞前增加了。

5．《物体的惯性是否决定其内能》

这篇论文提出质量与能量等效，在狭义相对论基础上，指出惯性质量与任何形式的能量互相关联。这篇论文可以看作是狭义相对论的补遗。文中描述道“物体质量是其内能的一个尺度”。爱因斯坦于1907年将内能概念重新表述为有史以来最著名的科学方程之一“质能互换公式”。相对于椅子中观察者，太空飞船的速度越快，则其动能和质量也越大，从而使得它越来越难以加速。当飞船速度接近光速时，提升飞行速度所需要能量增量太过巨大，以至于继续加速越来越费劲。

第4篇论文《论动体的电动力学》和第5篇论文《物体的惯性是否决定其内能》，合起来被简述为“狭义相对论”理论，被认为是最具有划时代意义的理论革命。依据爱因斯坦的新的时空关系，在狭义相对论基础上，质量和能量是可以互换的。

                                                                                                                  2018年08月06日  于草坪书屋