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重温爱因斯坦的五篇论文

已有 25157 次阅读 2016-3-25 08:47 |个人分类:随想|系统分类:科研笔记


 

在前天的小爱的“小结”后面,有朋友问,小爱的那些“石破天惊、惊世骇俗甚至大逆不道的文章是怎样通过评审的?”我不知道当年的审稿意见是否还在,也没时间追溯更多的文献,无法历史地回答,只能简单说点儿感想:总的说来,小爱奇迹年的五篇论文都不像几个形容词说的那么夸张。它们不过是用传统的方法从传统理论的矛盾中找到了新的概念。(五篇论文可见商务版《爱因斯坦文集》第二卷,英文译本见Einstein's Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face ofPhysics. Princeton University Press; Revised edition, 2005,此书也有中译本;下面所用中文标题依据《爱因斯坦文集》。)

 

     第一篇,关于光的产生和转化的一个试探性观点(3月),黑体辐射是小爱的物理老师Weber擅长的科目,W自己也提出过经验公式。爱因斯坦从辐射能量与电磁场理论的矛盾出发,发现辐射能量应该是离散分布的。奇怪的是,他没有用他熟悉的统计力学工具,也没有提到Planck几年前的辐射公式——那个公式就隐含着光量子。这是唯一一篇小爱自称“很有革命性”的文章。

第二篇,分子大小的新测定法(19054月,博士论文),用经典流体力学和扩散理论来测量分子的大小,确定Avogadro常数。

第三篇,热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动(5月),几乎是博士论文的副产品,通过悬浮颗粒的大小和溶液的温度和粘度确定了扩散系数,这里面没有一个概念是异端的。Brown运动是老问题,小爱是用分子热运动与扩散理论提出了新的解释。它的独特意义已经超出了物理学,我们今天讲随机过程,往往就从它开始。

第四篇,论动体的电动力学(6月),把牛顿力学的相对性原理推广到电磁论,关键一点就是认识到同时性的相对性(这一点困惑了他几个星期,与朋友Besso讨论后才觉悟的)。文章分两个部分,运动学的部分几乎是操作性地提出时间测量与坐标变换,冲淡了概念的“叛逆”色彩,而自然导出的Lorentz变换更是现成的东西;其结果初看起来也无非是坐标变换的现象。这些都令人感觉不到潜藏的革命。何况,当时别人也在讨论时空和以太,PoincareLorentz几乎一只脚迈进到相对论的大门了。在这样的背景下,小爱的文章作为一个协调电磁论与牛顿力学的的假定(或Lorentz电子论的另一种形式),当然是可以接受的。实际上,文章发表后没引起任何反响,过了好久他才收到Planck的一封问题信,然后也是Planck把理论传播出去的。

第五篇,物体的惯性同它所含的能量有关吗?(9月)“前一研究的结果导致一个非常有趣的结论”,本文从形式上看不过是Lorentz变换的自然结果。其实,当时普遍相信惯性质量与电磁能量有关,甚至一切力学概念都可以从电磁能推导出来。小爱的结论则将质量与所有形式的能量联系起来了。

这几篇文章展现了小爱的统计物理学和电磁理论的功夫,也说明了想要革什么理论的命,就要先成为那个理论的能手。小爱的革命,是为了和谐而不是为了颠覆。相对论是为了解决电磁场论与牛顿力学的不和谐,光量子是为了连续的电磁场论与离散的统计力学的和谐。五篇文章都是和风细雨而非疾风暴雨,至于它们孕育的大革命,也不过是自然的逻辑演化。

更有意思的是,从分子到原子到光子,呈现的是粒子的图像;而电磁论是场的图像。从小爱到老爱一直游走在两个图像之间,也许他想着未来能将矛盾化解。可惜,那矛盾直到今天也没消除——它演化成相对论与量子论的矛盾。小爱和老爱对量子论的态度,应该也是从那矛盾生出来的吧?他不喜欢“革命的”量子,也就是不喜欢革命了;也许科学本没有革命,后来夸张的旗号多了,也就有了革命……



 




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