爱因斯坦对量子理论的贡献|早期的量子理论有哪些

　　1引言　　正像历史学家认为17世纪下半叶是牛顿(Newton，1642--1727)的时代那样，人们常把20世纪的上半叶看成是爱因斯坦(Einstein，1879-1955)的时代，因为他的相对论开创了物理学的新纪元，正因为爱因斯坦的相对论对物理学的影响非常深远，以至于一谈到爱因斯坦在物理学领域的贡献，人们首先想到的就是他的狭义相对论、广义相对论，而他对量子理论和量子力学的贡献却知之甚少，甚至，由于爱因斯坦始终反对量子力学的哥本哈根诠释而被误认为是量子理论发展中的一个顽固派，事实上，在爱因斯坦一生的科学工作中，量子力学始终是他关注的重要领域，他不仅对早期的量子论，而且对现行的量子力学理论的形成和完善都有过重要贡献。
　　2爱因斯坦对量子力学的贡献
　　2.1光量子理论
　　量子概念和量子假设起源于普朗克1900年对黑体辐射的础究，他在研究黑体辐射时，获得了一个与实验结果一致的纯粹的经验公式，1900年12月，他提出了量子论假说，普朗克的量子论虽然符合实验结果，但是在相当长的时间内不为人们所理解和重视，连普朗克本人对量子的假设也感到迷惑不解，甚至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系，但是，就在这个时候，又发现了用经典理论无法解释的新现象——光电效应，把一块擦的很亮的锌板连接在验电器上，用弧光灯照射锌板(如图1)，验电器的指针就张开了，这表示锌板带了电，进一步的检查表明锌板带的是正电，这实验表明在弧光灯的照射下，锌板中的一些自由电子从表面飞出来了，这种在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，最初观察到光电效应的时候，物理学家们没有感到惊讶，但是，进一步的研究发现，对各种金属都存在极限频率和极限波长，如果入射光的频率比极限频率低，那么无论光多么强，照射时间多么长，都不会发生光电效应；而如果入射光的频率高于极限频率，即使光不强，当它射到金属表面时也会观察到光电效应，这一点无法用光的波动理论解释，还有一点与光的波动性相矛盾，这就是光电效应的瞬时性，按波动理论：如果入射光比较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累足够的能量，飞出金属表面，可是事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过10-9s。
　　爱因斯坦则从实验事实出发重新考查了物理学的最基础的概念，抛弃了一些熟知的、但并不正确的观念，在理论上作出了根本性的突破，1905年，爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了《有关光的产生和转换的一个试探性观点》，这篇文章的主题思想就是认为经典物理学内部存在严重的不协调，从而第一次提出了光量子的概念，直接发展了普朗克的量子假说，爱因斯坦认为光的能量在传播、吸收及产生的过程中都具有量子性，并用光量子的概念成功的解释了光电效应，他在人类的历史上第一次揭示了光同时具有波动性和粒子性，在观念上远远超过了普朗克，光量子概念直接为以后德布罗意的物质波理论的建立，以及随后量子力学的建立开辟了道路，这项工作获得了1921年诺贝尔物理学奖，尽管爱因斯坦的论证清晰简明，但在当时他的光量子假设还是受到了广泛的质疑，人们认为光量子假设与光的波动理论完全相悖，当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上时，这个理论的结果与经验相矛盾，甚至量子论的创始人普朗克也认为爱因斯坦的光量子理论走的太远，在推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士时说到：“爱因斯坦也会在思索中迷失方向，”密立根则试图从实验上否定光量子理论，但结论却相反，密立根不仅没有能否定爱因斯坦，反而给光量子理论提供了坚实的实验支持，并因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。
　　2.2爱因斯坦对矩阵力学和测不准关系的影响
　　量子力学的重大突破是在1925～1926年间取得的，1925年海森堡关于量子力学的第一篇论文使量子力学在新的发展方向上迈出了正确的第一步，海森堡这位因建立量子力学而获得诺贝尔物理学奖的物理学大师，出身于德国的书香门第，少年时代逐步形成了追求简单、真实的性格，在当时原子物理的三大中心——哥本哈根、慕尼黑、哥廷根学习和工作过，受过多位名师的指点，他自己说：“在索末菲那里学了物理，在波恩那里学了数学，在玻尔那里学了哲学。”
　　据海森堡自己的回忆录《部分与整体》中所述，他的第一篇论文《关于运动和力学关系的量子论的解释》和著名的不确定关系的提出，都与爱因斯坦的思想启迪有关，1926年春天，海森堡应邀到柏林大学讲新量子力学时，爱因斯坦正在柏林大学工作，讲演后，爱因斯坦和海森堡进行了一次长谈，谈话中爱因斯坦对海森堡认为量子力学中“只有可观变量才应当进入物理理论”的思想提出质疑，他详细的阐明了自己的观点，他说：“一个人把实际观察到的东西放在心中，会启发性的帮助的也许能更加灵活的解释它，但在原则上试图单靠可观察量来建立理论，那是完全错误的，实际上恰恰相反，是理论决定我们能够观察到的东西，”这次谈话给海森堡留下了深刻的印象，1926年7月，海森堡和薛定谔在量子力学的解释问题上发生了争论，焦点集中在云室中电子径迹的解释上，矩阵力学中没有轨道的概念，为了让大家接受他们的理论，海森堡和波尔一起寻求具有说服力的量子力学的解释，海森堡坚信，只能从这种力学本身对云室中的电子径迹作出数学表述，但这样做在数学上陷入了困境，在困境中他又想起了上次和爱因斯坦的谈话，他突然感觉到，也许找电子轨迹这个问题的提法就不对，在云室中看到的电子径迹是那么粗大，实际上电子本身并没有那么大，因此，正确的提法是一个电子只能以一定的不确定性处在给定的位置，而有以一定的不确定性具有给定的速度，可以把这种不确定性弄的最小，以便不和实验产生矛盾，测不准关系的基本思路就这样形成了。
　　2.3爱因斯坦对波动力学的促进
　　波动力学既是沿着物理学家L·德布罗意于1923年新开创的径迹发展到最高潮的产物，又是按爱因斯坦的纲领解决量子问题的一个巨大成就，首先，在起源上，薛定谔的理论是受L·德布罗意理论和爱因斯坦那“简短却无限深刻”的评论的启发所为，在方法上，他使用的是爱因斯坦所主张的传统的时空连续描述和微分方程，并保持了因果性和守恒性。