1.5　20世纪

简 史

（1）爱因斯坦

☆1905年3月，爱因斯坦发表量子论，提出光量子假说，解决了光电效应问题。4月向苏黎世大学提交论文《分子大小的新测定法》，取得博士学位。5月完成论文《论动体的电动力学》，独立而完整地提出狭义相对性原理，开创物理学的新纪元。这一年因此被称为“爱因斯坦奇迹年”。

☆1915年11月，爱因斯坦提出广义相对论引力方程的完整形式，并且成功地解释了水星近日点运动。

☆1916年3月，爱因斯坦完成总结性论文《广义相对论的基础》。5月，提出宇宙空间有限无界的假说。8月，完成《关于辐射的量子理论》，总结量子论的发展，提出受激辐射理论。

☆1921年，爱因斯坦因光电效应研究而获得诺贝尔物理学奖，他的研究推动了量子力学的发展。同年1月27日，爱因斯坦在普鲁士科学院作《几何学和经验》的报告。

（2）R.布朗

☆R.布朗是英国的植物学家，1827年他在显微镜下观察到水中很小的微粒极为活泼的和偶然的运动。每个微粒都互不相关地升起、沉下，又升起，永不停止，微粒越小就越活跃。这就是“布朗运动”。

（3）S.P.兰利

☆S.P.兰利从事关于承受面的实验有许多年，并在他的著作《空气动力学实验》和《风的内功》中作了论述。

☆S.P.兰利证明，如果一块对它的运动方向向上倾斜的薄板面对静止的空气高速运动，空气的反作用就产生了升力。

☆S.P.兰利发现，在某些确定的条件下，航空上所要求的动力在理论上将随着速度的增加而无限地减少，而在实际上这个动力将减少到某一极限，后来称之为“兰利定律”。

（4）开尔芬

☆开尔芬曾提出过“涡旋原子”，在1901年，为要适应新的观察事实，他又提出了一种新的原子模型。他写了一篇题为《原子化了的爱皮努斯》的文章。

☆1902年，开尔芬评述道，“现在几乎普遍地接受了法拉第、麦克斯韦考虑过的和亥姆霍兹明确提出来的电的原子”，“它们比物质的原子要小很多，并且能自由地穿过它们占有的空间”，“在物质的原子内部的一个电的原子受到指向原子中心的电力作用”；“每种物质在它里面都有电……如果电原子或者电的原子不断地离开物质原子，那么它们可能会以超过光速的速度前进，而且这个物质是放射性的”。总之，开尔芬认为物质原子是由带正电的均匀球体组成的。在整个物质原子里面，负电是按分立电子的形式分布的。

（5）J.J.汤姆孙

☆J.J.汤姆孙提出的观点是，“如果镭原子的质量是由于在它里面存在大量的、每一个都带有负电荷……以及和相等的正电荷相结合的粒子，如果是使原子成为电中性的，那么，原子具有的内能会非常大”，以至于镭能维持辐射30000年。

☆1904年，J.J.汤姆孙假定原子是一个带正电的球，电子在这个球内到处运动着。

（6）卢瑟福

☆卢瑟福发现，开尔芬和J.J.汤姆孙的原子模型不适用于解释α粒子通过不同种类的物质时的散射量。因此，卢瑟福修改了这个模型，把这个模型里外对调，因而，正电荷集中在约只有原子直径的0.0001倍的原子核的中心，这个原子核被电子围绕，电子的分布是使原子电呈中性的。

（7）玻尔

☆在玻尔的早期研究中，他还致力于用几个圆形轨道建立较重元素的原子模型，每一个轨道都被几个电子占据着，在最外层轨道上的电子数等于该元素的原子价。

（8）德布罗意

☆德布罗意把相对论应用到量子论中，以mc2为单位，也以hv来量度静止质量为m的单位粒子能量，其中c是光速，h是普朗克常数，v是周期变化的频率。这就是说，mc2=hv。

☆德布罗意的波动力学成为薛定谔作出新的理论发展的起点。

导 图

人物小史与趣事

爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955），物理学家、哲学家、数学家、政治家，主要成就：创立相对论、成功解释光电效应、阐明能量守恒、提出宇宙常数。

☆谈成名

1919年，英国科学家在日食时观察到了引力所造成的光线弯曲现象后，爱因斯坦的广义相对论得到了证实。一夜之间，爱因斯坦成了世界风云人物。但是爱因斯坦从不以此为荣。那一年的圣诞节，他写信给一个在苏黎世的朋友：“……有了名气，我变得越来越笨拙。当然，这是一个非常普遍的现象。一个人的实在水准与他人对此人的评价之间，或是与人们嘴上所讲的对此人的看法之间，严重地不成比例，但是此人必须以强烈的幽默感去接受所有这一切评价。”

爱因斯坦的名声招来了大量的来信。一个学生来信说由于她的数学成绩在中等偏下，因此不得不比她的朋友更加用功。爱因斯坦回信说：“别担忧你在数学方面的困难，我肯定我的困难仍然是很大的。”

☆谈时钟

1909年秋天，爱因斯坦到苏黎世大学任教，但他的收入并不高，维持起码的生活都有困难。对此困境，他苦笑着说：“我曾说过，在宇宙内相对运动着的各个坐标系内，各有自己的时钟。但是，实际上我家连一个时钟都买不起。”

☆一枚小磁针的故事

爱因斯坦1936年5月26日写道：“在每个人的一生中，外来事件决定他的思路与行为方向的可能性是有的。但是，对大多数人来说，这样的事件没有效果。而对于我，当我还是个小孩子时，我父亲给我看一枚小磁针，它对我的印象很深，并影响了我的一生。”

磁针是定地理方位的，而对幼年时的爱因斯坦，它却起了启蒙心智、确定人生行为方向的作用。

☆我家住何处

爱因斯坦搬到普林斯顿大学以后，有一天，校教务长的秘书办公室接到一个电话，请求教务长通话。“教务长不在。”秘书答道。“也许你能告诉我爱因斯坦博士住在哪里？”对方接着问。由于学校规定不能让爱因斯坦受到那些追根究底的电话的干扰，所以这个要求被秘书婉言拒绝了。这时候，对方在电话那头的声音降低到了像耳语，“请不要告诉任何别的人，我就是爱因斯坦博士，我在回家的路上忘了我的房子在什么地方。”

☆论艺术和科学

1921年1月20日，一位研究现代艺术的德国杂志编辑写信给爱因斯坦，说他相信艺术的发展在一定时期内与科学成果之间有密切的联系，恳请爱因斯坦就此问题写上几句，刊登在他办的杂志上。

同年1月27日，爱因斯坦写了以下的观点：

“什么是艺术和科学经验的共同点。在那里不再是作为我们个人心愿与希望的舞台，在我们人类以赞美、探求和观察的方式正视它的地方，我们就进入了艺术与科学的王国。如果我们看到的与经历的东西是以逻辑的语言描绘的，我们就在从事科学；如果它是通过其形式来沟通的，与这种形式的联系不是由有意识的精神来达到而是由直觉来认识其意义的，那么我们就是在从事艺术。两者的共同点是把爱奉献给能超越个人利害与意志的东西。”

在别的场合，爱因斯坦还说过：“艺术作品给我最高的幸福感受。我从中汲取到的精神力量是任何其他领域所不及的。”

☆爱因斯坦夫妇相处的原则

爱因斯坦夫妇感情甚笃，从无争执。朋友们曾问他俩夫妇如何相处以致如此美满，有何秘诀，可否见告？爱因斯坦诙谐地答道：“我们结婚以后遵守一个原则，家中大事由我决定，小事由太太做主，所以多年来没有不同意见。现在回想起来，这么多年来没有发生过大事，所以相安无事了。”

☆谈相对

一天有人问爱因斯坦：“请问何谓相对，可否赐教？”他回答道：“如果你和一个漂亮的女孩子在一起坐了一个小时，感觉上似乎只过了一分钟。而如果坐在一个过分热的炉子旁边一分钟，就好像过了一个多小时，这就是相对。”

☆充满自信

1919年，英国天文学家在南半球观察日全食证实了光线在引力场中弯曲，从而验证了爱因斯坦的广义相对论。当通知这一消息的电报送到他办公室时，他的一个学生正好在场并对此感到欢欣鼓舞，欢呼说这是一个非常重要的消息，但是爱因斯坦并不激动，而是说：“我早就知道这理论是正确的，难道你对此怀疑吗？”那个学生反问道：“如果实验的结果不能证实广义相对论的话，您会作何感想？”爱因斯坦答道，“那我只能为亲爱的上帝感到遗憾。”

☆一个习惯

爱因斯坦不但有敏锐的物理直觉，而且有很强的数学计算能力。他有个根深蒂固的习惯，就是一切计算都要亲自动手。有一次，他与助手英费尔德一起要进行一项计算，其中一些公式许多参考书上都有。英费尔德提议说，“我们查阅一下书吧，那样可以省去不少时间。”但是爱因斯坦继续埋头计算，并说：“这样更快，我已经忘记怎样查书了。”

这项工作结束写成论文投寄杂志发表前，英费尔德要去查一下文献以便引上以前有关的论文。爱因斯坦大声笑道：“对，一定要查一查。在这方面，我的过失太多了。”

☆一个回避荣誉的人

爱因斯坦成名以后一直保持着谦虚美德。尽管他内心明白，自己是历来最伟大的科学家之一，但是他从来不觉得因此有权取得比别人优越的地位。有一次，当有人告知他一群崇拜他的人要来看他时，他提出到公园去两三个小时以躲开他们。又有一次，爱因斯坦答应去一家人家演奏小提琴，在那里会有人替他作钢琴伴奏。那家女主人却想借此向她的客人炫耀一下著名的爱因斯坦。当爱因斯坦看到有这么多不相干的人们时，他戴上帽子就想离开，只是在得到了许诺把所有的门都锁上，房间里除了伴奏者外再无闲人时，他才留下来。

1952年，当以色列驻美国大使问爱因斯坦是否愿意接受当总统候选人的提名时，爱因斯坦答道：“大使先生，我这样的人，怎么能当总统呢？关于自然，我算是了解一点，而关于人，我几乎是一点也不了解。”

☆称赞泡利

泡利早年在维也纳大学读书时，写过一篇震惊学术界的有关相对论的文章。当爱因斯坦看了这篇文章后，频频地说：“什么，这是一个大学生写的？我不信！”

爱因斯坦给泡利写信，发自内心地赞美道：“……我没有夸奖过一个费尽九牛二虎之力才对我的相对论有深切了解的人。可是对你，实在有点儿不同，你仿佛天生下来就了解相对论了。”

可见，对于泡利、德布罗意和玻色，爱因斯坦可谓是“伯乐”，只有兼有旷世奇才和坦荡胸襟的人才能成为真正的“伯乐”。

☆大众眼里的爱因斯坦

爱因斯坦在普林斯顿的日常生活十分简单，每天大约十点半，他去高等研究院，在那里工作到下午一点，然后步行回家。有一次，一个开车司机忽然认出了在街上行走的这位名人，慈祥而带点忧郁的脸庞，黑色的羊毛帽子压在蓬松花白的头发上。司机惊喜之余的分神，导致他的汽车正好撞在一棵大树上，酿成一次小车祸，而爱因斯坦自己还不知道呢。

爱因斯坦第一次访问英国时曾住在一个爵士家，当这位“非常客人”走进爵士家时，爵士的女儿惊喜而激动得昏了过去。当爱因斯坦离开他家并凝视着威斯敏斯特教堂的牛顿墓时，爵士很感动，写下了下面这句话：“一个总在渴望淡泊而与众不同的人，却被天才的完美力量所驱使，不许他有片刻安宁。”

在一次欢迎爱因斯坦的大会上，一位官员做长篇大论时，爱因斯坦拿出笔来在节目单的背面演算自己的方程，全神贯注地投入，把什么都忘了。官员在演讲结束时高度赞扬了爱因斯坦，全场听众起立鼓掌，并转向爱因斯坦。有人在一旁悄悄地告诉爱因斯坦，他应该起来答谢。他果然站起来了，但不知在为谁欢呼，也跟着鼓掌，直到有人告诉他，大家是为他鼓掌，他才明白过来。

☆爱因斯坦的朋友论热的本性

在爱因斯坦的自述中，曾提到他的老同学、数学家格罗斯曼的一句非常俏皮而又具特色的话：“我从学习物理当中也得到了某些实际的好处，从前当我坐在椅子上感觉到先于我坐这椅子的人留下的余温（热）时，我总有点不自在。但现在已经没有这种不适感了，因为物理学告诉我，热是某种非个人的东西。”

☆无意个人崇拜

爱因斯坦说：“我没有什么特别的才能，不过喜欢寻根刨底地追究问题罢了。”

“我得多多少少感谢命运：一切哪怕与个人崇拜稍有瓜葛的东西，对我来说总是痛苦的。”

“谁要是把自己标榜为真理和知识领域里的裁判官，他就会被神的笑声所覆灭。”

☆生活中的物理问题

有一次爱因斯坦问朋友是否思考过这样一个问题：“踩在干燥或者浸满水的沙土上，双脚会下陷，但半湿的沙土表层却很结实。这是为什么？”朋友无以对答，而爱因斯坦的答案却惊人的简单。

他说这就是表面张力，即是液体表面弹性表皮导致的结果。水珠的凝聚也是因为表面张力。有时我们看到，窗玻璃上两颗小雨珠一碰到一起，立即溶成一个大水珠，这也是表面张力的结果。

爱因斯坦解释说：“沙土半湿时，沙粒间有少量水分，水分的表面张力使沙粒与沙粒互相黏合，黏合后摩擦力使沙粒不易移动。而沙土干燥时，沙粒间没有水分；沙土浸透时，沙粒间虽然有水，但没有黏合它们的水表面。”

☆昂内斯和爱因斯坦

1908年，荷兰物理学家昂内斯成功地液化了氦，从而使人类的实验能力达到一个新的低温区（4.2K以下），并在这样的低温区内测量了各种纯金属的电阻率。1911年，他发现，当温度降到4.2K附近时，汞样品的电阻突然降到零。不但纯汞，甚至加入杂质后的汞和锡的合金也具有这种性质。这是发现超导电性的肇始。之后几十年里，超导技术及相关的研究突飞猛进，超导现象的一系列特性被发现并从理论上得到解释，这其中包括零电阻效应、迈斯纳（Meissner）效应、二级相变效应、单电子隧道效应、约瑟夫森（Josephson）效应等。

1911年，在布鲁塞尔召开的索尔维会议上，首先发现低温下零电阻现象的荷兰物理学家昂内斯遇上了爱因斯坦，这位10年前曾经让爱因斯坦吃了闭门羹的人带着歉意对爱因斯坦说：“现在该由我来当你的助教了，多年前你写来的那张求职明信片我还留着。将来把它送到博物馆去，让后人看看我这个老头子当年有多糊涂。”

☆率真

爱因斯坦为人坦率，心口如一，直言不讳。有一次他应邀出席一个面向全国的广播节目。有个播音员蓦然发现了这位科学巨匠，就擅自宣布爱因斯坦要向全国听众发表讲话。爱因斯坦非常反感，立刻站起来说，“我没有话要讲，因此讲不出什么话；今后如有话讲，再来向各位奉告。” 

英国物理学家班·霍夫曼在回忆爱因斯坦的一篇文章中写道：“如果要用一个词出神入化地描述爱因斯坦，那就是‘率真’。”爱因斯坦自然是世界上公认的气度非凡的人，尽管他常常头发凌乱，一副不修边幅的样子，他的气质是其率真所决定的。霍夫曼讲过一个小故事：“一次，爱因斯坦突遇大雨，他脱下帽子将其放在衣内。当被问及为什么这样做时，他说大雨会淋坏帽子，而头发淋一下不要紧。”要知道，当时爱因斯坦已经是名扬全球的科学家，他一点也不掩饰自己的想法和行为，即使这种想法和行为在某些人看来也许是小气或土气。正是爱因斯坦的率真和对自然美的敏锐直觉，奠定了他非凡创造的基础。

☆童心

爱因斯坦到达帕沙迪纳时受到许多社会名流欢迎。那天场面很大，四周挤满了欢迎的人群；小朋友们手里都拿着鲜花。在市政府大礼堂前面举行欢迎仪式过程中，他看到冯·卡门也在那里，就满面笑容地走过去和冯·卡门握手。

“啊！亲爱的卡门，”他说，“在这里见到你我真高兴。我有个问题要问你。”他把冯·卡门拉到一旁，用手指指广场上的喷泉，那喷泉顶上有一个翻滚、弹跳着的小球。“你解释解释为什么小球在喷泉顶上不掉下来。”

冯·卡门对他说，“如果小球重量和喷泉的动量之间保持某种恰当的关系，一旦小球出现在喷泉顶部，就会停留在那里按水力学规律运动，它一旦偏离平衡位置就自动进行校正，因此始终不会掉下来。”

“好极了”他点点头，然后又回去参加欢迎仪式。

爱因斯坦晚年，在回顾自己奋斗的一生时，曾经写道：

在漫长的科研生涯里，

我领悟到了一件事情：

我们的全部科学，

相对现实来掂量的话，

都是简单朴素而充满童趣的，

这才是我们拥有的最宝贵的东西。

☆答主教

有一次，爱因斯坦出席一个宴会。他的邻座是一个英国大主教。主教希望相对论的理论与上帝的理念相吻合，就亲切地对爱因斯坦说：“不少人对我讲，爱因斯坦会改变我们的宗教观念呢！教授，关于这一点，你的看法如何呢？”

爱因斯坦呷了一口香槟酒，脸上带着微笑回答说：“别信这些人，相对论讨论的是纯科学问题，与宗教毫不相干。”

☆论教育的价值

当爱因斯坦听说发明大王爱迪生认为大学教育无用时，他评论道：“教育的价值不在于学习大量已知的事实，而在于训练你的头脑去思考教科书里学不到的东西”。

☆谈谦虚

有时人们对谦卑存有戒心，并不是因为它是一种缺点，而是因为在有创造力的科学家身上它常常是掩饰野心的一种欺诈。一次有人向爱因斯坦提到一位很谦虚的青年物理学家，而爱因斯坦回答道：“他还没有做出任何工作，有什么可谦虚的？”