爱因斯坦与量子理论

本书以令人信服的论证，引人入胜的语言，有力阐述了爱因斯坦在量子理论中的突出贡献，近代物理化学界那些如雷贯耳的名字如洛伦兹、普朗克、索末菲、能斯特、埃伦费斯特、玻尔、玻色、德布罗意、薛定谔、玻恩、海森堡、泡利等轮番登场，而又无不是爱因斯坦的拥趸或直接间接影响者，作者甚至断定爱因斯坦在量子理论中所做的贡献值得获四个诺贝尔奖。看罢此书，诚如斯言。爱因斯坦这个在自然科学中无比闪耀的巨人，现实生活中无可比肩的伟人。令人惊叹！ 

《爱因斯坦与量子理论》完美揭示了爱因斯坦对量子理论贡献的全部意义。爱因斯坦以拒绝量子力学著称，他注意到上帝不掷骰子。但实际上，他对原子、分子的性质以及光的发射和吸收——我们现在所知的量子理论的核心——的思考比他对相对论的思考更多。《爱因斯坦与量子理论》是物理学、传记和科学史的有力结合，讲述了爱因斯坦——而不是马克斯•普朗克或尼尔斯•玻尔——是早期量子论发展的奠基人的不为人知的故事。道格拉斯•斯通对二十世纪这个科学巨人的伟大成就提供了一个全新的视角，展示了爱因斯坦对量子理论发展的贡献可能比他相对论的传奇工作更有意义。

 

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译者序

序言

致谢

引言　比相对论重要１００ 倍　　/ / １

第１ 章　“绝望的行为” 　　/ / ５

第２ 章　无理的斯瓦比亚　　/ / １３

第３ 章　吉普赛生活　　/ / １９

第４ 章　两根智慧之柱　　/ / ２４

第５ 章　造物主的完美工具　　/ / ３２

第６ 章　比光还热　　/ / ３９

第７ 章　难以计数　　/ / ４６

第８ 章　那些奇妙的分子　　/ / ５５

第９ 章　受到光的启发　　/ / ６１

第１０ 章　有趣的矛盾　　/ / ７０

第１１ 章　跟踪普朗克　　/ / ７５

第１２ 章　金斯的灾难　　/ / ８２

第１３ 章　冻结的振动　　/ / ９０

第１４ 章　普朗克的诺贝尔奖噩梦　　/ / ９７

第１５ 章　加入联盟　　/ / １０６

第１６ 章　创造性的融合　　/ / １１２

第１７ 章　能斯特的重要性　　/ / １２１

第１８ 章　哀悼废墟　　/ / １２８

第１９ 章　宇宙中的一个插曲　　/ / １３７

第２０ 章　玻尔的原子奏鸣曲　　/ / １４４

第２１ 章　依靠机会　　/ / １５４

第２２ 章　混沌的幽灵　　/ / １６４

第２３ 章　一千五百万分钟成名　　/ / １７２

第２４ 章　印度彗星　　/ / １８０

第２５ 章　量子骰子　　/ / １９１

第２６ 章　王室婚姻: Ｅ ＝ｍｃ２ ＝ｈν　　/ / ２０１

第２７ 章　维也纳的博学者　　/ / ２１２

第２８ 章　混乱,然后是不确定　　/
/ ２２３

第２９ 章　永无止境　　/ / ２３２

附录　　/ / ２３９

参考文献　　/ / ２４６

引言：相对论的100倍“让我们看看爱因斯坦能不能解决我们的问题。” 在我前26年的量子物理学研究中，这不是我曾经有过的想法，更没有这样说过。物理学家不阅读早一代大师的著作。我们从有意义的教科书中学习物理学，在这些书中思想是用冷冰冰的逻辑必然性叙述的，所提到的历史是净化过的，消除了伟大的“自然哲学家”的激情、自我和人性的弱点。毕竟，我们认为物理科学是一门累积的学科，我们为什么不应该淡化甚至删除前人的失误和误解呢？试图掌握然后扩展人类智力所产生的最复杂的概念，如量子理论所提出的原子世界的离奇的描述就足以让人望而却步了。讲述人类真实的发现历史会不会让人更混乱呢？因此，当我作为一个大学生贪婪地学习科学的历史和哲学时，以及在我作为研究物理学家的实际生涯中我没有读过爱因斯坦写的一个字。我当然意识到了爱因斯坦对量子物理学做出过贡献。即使是一年级物理系学生也知道爱因斯坦解释了光电效应，能够说出关于光量子化性质的一些基本的东西。原子物理和我的专业固态物理都有以爱因斯坦命名的量子理论的具体公式。所以很明显，爱因斯坦在这个问题上做了重要的事情。但是人们最熟悉的关于爱因斯坦和量子理论的事实只是爱因斯坦不喜欢量子理论。他拒绝使用这个理论的最终形式。他被量子力学的不确定性所困扰，他的一句著名的话是“上帝不掷骰子”，他用这句话来驳斥量子力学的世界观。尽管量子力学听起来很深奥，可以说量子力学代表了人类认识自然的最大成就。截至19世纪末，阻碍物理学进展的最基本的问题是：物质的根本组成是什么，它们是如何工作的？原子的存在已经相当清楚了，但显然它们太小了，无法以任何直接的方式观察到。从微观世界间接探测得到的提示是微观世界不服从早已建立的宏观牛顿物理学定律，但是科学家们能够用我们的日常经验理解和预测物体和力的性质吗？在量子理论出现前，几十年来答案是不肯定的。这个理论经受住了几乎一个世纪的检验和发展。这一理论已使人类获得原子核的内部深层和星系际空间真空的知识。这是大多数物理学家今天在他们的工作中所使用的理论。这是爱因斯坦拒绝的理论。因此，大多数物理学家认为爱因斯坦在这场智力胜利中扮演了一个重要的但仍然是次要的角色。如果不是我自己的研究和这位伟大人物的研究出现了一个偶然的巧合，我可能在我的整个职业生涯中继续用这种传统的观点看待爱因斯坦和量子物理学。我对量子系统很感兴趣，如果这个系统不是微观的而是放大到日常的比例，它会表现得很“混乱”。在物理学中这是一个技术术语，它意味着系统初始状态的非常小的差异，会导致最终状态产生很大的差异，类似于一支暂时平衡在尖端的铅笔在最小的空气扰动下就会向左或向右倒。我和我的一位博士生寻找解释这种困难的理由，说明为什么这种不稳定的情况和量子理论混合在一起时会产生这种困难。我记得听说过爱因斯坦在1917年写过与此有关的什么东西，几乎像玩一样，我建议我们看看这项工作是否与我们的任务有关。老天给我们开了一个大大的玩笑。当我们最终开始写文章时，我们很快意识到爱因斯坦已经发现了这个问题的本质，并阐明了何时它有解，而这是在现代量子理论发明之前。此外，爱因斯坦关于这个问题写得很清楚，所以，一个世纪后他好像在直接对我们说话。这个分析没有什么过时的或离奇的东西。在很长一段时间里，我第一次发现我在想：“哇，这个人真是个天才。”这样的经历激发了我对爱因斯坦和量子理论实际历史的兴趣，当我探讨这个问题时我得出一个惊人的认识，是爱因斯坦介绍了几乎所有的奠定量子理论的革命思想，他是首先看到这些想法意味着什么的。他对量子理论的终极否定是类似于弗兰肯斯坦（Frankenstein）博士回避他原先为人类的利益而创造的怪物。难道爱因斯坦没有这样做吗？他很可能会被视为现代理论之父。这不是人们可以从任何流行的爱因斯坦传记中能够提炼出来的观点，这些传记的重点始终放在他建立的相对论上。尽管如此，我惊奇地发现在爱因斯坦科学成就众多的生涯中，他大部分时间是痴迷于解决量子理论的问题，而不是相对论。他对他的朋友诺贝尔奖获得者奥托·斯特恩（Otto Stern）说：“我对量子问题的思考是对相对论的一百倍。”重要的是要明白，尽管相对论是现代物理学重要的一部分，然而对于我们大多数人来说，量子力学是万物论。量子力学解释元素周期表、控制太阳的核反应，以及导致全球变暖的温室效应。量子辐射理论和电传导理论奠定了现代所有信息技术的基础。此外，量子力学已经包含了相对论（“狭义相对论”）部分。现代弦理论家及其广为宣传的“万物论”的目标是量子力学也要包含全部广义相对论。因为量子力学是大魔法师，我们理应感谢爱因斯坦在20世纪物理学的“其他”革命中所起的作用，感谢他在量子理论中所起的作用。要了解爱因斯坦在这场革命中的重要作用，有必要了解他面前的情况。在这个问题上，有一位杰出的德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）是他的先驱，后面我们将从他身上学到很多东西。普朗克是第一个认可爱因斯坦1905年开创性的相对论工作的主要人物，他成为爱因斯坦在科学界最伟大的捍卫者，也是他最亲密的朋友之一。但是爱因斯坦在量子理论中的工作是另一回事。有的时候人们更容易承认那些不属于你自己风格的天才。普朗克没有研究相对论所解决的问题，但他研究了量子理论。事实上，是普朗克而不是爱因斯坦被普遍认为是量子理论的鼻祖，他在1900年12月热辐射研究的基础上创立了量子理论。普朗克，一个真正令人钦佩的科学家，在新世纪开始起到了不可估量的作用。但这样的作用是什么，它意味着什么，事实并不像教科书所写的那样。在普朗克取得历史性进步的时刻。刚从苏黎世联邦理工学院毕业的年轻的爱因斯坦痛苦地意识到：物理学术界不需要他。他已经和他的同学米列娃·玛丽克（Mileva Maric）订婚了，他的痛苦，无论是实际生活上的还是科学上的都大大增加了，但他仍保持着大胆的自信。这可以从他给米列娃写的信中给自己选择的幽默的昵称“英勇的斯瓦比亚（Swabian）”看出来，英勇的斯瓦比亚出自斯瓦比亚浪漫主义诗人路德维希·乌兰德（Ludwig Uhland）发明的神气活现的十字军骑士。爱因斯坦刚刚向《物理学纪事》（Annalen der Physik）提交了他的第一篇论文，是关于液体界面的，他提出了一个新的也是最简单的原子间力的描述。这标志着他毕生追求原子尺度上的物理定律开始了。

这是本引人入胜的书……用新的视角以及引用不为人知的来自爱因斯坦和他同行们的引证，使通常的历史变得鲜活。任何对此课题有兴趣的人，从学者到普通人，都可以阅读和享受这本书。——Choice(《选择》)
《爱因斯坦与量子理论》将成为热力学、现代物理或科学史本科课程的课外读物。道格拉斯·斯通用一种熟练而巧妙的方法概括了复杂的想法，即使是学科“小白”也能理解。——Physics World(《物理世界》)
一本出色的五星级的书……如果你真的想要感受一下量子理论从何而来……读读此书非常值得。——Popular Science(《大众科学》)
“道格拉斯·斯通是个有才华的作家。他用犀利、干净、讽刺的散文形式将一套复杂的物理转换成直观的图像，并进行清晰的推理……甚至外行的读者也能掌握爱因斯坦开创性的建议和他所面对的理论问题的基本特征。在我看来，这是道格拉斯·斯通著作*令人赞叹的地方。——罗伯托·拉利（Roberto Lalli）,Metascience(《元科学》)