世界是什么?对于这个问题人类给出了无数种答案,列一些有代表性的:

佛:是浮云
老子:是虚无
泰勒斯:是水
毕达哥拉斯:是数
留基伯和德谟克利特:是原子
中国古代人民:金木水火土
这些答案都各有各的特点,但如果我让你在其中选一个,作为现代人的你肯定会很明确的告诉我:答案是原子。但是从客观角度来说,他们所得出的答案都是根据他们所处时代环境推测出来的,都是假设,也可以叫“胡猜”,但听上去都各有各的道理,怎么判断哪个是正确的呢?我们只能用科学的方法去论证,科学才不会把任何一个科学理论称为“真理”,因为所有的科学理论都在不停的接受检验,一旦发现不符合实际,就得立即认栽,从头再来。所以说用科学方法得到的不一定是真理,而是有用的,待检验的成果,越想接近真理,还是要靠科学方法。
科学理论可不是那么好创建的,而且,为什么有的科学理论被推翻了,他依然叫科学理论,而且还很实用(比如牛顿力学已被伪证,但依然能把人送上月亮),而有的理论怎么也推不翻,讲道理无人能敌,看实效毫无左右(特征是:事前什么都预测不了,事后什么都解释不通,包括事前为何解决不了)
爱因斯坦明白这一点,他要建立一个物理理论,解决现有的理论矛盾——这就是狭义相对论
1900年,开尔文男爵发表演讲,大致如下:动力理论认为,热和光是运动的两种方式,但现在它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。“两朵乌云”,一朵是指迈克尔逊——莫雷实验得到了光速不变的结论,否定了以太漂移说;另一朵是指气体比热,分子光谱的实测结果与“能量均分说”不符,尤其是黑体辐射的“紫外灾变”。演讲的最后,开尔文表示:相信人们在20世纪初就能驱散这两朵乌云,让物理天空重新晴朗起来。
但,令人们意想不到的是,云朵是被驱散了,天也塌了。掀翻物理天空的,不是别人,正是我们的主人公——阿尔伯特爱因斯坦。
1900年10月,普朗克凑出一条公式,公式预言与实验数据完美相符,没有死角。这条公式解决了困扰人类当时的一个问题——紫外灾变。但普朗克却十分忧郁,因为这个公式与热力学,电磁学都不相融,仿佛天生就是个怪胎。来踢馆就算了,可是也要看看你踢得什么馆啊!热力学定律,麦克斯韦方程组,这是人类几千年才建立起来的宫殿!这条公式成立的代价,就是要把两座宫殿夷为平地。
为了找到他的物理意义,普朗克用黑体模型来模拟,推导,发现了一个毛骨悚然的结果:你必须把能量分成若干等份的小段,才能得到那个强悍的黑体辐射公式。普朗克把这些能量单元叫做“量份”。他还得到一个公式:E=hv
E是能量,h是个常数:6.62610-27尔格·秒(10的负二十七次方);v是频率。也就是说,能量等于一个奇怪的常数乘以频率,这是啥道理?

普朗克被吓到了,这也就是说,每一份能量都是这个常数乘以频率。无论你怎么分,一份能量都只拿分到1hv为止,不能再小了。这一定颠覆了你对世界的认知!无论是牛顿还是麦克斯韦的理论,能量都是连续的。比方说把水从20度烧到100度,水温一定经过了20到100之间的任意一个数字。但这个公式却告诉我们:能量就是一份一份的,这每份中间没有中间值,他有个最小单位,分成有限的份数进行传递。
1900年12月14日,普朗克在德国物理学会上报告了他的新发现,他把一份能量叫做“能量子”,后来,他又改称它为“量子”。
一个震撼了整个20世纪,到现在也余震未消的庞然大物就这样诞生了。但当时,没人相信世界是“量子化”的。但一个年轻人却第一个慧眼识珠,第一个接受了量子,而这个年轻人,正是我们的主人公——阿尔伯特·爱因斯坦。
光,可以说是人们发现自然规律的钥匙,尤其是现代物理,光就是灵魂。1902年,人们发现电子流和光之间的一个奇特现象(即后来的光电效应)——调整光的强度,电子增加的不是能量,而是数量;调整光的频率,电子增加的不是数量,而是能量。这与实验给出的结果完全相反!随后,各实验室也纷纷发现光电效应的诡异现象。整个物理学界都懵了,现有理论解释不了这种奇葩现象。怎么办呢?爱因斯坦愁眉苦脸之时,目光忽然扫过普朗克的那个黑体辐射无敌公式。他想,如果把能量分成一份一份的,这个现象就好解释了。所以,在他的第一篇论文《关于光的产生和转换的一个试探性的观点》,他解决了这个难倒了当时物理学界的光电效应,而且还把光的本身量子化了。至此,爱因斯坦不仅从理论上支持了量子,不仅给光的波动说沉重一击,还用这个定律彻底搞定了黑体辐射和光电效益。
按照爱因斯坦的理论,光电效应立即失去了全部的神秘感:光量子的频率决定能量。一个光量子的能量,只能一次性地传递给一个电子。如果单个光量子的能量不够,他就没法把电子打出来。这就是为什么低频光打不出电子。而且,不同的金属付出电子,对光的频率下限要求不同,那是因为他们抓住电子的力量不一样,抓得紧的,电子当然需要获得更大力量才能逃脱。提高光的频率,光量子的能量就更大。电子获得更大能量,当然能跑得更快,所以高频光打出的电子能量更大。增加光的强度,就是增加了光电子的数量。数量更多的的光量子,当然能打出更多的电子。
是不是很简单?所谓的光电效应,爱因斯坦只用几个简单的字符,就囊括了前面的一大段话。
(1/2)(mvmv)=hv-p*
(1/2)(mv*mv)就是能打出电子数量的上限。hv,一个量子的能量。p,这种物质的频率下限。
让无数物理学家如坠云雾的光电效应,被这个简洁的公式一把扯去神秘的面纱。诡异莫测的黑体疑案,终于真相大白。物理学进入量子时代的号角吹响了!
爱因斯坦承认,“光的波动说是十分卓越的,别的理论似乎很难取代而之”。但是——爱因斯坦在但是后面,提出了一个比粒子更具颠覆性的看法:“不应当忘记,光学观测都同‘时间平均值’有关,而不是同‘瞬时值’有关”从这篇论文的题目和内容都可以看出,爱因斯坦写这篇论文的目的不是解释光电现象,而是揭示光的量子性。解释光电效应,只是拿来证明自己理论的观测证据。
这篇论文完成于1905年3月,等到4月,他又完成了《分子大小的新测定法》。那时,原子,分子还只是充满争议的假设,随着汤姆逊,物质结构的粒子性逐渐呈现,原子说逐渐被接受。相当一部分人相信它的存在,也有相当一部分人怀疑它的存在。不信当然有不信的道理,因为作为一个科学理论,原子说缺少关键的东西,没有观测证据,间接的也没有。
但爱因斯坦早就相信,世界是由物质微粒构成的。这些微粒,不管你叫他原子还是分子,都无所谓,关键在于他们都是一粒一粒,不是连续的。每个微粒都有自己的能量。这个思想在当时也是相当超前的。
爱因斯坦不仅相信原子,分子的存在,还要测试他们的大小!看都看不到,怎么测?他的目光落到液体都有的一个性质上——黏性。液体的成分不同,浓度不同,粘性也不同。这篇论文最后成了他被引用次数最多的论文。什么水泥业,牛奶业风马牛不相及的行业都用得着。
完成分子大小测定论文的11天后,已经到五月份了,他又鼓捣出一篇论文,用来证明原子分子的存在。在5月份的论文,他说,研究布朗运动(微粒在液体里瞎折腾的现象),就是要找到证据,证实原子存在或不存在。原理是先假设水分子以及构成水分子的原子存在,把他们看作微小的圆球,那么,按照热分子运动理论,观测悬浮颗粒的运动,就可以用数学手段精确的测定小球的大小。如果做不到,那就说明,不能把水看作小球的集合,也就是说,原子不存在。

他做到了,在论文里,爱因斯坦创立了相关数学定律,成功统计了在一定体积的液体中,分子的数量和质量,准确的描述了布朗运动,还给出了完美的解释:是分子(原子)的热运动,不停撞击悬浮在其中的微粒,使他们不停的瞎折腾。
这个结论不仅证明了原子的存在,终结了两千年来关于原子存在与否的争论,还顺便为现代统计力学作了基础性的重大贡献。他在论文里申明他写这篇论文并不是为了解释布朗云电视咋回事,而是借此证明分子的存在,并对分子运动进行统计分析。
后来,佩兰在物理学领域验证了爱因斯坦的理论,斯威德伯格在化学领域验证了爱因斯坦的理论,他连因此分别获得了1926年的诺贝尔物理学奖和化学奖。验证同一个结论的两个实验,分别获得不同领域的诺贝尔奖,这在诺奖历史上因是绝无仅有的。足见这个理论的重要性。

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