爱因斯坦(4)

四

　　一些人反对这种解释，因为他们根本否定分子和原子的存在。他们问：“存在原子吗？存在分子吗？多大？什么样子的？”何况古伊的解释在当时不仅缺少数学基础，而且没有任何的实验证明。

　　爱因斯坦相信世界是物质的，相信原子和由原子组成的分子是存在的。但是，怎样才能用最有力的证据证明原子和分子的存在呢？在他从联邦工业大学毕业以后那些失业的日子里，他就开始思索这一问题了。以前在工业大学的物理实验室里，爱因斯坦也曾经在显微镜下观察过布朗运动。已经过了多年，但是那种奇妙的现象：粒子不规则的、永不止息的运动，仿佛仍在眼前。怎样解释这种神奇的现象呢？他对热力学规律与分子力学的不可分割性有强烈的印象，在他的心目中，热力学并不否定粒子的运动，而且热力学是间接地运用和确证物质的原子和分子运动规律的广阔领域。他想，按照原子论，一定会有一种可以观察到的悬浮微粒的运动，这就是布朗运动。

　　他进一步分析，如果分子运动论原则上是正确的，这一点他毫不怀疑，那末，那些可以看得见的粒子的悬浮液就一定也像分子溶液一样，具有能满足气体定律的渗透压。按照热力学的气体动力学理论，这种渗透压与分子的实际数量有关，亦即同一克当量中的分子个数有关。如果悬浮液的密度并不均匀，那末这种渗透压也会因此而在空间各处有所不同，从而引起一种趋向均匀的扩散运动，而这种扩散运动可以从已知的粒子迁移率计算出来。另一方面，这种扩散过程也可以看作是悬浮粒子因热骚动而引起的、原来不知其大小的无规则位移的结果。通过把这两种考虑所得出的扩散通量的数值等同起来，他想，就一定可以得到这种位移的统计定律即布朗运动定律。于是，他用自己独立发展的将统计和力学结合起来的新的统计力学的方法，深入研究悬浮粒子在流体中的运动，分析原子和分子的运动及其与热之间的关系，计算出布朗运动的规律，得到了关于布朗运动的精确的数学理论。

　　1905年4月和5月，他把这一研究成果写成两篇论文：《分子大小的新测定法》和《热的分子运动论所要求的静液中悬浮粒子的运动》。其中，前一篇论文是他向苏黎世大学申请博士学位的论文，当年以单行本在伯尔尼出版，后一篇论文则在当年莱比锡的《物理学杂志》上发表。在这两篇论文中，爱因斯坦从理论上科学地阐明了布朗运动产生的原因，并从悬浮粒子位移的平均值推算出单位体积中流体的分子数目，提出了一种通过观察布朗运动测定分子实际大小的新方法。爱因斯坦在第二篇论文的最后，向实验物理学家呼吁，希望他们能用实验证实他的这一理论。

　　法国物理学家佩兰作出了响应。3年后，他用极精细的实验证实了爱因斯坦的理论，计算了分子的大小。由于这项工作，佩兰荣获了1926年的诺贝尔奖。

　　这一铁的事实，迫使最顽固的原子论反对者奥斯特瓦尔德和马赫也不得不服输，声称“改信原子学说”了。一时甚嚣尘上的反原子论终于宣告彻底破产，爱因斯坦成功了。

　　辐射之谜

　　爱因斯坦对于布朗运动的理论研究，成功地继承了过去分子物理学的工作，并使它获得完满结果。他在光学理论方面的研究成果是同已经作出的发现分不开的。不过，他的这一研究，一开始就具有革命性。它意味着科学史上的一次飞跃：量子物理学的大门打开了。

　　19世纪末的西欧各国，由于城市和企业人工照明的发展，以及测量高温炉膛温度等的生产需要，人们对热辐射的物理现象进行了大量的研究。在实验中，科学家们发现，热辐射的辐射能及其按波长的分布是随温度变化的。为了从理论上解释这一实验事实，人们进而研究黑体辐射问题。物体不仅能发出热辐射，也能吸收热辐射；白色物体吸收热辐射的本领最弱，黑色物体吸收热辐射的本领最强。吸收热辐射本领最强的物体同时也是发射热辐射本领最强的物体。人们把百分之百地吸收热辐射的物体称为绝对黑体或理想黑体，简称黑体。

　　在相同温度下黑体与其他任何物体相比，能够发出最强的热辐射。人们发现，黑体有一个重要特性，即不论它是由什么材料组成的，也不管它是什么形状，在相同温度下都能发出同样形式的光谱，也就是说光谱分布只与温度有关。因此，黑体是研究热辐射规律的理想辐射体。实验表明，黑体辐射能量按波长的分布曲线存在峰值，而与这种峰值能量相应的波长随着温度的增加而向短波移动。在实验室的温度下，黑体的这种峰值能量辐射在光谱上先是发出红光，然后随着温度的增加而变为桔红、黄、白，最后变为蓝光。就是说，温度越高，光谱中峰值辐射频率就越高。

　　起初，对于黑体辐射的辐射能量与绝对温度及辐射波长的关系，物理学家们都力图用经典物理的理论来解释。1896年，德国物理学家维恩，根据热力学的普遍原理和实验数据给出的公式：

　　在短波区域内与实验符合得很好，但在长波区域所给出的结果则低于相应的实验曲线。英国物理学家瑞利1900年在谈到维恩公式时说，这个公式从理论上看“似乎只不过是猜测”，而从实验方面来看，“好像也相当难以接受”。他想在更可靠的基础上导出分布式。瑞利证明，如果能量均分定理能够用于以太振动模型，那末黑体辐射分布就肯定与维恩公式不同。他运用统计力学、热力学和经典的电磁理论，推导出一个辐射公式，后经物理学和天文学家金斯修正，被称为瑞利—金斯公式：

　　它适合于波长较长的低频部分，但在波长较短的高频部分，它不仅与实验结果相矛盾，而且按照他们由这一公式推出的积分辐射公式，甚至得出在短波区域内，黑体辐射的分布曲线随着波长的减短而极快地单调上升，以至总的能量趋向于无穷大的荒唐结论。这个失败被称为“紫外灾难”。

　　从表面看来，维恩、瑞利和金斯的公式说明不了新的实验结果，似乎是他们给出的公式有错误。但是科学史表明，他们应用经典物理理论得出的公式，其推导过程是极其严谨、周密和合乎逻辑的。很显然，问题的实质是理论本身的缺陷，因而使许多物理学家在应用经典物理的理论去解释黑体辐射的能量分布时，便感到束手无策而陷入了窘境。

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