萨尔茨堡会议——爱因斯坦开始进入物理学家核心层.doc

萨尔茨堡会议爱因斯坦进入物理学家核心层的开端杨庆余（徐州师范大学物理学与电子工程学院 江苏 徐州 221116）摘要：1905年，在瑞士伯尔尼专利局担任专利审查员的26岁的爱因斯坦，向德国物理学纪事投了三篇论文，其中两篇论动体的电动力学和关于光的产生和转化的一个启发性观点的论文作为他在萨尔茨堡会议上进一步阐述的主题，并成为他进入世界一流物理学家核心层的契机。关键词：爱因斯坦，普朗克，光量子假说，萨尔茨堡会议中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：080186萨尔茨堡（Salzburg）是和德国巴伐利亚州毗邻的奥地利中西部萨尔茨堡州的首府，1909年9月19日到25日，第81届德国物理学家和医学家会议一般又称为德国科学家大会（Natur forscherersammlung）在这里举行，爱因斯坦（Einstein Albert）首次参加这样高级别的会议，他向萨尔茨堡许多德语区的第一流物理学家作了关于狭义相对性和量子问题的演讲，这次演讲引起了很大的轰动，是爱因斯坦被接纳为世界一流物理学家核心层的开端。1、爱因斯坦的两篇论文爱因斯坦是有史以来独具慧眼的伟大天才，他那独立思考能力和合乎理智的傲慢品格使他对于所谓“神圣的科学知识大厦”采取极其严峻的批判态度，凡其他人往往愿意作为事实接受下来的东西在他看来却似乎是难以置信的；1905年，当他在瑞士伯尔尼专利局（Patent office in Bern）担任“三级专利审查员”时就向德国物理学纪事（Annalen der physik）第17卷投了三篇论文，这些论文的每一篇都会使他赢得垂诸久远的声名；它们的巨大影响远远超出自然科学范围而深入到人类的全部思想和观念；其中两篇论文论动体的电动力学（On the Electrodynamics of Moving Bodies）和关于光的产生和转化的一个启发性观点（On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light）成为他在1909年9月萨尔茨堡会议上进一步阐述的主题。在1905年之前就已经有人清楚地意识到了对时间和长度要下一个精确和可操作的定义，同时性在概念上也有清楚的见解，尽管这种认识仅局限在力学领域。爱因斯坦利用新的实验数据修正了所有这些概念，他在论动体的电动力学的论文中所建立的理论在逻辑上完全具有坚实、完整和公理性的基础；该文深刻地分析了空间和时间概念，构成了我们通常所说的“狭义相对论”（Special relativity）的基础；随后几个月之内他又提出了质量和能量的普遍相当性的假设，得到了著名的等式：；它使早期的质量守恒原理和能量守恒原理寿终正寝。1907年，爱因斯坦提出利用发生放射性衰变原子的原子量M及其最终产物的原子量总和这两者之间的差值来计算所释放的能量，用以验证质能关系式的有效性。量子领域的革命是普朗克（Max Planck）1900年的一篇非凡论文，其中引入了Eh这个著名的关系式，肯定辐射的能量以分立的小束产生，并与辐射的频率成正比。普朗克的发现要求对经典物理学的基本理论进行修正，在这一点上不仅普朗克本人。而且还有许多物理学家当时都没有立刻认识到。爱因斯坦可称得上是第一个认识到量子理论的出现预示着一次科学危机的人，在普朗克的论文发表之后，他以这样简短的形式表达了他的心态：“好像基础从下面被抽掉了一样。”量子理论的发现不仅标志着一个新概念的诞生，而且还标志着老的原理要被淘汰，或者要被修正。1905年，爱因斯坦成功地利用了基于经典物理学的玻尔收稿日期：2008.3.10作者简介：杨庆余（1961），江苏省连云港人，徐州师范大学物理学与电子工程学院教授，主要研究方向：物理学史。兹曼统计来引入光量子，并发表在关于光的产生和转化的一个启发性观点一文中，该文提供了瑞利勋爵（Rayleigh John）、琼斯（Jeans James）和洛伦兹（Lorentz Antoon）一类保守思想家所给不出的但却是必不可少的新的促进因素使“辐射问题”最终变成了“量子问题”。爱因斯坦就是想用引入电磁辐射的微粒结构来消除在物质的原子结构问题上所产生的“形式差别”，从而期望避免普朗克在黑体辐射理论中所遇到的那些困难，也使大多数物理学家开始认识到普朗克的作用量子并不囿于辐射公式而具有更为广泛的意义。20世纪初叶，物理学界对接受狭义相对论和量子论的过程饶有趣味，正如理论物理学家和科学史家派斯（Pais Abraham）所说：“狭义相对论不像量子论在最初25年里那样，其逻辑基础始终模糊不清。在20世纪初，如果物理学家们不能接受量子论，那是因为它看起来（实际上也是）太复杂了，是一些特定规则的大杂烩；但是如果那时某些物理学家们不接受狭义相对论的话，那么我坚信很大程度上是因为这个理论太简单了，以致他们不能领会。”2、普朗克等人的反应在1905年爱因斯坦发表著名的论文之后，普朗克（Planck Max）一直坚持他对光量子假说所持的相当怀疑的态度，不过他对狭义相对论却比较理解，而且给予积极支持的态度。自1905年到1906年冬季学期开学之初在柏林大学的物理报告会上所发表的评论，是普朗克对爱因斯坦关于“相对论”论文的第一次反应；而且普朗克在许多场合发表的演讲和文章中围绕相对论探讨了种种问题。当德国物理学家考夫曼（Kaufmann Walther）把他对极隧射线在平行的电场和磁场中的偏转所做的测量，认为是对爱因斯坦理论的驳斥时，普朗克告诫他不要过分匆促地对这些实验做出解释。他也有力地反对其他人对这理论提出的种种非议。1907年7月6日他写信给爱因斯坦道：“对我最近的一次陈述，布赫雷尔先生已经通过一封信就他强烈的反对意见向我提出警告，因为他发现（但没有说明任何理由），相对性原理是跟最小作用原理不可调和的。但我更其有理由感到高兴的，乃是我从您的明信片上得知，您眼下并不同意他的观点。只要相对性原理的支持者还占那么小的少数，他们之间的意见一致就倍感重要。”就普朗克而言，围绕相对论的许多问题展开讨论而把量子问题推到了幕后；普朗克在1906和1909年间发表的主要文章都是关于相对论的，在他的努力之下，德国第一流物理学家迅速成功地接受了狭义相对论，这条道路上的两个重要里程碑就是：索末菲（Sommerfeld Arnold）于1907年明确地对狭义相对论表示接受和闵科夫斯基（Minkowski Hermann）于1908年在科隆物理科学家会议上所作的题为空间和时间（Space and Time）的演讲；闵可夫斯基的四维时空观很快被爱因斯坦采纳，并成为爱因斯坦后来取得的最高成就广义相对论的关键性垫脚石之一。普朗克虽然跻身于早期有影响的相对论拥护者的行列，但他却对爱因斯坦的光量子假说抱深深的怀疑态度。预言和发现光子的历史，可以被看成是20世纪最动人的篇章之一；引入一个新的粒子总会引起长时间混乱，而光子的引入更引起了非同一般的混乱，其主要原因是人们从来没有遇到这种用新观点解释老现象的情形。自由电磁辐射一直被认为是一种波，现在某些情形下从其行为方式来看，却似乎具有粒子性。毫无疑问，这种波粒二象性的首次出现，必然导致经典物理学陷入混乱之中。爱因斯坦提出的光量子假说，初期除斯塔克（Stark Johannes）、拉莫尔（Larnor Joseph）和J.J.汤姆逊（Thomson Joseph John）外很少有人支持；甚至就连相信量子概念的那些人都不能理解甚至反对它。例如，普朗克于1907年7月6日写信给爱因斯坦说道：“我为作用基元量子（光量子）寻找的不是它在真空中的意义，而是它在吸收和发射地方的意义，并且我认为，真空中的过程已由麦克斯韦方程作了精确的描述。至少我还未发现什么令人非相信不可的理由，要去抛弃这个目前看来似乎是最简单不过的假说。”1908年，爱因斯坦曾写信给他的朋友劳布（Laub Johann Jakob）说：“普朗克也是一个志趣非常相投的通信者。只是他有一个弱点，就是不会寻找通往那些他觉得格格不入的思想的门径。这就说明了他为什么对我最近关于辐射的研究提出错误的反对意见。他还没有答复我的批评。因此，我但愿他已读过并同意我对他的批评。这个量子问题是一个极端重要而又困难的问题，因此每一个人都应当在它上面下功夫。”不过，直到1909年4月12日，洛伦兹在写给维恩（Wien Wilhelm）的信上还这样说道：“尽管我不再怀疑，正确的辐射公式只有通过普朗克的能量元假说才能得到，但是，我认为非常不可能的是把这些能量元当作在传播过程中保持整体的光量子来看待。”对于爱因斯坦来说，他为了打消（以普朗克为首）那些对光量子假说持批判态度的人的疑虑已做了巨大努力，从而推进量子问题的发展，爱因斯坦在1908年将近年终的时候研究了辐射腔中的能量涨落问题，他把他以前对布朗运动理论所做的各种考虑作为研究这问题的楷模。3、萨尔茨堡会议在1905年到1909年间，爱因斯坦的活动范围主要在瑞士，他只结识为数寥寥无几的年轻物理学家；当爱因斯坦1905年发表相对论论文之后，像劳布和鲁道夫拉登堡（Ladenburg Rudolf）两位年轻人曾不辞辛苦去伯尔尼拜见爱因斯坦，他们从此就成为了朋友。相对论的成功使爱因斯坦在同事中间赢得了极大的尊敬，其结果是使他发表的其他文章，特别是那些关于他所经常致力于量子问题的文章也受到了广泛的重视。1909年9月19日至25日，在萨尔茨堡（Salzburg）举行的第81届德国物理学家和医学家会议，当爱因斯坦初次参加德国科学家大会时，他的许多同事都表现出对他有不同寻常的兴趣；他的出席无疑是会议的主要吸引力之一；出席这次会议的听众有一百多人，他们中有：玻恩（Born Max）、J埃尔斯特、爱泼斯坦（Epstein Paul）、夫兰克（Franck James）、夫兰克（Franck Philipp）、哈恩（OHahn）、哈泽内尔（Hasenohrl Friedrich）、D洪德罗斯、霍普夫（Hopf Ludwig）、凯泽尔（Kayser Rudolf）、拉登堡、冯劳厄（Laue Maxvon）、迈特纳（Meitner Lise）、迈耶（Meyerson Emile）、普朗克、赖歇（Reiche Fritz）、鲁本斯(Rubens Heinrich)、索末菲、斯塔克、施托伊宾（Steubing Walter）和佛克脱（Voigt Waldemar）等，其中有许多德语区的第一流物理学家。爱因斯坦在1909年9月21日下午的会议上向物理分组的同行们作了题为论我们关于辐射的本质和组成的观点的发展（On the Development of Our Views Concerning the Nature and Composition of Radiation）的精彩演讲，先是讨论相对性原理接着讨论量子问题。这次演讲给听众，至少是给比较年轻的听众留下了深刻的印象。迈特纳评论道：“总的说来，这次会议是一次给人留下非常深刻印象的经历。来自全世界的理论物理学家和实验物理学家出席了会议。它委实是一个真正不平常的事件，一次最振奋人心的会议。”玻恩曾记述：“到会的学者们给爱因斯坦的成就打上了批准的印记。”普朗克在就爱因斯坦的演讲致答词时对他表示非常尊敬，对关于狭义相对论的议题普朗克未加任何评论，因为他坚信这一论题的正确性而无需怀疑，虽然他似乎同时拒绝了关于光量子假说的大胆思想。毫无疑问，爱因斯坦的演讲和普朗克的态度给在场的听众一个明确的暗示：爱因斯坦已被接纳入世界一流物理学家的核心层。关于光量子假说，爱因斯坦未能克服由直接抨击而带来的阻力，年轻的与会者之一赖歇评论道：“我必须说，涨落公式的出现给了我非常深刻的印象，虽然它当然只是对光子的一个颇为含混的证明。我当然记得，人们是反对它的，并且试图寻找别的理由，或者试图给这个公式以另一种形式。”爱泼斯坦也不相信，爱因斯坦用他的演讲曾经说服了多少听众：“您知道，那次会议主席是普朗克，他马上就说，它是非常令人感兴趣的，但是他并不完全赞同它。会上唯一表示赞同的是约翰尼斯斯塔克。您知道，它走得太远了。”在爱因斯坦关于光量子假说的讨论中，听众虽然未能追随他的思想，但是他们承认他的思想有进取性。重要的是，爱因斯坦在萨尔茨堡发表的评论不仅谈到狭义相对论，而且更主要地把他的注意力放在量子问题上。这样，他就在这个重要的讲坛上，向到会的物理学家们突出地强调了这一堆大都尚未解决的问题的重要意义。爱因斯坦主要是由于提出了狭义相对论而引起人们对他的重视的，而这重视就使他的许多同事开始认真地思考量子问题。今天，我们把相对论和量子论看作是两个分开的研究领域：狭义相对论以光速c是有限的这一事实为基础，而（非相对论性的）量子论则是物理常数h0的一个结果。由此可见，虽然这两个二十世纪早期最重要的物理理论在逻辑上互不相关，但它们的历史发展却紧密地交织在一起；相对论取得的成功导致了量子论的迅速发展。4、离开量子论主流量子论诞生的最初五年一直是普朗克的私人领地；从1905年开始，在爱因斯坦带头下，才逐渐有一些科学家在这个领域进行艰难的探索，这些行动并没有引起物理学界的普遍重视。只到1909年9月21日爱因斯坦在萨尔茨堡物理学家发表演讲后，量子问题才首次登上物理学的中心舞台。1910年后，随着科学认识水平的向前推进量子概念开始被接受，德国物理化学家能斯脱（Nernst Hermann Walther）此时已注意到爱因斯坦和他的比热理论的真正意义。能斯脱对量子论始终不渝的支持加上他同旧观点开展思想斗争而做出的实验和理论贡献，曾对量子论的初期发展起了特别重要的作用；他在组织对一个公认重要的问题的研究时所采用的方式是对普朗克所抱的刻板而又谨慎的保留态度是一个补充。量子论在1910和1911年间获得了许多新的支持者，成了物理学家和物理化学家们兴趣所在的前沿，这在相当程度上要归之于能斯脱的功劳，使爱因斯坦在这一领域的探索减少了不小阻力，后来爱因斯坦与能斯脱一直保持着终身的友谊。1910年7月，能斯脱就构想组织召开一次讨论量子问题的国际会议，想邀请这个领域中的所有领导人物参加，并且为此做了筹备工作，这次会议后来称为第一届索尔维会议（Solvay conferences）；会议主要议题是辐射理论和量子，这次会议成为量子物理学发展史上的一个重要里程碑。1911年6月9日，一份由索尔维（Solvay Ernest）签署的用德文写的邀请书寄发给了这个领域里的18位最主要的物理学家，其中包括索末菲、布里渊（Brillouin M）、能斯脱、洛仑兹、佩兰（Perrin Jean Baptiste）、卢瑟福（Rutherford Ernest）、普朗克、庞加莱（Poincar Henri）、居里夫人（Curie Marie）、卡默林昂乃斯（Kamerlingh-Onnes）、朗之万（Langevin Paul）等这些重量级人物，爱因斯坦被邀作重要演讲。由于能被接纳到这个经过选择的狭小与会者圈子使爱因斯坦很难抑制住自己的兴奋之情，当他收到索尔维签署的邀请书之后于1911年6月20日写信给会议的主要发起人能斯脱说道：“我高兴地接受布鲁塞尔会议的邀请，我将乐于为指派给我的题目做好准备；我为整个这项事业感到欣喜万分。”在这次会议上，爱因斯坦做了最后的压轴演讲，他总结了量子概念的许多应用，并且特别处理了他在低温下的比热反常性的处理中所用的那些基本论点。通过这次会议，量子论不光在德国而且在英国找到了特别肥沃的土壤，并结出了丰硕的成果。索尔维会议后，德国的许多同事期待爱因斯坦在量子领域能做出一些具有决定意义的突破，但从1912年初起，爱因斯坦的注意力已经完全脱离了量子论问题；这是爱因斯坦1912年10月29日对他的德国同行索末菲关于这方面问题的一封回复：“您友好的来信甚至使我更加感到为难，不过，我必须向您保证：在量子这个问题上，我没有什么新的东西要补充，也没有什么东西值得一提的了。我的注意力现在已经全部转向引力问题。”由于爱因斯坦已经完全转移到广义相对论的探索中，从此他就离开了量子论研究的主流。参考文献：1He