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在光学的千年发展史中,爱因斯坦在1905年发表了六篇划时代的论文

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,
1831~1879)是英国杰出的理论物理学家、数学家,经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人之一,他被誉为是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家,与牛顿和爱因斯坦齐名。

阿尔伯特·爱因斯坦,德国物理学家,相对论的奠基者,二十世纪两大最重要的物理学家之一。他于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭很讨厌爱因斯坦,曾对爱因斯坦说:“你很聪明,但有个缺点,你听不进别人的话”,爱因斯坦的女友米列娃·马利奇时常与韦伯教授冲突,她指责他对爱因斯坦不公平,1899年6月,爱因斯坦在实验室引起一场爆炸,手部严重烧伤。1900年毕业,没能如愿留校担任助教,只能靠当“家教”维持生活。1901年取得瑞士国籍。1902年在大学同学格罗斯曼的父亲协助下,被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员,从事发明专利申请的技术鉴定工作。他利用业余时间开展科学研究,于1905年在物理学三个不同领域中取得了历史性成就,特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出,推动了物理学理论的革命。翌年1月15日,以论文《分子大小的新测定法》,取得苏黎世大学的博士学位。

2015年距离阿拉伯学者海什木的5卷本光学著作诞生恰好1000年。为了纪念千年来人类在光学领域的重大发现,尤其是光技术在世界各国的能源、工农业生产和医疗卫生等领域中所占的举足轻重的地位,联合国大会决定将2015年定为「光和光基技术国际年」。

六篇划时代的论文

在光学的千年发展史中,麦克斯韦创立的电磁场理论无疑是一座难以逾越的高峰。没有电磁学就没有现代光学、电工学、电子学,就不大概有电气化和通讯技术,也就不大概有现代文明。

爱因斯坦在1905年发表了六篇划时代的论文,分别为:《关于光的产生和转化的一个试探性观点》、《分子大小的新测定方法》、《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》、《论动体的电动力学》、《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》、《布朗运动的一些检视》。因此这一年被称为“爱因斯坦奇迹年”。100年后的2005年因此被定为“世界物理年”。

本文简要介绍了麦克斯韦光辉灿烂的人生以及对科学的卓越贡献。

澳门大赌场娱乐场官网,1905年3月,德国《物理年鉴》发表《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,认为光是由分离的粒子所组成。爱因斯坦解释光也是由小的能量粒子组成的,并且量子可以像单个的粒子那样运动。“光量子”理论把1900年普朗克创立的量子论大大推进一步,揭示了微观世界的基本特征:波动—粒子二元性。
1905年5月11日,德国《物理年鉴》发表一篇用布朗运动解释微小颗粒随机游走的现象的论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。这篇论文是对布朗运动这种平移扩散的开创性研究。
1905年6月30日,德国《物理年鉴》发表《论动体的电动力学》一文。首次提出了狭义相对论基本原理,论文中提出了两个基本公理:“光速不变”,以及“相对性原理”。
1905年9月27日,德国《物理年鉴》刊出《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,认为“物体的质量可以度量其能量”,随后导出了E
= mc²的公式。

短暂而亮丽的人生

成名

麦克斯韦(1831~1879)出生于苏格兰首府爱丁堡。他的父亲是一位思想开放、思维敏锐、注重实际的机械设计师,对麦克斯韦影响非常大,使他较早地受到科学的薰陶。麦克斯韦在15岁那年向皇家学会递交了一篇数学论文,并发表在《皇家学院学报》上。16岁时他考进了爱丁堡大学学习数学和物理,19岁时又转入剑桥大学,跟随著名数学家霍普金斯专攻数学。

爱因斯坦1908年兼任伯尔尼大学的兼职讲师。1909年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年任布拉格德国大学理论物理学教授,1912年任母校苏黎世联邦理工学院教授。1914年,应马克斯·普朗克和瓦尔特·能斯特的邀请,回德国任威廉皇家物理研究所所长兼柏林洪堡大学教授,直到1933年。1920年应亨德里克·洛伦兹和保罗·埃伦费斯特的邀请,兼任荷兰莱顿大学特邀教授。第一次世界大战爆发后,他投入公开和地下的反战活动。

1860年至1868年间麦克斯韦任伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授,1871年受聘剑桥大学首任实验物理学教授,并负责筹建该校第一所物理学实验室——卡文迪什物理实验室。1874年该实验室竣工后,他又被任命为该实验室的第一任主任。1879年11月5日这位科学泰斗因病在剑桥逝世,年仅49岁。

1915年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的预言,于1919年由英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿的日全蚀观测结果所证实。1916年他预言的引力波在1978年也得到了证实。爱因斯坦和相对论在西方成了家喻户晓的名词,同时也招来了德国和其他国家的沙文主义者、军国主义者和排犹主义者的恶毒攻击。

电磁理论研究

1917年爱因斯坦在《论辐射的量子性》一文中提出了受激辐射理论,成为激光的理论基础。

在先前以及同时代物理学家工作的基础上,麦克斯韦以其坚忍不拔的科学精神,丰富的物理与数学知识,以及高超的睿智才思,呕心沥血,刻苦攻关,终于构筑了一座集真、善、美于一体的电磁学理论大厦。

爱因斯坦因在光电效应方面的研究,被授予1921年诺贝尔物理学奖。在瑞典科学院的公告中并未提及相对论,原因是认为相对论还有争议。

当麦克斯韦刚刚开始电磁学研究时,电磁学才走过了短短数十年的历程。1785年法国物理学家库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律,即库仑定律,使电学进入了定量研究的阶段。1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,随后英国物理学家法拉第经过近十年的实验,在1831年发现了电磁感应现象,即磁产生电的效应。法拉第反对超距作用说法,坚信电磁的近距作用,以为物质之间的电力和磁力都需要由媒介传递,由此提出了「场」的概念。为了进一步解释场,对于磁相互作用,法拉第使用了磁力线;对于电相互作用,他使用了电力线(1837~1838年),如此等等。法拉第力线为用场论的方法统一解释各种物理现象提供了一条行之有效的途径,包含有丰富的数学内容。然而出身贫寒,无法受到较多教育的法拉第,对此却无能为力。

1933年1月纳粹党攫取德国政权后,爱因斯坦是科学界首要的迫害对象,幸而当时他在美国讲学,未遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时,9月9日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪,星夜渡海到英国,10月转到美国担任新建的普林斯顿高级研究院的教授,直至1945年退休。1940年他取得美国国籍。

如上所述,靠自学走上科学道路的法拉第,习惯以直观形象的方式来表达他所发现的电磁感应现象。但是对于一般的物理学家而言,他们因恪守牛顿的物理学理论,而对法拉第的学说感到不可思议。例如有位天文学家曾公开宣称:「谁要在确定的超距作用和模糊不清的力线观念中有所迟疑,那就是对牛顿的亵渎!」

1937年爱因斯坦曾经探访住在美国加州的查理·卓别林。

麦克斯韦在剑桥求学期间读到了法拉第的《电学实验研究》,深深地为法拉第的思想所吸纳,但同时也看到了法拉第在定量表述上的缺陷。而麦克斯韦本人数学非常好,获得过三一学院数学竞赛奖和斯密思数学奖。抱着给法拉第的理论「提供数学方法基础」的愿望,麦克斯韦下定决心将法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。

1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现,在匈牙利物理学家利奥·西拉德推动下,上书罗斯福总统,建议研制原子弹,以防德国占先。第二次世界大战结束前夕,美国在日本广岛和长崎两个城市上空投掷原子弹,爱因斯坦对此强烈不满。战后,为开展反对核战争和反对美国国内右翼极端分子的运动进行了不懈的斗争。

三篇大作

去世

1855年他发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。受物理学家威廉·汤姆孙(后受封为开尔文勋爵)的启发,麦克斯韦把「力线」和不可压缩流体进行类比,塑造了电力线的数学模型。把电、磁学中的物理量从数学角度加以分类,提出「源」和「旋」的概念,同时还把流体中的通量和环流移植到电磁学中。虽然这篇论文从总体上可以说是对法拉第力线概念的「数学翻译」,但这却是麦克斯韦所迈开的至关重要的一步。后来麦克斯韦和法拉第在伦敦见面,法拉第鼓励年轻的麦克斯韦不仅仅要用数学来解释他的理论,还应当作出进一步的突破!麦克斯韦倍受鼓舞。

1955年4月18日,爱因斯坦因腹主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。一位名叫托马斯·哈维的普林斯顿医院病理医生在验尸过程中,在未经爱因斯坦他的家人允许下,私自取下爱因斯坦的大脑保存,这位病理医生希望未来神经科学界能够研究爱因斯坦的大脑,以发现爱因斯坦那么聪明的原因。为遵照爱因斯坦的遗嘱,他死后并没有举行任何丧礼,也不筑坟墓,不立纪念碑,骨灰撒在永远保密的地方,目的是不会令埋葬他的地方成为圣地。爱因斯坦的后半生一直从事寻找统一场论的工作,不过这项工作没有获得成功,对此,着名的爱氏研究专家亚伯拉罕·派斯曾说:“爱因斯坦在1925年之后就应该去钓鱼,而不是继续做研究”。现在,寻找比统一场论包含内容更广泛、能够统一解释各种基本相互作用的理论,是理论物理学研究的中心问题之一。

从1861~1862年,麦克斯韦在英国的《哲学杂志》上分四部分发表了他的第二篇电磁学论文《论物理力线》,比第一篇有了质的飞跃。麦克斯韦认识到类比方法固然可以抽象出来各种物理现象之间的共性,能迅速地推汇出电磁场的一般规律,却忽略了物理现象自身的特性。换句话说,电磁现象有别于流体力学现象,就是电与磁也各自存在独特的性质。

个人生活

麦克斯韦在这篇文章中假设了一个新的模型「分子涡旋」。在这个模型的基础上,引入了「电位移」的概念,从更高的层次上创造性地提出了「位移电流」和「涡旋电场」的两大重要假设。

1879年3月14日上午11时30分,爱因斯坦出生在德国乌尔姆市班霍夫街135号。父母都是犹太人。

1865年,麦克斯韦发表了他的第三篇电磁学论文《电磁场的动力学理论》。这是一篇关于电磁场理论最重要的总结性论文。这篇论文的目的,就是用动力学的方法,全面概括电磁场的运动特征和建立电磁场的方程。在这篇论文中,麦克斯韦明确宣告他提出的理论可以称为「电磁场的理论」。

父亲:Hermann Einstein生日1847年8月30日,爱因斯坦出生时32岁;

确立电磁场理论

母亲:Pauline Koch (保玲·科赫) 生日1858年2月8日,爱因斯坦出生时21岁。

麦克斯韦为了把电磁场理论由介质推广到空间,假设在空间存在一种动力学以太,它有一定的密度,具有能量和动量:它的动能体现磁的性质,势能体现电的性质,它的动量是电磁最基本的量,表示电磁场的运动性质和传力的特征。麦克斯韦在这个基础上提出了一共包含20个变数的20个方程式,即著名的麦克斯韦方程组。奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯于1884年以向量分析的形式重新构建了该方程组,其微分形式为

1881年11月18日,爱因斯坦的妹妹玛娅在慕尼黑出生。

这个方程组是麦克斯韦电磁理论的核心所在。

爱因斯坦与前妻米列娃有一个未婚私生女丽瑟尔—1963年),不过在1903年到1919年爱因斯坦娶了米列娃,后来米列娃为爱因斯坦生了两个儿子汉斯·爱因斯坦和爱德华·爱因斯坦。

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