爱因斯坦的科学事业

原创 LittleRob  2018-09-26 16:02:59  阅读 364 次 评论 0 条

热力学波动和统计物理学

阿尔伯特爱因斯坦在1900年提交给Annalen der Physik的第一篇论文[ 94 ]毛细吸引力的它于1901年出版,题目为“Folgerungen ausdenCapillaritätserscheinungen”,其翻译为“毛细管现象的结论”。他在1902-1903(热力学)发表的两篇论文试图从统计学的角度解释原子现象。这些论文是1905年关于布朗运动的论文的基础,该论文表明布朗运动可以被解释为分子存在的确凿证据。他在1903年和1904年的研究主要关注有限原子尺寸对扩散现象的影响。[94 ]

一般原则

他阐述了相对性原理Hermann Minkowski将其理解为从空间到时空的旋转不变性的推广。爱因斯坦假设的其他原则以后证明了等价原理和量子数绝热不变性原理

相对论和理论Ë = MC ²

爱因斯坦的“Zur ElektrodynamikbewegterKörper”(“关于移动体的电动力学”)于1905年6月30日收到并于同年9月26日公布。通过引入接近光速的力学的重大变化,将麦克斯韦的电和磁方程与力学定律相协调后来这被称为爱因斯坦的狭义相对论

其后果包括当在观察者的框架中测量时,移动体的时空框架看起来减慢收缩(在运动方向上)。本文还认为,发光的以太  - 当时物理学领域的主要理论实体之一 - 的想法是多余的。[ 95 ]

在他关于质能等价的论文中,爱因斯坦从他的狭义相对论方程中产生了E  =  mc 2[ 96 ]爱因斯坦1905年关于相对论的研究多年来一直存在争议,但是从马克斯普朗克开始,被领先的物理学家所接受[ 97 [ 98 ]

光子和能量子

在1905年的一篇论文中,[ 99 ]爱因斯坦假定光本身由局部粒子(量子)组成。爱因斯坦的光量子几乎被所有物理学家普遍拒绝,包括Max Planck和Niels Bohr。这个想法在1919年才被普遍接受,罗伯特密立根光电效应的详细实验,以及康普顿散射的测量

爱因斯坦得出结论,频率f的每个波每个能量hf光子集合相关联,其中h普朗克常数他没有多说,因为他不确定粒子是如何与波浪相关的。但他确实建议这个想法可以解释某些实验结果,特别是光电效应。[ 100 ]

量子化原子振动

1907年,爱因斯坦提出了一种物质模型,其中晶格结构中的每个原子都是一个独立的谐振子。在爱因斯坦模型中,每个原子独立振荡 - 每个振荡器的一系列等间隔量子化状态。爱因斯坦意识到获得实际振荡的频率会有所不同,但他提出了这个理论,因为它是一个特别明确的证明,量子力学可以解决经典力学中的比热问题。Peter Debye改进了这个模型。[ 101 ]

绝热原理和动作角度变量

在整个20世纪10年代,量子力学的范围扩大到涵盖许多不同的系统。欧内斯特·卢瑟福发现原子核并提出电子轨道像行星之后,尼尔斯·玻尔能够证明普朗克引入并由爱因斯坦开发的相同量子力学假设将解释原子中电子的离散运动,以及元素周期表

爱因斯坦通过将它们与威廉·维恩所做的1898年论证联系起来,为这些发展做出了贡献Wien已经证明,热平衡状态绝热不变性假设允许通过简单的变换过程从不同温度下的所有黑体曲线相互导出爱因斯坦在1911年指出,相同的绝热原理表明,在任何机械运动中量化的量必须是绝热不变量。Arnold Sommerfeld将这种绝热不变量确定为经典力学动作变量

波粒二象性

虽然专利局在1906年将爱因斯坦提升为技术考官二等,但他还没有放弃学术界。1908年,他成为了privatdozent伯尔尼大学[ 102 ] 在“überdieEntwicklung unsererAnschauungenüberdasWesen und die Konstitution der Strahlung”(“ 我们关于辐射成分和本质的观点的发展 ”)中,关于量化,以及1909年早期的论文,爱因斯坦表明马克斯普朗克的能量量子必须具有明确定义的动量,并在某些方面作为独立的点状粒子起作用本文介绍了光子概念(虽然名字光子后来被引入吉尔伯特·路易斯于1926年)和启发的概念波粒二重性量子力学

关键乳白色理论

爱因斯坦回到了热力学波动的问题,对其临界点的流体密度变化进行了处理。通常,密度波动由自由能的二阶导数相对于密度控制。在临界点,该导数为零,导致大的波动。密度波动的影响是所有波长的光都被散射,使得流体看起来呈乳白色。爱因斯坦将此与瑞利散射联系起来瑞利散射是当波动尺寸远小于波长时发生的,这解释了为什么天空是蓝色的。[ 103 ] 爱因斯坦从密度波动的处理中定量地得出了临界乳光,并证明了效应和瑞利散射都源于物质的原子构成。

零点能量

爱因斯坦的身体直觉使他注意到普朗克的振荡能量有一个不正确的零点。他最后说,振荡器的最低能量状态等于修改普朗克的假设,1 / 2 HF,在不同级别中一半的能量间距。这个论点是在1913年与奥托·斯特恩合作制作的,它基于双原子分子的热力学,它可以分裂成两个自由原子。

广义相对论与等价原理

广义相对论(GR)是由爱因斯坦于1907年至1915年间发展起来的万有引力理论。根据广义相对论,观察到的质量之间的引力吸引力来自于那些质量的空间和时间的扭曲。广义相对论已发展成为现代天体物理学的重要工具它为目前对黑洞的理解提供了基础,黑洞是引力吸引力非常大,甚至光线都不能逃逸的空间区域。

正如爱因斯坦后来说,对于发展的原因广义相对论是内惯性运动的偏好狭义相对论是不能令人满意的,而从一开始就没有喜欢的运动状态(甚至加速上升的)一个理论应该出现更令人满意。[ 104 ]因此,在1908年,他发表了一篇关于狭义相对论下的加速的文章在那篇文章中,他认为自由落体确实是惯性运动,对于一个自由落体的观察者来说,必须适用狭义相对论。这个论点被称为等价原则在同一篇文章中,爱因斯坦也预测了这一现象引力时间膨胀1911年,爱因斯坦发表了另一篇文章,扩展了1907年的文章,其中预测了诸如大量物体偏转光等附加效应

孔论证和ENTWURF理论

在发展广义相对论的同时,爱因斯坦对理论中规范不变性感到困惑他提出了一个论点,使他得出结论,一般的相对论场论是不可能的。他放弃了寻找完全一致的协变张量方程,并且只搜索在一般线性变换下不变的方程。

1913年6月,Entwurf(“草案”)理论是这些调查的结果。顾名思义,它是一个理论的草图,运动方程由额外的仪表固定条件补充。同时不如广义相对论那么优雅和困难,经过两年多的密集工作,爱因斯坦在意识到漏洞论证错误后于1915年11月放弃了这一理论[ 105 ]

宇宙学

1917年,爱因斯坦运用广义相对论来模拟整个宇宙的结构。他希望宇宙永恒不变,但这种类型的宇宙与相对论并不一致。为了解决这个问题,爱因斯坦通过引入一个新概念 - 宇宙学常数来修改一般理论通过正宇宙常数,宇宙可以成为一个永恒的静态球体[ 106 ]


爱因斯坦认为球形静态宇宙在哲学上是首选的,因为它符合马赫的原理他已经表明广义相对论在一定程度上将马赫的原理结合在重力磁场拖曳框架中,但是他知道如果空间永远存在,那么马赫的想法是行不通的。在一个封闭的宇宙中,他相信马赫的原则会成立。马赫的原理多年来引起了很多争议。

现代量子理论

爱因斯坦对量子理论和力学感到不满,尽管被其他物理学家接受,他说“上帝不会玩骰子”。由于爱因斯坦在76岁时去世,他仍然不接受量子理论。[ 107 ] 1917年,在他的相对论研究高峰时期,爱因斯坦在Physikalische Zeitschrift发表了一篇文章,提出了受激发射的可能性,这是使微波激射器激光器成为可能的物理过程[ 108 ] 这篇文章表明,光的吸收和发射统计只与普朗克分布定律一致,如果光发射到具有n个光子的模式,与光发射到空模式相比,将在统计上得到增强。本文对后来量子力学的发展产生了极大的影响,因为它是第一篇证明原子跃迁统计有简单定律的论文。爱因斯坦发现了路易·德布罗意的作品,并支持他的观点,这些观点最初得到怀疑。在这个时代的另一篇主要论文中,爱因斯坦给出了德布罗意波的波动方程,爱因斯坦提出的是Hamilton-Jacobi方程。力学。本文将激发薛定谔1926年的工作。

BOSE-EINSTEIN统计

1924年,爱因斯坦接受了来自印度物理学家Satyendra Nath Bose统计模型的描述,该模型基于一种计数方法,该方法假设光可被理解为难以区分的粒子的气体。爱因斯坦指出,Bose的统计数据适用于某些原子以及所提出的光粒子,并将Bose的论文翻译成ZeitschriftfürPhysik爱因斯坦还发表了他自己的文章,描述了模型及其含义,其中包括玻色 - 爱因斯坦凝聚现象,某些微粒应该在非常低的温度下出现。[ 109 ]直到1995年,第一个这样的冷凝物才通过实验生产出来Eric Allin CornellCarl Wieman使用科罗拉多大学博尔德分校NIST - JILA实验室建造的超冷却设备[ 110 ]玻色 - 爱因斯坦统计现在用于描述任何玻色子组合的行为爱因斯坦的这个项目草图可以在莱顿大学图书馆的爱因斯坦档案馆中看到。[ 89 ]

能量动量PSEUDOTENSOR

广义相对论包括动态时空,因此很难看出如何识别守恒的能量和动量。Noether定理允许这些量由具有平移不变性拉格朗日确定,但是一般协方差使得平移不变性成为一种规范对称性由于这个原因,Noether的预备在广义相对论中得出的能量和动量并没有真正的张量。

爱因斯坦认为,出于根本原因,这是正确的,因为引力场可以通过选择坐标来消失。他坚持认为,非协变能量动量伪传感器实际上是引力场中能量动量分布的最佳描述。这种方法得到了Lev LandauEvgeny Lifshitz以及其他人的赞同,并已成为标准。

ErwinSchrödinger和其他人在1917年对伪导体等非协变对象的使用进行了严厉的批评

统一场论

在他对广义相对论的研究之后,爱因斯坦进行了一系列尝试,以推广他的几何引力理论,将电磁学作为单一实体的另一个方面。1950年,他题为“关于万有引力的广义理论”的美国科学论文中描述了他的“ 统一场论 ”。[ 111 ]虽然他的工作继续受到称赞,但爱因斯坦的研究越来越孤立,他的努力最终都没有成功。在他的追求的根本力量的统一,爱因斯坦忽略了物理一些主流的发展,最显着的弱核力,直到他去世多年后才得到很好的理解。反过来,主流物理学在很大程度上忽略了爱因斯坦的统一方法。爱因斯坦用重力统一其他物理定律的梦想激发了现代任务的理论,特别是弦理论,其中几何场出现在统一的量子力学环境中。

虫洞

爱因斯坦与其他人合作制作了一个虫洞模型他的动机是用电荷模拟基本粒子作为引力场方程的解,符合文章“引力场在基本粒子的构成中起重要作用吗?”中概述的程序。这些解决方案切割并粘贴了Schwarzschild黑洞,在两个贴片之间形成桥梁。

如果虫洞的一端带正电,另一端会带负电。这些特性使爱因斯坦相信可以用这种方式描述成对的粒子和反粒子。

爱因斯坦 - 卡坦理论

为了将旋转点粒子结合到广义相对论中,需要将仿射连接推广到包括称为扭转的反对称部分这种修改是由爱因斯坦和卡坦在20世纪20年代提出的。

运动方程

广义相对论具有一个基本定律 - 爱因斯坦方程描述了空间曲线如何描述粒子如何移动测地线方程可以从爱因斯坦方程导出。

由于广义相对论的方程是非线性的,因此纯粹的引力场(如黑洞)产生的能量块会在由爱因斯坦方程本身决定的轨迹上移动,而不是由新的法则决定。因此爱因斯坦提出,像黑洞这样的奇异解的路径将被确定为来自广义相对论本身的测地线。

这是由爱因斯坦,Infeld和霍夫曼建立的,没有角动量的点状物体,以及Roy Kerr用于旋转物体的物体。

其他调查

爱因斯坦进行了其他不成功和被遗弃的调查。这些涉及超导引力波和其他研究。

与其他科学家合作

除了长期合作者Leopold InfeldNathan RosenPeter Bergmann和其他人之外,爱因斯坦还与各种科学家进行了一次性的合作。

爱因斯坦德哈斯实验

爱因斯坦和德哈斯证明磁化是由于电子的运动,现在已知是自旋。为了表明这一点,他们扭转了悬挂在扭摆上的铁棒的磁化强度他们证实这导致条旋转,因为电子的角动量随着磁化的变化而变化。该实验需要是敏感的,因为与电子相关的角动量很小,但它明确地确定某种电子运动是造成磁化的原因。

薛定谔气体模型

爱因斯坦向ErwinSchrödinger建议他可以通过考虑一个盒子来重现玻色 - 爱因斯坦气体的统计数据然后,对于盒子中的粒子的每个可能的量子运动,关联独立的谐振子。量化这些振荡器,每个级别将有一个整数占用数字,它将是其中的粒子数量。

这种公式是二次量子化的一种形式,但它早于现代量子力学。ErwinSchrödinger应用它来推导出半经典理想气体热力学性质薛定谔敦促爱因斯坦加上他的名字作为共同作者,尽管爱因斯坦拒绝了邀请。[ 112 ]

爱因斯坦冰箱

1926年,爱因斯坦和他的前学生

波尔与爱因斯坦

玻尔 - 爱因斯坦的辩论是阿尔伯特爱因斯坦和尼尔斯玻尔之间关于量子力学的一系列公共争议,他们是两位创始人。人们记住他们的辩论是因为它们对科学哲学的重要性。[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]

爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森悖论

1935年,爱因斯坦回到了量子力学的问题。他考虑了对两个纠缠粒子之一的测量如何影响另一个。他和他的合作者一起指出,通过对远处粒子(位置或动量)进行不同的测量,可以发现纠缠伙伴的不同属性,而不会以任何方式干扰它。

然后,他利用局部现实主义的假设得出结论,其他粒子已经确定了这些属性。他提出的原则是,如果能够确定位置或动量测量的答案是什么,而不以任何方式干扰粒子,那么粒子实际上具有位置或动量的值。

这一原则提炼了爱因斯坦对量子力学的反对的本质。作为一种物理原理,当1982年Aspect实验证实贝尔定理于1964年颁布时,它被证明是不正确的


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