作者：南京大学物理系 冯端
2004年6月，联合国大会宣布将2005年定为世界物理年。之所以选定2005年，是为了纪念爱因斯坦的奇迹之年l00周年——1905年，爱因斯坦先后发表了5篇具有划时代意义的论文而被世人称为奇迹。世界物理年将通过展示物理在经济、技术、文化等方面的重要作用，进一步增进公众对物理学的理解。因此，简略介绍爱因斯坦的科学工作在物理学中的杰出贡献及其对世界与公众所产生的深远影响很有必要。下面将从四个方面介绍爱因斯坦对实验物理学和技术物理学的贡献和影响。
1.揭开了原子世界的帷幕
物理世界系由原子—分子组成的这一设想由来已久，但一直受到一些标榜实证论、唯能论的科学家之非难和质疑。他们认为原子—分子缺乏令人信服的实验证据。
爱因斯坦从大学毕业起，就在分子运动论和统计力学方面进行理论研究。1905年5月，他发表了题为《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》有关布朗运动的著名论文，推断出悬浮粒子的尺寸约为微米(10-6米)量级，正好处于宏观世界和微观世界交结处。当时科学界尚不具备直接观察微观领域的实验手段，而液体中的悬浮粒子的尺寸，正好在介于微观粒子和宏观物体的中间区域，小到足以感受分子不均衡的撞击力，而大到光显微镜看得清楚的尺度。到1908年，法国科学家贝兰用显微镜对大量等径的布朗运动粒子进行了实测，定出阿伏加德罗常数，给出原子—分子存在的证据。这样，就打开了原子世界的大门。20世纪，物理学家登堂入室，研究重点即在于对微观世界的探索：原子、原子核、基本粒子，并从微观的角度来研究固体物理和分子物理。
2.光子学的创建及其发展
1905年，爱因斯坦发表《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》论文，提出了光量子(光子)的概念，可以说是光子学的诞生。爱因斯坦将光子实体化，认为光的吸收和发射均是以能量为hv的光子为单元来进行，具有鲜明的物理意义，并引证勒那德当时有关光电效应的实验结果作为例证。随后，密立根更细致地测定了光电效应的频率极限，从而求出普朗克常数的数值，精确地验证了爱因斯坦理论的可靠性。
1916年，爱因斯坦在《论辐射的量子理论》的论文中对光的理解又深入了一步：提出了不仅有确定的能量hv，同时还有确定的动量hv/c。该论文进一步扩充了玻尔的能级跃迁导致光发射或吸收的理论，阐述光的受激发射的概念。
1960年，梅曼制造出第一台红宝石激光器。激光是以相同频率、相同动量的光子流构成的相干光束。它的出现立刻在光学和光谱学中引发了一场革命，使光子学与光子技术进入了成年期。光子学在技术上的应用，诸如通信、存储、全息、扫描、显示等，已经进入了千家万户，其重要性堪与电子学并驾齐驱。
3.质能关系的利用
爱因斯坦在1905年发表《论动体的电动力学》和《物体的惯性同它所含能量有关吗？》两篇文章，其中包含了狭义相对论基本轮廓和由之引伸出来的质能关系。这里强调它在实验物理学和技术物理学中的应用。
狭义相对论对牛顿力学进行了重要的修正，体现在所推导出来的质能关系中。质能关系包含两点：其一是物体的质量是和运动的速度有关的；二是物体的静止质量可以与能量互相转换，即E=mc2。20世纪30年代，物理学家就开始了设计和建造粒子加速器。爱因斯坦的质能关系虽也适用于宏观物体，但要将宏观物体加速到可与光速相比的程度是难以实现的。而粒子加速器却可以将电子、质子等微观粒子加速到必须要考虑相对论修正的程度。现代加速器的设计、运转都离不开粒子质量与速度的关系。可以说，加速器的实验天天都在验证质能关系的正确性。核能的利用也是体现这一关系的技术例证。
4.将量子论引入了固体物理
长期以来，根据分子运动论导出的表征比热的杜隆—玻替定律是一个不随温度改变的常量。但事实上固体的比热在低温下显著下降，到T→0，比热也趋于零。这样的结果无从用基于能量均分定理的经典理论来解释。1907年，爱因斯坦发表题为《普朗克的辐射理论和比热理论》的论文，将量子理论应用于固体比热的问题上，取得比热数值随温度下降而减少，并当T→0亦趋于零的结果。爱因斯坦采用了独立振子的模型，没有考虑原子间的耦合问题。随后，1912年，德拜将此模型进行改进，考虑了原子间的耦合问题，获得了更好的结果。1912年，玻恩与冯卡门提出晶格振动的经典理论，再引入量子化条件，从而建立了晶格动力学理论框架，可以更全面地处理固体热性质和介电性质等方面的问题。紧接着，固体电子论又取得了重大突破，基于费米—狄拉克统计的自由电子论和基于量子力学的能带理论，先后问世，固体物理学的发展获得重大突破。而爱因斯坦首先将量子论引入固体物理，功不可没! |
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