主题：【原创翻译】《量子》----第一部·量子 -- 奔波儿

早在牛顿之前，人们就认为时间和空间是固定的，且相互独立的，它们是宇宙洪荒这幕无始无终的大戏上演的舞台，是绝对的永恒的质量、长度和时间的竞技场，是相互间存在空间距离和时间间隔的各种事件演出的剧场。但是，爱因斯坦却发现质量、长度和时间并非是绝对和恒定不变的，空间距离和时间间隔与观测者所处的相对运动状态有关。例如，如果有一对双胞胎兄弟，其中一位留在地球上，而另一位则是宇航员，以接近光的速度在太空旅行，相对于他那位地球兄弟而言，宇航员这儿时间减缓，空间收缩，任何运动的物体都会获得质量。这就是“狭义（Special）”相对论所预言的结果，而这些论断在20世纪都将先后得到证实；但是，该理论并没有考虑到加速度的影响。“广义（General）”相对论则考虑了这个因素。在爱因斯坦构建这一理论的过程中，他认为该理论让狭义相对论看上去就像是“小孩子的游戏”。当量子理论不断挑战原子领域那些约定俗成的观点之时，爱因斯坦正帮助人类一步步接近空间和时间的真实面目。广义相对论是爱因斯坦所创造的引力理论，该理论将最终导致人们发现与宇宙起源相关的大爆炸（Big Bang）理论。

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根据牛顿的引力理论，任意两个物体之间，例如太阳和地球间，是存在吸引力的，该引力与它们各自的质量呈正比，且与其质心间的距离的平方呈反比。这两个物体并没有相互接触，牛顿的经典物理学体系所描绘的引力是一种神秘的“超距（action-at-a-distance）”作用力。但是，在广义相对论中，一个拥有巨大质量的物体会引起了空间的扭曲，并因此导致了引力。地球围绕太阳运动，并不是因为有某种神秘的不可见的作用力拽着它，而是由于拥有巨大质量的太阳引发了空间的扭曲。简而言之，物质引发空间的扭曲，而扭曲的空间决定了物质该如何运动。

1915年11月，由于当时人们无法用牛顿的引力理论解释水星的轨道，爱因斯坦决定拿这一现象作为广义相对论的试金石。在水星围绕太阳运动的过程中，水星的轨道并不是固定不变的。天文学家对此做了精确的测量，发现其轨道发生了微小的旋转，爱因斯坦利用广义相对论对轨道的偏移进行计算。当他发现计算结果与实测数据吻合很好且误差极小，他激动得心跳加速，并预感到发生了些什么事情，他写道“通过比较理论和观测值可以看出，这一理论完美至极”。爱因斯坦最大胆的梦想终于变成了现实，这让他志得意满，但为此所付出的艰巨努力也让他精疲力尽。在他恢复元气以后，他又回到了量子领域。

其实当爱因斯坦还在琢磨广义相对论之时，在1914年五月，他是第一批认识到弗兰克---赫兹实验反映了原子中能级的存在并因此“决定性地验证了量子假说”的数人之一。在1916年的夏天，爱因斯坦有了一个“出色的主意”，他对原子是如何释放和吸收光有了自己的理论。在这一理论中，他用了一个“非常简单的推导，我说，其实就是推导了一下普朗克的公式”。不久，爱因斯坦心满意足地看到自己的“光量子理论已然定鼎”。但是，他也付出了代价，那就是他不得不抛弃经典物理学中那些严格的因果关系，而将概率论引入到原子领域。

以前，爱因斯坦也曾用过其它替代方法，但这一次他却是从玻尔的量子原子模型推导出普朗克的公式。他首先是从一个简化的仅仅拥有两个能级的原子模型开始的，然后确定了电子从一个能级跃迁到另一个能级的三种方式。当电子从一个较高的能级跃迁到一个较低的能级时，它会释放出一份光量子，爱因斯坦称之为“自发辐射（Spontaneous Emission）”。只有在电子处于激发态时，才会出现这种现象。当电子吸收了一份光量子，从一个低能级跃迁到高能级后，其将处于激发状态，这也是电子跃迁的第二种方式。玻尔曾经提出过这两种量子跃迁方式，以此来解释原子的吸收和释放光谱，但是爱因斯坦却揭示了第三种方式----“受激辐射（Stimulated Emission）”。如果原子已经处于激发态时，当光量子击中其内部的电子时，这种跃迁就会出现。这时，电子并没有吸收自投罗网的光量子，而是“受到激发”，被碰飞到低能级，同时释放出一份光量子。四十余年后，受激辐射成为激光的理论基础，所谓激光，就是“通过受激辐射增强后的光”。

爱因斯坦还发现光量子具有动量；但和能量不同，动量是一个矢量，既有方向，又有大小。然而，他的公式清晰地显示出电子从一个能级自然跃迁到另一个能级的发生时刻，以及这一过程中光量子释放的方向是随机的。自发辐射和放射性标本的半衰期类似。在一定的时间，即半衰期内，一半的原子会发生衰变，但是人们并不清楚原子衰变发生的确切时刻。与此类似，尽管自然跃迁发生的概率是可以计算出来的，但要了解具体的细节却只有靠运气了，也就是说此时没有直接的因果关系存在。这一“跃迁概率（transition probability）”的概念使光量子释放的时刻和方向成为一种纯粹的“几率事件（chance）”，但也正是爱因斯坦理论的一个弱点。但当时，他却坦然接受这种问题的存在，并希望随着量子物理的发展，这一问题会得到顺利解决。

第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔（4）

• 【原创】《量子》---第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔（2）
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