不被家人祝福的婚姻问题并没有阻挡爱因斯坦在物理学事业上探索的脚步,1902年4月30日,他在研究玻尔兹曼理论的过程中完成了论文《关于金属及其盐的全离解溶液的势差的热力学理论和研究分子力的一种电学方法》,并将其投给了《物理学年鉴》,并于7月10日发表。
爱因斯坦在这篇论文中推广了玻尔兹曼热力学第二定律可以应用到半透膜隔离不同气体的论断,将热力学第二定律以及第一定律应用到了金属及盐的全离解溶液中,根据热力学第二定律可以将系统标定为近似可逆循环过程的理论,对于理论局部的电荷变化(电功量)和离子迁移的做功等问题采用微积分方法进行了分析,根据上述积分结果分析了金属盐溶液、酸溶液的电势差与溶体浓度、流体静压力的关系,还采用自己论文《从毛细现象得出的结论》中提出的分子力势能理论分析了离子相当于溶剂的分子势能,对于自己理论推导出的一些可以由实验检测给出数据的表达式,爱因斯坦在论文中还给出了实验建议,但整篇文章只是定性分析了上述问题,并没有牵扯实验数据,后来也没数据表明有任何实验科学家根据爱因斯坦论文中的理论推导做了实验。
1902年6月2日,瑞士联邦专利局致函联邦委员会,建议从6名应征者中遴选苏黎世联邦理工学院机械工程系毕业生海因里希·申克(1872年-1938年)和苏黎世联邦理工学院教育系阿尔伯特·爱因斯坦为联邦专利局的Ⅲ级技术专家(Ⅱ级工程师),每人每年薪金3500法郎。
6月19日,瑞士联邦专利局给爱因斯坦发了公函,通知他已于6月16日在联邦委员会会议上被遴选为临时联邦专利局Ⅲ级技术专家,年俸3500法郎。注意目前还只是“临时联邦专利局Ⅲ级技术专家”,想把临时二字去掉还得两年以后。
同一天,伯尔尼专利局也给爱因斯坦发了公函,通知他至迟于7月1日就职。内中还附有瑞士联邦司法与公安部的委任书。
就此,爱因斯坦就职瑞士伯尔尼专利局一事终于板上钉钉了。在此新路初露的时刻,6月26日,他又向《物理学年鉴》投了一篇文章《关于热平衡及热力学第二定律的分子运动论》,文章最终于9月18日发表。
这篇论文就是爱因斯坦在1901年9月6日给马塞尔·格罗斯曼的信中提到的分子运动论方面“为玻尔兹曼所提出的一连串证明提供缺失的楔石”的成果。在这篇论文中爱因斯坦采用力学模式,给出了描述全同绝热体系的状态分布方程,从势能和动能的角度分析了无限多同类体系的热力学行为,以力学思维采用微积分方法分析了温度平衡。
将作用于体系的力分为可以从势函数导出,反映外部条件的力(如重力、没有热作用的固态壁等)和不能从势函数导出,引起热输入的力两种,以这两种力为方程规范条件,用微积分方法处理了拉格朗日运动方程,最终给出了从力学模式导出的熵的表达式,并论断说热力学第二定律是力学世界图像的必然结果。
当然,这篇文章也只是定性分析了上述问题,并没有牵扯实验数据,属于纯粹的理论推导。爱因斯坦在文章一开始就说明了自己论文的目的,用力学方程和概率运算推导出热平衡和热力学第二定律(随时间进行,一个孤立体系中的熵不会减小),从力学观点出发,得出熵的数学表达式(热量变化/热力学温度),而且认为自己的论文超越了麦克斯韦和玻尔兹曼在相关方面的理论成就,他们没有从力学观点导出相关的热力学方程,给出热力学第二定律力学解释,而他做到了。
到此为止,爱因斯坦人生中一个艰难的阶段结束了,从1895年第一次报考苏黎世联邦理工学院之前创作关于以太的论文到1902年创作热力学定律的力学阐释的论文,爱因斯坦孜孜不倦的奋斗了7年,总起来说这7年的学习和创作并没有引起太大的轰动,也未开拓出新的物理学世界,但他的研究其实算是紧跟当时主流的物理学研究潮流,研究的范围其实依然被框定在经典物理学的藩篱之内,他努力在主流物理学的疆土上做出自己的成就,目的,在我看来,爱因斯坦是想得到主流学界的认可,跻身物理学专业人士的队伍,既是自己的兴趣所在,更是谋生的手段。
如果爱因斯坦的人生照这样的节奏发展下去,他依然囤于分子力、热力学、以太等经典物理学的藩篱之内,他不会做出太令人轰动的成就,直到入职伯尔尼专利局,爱因斯坦的生活不再被生活所困,他的思维才真正脱离了经典主流物理问题的束缚,开始天马行空起来,再次拾起了1896年就已在脑海出现过的追光实验,从而深入思考起了物理学大厦的底层根基问题,光速、时间和空间以及最终的万有引力,最终的阶段终点是狭义相对论和广义相对论,附带着涉猎了光量子理论,旁观并间接辅助了量子力学大厦的建立。
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