爱因斯坦113普朗克、索末菲、探讨量子论10.1
1910年1月18日前,爱因斯坦在信中就论文草稿《普朗克1910a》向普朗克发表了自己的看法,这篇论文《物理学年鉴》是1月18日收到的。
在信中,爱因斯坦主要还是委婉的反对普朗克认为量子论只涉及发射或吸收过程的观点。
针对普朗克草稿论文中的“因此,如果发光粒子的振动遭受到某些起伏,则这些起伏也会在所发之光的强度中反映出来……”这部分,爱因斯坦发表了看法,他认为仅仅用发射过程的量子特点来对辐射的起伏作出解释似乎是行不通的:
“因为很显然,想必不存在辐射统计性质对发射壁距离的任何依赖关系。”
为了说明上述的反对原因,爱因斯坦举了两个例子。
一是,A点从距其不同距离的两个表面f和F处接受到的量子波动不同。f距离近、面积小,量子数少,A处接收的波动大;而F距离远、面积大,量子数多,A处接收的波动小,这反映了辐射的起伏与发射壁距离有关,但这是不符合常理的。
二是,第一个例子形象化的说明。10m处10支蜡烛产生的光与1m处的1支蜡烛产生的光强度一样,但闪灼不如1m处的1支蜡烛厉害。
其次,爱因斯坦在信中向普朗克解释了自己的量纲论证中不使用普朗克常数h的原因是h不属于纯波动理论,而纯波动论不能给出干涉外的其他起伏,但普朗克辐射公式却暗含了波动性和量子性的双重起伏,这种双重起伏的具体论证见1909年1月23日的《论辐射问题的现状》和1909年9月21日爱因斯坦的波粒二象性演说《论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展》:
“我在量纲论证中并没有引用将导致辐射压之起伏的常量h,因为这个常量恰恰不属于辐射的纯波动理论。
照我看来,即使在离发射面任意距离处,纯波动理论也不能给出除由干涉引起的起伏以外的任何别的起伏。过些日子我将把这一问题的更确切研究推荐给一个博士候选人(注:路德维希·霍普夫,Ludwig Hopf,1884年-1939年,1909年获得博士学位,博导为爱因斯坦新近结识的密友慕尼黑大学理论物理学教授阿诺德·索末菲,注册听了爱因斯坦1910年夏季学期在苏黎世大学讲授的所有三门课程)。”
在信的最后,爱因斯坦针对普朗克草稿论文中指出的量子论无法处理静场和恒稳场的问题给出了自己的看法,在论文中普朗克论证说一个静电场的频率是零,从而场的能量应该由无限多个能量为零的量子组成,他不相信在这种情况下还能定义一个有限的、有方向的场量:
“我的确定见解就是相对论式电动力学的发展将导致一种能量的定域化(注:即能量量子化),和我们现在没有很好的理由而习惯于假设的那种定域化有所不同。
在我看来,没有以太,能量连续地分布在空间中就显得是荒谬的(注:即能量量子化才是真实的)。也很容易证明,旧式超距作用理论中那样的能量定域化是和麦克斯韦理论相容的(注:即使超距作用也不排斥能量定域化,即量子化);有一天我将联系到某些别的资料来发表这种证明。
尽管法拉第的直觉表象(注:电力线和磁力线)对电动力学的发展作出了重要的贡献,但是在我看来,并不能由此得出结论说这种表象应该毫不变动地加以保留。”
(注:迈克尔·法拉第,Michael Faraday,1791年9月22日—1867年8月25日,英国物理学家、化学家,也是著名的自学成才的科学家。
1831年10月17日,法拉第首次发现电磁感应现象,并进而得到产生交流电的方法。1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机,是人类创造出的第一个发电机。由于他在电磁学方面做出了伟大贡献,被称为“电学之父”和“交流电之父”。)
慕尼黑大学理论物理学教授阿诺德·索末菲(注:Arnold Sommerfeld,1868年12月5日—1951年4月26日)对急剧减速的电子所发射出的辐射作了纯传统式的计算,结果显示强度分布不对称,这与实验所观察到的阴极射线所产生的X射线强度的不对称是一致的,后来,人们以X射线的电磁脉冲理论对这种X射线强度分布的空间不对称进行解释。
1910年,爱因斯坦读了索末菲的X射线强度分布的空间不对称的论文,对此评价很高,并于1月19日写信进行了回应,此前在1909年的9月萨尔茨堡的德国自然科学家和医生协会第81次大会期间两人刚有了面对面的热情接触,再早的1908年1月两人曾通信探讨过超光速和狭义相对论的问题:
“非常尊敬的索末菲教授先生!
在物理学界,很久以来,没有什么东西像您这篇关于伦琴辐射相对于不同方向的能量分布的论文那样,能给我留下如此深刻的印象了。得出正确的由加速度引起的伦琴辐射的部分分布的那个理论论证,毕竟只涉及仅仅一个基元过程。”
当然,爱因斯坦写这封信的目的不单单是为了对索末菲的X射线强度分布的空间不对称结论进行赞美,更主要的目的是为了质疑和求教来的,他认为按量子论的定向发射理念,辐射强度空间分布应该以量子定向方位为轴线对称:
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