书城科普五彩缤纷的光(探究式科普丛书)
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第10章 大话激光——光的运用(4)

1955年4月18日,20世纪人类最伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦病逝。他在留给后人的生前遗嘱中写道,在他死之后,把他的骨灰撒在不为人知的地方,不建坟墓,不立纪念碑,不发讣告,火化时免除所有的花卉布置及音乐典礼、免除所有公共集会。根据遗嘱,爱因斯坦火化时,只有他的大儿子汉斯·爱因斯坦,遗嘱执行人、经济学家纳坦,他最忠实的合作者杜卡斯,助手诺伊施泰因,图书管理员范托娃及他的妻子等12人在场。小教堂里一片寂静,没有奏乐,没有花卉。在结束仪式时,爱因斯坦的遗嘱执行者纳坦代表全世界的人们和他自己念了上面这首歌德悼念席勒的诗,表达了对“这一位时代最伟大的科学巨人”深深的敬意和哀思。

1.“时代伟人”——爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦,英文名Albert Einstein,1879年3月14日出生于德国西南的乌耳姆城,1955年4月18日在美国病逝。爱因斯坦是美国国籍的犹太人,是现代物理学的开创者和奠基人、相对论“质能关系”的提出者及“决定论量子力学诠释”的扞卫者。

1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

其实,爱因斯坦小时候并不活泼,到了三岁多还不会讲话。

他的父母亲很担心他是哑巴,曾经带他去医院做过检查。还好,事实并不是他们想象的那样。尽管这样,爱因斯坦每讲一句话都必须经过认真地思考,非常吃力,直到九岁时讲话还不很通畅。

爱因斯坦在念小学和中学时,举止缓慢,不爱跟人交往,功课很平常,所以老师和同学都不喜欢他。特别是教他希腊文和拉丁文的老师曾经公开骂他,“爱因斯坦,你长大后肯定不会成器”,并因为担心他在课堂上影响其他的学生,竟想把他赶出校门。小时候的爱因斯坦常常爱找他的叔叔问问题。叔叔雅各布是一位工程师,在他的电器工厂里专门负责技术方面的事务。叔叔非常喜爱数学,每当爱因斯坦问他问题时,他总是用很浅显通俗的语言把数学知识讲给他听。可以说,爱因斯坦较早地受到了科学和哲学的启蒙,他的叔叔功不可没。

爱因斯坦的父亲则是一个乐观和心地善良的人,尽管生意做得并不好,但是每个星期都有一个晚上要邀请来慕尼黑念书的穷学生吃饭,也就是说,救济他们。在这些学生中,有一对犹太兄弟麦克斯、伯纳德,来自立陶宛,他们和长着黑头发和棕色眼睛的羞答答的小爱因斯坦成了好朋友。他们都是学医的,喜欢阅读书籍,兴趣广泛。

麦克斯常常借一些通俗的自然科学普及读物给他看,可以说是爱因斯坦的“启蒙老师”。

在爱因斯坦12岁那一年,麦克斯送给他一本施皮尔克的平面几何教科书,爱因斯坦看了之后感觉非常受益,以至于他在晚年时还念念不忘。当他回忆起这本神圣的小书时,他说:“这本书里有许多断言,如‘三角形的三个高交于一点,它们本身虽然并不是显而易见的,但是可以很可靠地加以证明,以致于任何怀疑似乎都不可能’”。他说,这种断言给他留下了一种难以形容的明晰性和可靠性的印象。之后,从一部卓越的通俗读物中,他还非常幸运地知道了自然科学领域里的主要成果和方法。这些,不仅增进了爱因斯坦的知识,而且还拨动了年轻人好奇的心弦,引起了他对一些问题的深思。

1896年10月,爱因斯坦考进了苏黎世工业大学,在师范系学习数学和物理学。他时常对学校的注入式教育十分反感,认为这使人没有兴趣、没有时间思考其他问题。幸运的是,在苏黎世的联邦工业大学,真正窒息科学动力的强制教育要比其他大学少得多。在苏黎世工业大学,爱因斯坦充分地利用学校中的自由空气,把精力和时间集中放在自己所热爱的学科上。爱因斯坦有着非常惊人的自学本领、分析问题的习惯和独立思考的能力。他广泛地阅读了赫尔姆霍兹、赫兹等物理学大师的着作,其中,最让他痴迷的是麦克斯韦的电磁理论。

1900年,爱因斯坦从苏黎世工业大学毕业。因为他对老师态度的冷漠和对某些功课的不热心,他被拒绝留校任教。由于找不到工作,爱因斯坦只能靠做代课教师和家庭教师谋生。在失业一年半以后,他的同学马塞尔·格罗斯曼向他伸出了援助之手,马塞尔·格罗斯曼说服了他的父亲把爱因斯坦介绍到瑞士专利局去做一个技术员,解决了他的工作问题。

1902年2月21日,爱因斯坦取得了瑞士国籍,迁居伯尔尼。之后不久,他正式受聘于专利局,任三级技术员,其工作职责是审核申请专利权的各种技术发明创造。1903年,他和他的大学同学米列娃·玛丽克(他的第一任妻子)结婚。之后在1900~1904年的每一年,爱因斯坦都写出一篇论文,发表在德国的《物理学杂志》上,如关于液体表面、统计力学、电解热力学的一些基本理论。1904年,爱因斯坦通过探讨统计力学所预测的涨落现象,发现了能量涨落取决于玻尔兹曼常数。他把这一结果用于力学体系、热现象、辐射现象,从而发现了“维恩位移定律”。

爱因斯坦在人类科学史上创造了一个又一个的奇迹,1905年是他厚积薄发的一年。在3月到9月这半年中,他利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间,前后共写了六篇论文,发表了关于光量子说、布朗运动理论、分子大小测定法及狭义相对论这四篇重要文章,可以说在三个领域内做出了四个具有划时代意义的贡献。爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个推测性观点》这篇论文中,首次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。

1921年,爱因斯坦作为“光电效应定律的发现者”一举获得了诺贝尔物理学奖。“相对论”的发现是爱因斯坦的另一重大贡献,他的狭义相对论预言了不少新的效应,不但可以解释经典物理学所能解释的全部现象,而且还可以解释一些经典物理学所不能解释的物理现象。

在这短短的半年时间里,爱因斯坦在科学上所取得的突破性成就,可以说是“石破天惊,前无古人”的。有人说,即使他只完成了三个领域中任何一方面的发现,或在此时放弃物理学研究,爱因斯坦也会在物理学发展史上留下极其重要的一笔。所有爱因斯坦的这些理论的发现和提出,迎来了物理学更加光辉灿烂的新纪元,拨散了笼罩在当时的“物理学晴空上的乌云”。

2.激光理论的预见者-爱因斯坦与受激辐射

有人说,爱因斯坦一生完全可以五次登上诺贝尔奖的领奖台,他的任何一个发现-光量子理论、相对论(广义和狭义)、统计物理中的玻色(爱因斯坦凝聚)以及关于激光理论(受激辐射的发现)等都可以使他成为一个成功的物理学家。下面我们主要来看看爱因斯坦和他的受激辐射理论吧。

在物理学的磁场中,由于场效应的作用,处于高能状态的粒子受到感应后会跃迁至低能状态,并同时发出光的辐射,这种辐射就是我们常说的“受激辐射”。辐射光和感应它的光子同方向、同位相、同频率并且同偏振面。

其实早在1916年,爱因斯坦就以深刻的洞察力首次提出了受激辐射的概念,预言了激光的理论基础。高能状态的原子,当受到频率正好与它的跃迁频率一致的外来光子的作用时,它就会从高能级跃迁到低能级,并且发出与外来光子完全相同的另一光子。这种新发出的光子不仅频率与外来光子一样,而且它的发射方向、位相和速率、偏振态也都同外来光子一样。这样,一个光子就变成了两个光子。当其处在适合的条件下时,它就会像雪崩一样得到放大和加强,产生一种强大的能量。不过,值得注意的是,激光所需要的“光”是一般自然条件下得不到的“相干光”。