国际物理年_2005年 - 线报百科mbji.cn

国际物理年

2005年

1905年是科学史上较为特殊的一年，当时默默无闻的爱因斯坦发表的5篇论文彻底改变了传统的物理学，也为造福后世的诸多技术奠定了基础。百年之后，联合国通过大会决议将2005年定为国际物理年，以纪念这个“奇迹之年”。这一年也恰逢爱因斯坦逝世50周年。

发展历程

2005年1月13日，在巴黎召开的国际物理年发起会议上，国际物理年在全球正式启动。紧接着，1月19日，德国总理施罗德也宣布本国的“爱因斯坦年”(德、英等国把国际物理年直接命名为“爱因斯坦年”)开始。施罗德称赞爱因斯坦“用他的思想给科学带来了彻底变革，并改变了世界”。

中国物理学会常务理事、中国科学院物理研究所研究员聂玉昕说：“把2005年作为国际物理年有三个意义，纪念爱因斯坦，为物理学吸引人才，以及唤起社会对物理学的关注。”

“国际物理年”最初被称为“世界物理年”。这个想法的提出可以追溯到欧洲物理学会2000年12月于柏林召开的第3届世界物理学会大会。在这之后两年中，欧洲物理学会开始寻求国际组织的支持，积极促成世界物理年活动。

2002年，这一倡议得到国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)第24次全体大会的一致通过；在2003年召开的联合国教科文组织(UNESCO)全体会议第32次会议上，表决通过了支持2005年为世界物理年的决议。

2004年5月17日，法国、巴西、英国、莱索托、摩纳哥和葡萄牙向联合国大会递交联名信，要求有191个成员的联大会议讨论世界物理年一事。信中说：“2005年是爱因斯坦一系列伟大科学发现100周年，这些科学发现影响了整个当代物理学。这为世界提供了一次机会，在21世纪庆祝物理学上最伟大的一位思想家。”签名国说世界物理年将提高“世界对物理学的了解”。2004年6月10日，联合国大会召开第58次会议，会议鼓掌通过了把2005年定为物理年的决定，并把正式名称定为“国际物理年”。

爱因斯坦狂飙

也许有人不喜欢把“狂飙”一词用于科学领域，因为感情色彩过于浓重。然而，爱因斯坦在1905年完成的工作，任何对科学稍有兴趣的人听后都会热血沸腾。用国际物理年的形式纪念爱因斯坦，大概也是众望所归。

“1905年爱因斯坦发表了5篇论文，所覆盖的3个领域分别是光电效应、布朗运动和狭义相对论。虽然这些文章主题不同，但都是各自领域的奠基之作。”英国《自然》杂志在1月20日发表的纪念文章中说。

在一个世纪前，有少数“乌云”笼罩着物理学界。美国的两位科学家完成了光的干涉试验，结果与当时的物理学理论相悖。在巴黎，似乎有无尽能量的矿物令科学家们困惑不已。与此同时，天文学家和地质学家则因为太阳能不能永远发光而争论不休。然而，德国《物理学年年鉴》刊登了一系列论文，以不到70页的篇幅解答了这些谜，同时颠覆了人类几个世纪以来关于自然的公认理论。论文的作者是一位名不见经传的年轻人——26岁的爱因斯坦。

“爱因斯坦是相对论的奠基人，也是量子理论的少数几位奠基人之一，是有史以来对自然科学贡献最大的人之一。”聂玉昕说。

1879年，爱因斯坦出生在德国乌尔姆一个中产阶级家庭。5岁时，父亲给了他一个指南针，指针在磁力的无形作用下转动的情景让他惊讶。像牛顿看到掉落的苹果一样，爱因斯坦产生了一种奇怪的感觉，认为自己看到的现象具有深远意义。由于不认同权威，爱因斯坦一度被人认为注定一事无成，大学毕业后无法进入学术机构，只在伯尔尼专利局找到一份临时工作。但在那里，爱因斯坦被正规教育扼杀的科学激情终于重新迸发出来。仅就爱因斯坦在1905年6月和9月发表的两篇有关狭义相对论的论文而论，就具有改变历史进程的深远意义，它们提出了关于时间和空间的全新概念。

中国科学院院士何祚庥说：“狭义相对论深化了牛顿所奠定的牛顿力学，深化了牛顿所提出的时空观，从而影响到当代物理学的各个领域。人们公允地认为这是物理学领域里的大突破，亦即由宏观低速运动领域进入到宏观高速领域的突破。这一突破的重要后果之一，是爱因斯坦首先发现了质量能量等价的公式，E=mc2，并为人类利用原子能指出了方向。”

相关论文

光.光电效应.激光无限

爱因斯坦1905年6月发表的第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，解释了光的本质，这使他在1921年荣获了诺贝尔物理学奖。在论文中，爱因斯坦将量子概念应用于解释光电效应：当一块带静电的金属受到光线照射时会释放电子。他认为光束是由粒子(后来被称作光子)组成，从而与光只有波动属性的主流观念相矛盾。这篇论文为构成量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。光电效应后来成为众多技术的基础。

爱因斯坦对光的研究一直影响着现代光学的发展，仅以激光技术为例。1917年，爱因斯坦在论文《论辐射的量子性》中，继续探索着光和物质的问题。他认识到如果原子吸收了光，它们可以变为激发态，也就是说跳到更高的能级，它们自然发光返回到较低能级。除了吸收和自发辐射之外，爱因斯坦推断出一定存在第三种作用，那就是光子可以诱导受激原子发出另外一个光子，这两个光子可以激发另外两个原子放出光子，于是产生了四个光子，四个光子又可以产生八个，依此类推。

这种产生相干光束的把戏，会建立“粒子数反转”，即受激原子多于未受激原子，从而找到使光子发射聚集成强光束的方法。这一设想直到1954年才得以实现，哥伦比亚大学的H.Townes和他的同事们从“爱因斯坦的超前理论”得到启示，发明了激光的前身微波激射器“maser”。

原子.悬浮小粒子.现代统计力学

爱因斯坦1905年7月发表的论文《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，被认为是第二篇“对世界产生革命性影响”的论文。在论文中，爱因斯坦为“特定大小原子的存在”提供了证明。

在19世纪至20世纪初，原子是否存在是有争议的。爱因斯坦在这篇论文中，创立了支配“布朗运动”的数学定律，推进了“布朗运动”和原子存在的观点。他预测了给定体积的液体中分子的数量和质量，以及这些分子如何快速运动。这种飘忽不定的运动被称作“布朗运动”，以罗伯特.布朗在19世纪初对水中花粉粒不规则的“之”字型运动的观察而命名。爱因斯坦认为，水分子的运动足够剧烈，从而能够推动悬浮的颗粒，使得颗粒的飘舞在显微镜下能够观察得到。该文是对现代统计力学的一项重大贡献，其导出的方法可用于模拟空气污染物的行为或股票市场涨落走势。2003年，利用类似于制造微芯片的技术，美国普林斯顿大学的C.Sturm及其合作者制造了布朗棘轮，它看上去有点像大拇指甲大小的弹球盘机。在几次测试中，Sturm进行了分离实验，他将水和两种不同病毒的DNA混合物通过棘轮，结果很可靠地把较重的病毒基因组与较轻的分离开来。利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大DNA片段所需用的时间，较之当前所用的方法，可省时2/3，而且更廉价且设备更便携。

相对论.时间空间概念.质量能量转换

爱因斯坦在1905年9月和11月发表的两篇论文《论动体的电动力学》和《物体的惯性是否决定其内能》，被简述为“狭义相对论”，被认为是最具有划时代意义的理论革命。在《论动体的电动力学》中，爱因斯坦提出的一种理解时空关系的新方式；在《物体的惯性是否决定其内能》上，爱因斯坦论述了建立在狭义相对论基础上，质量和能量是可以互换的。

相对性原理的出现要早于爱因斯坦数百年。1632年伽利略就提出：无论观察者的运动状态如何，只要其运动速度不变，所有物理定律都相同。在一艘匀速运动轮船的甲板上观察，石块从桅杆上垂直落下；从静止轮船的甲板上看到的将是同样的情况。对于牛顿在17世纪中期提出的力学定律而言，该相对性原理也成立。但是随着19世纪后期电磁学的出现，这种一致性被打乱了。

爱因斯坦着手处理的是电磁学与物理学其他领域的不调和。作为一位具有深刻审美意识的科学家，他无法容忍相对性原理不能像解释牛顿力学一样去解释电磁学。1905年的这篇关于狭义相对论的文章，通过将相对性原理应用于电磁学，他重新肯定了该原理适合于所有物理学，并且确认光速为一个常数。在解决了相对性悖论的同时，文章还提出一个与人们常规直觉相违背的新的相对性原理，即无论观察者是坐在前廊的摇椅上，还是乘坐以接近光速飞升的未来太空船上，光速对他都保持不变。光速不变原理彻底摧毁了我们的绝对时空观。速度等于距离除以时间。他们的体重将比飞船起飞前增加了。

爱因斯坦奇迹年的第5篇论文作为狭义相对论的补遗，他在文中描述道：“物体质量是其内能的一个尺度”。爱因斯坦于1907年将内能概念重新表述为有史以来最著名的科学方程。方程E=mc2同样适用于动能。相对于摇椅中观察者，太空船的速度越快，则其动能和质量也越大，从而使得它越来越难以加速。当飞船速度接近光速时，提升飞行速度所需要能量增量太过巨大，以至于继续加速越来越费劲，这也是为什么超光速火箭飞船只可能出现在科幻小说中的原因之一。

1905年之后，最佳成就才真正出现。作为一项知识成果，爱因斯坦1916年又发表了广义相对论。从证明原子的存在、推出E=mc2公式到原子弹爆炸，爱因斯坦的理论与现实很近很近。1939年8月，爱因斯坦曾致函罗斯福总统，建议美国开展对原子核的研究，担忧德国法西斯可能制造原子弹。随之美国有了研制原子弹的“曼哈顿计划”。但是，爱因斯坦并未参与其中。他的理论被广泛应用各个领域。

物理学危机

20世纪是物理学的世纪。没有20世纪的现代物理学，就没有今日的许多高科技产品，就没有今日的物质与精神文明，就没有今日的现代社会。然而，从20世纪后期以来，物理学的地位开始下降。2005国际物理年，负有帮助物理学在21世纪重振雄风的重任。

《自然》杂志在1月20日的社论中指出，爱因斯坦已经逝去，如果2005国际物理年仅仅是再一次宣传爱因斯坦百年前的成就，而不是直面物理学眼前的危机，那么国际物理年就失去了意义。聂玉昕认为，现在物理学面临的最严重的危机是社会重视度下降，后继人才不足，还有就是学术的浮躁。

“学好数理化，走遍天下全不怕。”曾经，这句话在中国路人皆知。但近年来，随着电子、生物和经济等新兴学科对年轻学子的吸引力日渐增强，学习物理的学生数量和素质均有下降趋势。这种情况在世界各国具有普遍性，国外媒体的有关描述可谓一针见血。

法新社报道在巴黎举行的物理年启动仪式时说：“主宰上世纪发展的科学界，正在缓慢而又令人痛苦地衰落，有青黄不接的危机。环顾整个欧洲和北美洲，还有亚洲部分地区，在中学及大学选修物理课的学生人数都减少了。这造成在实验室埋头苦干的科研人员出现老化趋势，而且主要由男性当家。”

学术浮躁是危害包括物理学在内自然科学发展的另一个问题。国际物理年也许是一次机会，让政治家和科学家反思如何发展物理学以及其他门类的科学。

聂玉昕说：“把论文数量和研究人员个人利益挂钩的做法是损害科学发展的，容易造成科学家的急躁情绪。衡量一个科学家的成绩，不能仅靠论文数量。学术浮躁是一个世界现象。”

需要注意的是，学术浮躁与整个社会环境分不开，特别是媒体的不当宣传。对此，三思科学网站站长碧声说：“在竞相争夺读者注意力的时代，媒体往往会刊登名不符实的‘重大成就’、子虚乌有的‘神秘现象’、耸人听闻的‘技术危险’，而事实是，严肃的科学研究难得与惊人事物有缘。”

第二个爱因斯坦？

21世纪，完全有可能出现第二个爱因斯坦，但前提是需要让社会、特别是青少年能够分享物理学家的心得。这一点，是物理年中需要科学家们关注的。

台湾地区的物理学会在庆祝国际物理年的文章中说：“全世界的物理学家需要更加积极地与政治家及一般大众分享他们在物理上的见识及信念。”

目前，物理正向着宏观和微观两个研究方向不断深入。在宏观领域，宇宙和人类的未来密切相关，但人类仍不能回答关于宇宙学的一些基本问题，如暗物质、暗能量的来源、组成和性质。在微观上，人类对物质组成的认知还需要更为深入。同时，社会还要求物理学发挥“用”的功能，研究繁杂系统，让物理学为能源、材料、信息和环境问题提出解决方案。物理学与其他学科的交叉和渗透越来越显得重要。

在以上发展方向中，物理学的“用”是最容易为物理学家们在宣传中忽视的。《自然》杂志在社论中指出，科学家应该在物理年和以后的时间让社会了解，“在下一次(物理学理论)革命前，物理学的主要成就将出现在工程领域。正在从事这方面工作的物理学家如果保持沉默，是可耻的……物理学不仅是要了解我们的宇宙，而且也致力于制造有用、有时也是激动人心的事物。”

物理学的“用”不言而喻。中国23位两弹元勋中，至少有13位出身于物理学界。学习物理，不一定做研究，也可以做老师，转投其他行业。聂玉昕说：“人人都应该学些物理。物理学思想方法的训练对人有很大好处。”