爰因斯坦的文学作品
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发布时间：2022-05-02 19:05
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时间：2022-06-26 04:15
奇迹年论文
爱因斯坦於1905年在《物理年鉴》发表了四篇划时代的论文。从来没有人能在这麼短暂的时间内对於现代物理给出这麼多重大贡献。这一年因此被称为「爱因斯坦奇迹年」。
关於光的产生和转变的一个启发性观点 光电效应 3月
18日 6月
9日 提出光量子假说，即光是由离散的能量粒子（光量子）所组成。这假说关键性地促成了量子力学的早期发展，首先揭示了微观世界的基本特徵：波粒二象性。
热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动 布朗运动 5月
11日 7月
18日 论述怎样证实原子的物理实在，创建涨落现象研究领域，对於在那时尚具争议性的统计物理学给予强力支持、为随机过程理论的未来发展铺路。
论运动物体的电动力学 狭义相对论 6月
30日 9月
26日 改变旧有的时间与空间的观念，化解马克士威方程组与经典力学定律之间的矛盾，说明乙太的概念是多馀无用的。
物体的惯性同它所含的能量有关吗？ 质能等价 9月
27日 11月
21日 表述物质与能量等价E = mc2（这意味著重力可以弯曲光束）、粒子的静止能量、核能的理论根据。
相对论和爱因斯坦质能方程式
主条目：狭义相对论
爱因斯坦在论文《论运动物体的电动力学》裏提出了狭义相对论的两个基本公设：「光速不变」，以及「相对性原理」，按照这两个基本公设对於经典力学在运动速度接近光速时做出一些重要修正，从而化解了马克士威方程组与经典力学定律之间的矛盾。经过整理之後，这些创举成为爱因斯坦的狭义相对论。
承认时空的相对性与光速的不变性导致了几个必然的推论。一是运动物体在其运动方向会表现出长度收缩。二是运动物体会经历时间膨胀。也就是说，一个运动中的钟表要比静止的同样钟表走得慢。三是乙太的概念其实是多馀无用的。
爱因斯坦在表述质能等价的论文里，从狭义相对论的方程式裏推导出质能方程式E = mc2。这意味著能量和质量其实是一回事，可以相互转换。对於任何物体来说，其质量会随著其速度的增加而增加。
爱因斯坦的相对论曾经有很多年备受争议，他获得1921年诺贝尔物理学奖并不是因为表扬他在相对论做出重大贡献。普朗克是最热烈支持相对论的物理学者之一。
光子与能量量子
光电效应示意图：来自左上方的光子冲击到金属板，将电子逐出金属板，并且向右上方移去
主条目：光子和光电效应
在论文《关於光的产生和转变的一个启发性观点》裏，爱因斯坦提出光量子假说，即光是由离散的能量量子组成，这能量量子称为光量子，後来被简称为光子。最初，光量子假说遭到物理学者强烈质疑，其中包括马克斯·普朗克以及尼尔斯·波耳。後来，罗伯特·密立根做实验证实了光电效应的方程式，阿瑟·康普顿做康普顿散射实验展示在某种情况下光会表现出粒子性。直到1919年，光量子假说才被广为接受。
爱因斯坦得到了一个结论，频率为f的光束是由能量为hf的光量子所组成；其中，h为普朗克常数。爱因斯坦并没有对这结论给出很多解释，实际而言，他并不确定光量子与光波之间的关系。但是，他的确建议这点子能够解释某些实验结果，尤其是光电效应。
量子化原子振动
主条目：爱因斯坦模型
在1906年论文《普朗克的辐射理论和比热容理论》裏，爱因斯坦提出一种新的描述物质的物理模型，称为爱因斯坦模型。在这模型裏，位於晶格结构裏的每一个原子都被视为一个独立的量子谐振子，它们各自以相同频率像弹簧一样做简谐振动，因此具有离散的能级。杜隆-泊替定律预言比热容为常数，在高温极限时，这模型给出相同的理论结果；而当温度趋於零时，这模型预言比热容也趋於零，与实验结果相符合。这是20世纪初期第三个被发现的重要量子理论
爱因斯坦模型预言比热容以温度的指数函数趋於零，这是因为它假设所有谐振子的振动频率相同。彼得·德拜对於这假设给予修正，在他研究出的德拜模型裏，振动频率不一样，因此比热容以温度的立方函数趋於零。
波粒二象性
主条目：波粒二象性
在爱因斯坦的光量子假说中，光量子只是表现出能量的不连续性，它尚未被赋予粒子应具有的性质，所以不能被严格视为粒子。1909年，在爱因斯坦发表的两篇论文《论辐射问题的现状》与《论我们关於辐射的本性和组成的观点的发展》裏[58][59]，爱因斯坦阐明，光量子具有良好定义的动量，并且在某些方面表现出类点粒子的物理行为。这两篇论文引入了光子的概念（吉尔伯特·路易斯於1926年给出术语光子的命名），启发了量子力学的波粒二象性观念。他又表示，理论物理下一个阶段将会发展出一种能够将光的波动论与光的粒子论融合在一起的理论。在这裏，「融合」意味著波粒二象性，或更加延伸，尼尔斯·波耳後来提出的互补原理。
临界乳光理论
在临界点附近，照射於介质的光束会被介质强烈散射，这现象称为临界乳光。波兰物理学者马里安·斯茅鲁樵斯基於1908年首先表明，临界乳光的机制为介质密度涨落，他并没有给出相关的方程式。两年後，爱因斯坦应用统计力学严格论述介质的分子结构所形成的密度涨落，从而推导出相关的方程式，并且用这方程式给出另一种计算亚佛加厥常数的方法，更有意思的是，这临界乳光的机制可以解释天空呈蓝色的现象。
按照瑞立散射理论，瑞立散射光的辐照度和入射光波长的四次方成反比。应用瑞立散射来解释天空的蓝色现象，波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞立散射。因此，天空的颜色是蓝色的。瑞立散射方程式能够准确地描述光束对於气体的瑞立散射行为，但对於液体并不适用。爱因斯坦的临界乳光理论更一般地适用於液体与气体；瑞立散射只是临界乳光问题的一个特别案例。後来，布鲁诺·齐姆分析粒子在气体与液体里的随机性，将瑞立散射理论加以延伸来描述光在液体里的散射行为。
零点能
主条目：零点能
零点能指的是量子系统处於基态时所拥有的能量，量子系统所拥有能量不能低於零点能。普朗克於1911年至1913年之间重新表述他的1900年量子理论时提出了零点能的概念，他指出，在绝对温度（或温度趋於绝对温度），振动频率为ν的谐振子，其平均能量不是零，而是零点能hν2。
爱因斯坦和助手奥托·斯特恩对於这点子极感兴趣。他们研究出一种方法，能够证实零点能的存在。他们假设双原子分子的旋转能含有零点能，并且所有双原子分子以同样角速度旋转，然後计算出双原子分子气体的比热容。他们在1913年论文《对於分子在绝对零度下的扰动假设的某些论证》裏，将氢气的理论比热容与实验数据相互比较，他们总结，零点能hν2可能存在。
虽然这计算结果很漂亮地符合实验数据，不久之後，他们又撤回了这篇论文，主要原因是保罗·埃伦费斯特给出更具一般性的计算，从假设双原子分子以某种统计分布的角速度进行旋转，并且遵守普朗克的量子理论，他计算出与实验数据相符合的理论结果，因此他总结，零点能不存在。一直到1925年，零点能的存在才被维尔纳·海森堡在他的著名论文《运动与机械关系的量子理论重新诠释》裏理论证实。
广义相对论
英国天文学家亚瑟·爱丁顿拍摄到的1919年5月29日日食
主条目：广义相对论
爱因斯坦在1907-1915年间创建的广义相对论是一种重力理论。根据广义相对论，在质量与质量之间观测到的重力是源自於这些质量所造成的时空弯曲。在现代天文物理学裏，广义相对论是重要工具。
在接受1921年诺贝尔物理奖的演讲时，爱因斯坦表示狭义相对论对於惯性运动的偏好并不令人满意，而从最开始就不偏好任何运动状态（不论是匀速运动或加速度运动）的理论，应该会显得更令人满意，因此他才会尝试发展广义相对论[65]。他在1907年论文《关於相对性原理和由此得出的结论》裏指出，自由下落实际是一种惯性运动，对於自由下落的观察者而言，狭义相对论的规则应该适用。爱因斯坦并没有对这後来被称为等效原理的论题给出详尽分析。另外，他还初步预言重力红移，即射入重力势阱中的光会发生蓝移，而相反从重力势阱中射出的光会发生红移；又粗略预言光线在重力场中的偏折，即光子的路径在重力场中会发生偏折。这些预言後来纷纷得到了实验验证。
爱因斯坦将1907年论文加以扩充，於1911年写成论文《论重力对光的传播的影响》；在这篇论文裏，他对光线在重力场中的偏折重新加以详细分析，得到可以严格测试的结果，即光线经过太阳产生的重力场时被偏折的角度。这预言可以做实验严格检试，因此他呼吁实验者的关注，尽快完成这实验。
经过多年思考重力的内秉性质，爱因斯坦领悟到重力可以定义为时空的弯曲，对於重力的详细描述必须用到几何，更甚言之，几何是发现重力定律的重要工具，因此，他找到大学同学马塞尔·格罗斯曼来帮助他解决数学方面的问题。格罗斯曼建议他使用黎曼几何，因为黎曼张量与从其衍伸的里奇张量都具有广义协变性。1913年他与格罗斯曼共同发表了论文《广义相对论和重力理论纲要》。在这篇论文裏，他们给出的场方程式很像後来的爱因斯坦场方程式，但具有非常有限的协变性，这场方程式後来被称为「草稿场方程式」。1915年11月，爱因斯坦一连串发表了四篇关於广义相对论的论文。第三篇论文《用广义相对论解释水星近日点运动》详细分析水星的反常进动现象，所得到的理论数值与实验数据完全符合，并且还修改先前对於光子路径在重力场中发生的偏折所做的估算，这修正後来也成功通过实验检试。第四篇论文《重力场方程式》终於给出具有广义协变性的场方程式，後来称为爱因斯坦场方程式，这方程式能够描述重力场和物质彼此之间的交互作用；如同约翰·惠勒所说，物质告诉时空怎样弯曲，空间告诉物质怎样移动。
重力波
重力波是时空曲率的涟漪以波动的形式从波源向外传播，同时会有能量向外传输。1916年，爱因斯坦了预测重力波的存在，根据广义相对论，劳仑兹不变性使得重力波的存在成为可能，由於重力交互作用必须以有限速度传播於空间。牛顿万有重力定律无法预言这种结果，因其假定重力交互作用是以无穷高速度传播於空间。
普林斯顿大学物理学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒於1974年发现发现首个脉冲双星系统PSR B1913+16，通过对其深入研究，首次发现重力波存在的间接定量证据。2016年2月11日，爱因斯坦论文一世纪之後，LIGO团队宣布，已直接探测到重力波，其源头来自於双黑洞融合机制。
宇宙学
主条目：宇宙学
全新装备了功能超强的广义相对论，爱因斯坦已准备好在梦寐以求的宇宙学领域大展身手。1917年，他应用广义相对论来建模整个宇宙结构。从那时的实验观测推论，他认为宇宙的范围是有限，并且不具有任何边界，因为宇宙质量会使时空弯曲回自己，就如同圆球的表面，具有有限的面积，不具有任何边界。这种宇宙称为静态宇宙。但是，根据爱因斯坦场方程式，静态宇宙不可能存在，宇宙只能扩张或收缩。为了使宇宙保持静态，爱因斯坦在他的方程式中加入了一个宇宙常数项，然後让宇宙常数项与宇宙质量项相互抵销，这样，宇宙常数可以抗拒重力的效应，从而实现静态宇宙。然而，爱德温·哈柏於1929年确定宇宙呈膨胀状态。爱因斯坦只好放弃宇宙常数，他认为在重力方程式中引入该常数是他「一生中最大的错误」
後来，人们发现宇宙加速膨胀，这现象的最简单说法是宇宙常数不为零，而是一个很小的数值。爱因斯坦的直觉最终可能还是正确的。
玻色-爱因斯坦统计
参见：玻色-爱因斯坦凝聚
印度物理学者萨特延德拉·玻色在1923年完成论文《普朗克定律与光量子假说》，并且将这篇论文寄给英国《哲学杂志》，但是遭到拒绝发表。玻色丝毫不因此气馁，隔年他又将该论文转寄给爱因斯坦，寻求爱因斯坦的意见。在这篇论文裏，玻色提出一种新的统计模型，按照这模型，光束可以被视为由一群无法分辨的粒子所组成气体，因此在做统计运算时，所有相同能量的光子应该合并处理。爱因斯坦注意到玻色的统计模型不仅适用於光子，还适用於很多其它种粒子，这些粒子後来被称为玻色子。爱因斯坦把玻色的论文翻译成德文後发表於《物理期刊》
爱因斯坦将玻色的理论推广至带质量的粒子，於1924年发表论文《单原子理想气体的量子理论》，隔年，又发表论文预言，玻色子冷却至非常低温时，会凝聚到其能量最低的量子态，因此会出现一种新的物态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态。1995年，科罗拉多大学波德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用铷原子气体在170 nK的低温下首次观测到了玻色-爱因斯坦凝聚。四个月後，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒使用钠原子气体独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚。
