图为冯端在发言

在今天举行的“世界物理年纪念大会”上，我拟从以下四个方面谈谈爱因斯坦对实验物理学和技术物理学的贡献和影响。

揭开了原子世界的帷幕

物理世界系由原子-分子组成的这一设想由来以久，源自古希腊。到19世纪初，化学家道尔顿提出了原子论，用来解释化合或分解。19世纪中后叶，麦克斯韦和玻耳兹曼则从分子运动论和统计力学的观点来构筑理论。

麦克斯韦提出了分子运动的速度分布律，还具体计算了气体的输运系数；玻耳兹曼则提出了普遍的统计规律，导出了描述输运过程的玻耳兹曼方程，并对熵作了统计解释。这些工作受到学术界的重视，但也受到另一些标榜实证论、唯能论的科学家之非难和质疑。他们认为原子-分子缺乏令人信服的实验证据，只是构筑理论所提出的假设而已，不用它也完全可以。两派争论异常激烈，相互攻讦，各不相让。要澄清问题就需要获得有关原子-分子存在的过硬的实验证据，这就是爱因斯坦早年从事分子运动论和统计力学的科学背景。

宏观物体的尺度是毫米（10^-3米）量级，而分子-原子则是纳米（10^-9米）量级。尺度悬殊，而当时尚缺乏直接能观测纳米量级的实验方法。

爱因斯坦从大学毕业起，就在分子运动论和统计力学方面进行理论研究。他在1905年4月向苏黎世高工所提出的学位论文就称为《分子大小的新测定法》，根据溶液和溶剂的粘滞系数的对比来估算阿伏加德罗常数的量级。1905年5月他发表了题为《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》有关布朗运动的著名论文，推断出悬浮粒子的尺寸约为微米（10^-6米）的量级，正好处于宏观世界和微观世界交结处。

当时科学界尚不具直接观察微观领域的实验手段，而液体中的悬浮粒子的尺寸，正好在介于微观粒子和宏观物体中间区域，小到足以感受分子不均衡的撞击力，而大到光显微镜看得清楚的尺度。爱因斯坦在这一理论中定量描述了布朗粒子无规行走的规律，并建立了其步伐与扩散系数的关系。

到了1908年，法国科学家贝兰用显微镜对大量等径的布朗运动粒子进行了实测，定出阿伏加德罗常数，给出原子-分子存在的确实无疑的证据。这样，就打开了原子世界的大门。20世纪，物理学家登堂入室，研究重点即在于对微观世界的探索：原子、原子核、基本粒子，并从微观的角度来研究固体物理和分子物理。

光子学的创建及其发展

1905年，爱因斯坦发表《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》的论文，提出了光量子（光子）的概念，可以说是光子学的诞生。普朗克在1900年提出了黑体辐射的量子理论，似乎是为使数据和实践吻合而不得已而为之的权宜之计，对它的实质缺乏明确的认识。

而爱因斯坦就不同，一上来就将光子实体化，认为光的吸收和发射均是以能量为In的光子为单元来进行，具有鲜明的物理意义，并引证勒那德当时有关光电效应的实验结果作为例证。随后，密立根花10年功夫更细致地测定了光电效应的频率极限，从而求出普朗克常数的数值，精确地验证了爱因斯坦理论的可靠性。

1916年，爱因斯坦在《论辐射的量子理论》的论文中对光的理解又深入了一步：提出了不仅有确定的能量In，同时还有确定的动量In/c。从考虑光子具有动量出发，在该论文中进一步扩充了玻尔的能级跃迁导致光发射或吸收的理论，阐述光的受激发射的概念。

设想一个原子吸收了光子后，具有特定的能量和动量，从低能级跃迁到高能级，随后，原子从高能级向较低的能级跃迁，引起光的发射，这一过程可能有两种情况：发射光子动量的方向是随机的，这就是自发发射；其二是发射光子的动量方向和吸收的光子相同，即为受激发射。这一理论为科学界所普遍接受，但其蕴涵的重要物理后果，却未被学界所注意。

20世纪的50年代，汤斯首先在微波频段中使上下能级的粒子数发生反转，从而实现了微波的受激发射。到1958年，他又和夏洛一起提出利用法布里-佩洛干涉仪作为谐振腔来实现光受激发射的建议。随后，1960年梅曼制造出第一台红宝石激光器。

激光是以相同频率、相同动量的光子流构成的相干光束。它的出现立刻在光学和光谱学中引发了一场革命，使光子学与光子技术进入了成年期。光子学在技术上的应用，诸如通信、存储、全息、扫描、显示等，已经进入了千家万户，其重要性堪与电子学并驾齐驱。而光子学在物理实验室中的应用，也不胜枚举。下面仅举激光冷却一例来说明。

激光束与原子束间可以通过吸收和再发射光子而引起动量交换，在适当条件下可以达到是原子运动减速而导致冷却的效果。激光冷却技术开创于20世纪80年代，到80年代与90年代之交时趋于成熟。它不用任何机械部件，可以将原子束或稀薄气体冷却到微开以下的温度，为制冷技术开创了新局面，也开创了在极低温下研究超冷原子的新领域。特别值得一提的是，在1925年，爱因斯坦曾经提出了玻色-爱因斯坦凝聚的理论，1995年，终于得以在实验室中近似地实现。

质能关系的利用

爱因斯坦在1905年6月和9月发表《论动体的电动力学》和《物体的惯性同它所含能量有关吗？》两篇论文，其中包含了狭义相对论基本轮廓和由之引伸出来的质能关系。这里强调它在实验物理学和技术物理学中的应用。

狭义相对论对牛顿力学进行了重要的修正，体现在所推导出来的质能关系中。质能关系包含两点：

其一是物体的质量是和运动的速度有关的，即:

二是物体的静止质量可以与能量互相转换，即E=mc^2。

20世纪30年代，物理学家就开始了设计和建造粒子加速器。爱因斯坦的质能关系虽则也适用于宏观物体，但要将宏观物体加速到可和光速相比的程度是难以实现的。而粒子加速器却可以将电子、质子等微观粒子加速到必须要考虑相对论修正的程度。现代加速器的设计、运转都离不开粒子质量与速度的关系，可以这么说：加速器的实验天天都在验证质能关系的正确性。

高能物理的研究发现了有质量的粒子与无质量的粒子之间转化的事例。而正反粒子的湮灭为一对光子，或其逆过程，则为质能转换关系最主动的事例。核能的利用也是体现这一关系的技术例证。核裂变是利用重元素如铀的原子核裂变为两半后，质量亏损即转化为能量。而裂变能则是利用轻元素原子核聚结起来的质量亏损。目前裂变能在军事上和民用发电厂中都得到广泛的应用。聚变能构成了太阳和恒星的主要能源，在氢弹爆炸中也得到应用。

50年来，可控热核聚变虽然取得不少进展，但仍然是当今具有挑战性的技术物理难题。

将量子论引入了固体物理

长期以来，根据分子运动论导出的表征比热的杜隆-玻替定律是一个不随温度改变的常量。

但事实上固体的比热在低温下显著下降，到T ® 0，比热也趋于零。这样的结果无从用基于能量均分定理的经典理论来解释。1907年，爱因斯坦发表题为《普朗克的辐射理论和比热理论》的论文，将量子理论应用于固体比热的问题上，取得比热数值随温度下降而减少，并当T ® 0亦趋于零的结果。爱因斯坦采用了独立振子的模型，没有考虑原子间的耦合问题。

随后，1912年，德拜将此模型进行了改进，考虑了原子间的耦合问题，获得了更好的结果。1912年，玻恩与冯卡门提出晶格振动的经典理论，再引入量子化条件，从而建立了晶格动力学理论框架，可以更全面地处理固体热性质和介电性质等方面的问题。

紧接着，固体电子论又取得了重大突破，基于费米-狄拉克统计的自由电子论和基于量子力学的能带理论，先后问世，为固体物理学的发展作了重大突破，而爱因斯坦首先将量子论引入了固体物理，功不可没。