編者按：

 

1916年，愛因斯坦預(yù)言引力波，并提出量子電磁輻射理論、完善光子概念。

 

百年之后，愛因斯坦預(yù)言的引力波通過激光的干涉被探測到，而激光正是基于量子電磁輻射理論。LIGO的技術(shù)還與愛因斯坦的光子概念和布朗運(yùn)動(dòng)理論相關(guān)。

 

LIGO探測到引力波是對愛因斯坦兩方面工作共同的一百周年紀(jì)念， 一方面是廣義相對論和引力波，另一方面是量子電磁輻射理論。這是屬于愛因斯坦的獨(dú)特的幸運(yùn)。

 

文｜施郁（復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授）來源：知識分子公眾號

 

1引言

 

2015年9月14日，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到來自13億光年外的兩個(gè)黑洞并合所產(chǎn)生的引力波。論文于2016年2月12日發(fā)表 [1,2]。而在100年前，1915年的11月，愛因斯坦完成了廣義相對論的創(chuàng)立, 并算出太陽附近光線偏折和水星進(jìn)動(dòng)的正確結(jié)果 [3,4]； 半年之后，1916年6月，愛因斯坦預(yù)言了引力波 [5]。

 

有趣的是，在LIGO探測引力波的技術(shù)中，激光以及愛因斯坦1905年首先在理論上發(fā)現(xiàn)的光子扮演了重要的角色，而激光的理論基礎(chǔ)和光子概念的完善正是愛因斯坦1916年提出的量子電磁輻射理論。另外，LIGO的探測技術(shù)也涉及愛因斯坦的布朗運(yùn)動(dòng)理論。

 

更有趣的是，愛因斯坦的量子電磁輻射理論的建立正好緊接著引力波的工作。

 

這些偉大工作的過程是什么樣的？它們是如何發(fā)生的？它們的發(fā)生有沒有關(guān)聯(lián)？在這篇文章中，筆者在梳理LIGO技術(shù)中的“愛因斯坦元素”后，試圖勾勒出愛因斯坦當(dāng)時(shí)在引力和量子論兩方面的工作情況。

 

2引力波探測技術(shù)中的“愛因斯坦元素”

 

2.1 激光與光子

 

根據(jù)LIGO官網(wǎng)的介紹 [6]，LIGO目前在美國有兩個(gè)相距3002公里的探測器，而每個(gè)探測器是一個(gè)巨大的邁克爾孫干涉儀（Michelson Interferometer），有兩條4公里長、相互垂直的長臂。在干涉儀中，一束激光被分成兩束，分別在兩臂中傳播，最后再重新匯聚，從而發(fā)生干涉，干涉的情況取決于兩臂的長度之差。引力波是時(shí)空度規(guī)的擾動(dòng)，是橫波（傳播方向垂直于振動(dòng)平面），當(dāng)它通過引力波探測器時(shí)，引起這兩臂長度的不同改變，而光速保持不變，因此導(dǎo)致干涉信號的改變。LIGO測量兩臂長度的改變，從而探測引力波。而兩個(gè)探測器協(xié)同工作，可以排除單個(gè)探測器附近其它因素導(dǎo)致的長度改變。在排除掉其它原因后，通過與理論計(jì)算結(jié)果的比較，就可以把兩臂長度變化歸因于引力波。

 

兩束相同頻率的單色光發(fā)生干涉，總強(qiáng)度取決于二者的相位差。假設(shè)這兩束光從同一初始位置出發(fā)，經(jīng)過不同的路徑花費(fèi)不同的時(shí)間，最后到達(dá)同一位置。它們的相位差就等于兩者經(jīng)歷的時(shí)間差乘以頻率，再乘以2π。時(shí)間差就是距離差除以光速，頻率是周期的倒數(shù)，光速乘以周期（即光速除以頻率）就是波長。因此相位差也等于距離差除以這兩束光的波長，再乘以2π。光的波長和周期都很短，所以干涉儀可以測量很小的距離差或時(shí)間差。1880年代，美國物理學(xué)家邁克爾孫設(shè)計(jì)出以他名字命名的干涉儀，在兩條互相垂直、長度相等的路徑末端放置反射鏡，使得兩束光匯聚到起始的分光鏡。 他用它來測量光波的媒介（以太）相對于地球的速度。如果存在以太，因?yàn)榈厍蛟谶\(yùn)動(dòng)，那么對于不同方向的相同距離，光傳播的時(shí)間就會不同，從而導(dǎo)致相位差。 1887年，邁克爾孫和莫雷( E. W. Morley) 確定了地球相對于以太的速度為零。荷蘭物理學(xué)家洛倫茲 （H. A. Lorentz）曾用同一坐標(biāo)系中長度的物理變化來解釋這個(gè)零結(jié)果。而作為相對論的另一位先驅(qū)，法國數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家龐加萊（H. Poincare）注意到不同地點(diǎn)的同時(shí)性概念存在問題。1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，以光速不變原理和相對性原理取代了以太假說，即以太不存在，光的傳播不需要媒介。

 

現(xiàn)代的邁克爾孫干涉儀當(dāng)然要用激光，因?yàn)樗哂懈叨鹊目臻g相干和時(shí)間相干，在空間上和頻率上都很集中。以激光為基礎(chǔ)的邁克爾孫—莫雷實(shí)驗(yàn)的精度達(dá)到10-15[7]，而LIGO能夠測量到10-19米的長度變化（這次引力波事件導(dǎo)致4x10-18米的變化[1])，這對探測到引力波起到了關(guān)鍵作用。

 

激光的英文laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫，意思是受激輻射引起的光放大。這里的輻射是指量子電磁輻射，光是指可見光，是某個(gè)頻率段的電磁波。激光于1960年發(fā)明，它的基礎(chǔ)就是愛因斯坦的量子電磁輻射理論中首次提出的受激輻射。愛因斯坦指出，電子在電磁場中存在吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種過程，他通過考慮它們的平衡，給出了普朗克輻射公式的新推導(dǎo)。在激光器中，增益介質(zhì)中的電子在入射光中被激發(fā)到高能態(tài)，導(dǎo)致高能態(tài)的電子多于低能態(tài)的電子，即所謂的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。高能態(tài)電子回落到低能態(tài)時(shí)，又輻射出電磁波，這就是愛因斯坦首先指出的受激輻射，也是激光全稱中“放大（amplified）”一詞的由來。受激輻射發(fā)出的光的頻率、相位和偏振都是一致的，從而具有高度相干性。

 

LIGO的光學(xué)系統(tǒng)由激光、鏡子和光探測器組成，其穩(wěn)定性由抗干擾的衰減系統(tǒng)和超真空（真空度僅次于大型強(qiáng)子對撞機(jī)，LHC）保證。從激光二極管產(chǎn)生的4瓦、波長808納米的激光進(jìn)入到一個(gè)被稱作非平面圈振蕩器的晶體激光裝置，產(chǎn)生2瓦、波長1064納米的受激輻射，然后它再進(jìn)入另一個(gè)放大裝置，變成20瓦、波長1064納米的激光。據(jù)稱在這個(gè)波段，這是世界上最穩(wěn)定的激光 [6]。然后借助于在分束器前面的若干“能量循環(huán)”（power recycling）半透鏡, 將激光的功率提高到700瓦后進(jìn)入分束器 [1]。

 

入射激光被分束器分到相互垂直的兩臂。每個(gè)臂都在一個(gè)法布里—珀羅（Fabry-Pero）腔里，借助于兩端的鏡子使得激光在里面來回反射很多次，光路從單程4公里放大到約等于引力波的波長的四分之一，從而使得測量效果最佳。對于100赫茲的引力波來說，這個(gè)長度是750公里。光程越長，對儀器的振動(dòng)也越敏感。因?yàn)槊渴庖荤R子發(fā)射很多次，所以為了光路的精確，鏡面的制作被控制到原子量級。同時(shí)，在法布里—珀羅腔里，激光功率放大到100千瓦（將來可以達(dá)到750千瓦） [1]，從而使參與探測的光子大大增加，降低噪聲并提高靈敏度。

 

鏡子會吸收光，而LIGO的鏡子（又稱測試質(zhì)量,test mass）由氫氧化物含量低的超純度的石英玻璃制成。每330萬個(gè)入射光子中，只有一個(gè)光子被吸收致熱。有一個(gè)輔助系統(tǒng)用二氧化碳激光加熱，精確抵消主激光導(dǎo)致的形變 [6]。

 

電磁場的真空漲落導(dǎo)致光子到達(dá)鏡子的時(shí)間和光子數(shù)目的漲落，說明光是由光子組成的。前者被稱作光子顆粒噪聲，與真空的相位漲落相關(guān)，頻率較高（200赫茲以上）, 是LIGO的高頻噪聲的主要來源，因此決定了LIGO測量微小距離的基本極限。后者與真空的振幅漲落相關(guān)，頻率較低，導(dǎo)致光對鏡子的輻射壓的漲落，從而又導(dǎo)致鏡子位置的漲落。它們統(tǒng)稱為量子噪聲。量子噪聲可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)（比如激光功率和鏡子的質(zhì)量）和空腔的參數(shù)來克服，也可以用處于壓縮態(tài)（振幅和相位的漲落的乘積達(dá)到海森堡不確定關(guān)系所允許的最小值）的激光來解決。所以引力波探測與量子測量這兩個(gè)領(lǐng)域有密切關(guān)系。比如，量子測量的專家布拉津斯基（V. Braginsky）和凱夫斯（C. Caves）原來都是從事引力波探測的。

 

而這些物理問題可以追溯到愛因斯坦1905年提出的光量子概念以及他1916年的量子電磁輻射理論。

 

2.2 熱噪聲

 

LIGO的光學(xué)系統(tǒng)非常敏感，因此需要克服非常小的干擾。為克服環(huán)境擾動(dòng)，LIGO設(shè)置了一套有幾百個(gè)層次的復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)。首先是要克服鏡子內(nèi)部和周邊的原子的無規(guī)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)鏡子（40公斤重）吊在一個(gè)360公斤的4極單擺中。懸掛系統(tǒng)由兩個(gè)鏈（主鏈和反應(yīng)鏈）組成。主鏈從上到下有4個(gè)質(zhì)量，上面兩個(gè)是鋼，下面兩個(gè)是石英玻璃。這個(gè)材料的力學(xué)損耗低。最下面的石英玻璃就是鏡子，尺寸34厘米x20厘米，由整體的石英玻璃纖維懸掛，以盡量降低熱噪聲。反應(yīng)鏈最下端的與測試質(zhì)量平行的是反應(yīng)質(zhì)量。干涉儀的每個(gè)臂兩端的鏡子之間的距離的穩(wěn)定（變化不超過10-12米）通過反應(yīng)質(zhì)量來保證。反應(yīng)質(zhì)量與測試質(zhì)量之間由磁體聯(lián)系。

 

防振的第一道防線是一個(gè)主動(dòng)衰減隔離系統(tǒng)，通過位置和振動(dòng)傳感器與永磁體調(diào)節(jié)器共同抵消外部運(yùn)動(dòng)。 這將系統(tǒng)與10赫茲以上的地面運(yùn)動(dòng)隔離3個(gè)數(shù)量級， 導(dǎo)致懸掛系統(tǒng)受到的振動(dòng)干擾小于2x10-13米。上節(jié)所述的懸掛系統(tǒng)作為被動(dòng)隔離系統(tǒng)，再繼續(xù)將噪音降低7個(gè)數(shù)量級，從而達(dá)到10-19 米的敏感度。

 

頻率在10至100赫茲的熱噪聲也是主要噪聲之一，它來自鏡子與懸掛系統(tǒng)中經(jīng)典布朗運(yùn)動(dòng)，以及鏡子光學(xué)涂層的力學(xué)損耗 [1,6]。所以鏡子涂層所用的材料（硅和摻鈦的鉭氧化物的介電多層膜）既有高反射率，也盡量降低熱噪聲。

 

熱噪聲的物理學(xué)也可以追溯到愛因斯坦的奠基性工作，那是他1905年關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文。在那篇論文里，愛因斯坦給出了流體中粒子的位置漲落與流體的粘滯之間的關(guān)系，即漲落與能量耗散的關(guān)系。耗散將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱。在LIGO中，能量耗散來自于懸掛鏡子的石英玻璃纖維以及鏡子的光學(xué)涂層。

 

LIGO設(shè)計(jì)如此精密，技術(shù)性的和非基本的噪聲已經(jīng)遠(yuǎn)小于基本的量子噪聲和熱噪聲。而歷史上這兩種噪聲的物理本質(zhì)正是愛因斯坦首先揭示的。

 

3愛因斯坦的光量子假說

 

1905年是愛因斯坦的奇跡年，這一年他發(fā)表了5篇重要論文， 按照時(shí)間順序，分別是光量子假說、測量分子大小的方法、布朗運(yùn)動(dòng)、狹義相對論、相對論質(zhì)能關(guān)系。

 

 

 

在伯爾尼專利局，1905年

 

在唯一被愛因斯坦本人稱作他的“革命性”文章中，他的光量子假說提出單頻率的電磁輻射由分立的光量子構(gòu)成，每個(gè)光量子的能量正比于頻率，正如普朗克1900年給出的能量—頻率關(guān)系。但是普朗克只是假設(shè)在振子產(chǎn)生電磁波的過程中，能量是一份一份的。1907年普朗克曾經(jīng)致信愛因斯坦：“我不在真空中，而只是在吸收和發(fā)射的地方尋求作用量量子的含義，我認(rèn)為真空中的電磁波嚴(yán)格由麥克斯韋方程描述。”所以需要強(qiáng)調(diào)愛因斯坦對早期量子論的關(guān)鍵貢獻(xiàn) [8]。 后來從美國化學(xué)家萊維斯（G. Lewis）1926年的一篇文章開始，光量子被簡稱為光子 [4]。

 

1906年愛因斯坦又從光量子假說推導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式。1909年，通過黑體輻射能量漲落的研究，愛因斯坦提出，光量子可以看成“以光速運(yùn)動(dòng)的分立點(diǎn)”，“不能認(rèn)為波和量子性不相容”[4]。 但是，至此愛因斯坦的光子說還不完備！愛因斯坦還沒有說明光量子有沒有動(dòng)量。

 

1907到1911年是愛因斯坦的一段沉默期，但是他主要在思考量子問題。1911年5月他在給老朋友貝索(M. Besso)的信中寫道：“我不再問這些量子是否真實(shí)存在。也不再試圖構(gòu)造它們，因?yàn)槲抑牢业哪X子不能夠這樣弄清它們。”[4] 這時(shí)，他的精力轉(zhuǎn)移到廣義相對論。

 

4愛因斯坦1916年的廣義相對論工作

 

關(guān)于愛因斯坦1915年11月創(chuàng)立廣義相對論的緊張工作，以及他的很多幸運(yùn)之處，可以參見筆者最近的一篇文章 [9]。

 

1916年3月，愛因斯坦完成了對于廣義相對論的一個(gè)綜述 [10]，文章最后討論了3個(gè)預(yù)言：引力紅移、光線彎曲、水星進(jìn)動(dòng)。

 

當(dāng)時(shí)水星進(jìn)動(dòng)已有觀測數(shù)據(jù)。1915年11月11日與18日之間，愛因斯坦得到與觀測一致的水星進(jìn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果。他因激動(dòng)而心悸，而且“興奮激動(dòng)了好幾天 ”[4]。 1915年12月9日在給德國物理學(xué)家索末菲（A. R. Sommerfeld）的信中寫道：“水星進(jìn)動(dòng)的結(jié)果給了我極大的滿足。”[11] 1916年元旦在給洛倫茲的信中寫道：“好不容易獲得的清晰以及與水星進(jìn)動(dòng)的一致讓我比以前任何時(shí)候都高興。”[11]

 

1919年光線彎曲被英國天文學(xué)家愛丁頓（A. Eddington）和克羅姆林（A. Crommelin）等人的觀測所證實(shí)。當(dāng)時(shí)從洛倫茲的電報(bào)得知消息的愛因斯坦特地將這“快樂的新聞”發(fā)電報(bào)給病重住院的母親 [4]。

 

引力紅移直到1960年才由美國物理學(xué)家龐德（R. V. Pound）和雷布卡(G. A. Rebka)完成。 顯然，廣義相對論的驗(yàn)證需要精密的技術(shù)，因此廣義相對論長期與現(xiàn)象脫節(jié)，直到上世紀(jì)后半葉天體物理大發(fā)展之后。間接證明引力波存在的脈沖雙星是1974年發(fā)現(xiàn)的。而在這些進(jìn)展之前，愛因斯坦1955年已經(jīng)去世。他后來越來越強(qiáng)調(diào)理論本身的優(yōu)點(diǎn)，比如他在1930年寫道：“我認(rèn)為廣義相對論的主要長處不在于預(yù)言微小的觀測效應(yīng)，而在于基礎(chǔ)的簡單和自洽。”[4]

 

回到1916年。6月，愛因斯坦完成廣義相對論框架下第一篇關(guān)于引力波的論文 [5]。在引力場比較弱的時(shí)候，時(shí)空度規(guī)是在沒有引力的情況即平直時(shí)空基礎(chǔ)上的一個(gè)小擾動(dòng)。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)這個(gè)小擾動(dòng)可以是以光速傳播的波，這就是引力波。他還發(fā)現(xiàn)引力波只有兩種螺旋態(tài)。順便介紹一下，在愛因斯坦相對論之前，1900年，洛侖茲在猜測，引力的傳遞需要不超過光速的有限速度。1905年，龐加萊將洛倫茲變換推廣到有引力的情況下，首次使用“引力波”一詞。

 

在關(guān)于引力波的這篇文章中，愛因斯坦還試圖算出引力輻射能，但是有錯(cuò)。正確的結(jié)果在他1918年的一篇文章中給出，即著名的4極矩公式 [12]。他下一篇也是最后一篇關(guān)于引力波的論文是多年后與羅森(N. Rosen)合作的工作，最初是質(zhì)疑引力波的存在性，在被《物理評論》退回后改投到《富蘭克林學(xué)會會刊》，發(fā)表時(shí)改為關(guān)于圓柱狀引力波的存在 [13,14,15]。

 

1916年10月，愛因斯坦討論了廣義相對論里的能量動(dòng)量守恒 [15]。這導(dǎo)致了廣義相對論的一系列課題，比如，能量動(dòng)量的定義是不是與坐標(biāo)系無關(guān)。后來人們知道當(dāng)在無窮遠(yuǎn)時(shí)空趨于平直時(shí)，答案是肯定的。在其它相關(guān)問題中，有一個(gè)問題是，引力系統(tǒng)的總能量是不是總是正的。肯定的答案由丘成桐和舍恩于1979年證明 [17]。

 

 

 

5愛因斯坦1916年完成引力波論文后建立量子電磁輻射理論

 

1916年，在完成引力波論文后，愛因斯坦在3篇論文中，提出了本文2.1節(jié)已介紹的量子電磁輻射理論，給后來的量子電動(dòng)力學(xué)和量子光學(xué)打下基礎(chǔ) [18,19,20]。這些論文還告訴人們，光子的動(dòng)量反比于波長，等于普朗克能量量子除以光速，從而一舉完成了光子說。

 

他的第一篇文章已經(jīng)包含了前面已介紹過的吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種過程和普朗克公式的新推導(dǎo) [18]。在第二篇文章中，愛因斯坦通過對在輻射中處于平衡態(tài)的原子或分子的布朗運(yùn)動(dòng)的分析，論證了輻射過程是一個(gè)定向的過程，從而確立了光量子是具有動(dòng)量的微觀粒子，而且還指出，自發(fā)輻射發(fā)出的光子的方向是隨機(jī)的 [19]。愛因斯坦提出的這種隨機(jī)性后來成為量子力學(xué)的一個(gè)核心概念。1916年8月24日，愛因斯坦致貝索的信表明，第二篇文章發(fā)表在紀(jì)念克萊納（A. Kleiner，蘇黎世大學(xué)教授，曾負(fù)責(zé)審核愛因斯坦的博士論文）的一個(gè)期刊特輯上。而發(fā)表于1917年的第三篇文章其實(shí)完全是第二篇在另一期刊的重印。然而愛因斯坦的傳記作者、著名理論物理學(xué)家派斯（A. Pais）似乎沒有注意到第二篇和第三篇是完全一樣的，而把理論的完成定位在1917年 [4]。而最近討論愛因斯坦對量子論的貢獻(xiàn)的理論物理學(xué)家斯通（A. D. Stone）似乎不知道1916年已經(jīng)發(fā)表的第二篇文章的存在 [21]。很多人不但不知道第二篇文章的存在，而且根據(jù)第三篇，以為量子電磁輻射理論是1917年創(chuàng)立或者發(fā)表的。所以筆者在這里澄清，愛因斯坦的量子電磁輻射理論是在1916年發(fā)表的。

 

除了激光，愛因斯坦的量子電磁輻射理論還與今天很多科學(xué)研究直接相關(guān)，比如獲得2014年諾貝爾物理與化學(xué)獎(jiǎng)的研究 [8]。

 

那么，是什么驅(qū)使愛因斯坦在1916年回到他離開了好幾年的量子論？

 

在1916年6月預(yù)言引力波的論文中，計(jì)算了引力波引起的能量損失后，愛因斯坦寫道：“由于電子在原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，原子將不僅輻射電磁能，還要輻射引力能，即使很小。因?yàn)檫@事實(shí)上不大可能是正確的，似乎量子論不但要改變麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)，還要改變新引力理論。”[5] 派斯猜測，可能是這個(gè)問題激勵(lì)愛因斯坦幾個(gè)月后作出他的量子電磁輻射理論 [4]。

 

量子力學(xué)要到1925年才創(chuàng)立。1916年，量子論還處于早期量子論階段。對于原子中的電子，人們使用玻爾的軌道概念——電子在軌道上是穩(wěn)定的，只有在不同軌道之間躍遷時(shí)，才會有電磁輻射。這樣可以解決經(jīng)典電磁理論預(yù)言的電子軌道會不斷縮小的困難。愛因斯坦1916年這篇引力波文章中這段話的意思是，引力輻射的情況也是類似的，也應(yīng)該受到量子論的限制。事實(shí)上，用1925年開始發(fā)展出的量子力學(xué)可以算出，放出引力輻射的原子躍遷的幾率是放出電磁輻射即光子的幾率的10-50。另一方面，我們至今還沒有一個(gè)理想的引力場量子化的理論。

 

不過，派斯似乎沒有注意到，愛因斯坦的引力波論文是基于他1916年6月22日在普魯士科學(xué)院的報(bào)告，而量子電磁輻射理論的工作緊接著引力波工作，第一篇文章7月17日就被《德國物理學(xué)會會刊》編輯部收到，第二篇文章在8月份也已經(jīng)完成。所以，愛因斯坦是很快作出了量子電磁輻射理論。

 

而斯通注意到，索末菲1915年12月曾寄給愛因斯坦他的關(guān)于他對玻爾模型的改進(jìn)，將圓軌道推廣到橢圓，其中用到狹義相對論，解釋了氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu) [21]。索末菲問愛因斯坦廣義相對論會不會影響他的結(jié)果。筆者查到，1915年12月9日，在前面引用過的給索末菲的信的開頭，愛因斯坦寫道：“廣義相對論不大會對你有幫助，因?yàn)閷@些問題，實(shí)際結(jié)果與狹義相對論一致。”[11]

 

1916年2月8日，在給索末菲的信上，愛因斯坦說：“你的信讓我很高興，你關(guān)于譜線理論的介紹讓我著魔。” [11] 這是在廣義相對論的綜述完成之前，因?yàn)?月28日愛因斯坦致信維恩（W. Wien）:“我正在完善廣義相對論的全面發(fā)展。文章大概兩個(gè)月后寫好。”[11]

 

1916年8月3日，在給索末菲的信上，愛因斯坦說：“你的譜線分析是我在物理上的最佳體驗(yàn)之一。正是通過它們，我相信了玻爾的想法。”[11] 這已經(jīng)是在第一篇量子電磁輻射論文發(fā)表之后。

 

因此可以認(rèn)為，1916年愛因斯坦回到量子論，建立了量子電磁輻射理論，首先是索末菲的來信激發(fā)的，即使不排除后來引力波工作起了進(jìn)一步的激勵(lì)作用。關(guān)鍵是，索末菲的工作讓愛因斯坦接受了玻爾模型，這是他作出量子電磁輻射理論的基礎(chǔ)。至于索末菲關(guān)于廣義相對論效應(yīng)的問題有沒有影響愛因斯坦后來在引力波論文里對量子論的評論，我們還無從得知。

 

愛因斯坦在1916年3月和6月都發(fā)表了廣義相對論的論文，所以在1916年的這段時(shí)間，愛因斯坦在廣義相對論和量子論兩方面都做了工作，而不是如斯通所說：“1916年2月愛因斯坦已經(jīng)將廣義相對論放在一邊，去追趕原子的量子論。”[21] 可以想象，完成引力波論文后的兩個(gè)月里，愛因斯坦的主要精力在量子論，因?yàn)閮善孔虞椛湔撐姆謩e在7月和8月完成。但是在這之前，收到索末菲的論文后，他開始關(guān)注量子論了，雖然他的主要精力放在廣義相對論。

 

6愛因斯坦這段時(shí)期的其它一些信件

 

筆者還發(fā)現(xiàn)下面這些愛因斯坦在這段時(shí)期的信件。

 

1916年6月17日，在給洛倫茲的信中，愛因斯坦寫道：“我自己在研究場方程一級近似下的積分，并檢查引力波。結(jié)果有部分令人驚訝。有三種波，雖然只有一種傳遞能量。我還沒有全部完成材料系統(tǒng)輻射理論的研究。 但是已清楚的是： 量子難題也影響新引力理論，正如影響麥克斯韋理論。”[11] 這個(gè)難題顯然就是愛因斯坦在引力波論文中提到的問題。 愛因斯坦這封信是在他6月22日在普魯士科學(xué)院報(bào)告他的引力波工作之前。

 

一個(gè)月后，7月19日，在給朋友贊格（H. Zangger）的信中，愛因斯坦寫道：“我研究了引力波，還有最近的光輻射和吸收的量子理論，以及飛行中抬升的原因。”[22] 這說明，愛因斯坦的量子電磁輻射理論緊隨他的引力波工作之后。

 

8月11日，在給貝索的信中，愛因斯坦寫道：“我得到關(guān)于輻射吸收和發(fā)射的一個(gè)精彩想法。一個(gè)驚人簡單的推導(dǎo)，普朗克公式的正確推導(dǎo)。完全是量子的。我正在寫文章。”[11] 這里的文章是第二篇。

 

8月24日，在給貝索的信中，愛因斯坦寫道：“引力波和普朗克公式的論文在你那里長時(shí)間了。你會喜歡后者。推導(dǎo)方法完全是量子的，得到了普朗克公式。與此相聯(lián)系的是, 可以令人信服地證明， 發(fā)射和吸收的基本過程是定向過程。只需要對輻射場中的分子的（布朗）運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。這個(gè)分析中沒有考慮邊界條件。正在蘇黎世物理學(xué)會會刊紀(jì)念克萊納的那一期里發(fā)表。”[11] 這說明當(dāng)時(shí)愛因斯坦緊隨引力波論文，已經(jīng)完成關(guān)于量子電磁輻射的兩篇文章。與上封信比較，可見第二篇文章是在11日和24日之間完成。

 

9月6日，在給貝索的信中，愛因斯坦又寫道：“（還沒有包含在寄給你的論文里的）結(jié)果是，每次輻射和物質(zhì)之間傳遞基本能量時(shí)，動(dòng)量hν/c傳給分子。因此每個(gè)這樣的基本過程是一種完全定向的過程。這樣光量子就確定了。”[11] 這說明愛因斯坦這時(shí)已經(jīng)解決了光子動(dòng)量問題。這個(gè)內(nèi)容發(fā)表在量子電磁輻射的第二篇文章中。當(dāng)時(shí)寄給貝索的文章只是第一篇。

 

1916年12月6日之后，在給貝索的信中，愛因斯坦寫道：“總的來說，引力和電磁力之間的聯(lián)系還很膚淺。我也難以相信，上帝不嫌麻煩地引進(jìn)兩個(gè)根本不同的空間狀態(tài) 。”[22] 這說明愛因斯坦在思考引力與電磁力的關(guān)系。

 

1917年3月9日，在給貝索的信中，愛因斯坦寫道：“我寄給你的量子論文使我重新回到輻射能的空間量子性觀點(diǎn)。”[11] 這是指第二篇文章。

 

引力波論文中的那段評論和這些信件表明，愛因斯坦在研究引力波后，認(rèn)為也要考慮量子論對引力輻射的限制，他也開始思考引力和電磁力是否可以統(tǒng)一。引力和電磁力的統(tǒng)一問題耗費(fèi)了愛因斯坦后半生很多精力，至今還是沒有解決的難題。愛因斯坦后來也希望這能夠解決他所認(rèn)為的量子力學(xué)的不完備性。

 

愛因斯坦大概沒有想到，一百年后，量子電磁輻射成了測量引力波的關(guān)鍵工具。

 

7小結(jié)

 

1916年，愛因斯坦預(yù)測了引力波，還提出量子電磁輻射理論，包括受激輻射的概念，為未來的激光的發(fā)明打下了理論基礎(chǔ)。而一百年后，他預(yù)言的引力波被人們利用他的量子電磁輻射理論所導(dǎo)致的激光所發(fā)現(xiàn)。而且，引力波探測技術(shù)也與他的光子概念和布朗運(yùn)動(dòng)理論密切相關(guān)。LIGO探測到引力波不但是對愛因斯坦的廣義相對論和引力波理論的百年紀(jì)念，也是對他的量子電磁輻射理論的百年紀(jì)念。這是愛因斯坦的獨(dú)特的幸運(yùn)。

 

致謝 感謝LIGO合作組成員胡一鳴博士對本文第2章內(nèi)容提出意見。

 

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