作者：菲利普·鮑爾（《自然》雜志前顧問編輯）
譯者：王鴻飛（美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員）
阿爾伯特·愛因斯坦本質(zhì)上是一個(gè)化學(xué)家嗎？今天，他總是被當(dāng)作理論物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)原型，他們常常在黑板上寫滿神秘而難以辨認(rèn)的、關(guān)于空間和時(shí)間本質(zhì)的公式。但是，愛因斯坦的早期工作，很大程度上關(guān)注的是物質(zhì)的分子本質(zhì)，這些工作牢牢地根植于具體的、現(xiàn)實(shí)可感知的事物之中。不僅是物理學(xué)家，化學(xué)家也應(yīng)該紀(jì)念這個(gè)銘記他最重要發(fā)現(xiàn)的“愛因斯坦年”。
其實(shí)，當(dāng)愛因斯坦在1905年發(fā)表他的狹義相對(duì)論時(shí)，讓與他同時(shí)代的科學(xué)家們最為驚奇的，可能并不是該理論的革命性結(jié)論，而是驚訝于這一事實(shí)——這項(xiàng)現(xiàn)代物理學(xué)中令人驚異的工作，出自于一個(gè)正在進(jìn)入物理化學(xué)（Physical Chemistry）領(lǐng)域，職業(yè)生涯頗有前途的年輕人。
愛因斯坦在1905年7月提交給瑞士蘇黎世大學(xué)的博士論文中，提出了一種計(jì)算阿伏加德羅常數(shù)和分子大小的新方法。同一個(gè)月，他發(fā)表了一篇論文，表明在顯微鏡下觀測(cè)到的液體中的微小顆粒，其雜亂和毫無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)――即所謂的布朗運(yùn)動(dòng)，是由溶劑分子的碰撞所導(dǎo)致的。
在這個(gè)“奇跡年”所發(fā)表的文章中，愛因斯坦自己認(rèn)為，真正具有革命性的只有一篇。這篇文章中他試圖通過引入量子——即不連續(xù)的能包的概念，來解釋金屬如何與光相互作用。總而言之，這是任何一個(gè)物理化學(xué)家都會(huì)為之感到驕傲的工作。
現(xiàn)在，從愛因斯坦的相對(duì)論出發(fā)，人們得到了重要而令人難以置信的，諸如黑洞和通過時(shí)空空洞進(jìn)行時(shí)間旅行一類的概念；而從量子理論也得到了無限分岔的平行宇宙和泡沫狀時(shí)空的概念，人們已經(jīng)很難再了解到這些理論的由來，在表面上看來是多么的平凡。
相對(duì)論的提出，是為了解決將詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁理論運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)物體問題上遇到的困難，愛因斯坦在1905年的這篇文章的開頭，提到的不過是磁體和線圈。
但是，（即使是有點(diǎn)言不由衷地）提議愛因斯坦是個(gè)化學(xué)家的主要理由，比以上依據(jù)有著更為深刻的緣由。在愛因斯坦做出他的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)的時(shí)代，物理和化學(xué)還沒有嚴(yán)格的界限劃分。當(dāng)時(shí)，這些分界只是在物理學(xué)家和化學(xué)家努力為他們對(duì)放射性和核科學(xué)這些新的研究領(lǐng)域提出要求時(shí)，才被爭(zhēng)相提及。
當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們還在對(duì)約翰·道爾頓提出的原子和分子是否存在，抑或僅僅是一種為了教學(xué)和說明的方便而發(fā)明的概念進(jìn)行激烈爭(zhēng)論，而像元素周期表這個(gè)化學(xué)家們所使用的中心原理，還在等待后來出現(xiàn)的量子理論的解釋。
愛因斯坦本人并不關(guān)心這些學(xué)科之間的界限。這正如比他早100年的法拉第和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋一樣。而愛因斯坦正是將這二人在時(shí)間上和知性上聯(lián)系起來的人。
愛因斯坦后來對(duì)基本力的統(tǒng)一理論的追求，只不過是他早期通過牛頓的物質(zhì)動(dòng)力學(xué)理論模型，對(duì)液體和分子間力的工作的簡(jiǎn)單延續(xù)。
牛頓推測(cè)認(rèn)為，在原子之間的微觀尺度上作用的力和在恒星與行星之間在宇觀尺度上相互作用的力，具有相同的本質(zhì)。愛因斯坦在1901年和1902年發(fā)表的兩篇早期論文中，正是繼承了牛頓的這一思想，探尋引力和分子間力的共同起源。1901年，在愛因斯坦21歲時(shí)，他寫道：“能夠認(rèn)識(shí)到在我們的直接感官上完全不同的事物的復(fù)雜現(xiàn)象之間的內(nèi)在統(tǒng)一性，真是一種極爽的感覺。”
因此，我們應(yīng)該毫不奇怪地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)愛因斯坦在很早年就對(duì)麥克斯韋的電磁理論著迷的時(shí)候，他的第一個(gè)學(xué)術(shù)成就同樣延續(xù)了麥克斯韋對(duì)物質(zhì)科學(xué)的另一重大貢獻(xiàn)——?dú)怏w的運(yùn)動(dòng)理論。
1879年，荷蘭的約翰·迪德里克·范·德·瓦爾斯將麥克斯韋的這一理論擴(kuò)展用于處理液體，而愛因斯坦在1901年發(fā)表在Annalen der Physik的論文，追尋了這一激發(fā)了范·德·瓦爾斯興趣的同一主題，即在毛細(xì)現(xiàn)象中分子間作用力的作用。
愛因斯坦希望將這一工作擴(kuò)展成為遞交給蘇黎世大學(xué)的博士論文，但最終毫無結(jié)果，因此他在1901年4月接受了伯爾尼瑞士專利局的工作。非常具有說明意義的事情是，愛因斯坦的父親當(dāng)時(shí)出于對(duì)兒子前程的擔(dān)憂，選擇向著名的物理化學(xué)家威廉·奧斯特瓦爾德求助。
這正是引向1905年愛因斯坦關(guān)于分子大小的博士論文的知識(shí)線索。在此之前，已有好幾種確定分子尺寸的方法，其中最為可靠的方法即是基于氣體運(yùn)動(dòng)理論。
例如，1865年吉普賽化學(xué)家約瑟夫·洛克斯密特提出一種比較不同液體和氣體的密度的方法，得出結(jié)論認(rèn)為“空氣分子”的直徑約為1納米。據(jù)此，洛克斯密特可以計(jì)算出阿伏加德羅常數(shù)，即1摩爾物質(zhì)的分子數(shù)目。這一常數(shù)在德語系國(guó)家因而一直被稱為洛克斯密特常數(shù)。
不同的是，愛因斯坦發(fā)明了一種僅僅依靠液體性質(zhì)就可以準(zhǔn)確計(jì)算分子大小的方法。范·德·瓦爾斯已經(jīng)確定，分子尺寸大小對(duì)于了解液體性質(zhì)非常重要，正是因?yàn)榭紤]了分子的大小，他才將氣體運(yùn)動(dòng)理論用于處理液態(tài)物質(zhì)。
愛因斯坦的博士論文研究了微粒的運(yùn)動(dòng)。這與他對(duì)分子擴(kuò)散研究的興趣密切相關(guān)。德國(guó)化學(xué)家瓦爾特·能斯特開創(chuàng)了分子擴(kuò)散的研究，他也在同一年發(fā)表了關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文。斯托克斯定律將流體中粒子的運(yùn)動(dòng)速度與流體的粘度聯(lián)系起來?；谒雇锌怂苟?，愛因斯坦推導(dǎo)出了溶質(zhì)分子在溶劑中的擴(kuò)散系數(shù)方程。愛因斯坦的方程中，同時(shí)包含了阿伏加德羅常數(shù)和溶質(zhì)粒子的半徑，他通過流體力學(xué)理論計(jì)算出溶質(zhì)溶解于流體中其粘度的變化，從而求解該方程。
使用糖的水溶液的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，愛因斯坦計(jì)算出糖分子的半徑為1納米，并且得出阿伏加德羅常數(shù)為每摩爾2.1x1023個(gè)分子。直到1909年法國(guó)物理學(xué)家吉恩·佩蘭更為準(zhǔn)確地測(cè)量了阿伏加德羅常數(shù)，表明愛因斯坦的數(shù)值太小，才迫使愛因斯坦重新檢查了他的計(jì)算。
愛因斯坦檢查不出任何錯(cuò)誤，就讓他的學(xué)生路德維?！せ羝辗蜃屑?xì)檢查。這使得霍普夫成為極少數(shù)有幸能夠在愛因斯坦的數(shù)學(xué)中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的人之一。霍普夫?qū)⒁粋€(gè)錯(cuò)誤的方程修正后，愛因斯坦的方法得到了6.56x1023，這不僅與佩蘭的數(shù)字相符，而且也與今天的6.02x1023非常接近。
愛因斯坦對(duì)于測(cè)量分子尺寸的興趣具有更深入的科學(xué)目標(biāo)。他意識(shí)到一些顯赫的科學(xué)家，包括威廉·奧斯特瓦爾德和恩斯特·馬赫，都懷疑原子和分子的真實(shí)存在。今天我們很容易輕易認(rèn)為這些反原子論者毫無道理，但是在19世紀(jì)與20世紀(jì)之交，沒有任何一個(gè)直接的證據(jù)證明物質(zhì)原子理論的正確性。大多數(shù)物理學(xué)家和化學(xué)家認(rèn)為原子理論理所當(dāng)然地正確。但是馬赫指出，只有糟糕的科學(xué)才假定無法感知的實(shí)體存在。
愛因斯坦確信原子的存在，但他希望得到某種形式的證實(shí)。他說，我們需要證據(jù)，它“能夠保證一定大小的原子的存在”。
他認(rèn)識(shí)到這種證據(jù)可能從布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中得到；或者，從懸浮在液體中的微觀粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)中得到。該隨機(jī)運(yùn)動(dòng)被暗示與1828年植物學(xué)家羅伯特·布朗觀測(cè)到的粒子運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
當(dāng)布朗觀測(cè)到花粉顆粒在水中不規(guī)律地跳來跳去，他一開始認(rèn)為這是有機(jī)體中存在的“生命活力”的顯現(xiàn)，當(dāng)時(shí)許多人都認(rèn)為有機(jī)體中存在某種活力。但他很快發(fā)現(xiàn)“死”花粉微粒也具有同樣行為，于是他的觀測(cè)在19世紀(jì)引發(fā)了五花八門的理論，甚至涉及到對(duì)流和電學(xué)的理論。但是這些理論都不盡如人意。
愛因斯坦解決此問題的方法，借助于通過氣體運(yùn)動(dòng)理論所建立起來的熱是隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果這一概念。人們?cè)诖酥凹僭O(shè)，雖然分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)具有很高的速率，但是由于懸浮的灰塵或花粉粒子比單個(gè)分子質(zhì)量大很多，因此分子對(duì)這些大的粒子的碰撞影響可以忽略不計(jì)，就象隕星撞擊地球一樣。
但是愛因斯坦表明，從不同方向撞擊微米大小的粒子的分子數(shù)目，在統(tǒng)計(jì)上的不平衡性的確可以使得該粒子運(yùn)動(dòng)，并且由于分子熱運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的雜亂運(yùn)動(dòng)，的確可以顯著到在顯微鏡下可觀測(cè)的程度。
這一運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性使得粒子在液體中做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：如果在一段時(shí)間內(nèi)跟隨其運(yùn)動(dòng)，它將到達(dá)與開始時(shí)不同的地方。愛因斯坦可以計(jì)算這一平均位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)出一個(gè)1毫米大小的微粒在水中可以1分鐘運(yùn)動(dòng)約6毫米。
這一定量的預(yù)測(cè)極為關(guān)鍵：它提供了驗(yàn)證愛因斯坦理論正確與否的方法。如果該理論被定量地證實(shí)，那么人們就很難再否認(rèn)物質(zhì)的分子圖像的正確性。這一圖像是整個(gè)運(yùn)動(dòng)理論的基礎(chǔ)。換句話說，分子必然是真實(shí)存在的。愛因斯坦在結(jié)束1905年的文章時(shí)希望“（實(shí)驗(yàn)）研究者將很快成功地解決這里所提出的問題”。
很多人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)嘗試，但是這一實(shí)驗(yàn)非常困難，主要是由于很難在實(shí)驗(yàn)中確保液體具有恒定和均勻的溫度。直到1908年還沒有人能夠得到愛因斯坦理論成立的定量證據(jù)，而他自己也開始絕望，認(rèn)為已經(jīng)不可能準(zhǔn)確地研究布朗運(yùn)動(dòng)。讓他高興的是，佩蘭接受了這一挑戰(zhàn)，并在這一年確認(rèn)理論預(yù)測(cè)的正確性。因?yàn)檫@一工作，佩蘭被授予1926年的諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)。
眾所周知，愛因斯坦一生都對(duì)量子理論的某些基本特性，特別是量子理論中似乎將機(jī)會(huì)和不確定性賦予物質(zhì)的行為的方式，感到不安。
在某種程度上他有點(diǎn)類似普朗克，一方面將物質(zhì)的量子描述當(dāng)作一個(gè)方便的工具以了解物質(zhì)的某些具體特性，比如光電效應(yīng)和固體的熱容，而另一方面又猜測(cè)，在此之下可能存在著更為基本的確定性的理論。
光與能量的量子本質(zhì)對(duì)于化學(xué)具有中心價(jià)值。它能說明物質(zhì)與光如何相互作用，比如，為什么草是綠的，以及為什么天空是藍(lán)色的。它也為所有的光譜方法提供了基礎(chǔ)，使我們能夠破譯分子的結(jié)構(gòu)。
尼爾斯·玻爾，阿諾德·索末菲和沃爾夫?qū)づ堇砻?，原子的量子模型如何解釋周期表的結(jié)構(gòu)和元素的性質(zhì)；而佛里茨·倫敦，林納斯·鮑林和其他一些人發(fā)展了原子間化學(xué)鍵的量子圖像，以解釋分子的形狀和性質(zhì)。
今天，無法想像化學(xué)能夠離開量子理論。量子理論已經(jīng)被用來解釋和預(yù)測(cè)包括金屬的催化行為，以及有機(jī)合成的立體行為的所有內(nèi)容。愛因斯坦的工作的這一側(cè)面，對(duì)于化學(xué)的影響超出了其它所有的科學(xué)領(lǐng)域。
吹毛求疵的人也許會(huì)說，就算愛因斯坦是以化學(xué)的旗號(hào)開創(chuàng)了自己的工作，我們今天幾乎并不因此而銘記他?；瘜W(xué)家的量子理論也許是被他的光電效應(yīng)的工作所引發(fā)，但是難道量子理論不也應(yīng)該更多地歸功于他之后的玻爾、薛定諤和海森堡的苦心發(fā)展，而不僅僅是愛因斯坦的光量子化嗎？而且，他最了不起的相對(duì)論，不是成了天體物理學(xué)家，而不是化學(xué)家的語言嗎？不過，這事兒并不那么肯定。
相對(duì)論在化學(xué)中也非常重要。狹義相對(duì)論說明，當(dāng)物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其質(zhì)量會(huì)增加（同時(shí)，從一個(gè)相對(duì)靜止的觀測(cè)者的角度來看，它也會(huì)變得更短和活得更長(zhǎng)）。在重原子中，內(nèi)層軌道上的電子與高度帶電的原子核之間的靜電相互吸引使得電子的速度變得很快，從而出現(xiàn)相對(duì)論效應(yīng)：鈾原子最內(nèi)層的電子平均速度大約高達(dá)光速的三分之二。
這些相對(duì)論性電子的質(zhì)量變得更重，從而使它們的軌道更靠近原子核。這進(jìn)一步增加了內(nèi)層電子屏蔽原子核對(duì)外層電子的拉力，因此外層電子的軌道會(huì)膨脹，能量會(huì)降低。這樣，相對(duì)論效應(yīng)重新調(diào)節(jié)了原子的電子能級(jí)。
這一現(xiàn)象并不如你想像的那樣奇異和罕見。如果不是由于相對(duì)論效應(yīng)，金子就會(huì)看起來象銀子一樣；金子的微紅色是因?yàn)樗芪账{(lán)光，這是由于金原子的電子能帶產(chǎn)生了相對(duì)論性的位移。
較之于任何程度的宇宙引力透鏡或原子鐘變慢現(xiàn)象，這無可爭(zhēng)辯地是對(duì)愛因斯坦理論更為意義深遠(yuǎn)的展示。數(shù)千年來，金子就具有崇高的文化地位和文化象征性，因?yàn)閺倪h(yuǎn)古以來，這種金屬就被與太陽聯(lián)系在一起。
同樣地，相對(duì)論效應(yīng)使得水銀具有低的熔點(diǎn)，這不僅使之具有巨大的技術(shù)上的重要性，而且還賦予這種金屬在文化上與水和月亮的某種神秘聯(lián)系。
近年來，由于通過粒子束碰撞合成新的超重元素，原子中的相對(duì)論性效應(yīng)顯得更加重要。新元素的合成者們開始研究極端的相對(duì)論性效應(yīng)對(duì)這些原子的電子結(jié)構(gòu)的改變，是否已經(jīng)開始破壞元素周期表中有順序的性質(zhì)變化。就是在現(xiàn)代化學(xué)的這一前沿，也不可能忽略愛因斯坦的遺產(chǎn)。
黑體輻射是來自能夠吸收所有光的熱物體的電磁輻射。黑體輻射具有相當(dāng)寬的波長(zhǎng)，但最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)取決于黑體的溫度：溫度約高，波長(zhǎng)越短。普魯士物理學(xué)家威廉·維恩在1893年揭示出了這一現(xiàn)象。
所以，燈泡中的金屬絲或者一個(gè)電熱器在被逐步加熱的過程中先是發(fā)出暗紅色，然后是黃色，最后是白色或淡藍(lán)色。在它發(fā)出可見光之前，你就可以感覺到紅外輻射產(chǎn)生的熱量。在19和20世紀(jì)之交，這一常見現(xiàn)象卻沒有任何人能予以解釋。
在試圖進(jìn)行解釋的人當(dāng)中，有愛因斯坦1901年到1902年間，在蘇黎世大學(xué)的博士導(dǎo)師海因里?！じダ锏吕锟恕ろf伯。
另一個(gè)人是馬克斯·普朗克。他開始通過麥克斯韋和路德維系?！げ柶澛跉怏w動(dòng)力學(xué)理論中發(fā)展出來的統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法，來推導(dǎo)維恩關(guān)于溫度和波長(zhǎng)的關(guān)系。
普朗克用一系列帶電振子來代表黑體中的原子，并計(jì)算所輻射出的電磁能量。他最初的計(jì)算似乎符合維恩定律；但隨后實(shí)驗(yàn)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，維恩定律在高溫時(shí)已不再成立。
普朗克發(fā)現(xiàn)他的理論預(yù)測(cè)能夠符合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，只要他將他的理論進(jìn)行修正。這一修正需要假設(shè)，每個(gè)振子具有不連續(xù)的與振子頻率成正比的能量E。他提出E=hv的關(guān)系，h現(xiàn)在被稱為普朗克常數(shù)。
對(duì)普朗克來講，這一假設(shè)不過是使得他的理論符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)數(shù)學(xué)游戲。但當(dāng)愛因斯坦在1904年開始研究普朗克的黑體輻射工作時(shí)，他將此解釋得更為實(shí)在。他說，光具有由普朗克公式所給出的一塊一塊的能量。他將這些能塊稱作量子。他聲稱，光是量子化的。
愛因斯坦知道這一建議是具有爭(zhēng)議性的，甚至是令人不能容忍的。但是他爭(zhēng)辯說，他的假說可以解釋由菲力普·倫納德在1902年觀測(cè)到的光電效應(yīng)。倫納德發(fā)現(xiàn)光照到金屬上會(huì)發(fā)出電子。如果光是量子化的，那么它會(huì)在單個(gè)量子能量超過從金屬移出電子所需要的能量時(shí)，從金屬敲出電子，而這與光的強(qiáng)度無關(guān)。
這公然地挑戰(zhàn)了直覺：人們會(huì)自然地期望更強(qiáng)的光會(huì)給金屬注入更多的能量，從而無論什么波長(zhǎng)都會(huì)使金屬噴射出電子。按照愛因斯坦的假設(shè)，噴出的電子能量將不依賴于光的強(qiáng)度，而依賴于光的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)決定了量子包的大小。這正是倫納德的實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的。
由于對(duì)光電效應(yīng)的解釋，愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)。
從第104號(hào)元素Rf（rutherfordium）開始，比錒系元素更高的新元素最早在1960年代被人工合成出來。這些元素都不穩(wěn)定，最長(zhǎng)的衰變半衰期最長(zhǎng)只有幾秒鐘（Rf251半衰期為78秒）。不過快速分析技術(shù)可以容許人們研究這些人造元素的化學(xué)性質(zhì)。
理論預(yù)測(cè)，這些元素的最外層電子亞層由6d電子軌道組成。這意味著，這些超錒系元素應(yīng)該具有與元素周期表中上一排過渡族金屬元素類似的化學(xué)性質(zhì)：Rf應(yīng)該像鉿，105號(hào)元素（dubnium）像鉭，依次類推。
但是，強(qiáng)相對(duì)論性效應(yīng)可能削弱這些周期性質(zhì)。對(duì)化學(xué)元素“dubnium”（第105號(hào)元素）似乎正是這樣：其氟化復(fù)合物更類似于鈮而不是鉭的氟化物，而它的其它化學(xué)性質(zhì)又更接近于鏷。這就是說，它根本不像第5族元素，而其行為更像是錒系元素的延伸。
也有一些跡象表明Rf元素也受到相對(duì)論性效應(yīng)的影響：四氯化Rf的揮發(fā)性比對(duì)應(yīng)的鉿化合物高，周期表的趨勢(shì)預(yù)測(cè)與此恰恰相反。
奇怪的是，seaborgium（第106號(hào)元素）似乎不受相對(duì)論性效應(yīng)的影響，其行為恰如第6族金屬鉬和鎢。同樣地，hassium（第108號(hào)元素）和鋨一樣形成揮發(fā)性的四氧化物。
這些研究將分析技術(shù)推到極限，包括只對(duì)少數(shù)幾個(gè)短暫壽命的原子進(jìn)行測(cè)量。
（原文發(fā)表于Chemistry World 2005年9月刊，點(diǎn)擊下方“閱讀原文”參看?！顿愊壬帆@授權(quán)刊發(fā)該文中文版。閱讀更多Chemistry World文章，請(qǐng)登陸www.chemistryworld.org）
歡
聯(lián)系客服
