影響人類歷史進程的100名人——NO.10愛因斯坦

阿爾伯特·愛因斯坦(ALBERT EINSTEIN,1879—1955):科學家、物理學家,創立了狹義相對論、廣義相對論等,獲得諾貝爾物理學獎


影響人類歷史進程的100名人——NO.10愛因斯坦

阿爾伯特·愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家和有史以來最卓越的知識分子。他最為知名的成就是他的相對論,其實包括了兩個理論:1905年形成的狹義相對論和1915年形成的廣義相對論。這兩個理論可能應當被稱為愛因斯坦的萬有引力定律。這兩個理論相當複雜,這裡並不試圖解釋它們,只對狹義相對論作少許評論。

有一句熟悉的格言說:“任何事都是相對的。”但愛因斯坦的理論可不是這一哲學式陳辭老調的重複,它是一種精確的用數學表達式的方法,在這一方法中,科學的度量是相對的。顯而易見,對於時間和空間的主觀感受依賴於觀測者本身。但是在愛因斯坦以前,多數不清認為在這些主觀印象背後是真實的距離和絕對的時間,精密的儀器可以對它們進行客觀地測量。通過否定有任何絕對的時間,愛因斯坦的理論引起了科學思想上的革命。下面的例子將說明他的理論是如何徹底地修正了我們的時空觀。

讓我們設想有一隻飛船,飛船X,以每秒10萬公里的速度飛離地球。飛船上的觀測者和地球上的觀測者同時對這一速度進行測量。他們得到的測量結果是一致的。同時另有一隻飛船,飛船Y,與飛船X以相同的方向運行,但它的速度要比飛船X快得多。如果地球上的觀測者測量飛船Y的速度,他們發現它在以每秒18萬公里的速度飛離地球。飛船Y上的觀測者也會得出相同的結論。

由於現在兩隻飛船運動的方向相同,看起來它們的速度應該是每秒相差8萬公里,而且速度較快的飛船將以這個速度遠離速度較慢的飛船而去。

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但是愛因斯坦的理論預言當觀測發生在兩隻飛船之間時,兩隻飛船上的觀測者將會一致同意他們之間的距離正在以每秒10萬公里增加而不是每秒8萬公里。

表面上看這樣的結果是很荒謬的,讀者可能懷疑這裡面玩了文字遊戲,或是沒有提到問題的基本重要細節。完全不是。這一結果與飛船結構的細節和推動它們的動力毫無關係。它既不是任何觀測上的錯誤,也不是任何測量儀器上的缺陷。其中也不存在騙局。根據愛因斯坦的說法,上述結果(這一結果可以很容易地從他的速度合成的公式中計算出來)僅僅是時空基本性質造成的後果。

是的,所有這些可能有非常高深的理論性,確實有好幾年很多人都把相對論看作是一種“象牙塔”假說而沒有什麼實際意義。當然,1945年原子彈被投放到廣島和長畸之後,不會有人再犯這一錯誤了。愛因斯坦相對論的結論之一就是在某種特定的意義上質量和能量是相等的。它們之間的關係可由公式E=mc²給出。在這一公式中E代表能量,M等於質量,c代表光速。由於c等於每秒鐘18.6萬公里,這是一個很大的數字,因此,c2就更是一個相當巨大的數了。其結果就是隻要有一小部分的物質發生變化,就會釋放出數量驚人的能量。

當然,沒有人能僅僅從E=mc²這一公式中就製造出原子彈或建造出核電站。必須牢記的是,還有其他許多人在原子能的發展中發揮了重要作用。但是愛因斯坦的貢獻是不容置疑的。而且正是愛因斯坦在1939年致信羅斯福總統,指出發展原子武器的重要性並強調美國搶在德國之前發展這一武器的重要性。這封信促進了“曼哈頓計劃”的展開,該計劃導致了第一顆原子彈的出現。

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狹義相對論引起了激烈的爭論,但是有一點是所有人都同意的;它可能是曾經出現過的所有科學理論中最令人不可思議的科學理論。但所有人都想錯了,因為愛因斯坦的廣義相對論的前提條件就是萬有引力效應並不來自於通常意義上的物理力,而是空間本身彎曲的結果。這真是更令人不可思議的思想!

如何測量空間本身的彎曲呢?怎樣做才意味著空間是被彎曲了的呢?愛因斯坦不僅提出了這一理論,而且將他的理論寫成清楚睥數學公式,從公式中我們可以明確地做出預測並對他的假說進行檢驗。以後的觀測結果,其中最著名的是那些在全日蝕時完成的,反覆證實了愛因斯坦方程的正確性。

廣義相對論在某些方面同所有其他科學定律相比有著明顯的不同。首先,愛因斯坦不是在細心實驗的基礎上推導出他的理論,而是將理論建立於對稱和數學的優美上面。這是典型的唯理主義,就像古希臘哲學家和中世紀的學者們曾經試圖做的那樣。(這一做法使他對現代科學的基本經驗觀相牴觸。)古希臘的哲學家們追求優美和對稱,但他們從來沒有設法去尋找能使其關鍵結論被實驗檢驗成立的數學理論;與他們相反,愛因斯坦的理論可以非常成功地經受每一次檢驗。愛因斯坦探索的結果之一就是,廣義相對論被公認為最優美、最優雅、最強有力、理智上滿足所有科學理論的科學學說。

廣義相對論還有另一個與眾不同之處。大多數科學理論都是近似有效的。它們在許多環境下成立,但不是在所有環境下都成立。但就目前我們所知道的情況乍,廣義相對論在所有環境下都成立,沒有任何例外。沒有任何已知的環境下,無論是理論上的還是實驗中的,能使廣義相對論僅僅近似成立。未來的實驗可能會毀掉這一理論的完美紀錄,但是迄今為止,廣義相對論仍是最接近於任何科學家所能設想出來的“終極真理”。

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儘管愛因斯坦因他的相對論廣大為知,但無論如何他的其他科學成就也應使他贏得一個科學家的聲望。事實上,愛因斯坦被授予諾貝爾物理學獎主要是因為他解釋光電效應的一篇論文。光電效應是在此之前令物理學家困惑不解的一個重要現象。在這篇論文中他假定有光子存在。由於長期以來通過干涉實驗已經建立起來光是由電磁波組成的概念,並因為波動性和粒子性被認為是“顯而易見的”相互對立的概念,所以愛因斯坦的假說表現出同經典理論看似自相矛盾的徹底決裂。不僅僅是他的光電定律具有重要的實際應用,而且他的光子假說對於量子理論的發展也有重要的影響。光子假說今天已成為量子理論不可或缺的一部分。

在評價愛因斯坦時,不妨將他同牛頓作一比較。牛頓的理論基本上是容易理解的,並且他的天才還在於他第一個發展了他那些理論。從另一個方面看,愛因斯坦的相對論則極難理解,甚至在被詳細解釋後仍是如此。由此可以看出最初創造它們是何等的困難!當某些思想同當時流行的科學思想強烈牴觸時,牛頓的理論從不顯得前後矛盾。另一方面,相對論則充滿了悖論。愛因斯論的部分天才在於,在開始時,他的思想還只是一個無名青年的未經過檢驗的假說時,他沒有因這引起明顯的矛盾而拋棄他的假說。相反,他在仔細全面思考,直到他能夠證明這些矛盾僅僅是表面上的,並且在每一個事例中都有一個巧妙而且正確的方法解決這些悖論。

今天,我們將愛因斯坦的理論看成是比牛頓的理論更“正確”的理論。既然這樣,為什麼愛因斯坦在這個排行榜中的位置要比牛頓低呢?主要因為牛頓的理論奠定了現代科學與技術的基礎。假如現在僅有牛頓的理論沒有愛因斯坦的理論,大多數的技術狀況也與現在的實際情況是一樣的。

影響人類歷史進程的100名人——NO.10愛因斯坦

20世紀科學界大佬

還有另外一個因素影響愛因斯坦的名次。在大多數情況下,一種重要思想在發展過程中會有很多人為之作出貢獻。明顯的例子有社會主義的歷史,或是電學和磁學理論的發展。雖然不應將相對論的發明百分之百地歸功於愛因斯坦,但確實要將大部分功勞歸於他。公平地說,同與相對論同樣重要的其他許多思想的情況比較,相對論在更大程度上主要是由一個傑出天才獨自創造的。

愛因斯坦1879年生於德國的烏爾姆城。他在瑞士上的高中,1900年成為瑞士公民。1905年他在蘇黎士大學獲得博士學位。但尋時他未能找到一份進行學術研究的工作。不過就在同一年,他發表了關於狹義相對論、光電效應以及布朗運動等幾篇論文。幾年之內,這幾篇論文,特別是有關相對論的論文,樹立了他作為世界上最出色、最有天才的科學家之一的聲望。他的理論引起激烈爭論;除了達爾文以外,還沒有哪一位當代科學家像愛因斯坦這樣引起如此多的爭論。儘管如此,他仍於1913年被任命為柏林大學的教授。他同進成為威廉皇帝物理研究所所長,普魯士科學院院士。這些職位使他能隨心所欲地支配時間進行研究工作。

德國政府沒有絲毫理由後悔為愛因斯坦提供瞭如此不同尋常的慷慨待遇,因為兩年後他就成功地提出了廣義相對論。1921年他榮獲諾貝爾獎。在他的後半生,愛因斯坦是世界著名的,大概也是有史以來最著名的科學家。

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由於愛因斯坦是猶太人,當希特勒掌權後,他在德國的外境變得危險起來。1933年,他受聘於美國新澤西州的普林斯頓大學,在一個高級研究所裡工作。1940年他成為美國公民。愛因斯坦的第一次婚姻以離婚告終;第二次婚姻顯然很美滿。他有兩個孩子,是兩個兒子。他1955年在普林斯頓去世。

愛因斯坦總是對他周圍的世界充滿興趣。他經常表達他對政治事件的看法。他始終如一地反對政治獨裁,並且是一個熱情洋溢的和平主義者、猶太復國主義的堅定支持者。在穿著和社交習俗方面,他獨具自我風格。他極富有幽默感,有著恰到好處的謙遜,而且還是個有點天賦的小提琴手。牛頓墓碑上的墓誌銘更適合用在愛因斯坦身上:“讓生靈們歡呼吧,為人類曾出現過這樣輝煌的人物!”


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