颠覆世界的科学旗手-爱因斯坦

科学的旗手——爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦，历史上最伟大的科学家之一，1879年3月14日，生于德国阿尔姆，1955年4月18日，殁于美国新泽西州普林斯顿。

爱因斯坦的父亲是一位电气设备制造商，他经营失败后，先把家搬到慕尼黑，1889年爱因斯坦便在当地上中学，后又把家搬到米兰。爱因斯坦3岁才开始讲话，9岁口齿尚不伶俐，使得他的父母甚至担心他可能是智力迟钝的儿童，谁也不会想到他后来居然有如此不凡的成就。据说在1894年，爱因斯坦还被慕尼黑中学斥退，学校认为他调皮捣蛋。他在这方面的行为举止实在是超出了一个15岁少年:他对德国的仇恨加深，不愿再做一位德国公民。他说服他的父亲，为他申请放弃公民资格，这个要求1896年得到当局批准。他事实上没有国籍，直到1901年他才获得瑞士公民资格。

爱因斯坦在瑞士阿劳受完中学教育后，1896年，在第二次尝试中通过了入学考试，进入苏黎世瑞士联邦理工学院。他因没有得到一个学术职位，只好以做家庭教师为业，直到1902年，他才在伯尔尼瑞士专利局得到一个做三等技术员的职务。他在这里继续思考和研究物理学上的问题。1905年，他在《物理学年鉴》杂志上发表了4篇论文，都是指导20世纪物理学前进的著作。他在1905年的第三篇论文是最著名的一篇——《论运动物体的电动力学》。这篇论文最先把狭义相对论引入了科学。“狭义”是指这种理论仅限于一定的特殊情况，即静止或相对匀速直线运动的物体。

狭义相对论是用来说明当时物理学中的一个主要问题。在传统上，力学中有一个处理相对速度的简单程序。一个简单例子是，一辆汽车沿着道路以每小时40英里的速度行驶，而另一辆汽车朝着它以每小时60英里的速度行驶。一位静止的观察者会说，第二辆汽车相对于他是以每小时60英里的速度行驶，而第一辆汽车的司机却会说第二辆汽车相对于他是以每小时100英里的速度开来。这种根据常识来处理相对运动的方法就这样建立起来，所含的数学方程叫做“伽俐略变换”，这是从一个参照系到另一个参照系中变换速度的简单方程。问题在于，这种方法看来并不适用于电磁辐射，电磁辐射那时被认为是麦克斯韦方程描述的以太中的一种波动，在麦克斯韦方程中，光速与光源或观察者的运动无关。那时，艾伯特·迈克尔孙－爱德华·莫雷已经做了一系列实验，试图探测地球对以太的运动，但都得到否定的结果。因此，亨德里克·洛伦兹提出用一种运动物体的大小改变(洛伦兹－菲茨杰拉德收缩)就可以解释这种结果。

虽然爱因斯坦不知道迈克尔孙·莫雷实验，但他十分重视经典力学与经典电动力学之间的不相容性。他的解决办法完全是根本性的，他提出在相互做匀速直线运动的一切参考系中，光速是一个恒量。他还提出他的“相对性原理”，即在相互做匀速直线运动的一切参考系中，自然定律都是相同的。为了协调这两条原理，他放弃了“伽俐略变换”，即加减相对运动物体速度的简单方法。他放弃“伽俐略变换”是通过讨论同时性的概念而达到的，他指出两个事件之间的时间决定于所含物体的运动。爱因斯坦在狭义相对论中放弃了绝对空间和绝对时间的概念，后又提出用三维空间坐标和一维时间坐标，即一个统一的时空坐标来确定物理事物。

1905年，爱因斯坦还提出一篇更基本的论文——《物体的惯性同其所含能量有关吗?》，他在这篇只有两页的短文中提出，如果一个物体以辐射的形式放出能量e，则其质量减少e/c²(其中c是光速)，从而得到著名的质能方程e= Ec²。在短时间内，爱因斯坦关于相对论的工作就被广泛认为是有独创性的和意义深远的。1908年，他获得伯尔尼大学的一个学术职位，在这以后的3年中，先后在苏黎世(1908年)、布拉格(1911年)和苏黎世联邦理工学院(1912年)有过重要职位，并于1914年在柏林获得一个职位。这可能部分是由于他得到柏林物理学家马克斯·普朗克和瓦尔特·能斯特的推崇。(www.xing528.com)

爱因斯坦在1911年预言，刚好擦过太阳的星光应当偏转0．83弧秒，后来增加到1．7弧秒，这种偏转虽小，却在全日蚀中仍然应当是可以探测的，即星象从它的正常位置有明显的位移。1919年，发生了这样的全日蚀，阿瑟·爱丁顿在西非的普林西比作了观察，报告有1．61弧秒的位移，完全在实验误差范围之内。从此，爱因斯坦在公众中更加闻名，因为这种对一种意外现象的戏剧性的断言似乎抓住了大众的想象。甚至伦敦《泰晤士报》也发表了一篇社论加以评论:“宇宙构造的科学概念应当改变。”

1916年，爱因斯坦已经准备好出版他的广义相对论最终的权威形式《广义相对论基础》，这本著作为爱因斯坦赢得了只有很少的人能懂的理论的声誉。据说曾经爱丁顿在得知只有3个人能懂广义相对论时，问道:“第三人是谁?”实际上，爱因斯坦在引力理论中引入了一种数学，是当时大多数物理学家都不熟悉的，所以出现了一种不懂的初始印象。爱因斯坦在一般相对论中采用了赫尔曼·闵可夫斯基1907年引入的时空坐标、伯恩哈特·黎曼1854年提出的非欧几何和格雷哥里奥·里奇1887年出版的张量分析。爱因斯坦在数学方面得到了他的朋友格罗斯曼的帮助，提出的引力理论是根据空时的几何的理论。简单说来，概念就是一个物体“弄弯了”周围的空间，使另一个物体沿一条弯曲的路径运动(因此称为空间被弯曲了)。1915年，爱因斯坦和格罗斯曼为水星近日点的微小运动(直到那时一直认为是异常的)成功地推导出一个很好的理论值。爱因斯坦那时写道:“我好多天都欣喜若狂。”

广义相对论还预言，在一个强引力场中电磁辐射会向更长的波长移动，即“爱因斯坦移动”。1925年，沃尔特·亚当斯用引力红移解释了天狼伴星的光谱，1959年，罗伯特·庞德和格伦·雷布卡在地球上用穆斯堡尔效应证实了引力红移，他们发现离出地面75英尺(23米)在高度上一个放射源的γ射线比在地面上有更长的波长。

爱因斯坦在用他的理论来建立宇宙的宇宙学模型方面成就不大。他假设宇宙是密度均匀的、静止的和没有无限距离的。他发现他不得不在他的方程中加入一个宇宙恒量λ。1922年，亚历山大·弗里德曼指出，这个宇宙恒量可以去掉而求出一个解，得到一个膨胀宇宙，这个解终于为爱因斯坦所接受。

到了20年代初期，爱因斯坦的伟大工作实际上已经完成。他在1921年写道:“宏伟的发现等待着年轻的人们……而对于我来说那已是过去的事了。”从20年代初期，他就排斥量子理论，虽然对于建立量子理论他本人作了许多贡献。他的基本反对意见是针对包括几率解释在内的后来形式。他说“上帝不玩骰子”，又说“上帝可能是精明巧妙的，但他不是故弄玄虚的”。他像路易·德布罗意一样，认为新量子力学虽然明显是一种强大而成功的理论，但只是一种不完备的理论，带有一种根本性的没有发现的宿命论。在他生活的最后30年，他还不断探索一种统一场论，即一种统一解释电磁场和引力场的理论。他发表过几篇探索统一场论的论文，但全部都是不适当的，这个工作一直进行到他去世。

爱因斯坦还卷入了大量的政治活动。当希特勒1933年上台执政时，爱因斯坦就在美国永久定居下来，在普林斯顿工作。1939年，他被说服写信给罗斯福总统，警告他关于原子弹的可能性，并催促美国研究。他到了晚年是一位虔诚的积极的和平主义者。他还强烈支持犹太人复国主义事业，1952年，哈伊姆·魏兹曼死后，他还被推举继任以色列总统，但他拒绝了。