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【真·天下无双系列】超越时代的天才

2015-01-22  SSwy51001
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【真·天下无双系列】超越时代的天才——爱因斯坦

主页>综合 / 海上钢琴师 /  发布于2014年 12月6日(星期六) 0时00分 / 点击:29,053  评论:352  收藏:142 / 举报文章


         “阁下,您是宇宙的真理,执掌着时空的权杖。”

                                                                                    ——《奥术神座》,路西恩·伊文斯

 

         周末的时候,我去看了最近在热映的电影——星际穿越。姑且不论这部电影中的科幻场景是否可行,当巨大的虫洞出现在银幕上的那一刹那,观众们还是情不自禁的发出了感叹。这壮美的景色,不同于地球上那些巨大的山峦和河流,除了让人赞叹这自然的伟力之外,还令人忍不住想要敬畏景色背后所隐含的科学意义。

 

         在各种片花和新闻中,人们把这个注定成为经典的景象归功于导演诺兰的设计和物理学家索恩的贡献。诚然,正是导演的艺术触觉和物理学的严格诠释造就了这一美景,但我总是还想感谢另外一个人——没有他,我们这一代肯定是看不到、甚至想不到这一幕的。

 

         谢谢你,爱因斯坦。

 

         在提到爱因斯坦的事迹之前,我们不可避免的要回顾一下物理学的历史。物理可以算是最古老、与人类生活结合最紧密的科学,当史前人类开始打磨石器、制造弓箭的时候,我们就在和物理学打着交道。到了古希腊的年代,阿基米德这些最早期的物理学家已经发现了浮力等物理学原理,并将这些原理应用到实际的生活之中。但是自从罗马帝国衰落以来的一千年中,物理学无论在东方还是西方都没有大的进步。更多的时候,还是依靠于某位天才的灵光一现,或者是工匠们在时光中积累下来的经验,才能偶尔撩起物理的面纱一角,匆匆一瞥她绝美的容颜。

 

         一直到了十七世纪,牛顿爵士靠过人的天才,将上千年来的积累和经验数据总结成了运动三定律,开创了光学,与莱布尼兹同时完成了微积分的创立,为真正的物理学奠定了基础。“天不生牛顿,万古如长夜”,这样的赞誉是完全不过分的。正是在他的带领下,物理学得到了新的生命,一代又一代的物理学家在他打下的牢固基石上共同努力,建立起辉煌的经典物理殿堂。

 

         到十九世纪末的时候,经典物理学的结构已经非常完善,力学、光学、电磁、热力等领域都被纳入到物理的统治之下,物理学家们可以用他们所构建起来的体系解释绝大部分问题,在这个体系的指导下,人类摆脱了蒙昧黑暗,进入工业时代。人类可以建造高耸的摩天大楼,可以用蒸汽和火焰驱动巨大的钢铁机械,可以用电流照亮整个夜晚。在当时的大部分物理学家们看来,这门学科已经趋近于完善,剩下的工作只是去将真理修订到小数点后的更多位,以及处理一些尚未解决、无伤大雅的小问题而已。在1899年,欧洲科学家们的新年聚会上,老科学家开尔文就说:“在已经基本建成的物理学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”不过,他也补充道:“但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的令人不安的乌云。”

 

         如果是在现代,开尔文肯定会被誉为比贝利还要黑的乌鸦嘴。就是这两朵小小的乌云——迈克尔逊-莫雷实验和黑体热辐射——掀起了前所未有的巨浪,完全掀翻经典物理学的宏伟殿堂,带来一个光怪陆离的现代物理学世界。在这个波涛汹涌的大时代中,一大批科学明星冉冉升起,在人类的科学史上,从未有过像这样天才集中出现、交相辉映的场景。但即便是在这个天才多如狗,诺奖遍地走的时代中,爱因斯坦都是无可争议的最伟大科学家,如同高悬天空的太阳,令人仰望和崇敬。

 

         公元1879年,爱因斯坦出生在德国一个小城市的犹太人家庭。仿佛是冥冥天意使然,这一年,麦克斯韦去世,将他未能构建完成的物理王国遗留给下一个伟大的头脑。

 

         爱因斯坦的家庭是很普通的,父亲开办了一家小工厂,虽然挣不到太多钱,但全家人可以借此过上温饱不愁的生活。他小的时候开口说话晚,有些木讷,但对数学很感兴趣,十二岁时就自己学完了《几何原本》,十五岁就开始自学微积分。

 

         很多资料以讹传讹,说他小时候是个学渣,但事实正好相反。爱因斯坦一直都是学校里最聪明的孩子,不管是语言还是自然科学,他都掌握的非常好。十七岁时,爱因斯坦中学毕业,顺利进入了瑞士理工学院就读。

 

         他的大学生活,和我们的没有什么不同。在大学里,他没有表现出过人的天赋,也并不受他导师的喜欢。在导师的眼里,这个学生自由散漫,总是固执地按照自己的思路学习和实验,不愿意听取导师的教诲,也不去遵从那些千锤百炼的教条。于是,当爱因斯坦在1900年毕业时,其他几位毕业生都得到教授的推荐,可以留校当老师,但是爱因斯坦却没能得到老师的工作,他一下子失业了。幸运的是,爱因斯坦在学校搞定了自己的一位女同学米列娃,他不是两手空空地从学校毕业,至少还有了一位女朋友。

 

       毕业大半年后,爱因斯坦才找到一份中学临时教师的工作,干了几个月。他只能靠家里给的一点钱和临时教师的微薄收入糊口,生活比较艰难。1年后,他通过朋友父亲的关系,终于申请到了瑞士专利局的一份临时工作,于是就将家搬到了瑞士伯尔尼,在这个美丽的城市定居下来。

 

         以爱因斯坦的头脑,虽然他在专利局处理的是各种机械类的专利,与他的本行物理学并不一样,但他还是很快地适应了这里的工作。在19021906年的几年内,他从一名临时工迅速成为瑞士专利局的出色专家之一,每年能拿到4500瑞士法郎,足够他和妻子的平静生活——是的,爱因斯坦和米列娃结了婚,并且很快就有了一个儿子。看起来,爱因斯坦已经步入了一个正常的人生轨道。

 

         不过天才的头脑,注定不可能默默无闻。爱因斯坦从1900年毕业时,就开始按照自己的喜好继续研究物理学,并写了一系列的文章。他选择了热力学作为研究方向,但并没有按照热力学奠基人麦克斯韦和玻尔兹曼的路子去走——很多资料证明,作为一个刚毕业的大学生,在那个信息尚不发达的年代,爱因斯坦很可能都没有看过玻尔兹曼的论文。他的几篇热力学文章别开蹊径,用统计学的方法“重新发现了热力学系列定律”。比起玻尔兹曼的论文来,这几篇文章更加简洁精巧,适用性也更广,足以证明爱因斯坦是一名合格的物理学家。

 

         但这些都是正餐前的小菜而已。经过几年的积累后,爱因斯坦厚积薄发,在1905年抛出了一系列文章。毫不夸张的说,这些文章中的任何一篇,都可以成就一位青史留名的伟大物理学家:

 

         1,“关于光的产生和转化的一个启发性观点”;这篇文章就是著名的光量子论文,爱因斯坦以光量子假说完美解释了光电效应,与普朗克等人的工作一起,共同揭开了现代物理学的大幕,为量子力学奠定了基础。这篇文章为爱因斯坦赢得了1922年的诺贝尔奖。

 

  2,“分子大小的新测定方法”;这是爱因斯坦的博士论文,他凭此拿到了自己的博士学位。看似不如其他的文章更有名声,但在科学史上,这篇文章是所有1912年以前的论文中,在1960-1975年间被引用最多的论文,没有之一。这篇文章给出了处理大量悬浮粒子流变特性的方法,在建筑、食品、生态等学科有着异常广泛的应用范围。

 

  3,“热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动”;这篇通过布朗运动来计算阿伏伽德罗常数(单位物质中所包含的原子数)的文章,被视为证明原子存在性的重磅论文之一,有着非常重要的地位。在这篇论文的影响下,原子切实存在这一观点才被科学界普遍接受。

 

  4,“论运动物体的电动力学”;这篇文章就是大名鼎鼎的狭义相对论。在这篇文章中,牛顿的运动力学和麦克斯韦的电动力学被联系到一起,由无比简洁优美的方程式统一起来。迈克尔逊-莫雷实验的结果,以及洛伦兹变换的意义都可以从中得到完美的解答。这是数百年来科学的最高成就,是超越牛顿的经典物理而又将其囊括其中的新理论。

 

  5,“物体的惯性同它所含的能量的关系”;这篇论文基于狭义相对论,进一步推导并描述了质量和能量之间的关系。如今我们都耳熟能详的质能方程E=mc2,就是这篇文章的一项推论。

 

  6,“关于布朗运动理论”;与第三篇文章前后呼应,爱因斯坦在这篇文章中又提出了两种新的测定阿伏伽德罗常数的方法,进一步证实了原子的存在性。

 

         在科学史上,这一年被称为“奇迹年”,与牛顿的1666奇迹年前后交相辉映。这里的每一篇文章,都达到甚至超过了诺贝尔奖的等级。文章不仅出奇,更神奇的是这些文章竟然都是由一位年仅26岁的年轻人,在1年之内完成!这位年轻人甚至都不是什么教授,只是瑞士专利局的一名专利审核员,是个白天工作,晚上顾家,只能抽出一点可怜的时间来做研究的“民科”!

 

         这批文章陆续发表后,并没有马上引起轰动。但普朗克等人还是很快注意到了这几篇出色的论文,开始与爱因斯坦进行书信往来,讨论问题。爱因斯坦还是继续当他的专利审核员,在1908年,爱因斯坦还写信问他的朋友,想打听一下凭着这些研究成果,有没有可能找到一份中学教师的工作。

 

         不过,随着物理学家之间的讨论交流,随着普朗克等人对相对论的大力称赞,越来越多的物理学家开始注意到爱因斯坦的成果,也很有一些物理学家抱着崇敬的心态来到伯尔尼,找爱因斯坦先生当面讨论。终于,在1909年,苏黎世大学克服了对犹太人的偏见,将爱因斯坦聘任为物理学系副教授,他终于回到了他所喜欢的教师队伍中。

 

         凭借过人的天才,爱因斯坦很快就成为了欧洲最有名气的科学新秀之一,并参加了1911年的第一届索尔维会议,就量子理论做了一份开创性的讨论。在这几年内,他的主要精力还是投入在量子和引力两方面,尤其是后者。

 

         1907年的时候,爱因斯坦就发现了自己仅讨论匀速运动和惯性系的狭义相对论还是有所限制。他开始寻找一种新的、更广泛的东西,这种新物理必须能够把狭义相对论、经典物理学等都囊括在内,建立起一种具有普适性的理论。随着研究的深入,他逐渐发现这个工作极其困难。以前狭义相对论所依靠的洛伦兹变换不再适用了,空间开始变的弯曲古怪,原来友好直观的欧式几何在这里完全失去了作用。但幸运的是,爱因斯坦找到了自己的老朋友格罗斯曼,他是一位数学家,对黎曼几何有着深厚的造诣。在与格罗斯曼的合作下,爱因斯坦逐渐理顺了自己的思路,用数学工具把他的思想描绘出来。

 

         1915年,爱因斯坦发表了他的新论文:《引力场方程》。这篇论文给出了广义相对论的完整逻辑结构和方程式,宣告着一门新理论的正式奠基。在广义相对论中,爱因斯坦提出了等效原理,说明物理学在任何参考系中都是成立的。如果说狭义相对论是统一了运动力学和电动力学,那广义相对论则是将物理学推广到一切时空之中,真正将物理学发展成为放之四海而皆准的完美体系。

 

         相比之下,狭义相对论基于的是更直观的现象,很容易被物理学家们了解和接受;但广义相对论却是基于绝大部分物理学家们都很陌生的张量分析和曲面几何,没几个人能搞懂爱因斯坦的理论,其背后所隐藏的巨大意义更是不为人所知。在1915年,广义相对论的唯一验证,就是计算出了水星近日点的进动问题,解决了天文学上的一桩悬案。这也导致了科学史上的一个笑话——爱因斯坦在1922年拿炸药奖的时候,其得奖原因是他的光量子假设给量子力学所奠定的基础,相对论根本没有被提及。

 

         广义相对论将时间、空间、质量、能量完美的结合在一起,成功的将引力诠释为物体在弯曲时空内的自然运动现象。这一理论是如此惊人和超前,以致于在其后的一百年内,科学家们都还在努力寻找着引力场方程可能的解,并一次次地用实际观测结果来验证广义相对论的成功。在1919年日全食的时候,英国的天文家小组不惜远赴非洲,用星光在太阳周围产生的弯曲,证实了广义相对论的正确。到了1924年,天体物理学家哈勃用观测到的宇宙膨胀和红移数据再次验证了相对论学说。

 

         虽然研究并能弄懂广义相对论的物理学家很少,但这并不妨碍爱因斯坦被媒体宣传成为新一代的科学巨星。当然,这位三十多岁,须发凌乱的教授,已经凭借自己的傲人实力,成为世界物理学界的最顶尖人物之一,声望日隆。

 

         在完成对广义相对论的构建之后,爱因斯坦继续回到量子理论上来。量子理论起源于对黑体热辐射问题的研究(还记得前面提到的两朵小小的乌云吗?迈克尔逊莫雷实验导致了狭义相对论的出现,黑体热辐射则导致了量子理论的诞生),在1900年,普朗克发现,要解释经典物理学在黑体辐射实验中遇到的问题,就必须假设能量是分成一粒粒的,每一小粒能量都不能再分割——这个与我们的常识明显不符的理论起初当然是遭到了大家的鄙视。但是大家逐渐发现,这个匪夷所思的想法,居然能解释很多原来搞不定的问题!这个理论,很快在年轻的物理学家之间流传起来。

 

         很多资料给人的印象,是爱因斯坦对量子理论很排斥,是坚决的反对者。但真实的情况恰好相反。爱因斯坦的光量子理论,是继普朗克首先提出能量子理论后的第二块基石,而且爱因斯坦随后还提出了固体震动能量的量子化,是建立量子力学的三位元勋之一(普朗克、爱因斯坦、玻尔)。爱因斯坦自己曾经说,“我在量子问题上费的心思,是广义相对论的一百倍”。

 

         在爱因斯坦建立相对论的同时,量子理论也在玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人的共同努力下得以迅速发展。爱因斯坦也对此抱有很高的兴趣,他从另一个角度出发,开始尝试将广义相对论的引力场和量子力学的电磁场结合起来,建立统一场论。爱因斯坦从来都没有反对过量子力学,他只是认为量子力学不够完整,虽然可以很好的符合对微观世界的观测,但还有很多的不足之处。而玻尔等人则认为量子力学是完备的,虽然很多结论看似荒谬不经(比如测不准原理,以及由此引发的决定论的崩塌),但这种荒谬自身就是真实的一部分,而这恰恰就是爱因斯坦所不赞同的。爱因斯坦一直都认为,严谨的科学原理中不应该有模糊的概率存在,这种不确定性的东西说明我们的量子理论还不够完整、还没有发现更深层次的真理,而不能说不确定性就一定是真理本身。他针对量子物理的名言,“上帝不掷骰子”,其含义就在于此。

 

         这样的争论发生过很多次,爱因斯坦为了反驳玻尔所举出的例子,也成为物理学上最著名的几个思维实验。正是在这样的争论中,量子力学才得以审视到自身的缺点,每次辩论之后,量子理论都会得到长足的进步。在科学史上最为著名的第五届索尔维会议,就是因为爱因斯坦和玻尔之间的大战而得以名垂千古:


(第五届索尔维会议的照片,在这张照片中,大部分人都拿到了诺贝尔奖)

 

         爱因斯坦所生活的年代,正是两次世界大战前后,是欧洲最为动荡不安的时候。他作为犹太人,很多时候更容易受到排挤甚至迫害。在不断的斗争和倾轧中,爱因斯坦一直都坚持自己的和平主义,无条件反对一切战争;当德国科学家们纷纷为一战叫好助威时,爱因斯坦却在反战文书上签名。他的这种行为招来了很多人的敌视,尤其是在德国一战失败,纳粹主义逐渐抬头之时,他的立场和民族更是吸引仇恨。后来,纳粹政府甚至查抄了爱因斯坦在柏林的家,并公开悬赏十万马克取他的性命。当时正在美国普林斯顿讲学的爱因斯坦得知消息后,就干脆脱离了德国国籍,从此在普林斯顿定居下来,直到去世。

 

         在他的后半生中,他一直致力于将相对论和量子力学统一起来,建立统一场论,寻找更加本源的物理学真理。同时代的绝大部分物理学家,都沉迷在对微观世界各种粒子的发现上,爱因斯坦几乎是一个人在这条道路上孤独的前进。他的兴趣并不在于那些粒子上,因为在他的眼中,那些粒子都将是未来大统一理论的解,为何要抛弃主枝,转而去追求那些末端的小小叶片呢?

 

         1939年,在其他人的推动下,爱因斯坦给罗斯福写信,建议美国尽快投入原子能的研究,以免纳粹德国先一步掌握这一可怕的力量。这封邮件有力的推动了同盟国对原子能的投入,1941年,美国正式开启了曼哈顿计划,数十万人、无尽的资源被投入到这一项目上,奥本海默、费米、费曼等一大批科学家开始日以继夜地为此奋战。

 

         1945年,原子弹成功炸响,广岛、长崎被夷为平地,第二次世界大战结束。

 

         爱因斯坦对此感到很痛苦。一方面,站在反法西斯的立场上,他不反对以暴制暴,尽快结束这场令全世界痛苦不堪的战争。但另一方面,他也看到了从自己的理论中所诞生的是怎样的恶魔,看到如果不加管束,这种可怕的武器早晚有一天会毁灭整个人类文明。他到处奔走呼吁,要求对核武器进行限制,只把原子能用到和平用途上。

 

         二战结束,冷战方酣。代表人类不同意识形态的两大阵营东西对峙,局势更加险恶。在这种大环境下,没有一方甘愿放弃原子弹这种大杀器,美苏双方都纷纷研究制造威力更强的核武器。爱因斯坦的呼吁虽然动人,但又有谁去理会呢?更何况四五十年代的美国也已经陷入一片恐怖氛围之中,就连一手主持原子弹研究的奥本海默都被起诉,被怀疑为共党分子和苏联间谍。爱因斯坦也不例外,他所组织的“原子能科学家非常委员会”也被迫解散。

 

         1955年,爱因斯坦去世。按照遗嘱,他的大脑被取出供医学研究使用,遗体被秘密火化。没有葬礼,没有纪念碑,没有人知道他的骨灰被撒到哪里。

 

         他之所以这样,是不希望自己的遗体还会被人所崇拜。爱因斯坦不崇拜任何人格化的神,在他的世界中,他认为那些被人格化的神灵都只是人类自己的空想,如果真的存在某种至高无上的神灵的话,那它应该是宇宙的秩序与和谐,是一条可以用方程描述的,能够囊括一切物理学,预示一切现象的真理。

 

         在他去世以后,物理学家们才逐渐跟上他思绪的步伐。他对于统一场论做出的探索、对于宇宙常数的思考、广义相对论的种种预言、对量子力学所做出的贡献,都被证明是非常具有前瞻性的。一直到了今天,我们还在不断的去理解、探索和验证他的理论,依靠他所遗留下来的伟大智慧继续前行。当代的著名物理学家,霍金、彭罗斯、温伯格、威滕、加来道雄等人,无不是以研究相对论、量子场论等成名立万的。

 

         现在与我们生活息息相关的种种科技,很多都和他离不开干系。他的研究和贡献看似理论,却是现代生活的重要基石:

 

         他对于光电效应和光子的研究,是现代的激光技术、太阳能电池技术、感光元件技术的基础。大到激光炮,小到洗手间的自动感应冲水,都是基于他的理论研究。

 

         他相对论的著名衍生品,质能方程,是整个核能的最根本理论来源。虽然质能方程给人类带来了核武器,但人类更多的还是享受到了核电所带来的便利。随着目前人类在可控聚变技术上的不断进步(这还和激光技术密切相关),终有一天我们会拥有完全无污染的绿色能源。

 

         而相对论本身,也在解释各类宇宙现象时得到了一次又一次的验证,从未失手。目前的太空技术,就是根据相对论等理论基础建立起来的。我们能享受到精准的GPS、电视转播、以及卫星技术所带来的种种便利,这些都离不开相对论的修正和指导。在观测宇宙、探索深空之时,我们的唯一依靠只有相对论。可以预见,未来人类探索星之大海的时候,更会是相对论大放异彩的年代。

 

         他在量子和微观领域的贡献,比如玻色-爱因斯坦凝聚态等,也一直是物理学的研究前沿,到现在都在吸引着大量科学家投入研究。很难去具体定义由他的贡献所衍生出来的种种成就,因为当代的芯片技术、纳米技术、精密测量等高精工业领域都是依靠着这些研究才得以建立的。

 

         如果没有爱因斯坦,现在的世界会怎样?量子物理仍然会被科学家们建立起来,但缺少了他的奠基和推动,量子理论的发展会比现在慢得多。狭义相对论可能会在很久之后被发现,因为狭义相对论毕竟是可以通过洛伦兹变换所想到的,只是需要一个无比天才头脑的灵光一现。但广义相对论应该还不会问世,这一理论太过于超前,某种意义上来说这更像是在一百年以后,人类开始踏入星空时所总结出来的东西,而不是一个连飞机都刚刚发明出来的文明能做出的成果。没有爱因斯坦的现代社会,可能会像是科幻小说里那种蒸汽朋克的风格,我们用高度的机械化和落后的电子器件、原始的信息技术笨拙地探索着世界,享受不到现代这种建立在高速信息网络上的便利、智慧的生活。

 

         所幸,爱因斯坦为这个世界贡献良多。他的理论不仅在诸多领域得到了实践,更是展示了人类的智慧可以去到何等的地步,为人类的想象力开启了新的大门。从广义相对论中得出的多维时空、宇宙大爆炸、黑洞、爱因斯坦罗森桥、引力透镜、引力波、时间旅行等概念,其宏伟壮丽远超以前人类的想象,不仅是天体物理学家们所寻找的目标,更是激发了一代又一代人的心灵。人类的想象力自此扩展到整个宇宙,我们的梦想也从这颗小小的星球起航,直到宇宙的彼岸。

 

         当然,爱因斯坦不是一个完人。他的婚姻生活颇为受人诟病,和发妻离婚,娶自己的表姐情人为妻的行为,是他洗不掉的污点。不过白璧虽然有瑕,他在学术方面的道德、为和平的奔走呼吁也确实令人感动。在才能上,他是一位伟大的科学家,一位音乐家,一位哲学家,一个有很高天赋的作者。他是犹太人,但却完全没有犹太人那种锱铢必较、让人反感的奸商气。他致力于和平主义和超国家主义的推广,以及科学不分种族、不分国界的普及。他一直都是一位乐观和天真的人,对世界抱有最美好的幻想,同时又像一位老顽童般可爱,有着令人惊叹的、自由而超然的思想和心灵。

 


         PS:马上就是2015年了,广义相对论发表一百周年的时候。写这篇文章的初衷,一个是看《星际穿越》的联想,另一个就是多年来常常看到互联网上对他和相对论的误读乃至于污蔑。很多人宁愿把教主捧上神坛,也不愿意承认爱因斯坦给科学和人类带来的哪怕一丁点进步,不得不让人感慨。之前就写过图灵了,这次索性把爱因斯坦一并写出来。我想,对于“天下无双”这四个字来说,他是实至名归的吧!

 

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