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叛逆的独立思想家——爱因斯坦

由高露发布于2005年8月+0117: 03: 00。

在美国,两位科学家完成了光的实验,结果与物理学的理论相反。在巴黎,科学家们对似乎具有无穷能量的矿物质感到困惑。与此同时,天文学家和地质学家在争论,因为太阳能不可能永远发光。这些正是100年前困扰科学家的问题。也是在100年前,这些问题的答案以系列论文的形式出现在德国学术期刊《物理学年鉴》上。这些论文在不到70页的篇幅内解决了这些难题,从而颠覆了几个世纪以来公认的自然理论。而它们的作者只是一个不知名的年轻人——爱因斯坦,年仅26岁。

爱因斯坦于1879年出生在德国乌尔姆的一个中产阶级家庭。当他还是个孩子的时候,他就表现出了一些和17世纪天才牛顿一样的特点:沉默寡言,性格内向,脾气差得可怕。但是在五岁的时候,爱因斯坦对自然产生了不寻常的兴趣。父亲给了他一个指南针,指针在磁力的无形作用下转动的景象让他大吃一惊。就像牛顿看到一个落下的苹果,爱因斯坦有一种奇怪的感觉,他看到的东西意义深远。

渐渐长大的爱因斯坦开始像牛顿一样怀疑权威。厌倦了学校生活,不尊重老师,16岁辍学。老师断定爱因斯坦将一事无成。他们不知道的是,他已经完成了他的第一篇科学论文(该论文提出电磁现象应该通过实验来研究)。

然而,在外人看来,爱因斯坦注定一事无成。在苏黎世联邦理工学院读书时,老师们都认为他懒惰自大,最后以全班倒数第二的成绩毕业。由于无法进入学术机构,爱因斯坦以做私人教师为生,两年后在伯尔尼专利局找到了一份临时工作。

在那里,被正规教育扼杀的爱因斯坦的科学热情终于在《生成》中重现。他和一些志同道合的朋友开始思考科学家面临的科学问题和困惑。

当时最令人费解的是1900年德国物理学家普朗克的假说:光和热的能量来自“量子”。普朗克本人并不喜欢这个假设,但这似乎是解释物体受热时辐射能量的唯一方法。爱因斯坦决定探索这种关系,这成为他在1905年第一篇重要论文的基础。爱因斯坦证明了量子理论也可以应用于其他现象。他甚至用这个理论解释了“光电效应”,即一些金属在适当频率的光的作用下会释放电子。

爱因斯坦的论文给了量子理论很大的支持——普朗克当时就开始关注这个不知名的年轻人。几周后,爱因斯坦在物质的布朗运动方面取得了另一项重大突破。爱因斯坦证明布朗运动表明了原子的存在。当时很多著名的科学家认为原子是虚构的,只是为了让计算更容易。爱因斯坦认为,布朗运动是大量肉眼不可见的原子碰撞的结果,其大小可以通过测量得知。

实验很快证明了爱因斯坦的观点,奠定了现代物理学的另一个支柱:物质的原子特性。然而,与爱因斯坦在6月和9月发表的两篇论文1905相比,即使是这个突破也黯然失色。后两篇论文提出了关于时间和空间的新概念,对改变历史进程具有深远的意义。

令人难以置信的成就

当时普遍认为时空是固定的、永恒的,但现有的一些证据对此提出了质疑。理论物理学家注意到,当磁体相对于电导体运动时,或者电导体相对于磁体运动时,电磁定律会产生不同的结果,但根据常识,结果应该是一样的。1887年,美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelsen)和爱德华·莫利(Edward Morley)发现了一个更不寻常的现象:无论人们试图测量光速的速度如何,测得的光速都是恒定的。这显然与当时的主流观点相反。

爱因斯坦在论文中以惊人的自信指出了这些反常现象,并提出了两个基本观点:第一,物理学原理适用于任何物体,无论它如何运动;第二,光速不受真空中观察者速度的影响。然后,他用简单的数学运算证明,在这两个原理下,光速就是极限速度,接近光速的物体会变小变平。爱因斯坦认为甚至时间也会受到影响。移动的时钟比静止的时钟走得慢。

就连爱因斯坦也对相对论的一个结果感到困惑,这个结果出现在他把相对论和能量守恒定律结合起来的时候。结果意味着任何物质(M)都是能量(E)的不可思议的来源,他后来总结出的方程是E = mc2,其中C代表光速。

面对这么多来自学术界之外的无名小卒的惊人论断,科学界花了一段时间才做出回应。先是普朗克等理论家,然后从事科学实验的人开始认真对待他的预言。当预言被一一证实后,爱因斯坦就出名了。到1909,他终于从专利局辞职,成为苏黎世大学的副教授。次年,他获得了诺贝尔物理学奖的提名——但直到1922,也就是10次提名之后,这个桂冠才戴在他的头上。

这个奖项名义上是对爱因斯坦在光电定律上的贡献的奖励,但他的其他创造性理论同样无愧于这个名声。E = mc2解释了“神奇”矿物的神秘能量来源:它们的原子发生放射性衰变,少量的物质转化为大量的能量。这个方程也解释了为什么恒星可以通过将少量氢燃料质量转化为巨大的光和热而永远发光。

E = MC2方程已经应用于核电站,为全世界提供了16%的电力,而核武器仍然对国际局势有很大的影响。从GPS导航系统到防盗报警器,从医疗扫描仪到太阳能计算器,爱因斯坦的理论也是当今许多技术的基础。