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阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)是20世纪最伟大的物理学家,物理学革命的先躯,狭义相对论和广义相对论的创立者,量子理论的主要奠基者之一,现代物理学的开创者,人类历史上最杰出的天才,被誉为“20世纪的哥白尼”。 1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

爱因斯坦

 

简介

 

阿尔伯特·爱因斯坦是世界十大杰出物理学家之一,现代物理学的开创者、集大成者和奠基人,同时也是一位著名的思想家和哲学家。爱因斯坦1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。

爱因斯坦的照片(20张)1905年获苏黎世大学哲学博士学位。曾在伯尔尼专利局任职,在苏黎世工业大学、布拉格德意志担任大学教授。1913年返德国,任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。1933年因受纳粹政权迫害,迁居美国,任普林斯顿高级研究所教授,从事理论物理研究,1940年入美国国籍。 爱因斯坦

有一句熟悉的格言是:“任何事都是相对的。”但爱因斯坦的理论不是这一哲学式陈词滥调的重复,而更是一种精确的用数学表述的方法。此方法中,科学的度量是相对的。显而易见,对于时间和空间的主观感受依赖于观测者本身。

在爱因斯坦小的时候,有一天德皇军队通过慕尼黑的市街,好奇的人们都涌向窗前喝彩助兴,小孩子们则为士兵发亮的头盔和整齐的脚步而向往,但爱因斯坦却恐惧得躲了起来,他既瞧不起又害怕这些“打仗的妖怪”,并要求他的母亲把他带到自己永远也不会变成这种妖怪的国土去。中学时爱因斯坦放弃了德国国籍,可他并不申请加入意大利国籍,他要做一个不要任何依附的世界公民……大战过后,爱因斯坦试图在现实的基础上建立他的世界和平的梦想,并且在“敌国”里作了一连串“和平”演说。他的思想和行动,使他险遭杀身之祸:一个抱有帝国主义野心的俄国贵族女刺客把枪口偷偷对准了他;德国右翼刺客们的黑名单上也出现了阿尔伯特·爱因斯坦的名字;希特勒悬赏两万马克要他的人头。为了使自己与这个世界保持“和谐”,爱因斯坦不得不从意大利迁到荷兰,又从荷兰迁居美国,而且加入了美国国籍。他认为,在美国这个国度里,各阶级的人们都能在勉强过得去的友谊中生存下去。 (节选自《应用写作》学术月刊1985年第5-6期《爱因斯坦的反省》)

十九世纪末期是物理学的大变革时期,爱因斯坦从实验事实出发,重新考查了物理学的基本概念,在理论上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推动了天文学的发展。 爱因斯坦

他的广义相对论对天体物理学、特别是理论天体物理学有很大的影响。

爱因斯坦的狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系,坚守着“上帝掷骰子”的量子论诠释(微粒子振动与平动的矢量和)的决定论阵地,解决了长期存在的恒星能源来源的难题。

近年来发现越来越多的高能物理现象,狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜——水星近日点的进动(这是牛顿引力理论无法解释的),并推断出后来被验证了的光线弯曲现象,还成为后来许多天文概念的理论基础。

2009年10月4日,诺贝尔基金会评选“1921年物理学奖得主爱因斯坦”为诺贝尔奖百余年历史上最受尊崇的3位获奖者之一。(其他两位是1964年和平奖得主马丁·路德金、1979年和平奖得主德兰修女。)他是最棒的 。爱因斯坦

 

成长历程

 

1879年3月14日爱因斯坦生于德国乌耳姆镇的一个小业主家庭。爱因斯坦的父亲是个不得志的小商人,一生最喜欢做的事情就是每到晚上都要在客厅里朗读席勒、海涅等人的作品。母亲出身名门,受过良好的教育,文化修养极高,爱文学,更爱音乐。爱因斯坦即诞生于这样一个家庭。此外,他生长的时代,是人类有史以来物理学发展最为迅疾的时期,当爱因斯坦步入青年时,正是爱迪生、洛伦兹、居里夫妇等人最活跃的时期。此时,由伽利略、牛顿等人建立的古典物理学理论体系,经历了将近200年的风雨后,由于能量守恒和转化定律的发现、热力学和统计物理学的建立,特别是由于法拉第和麦克斯韦在电磁学上的发现,正日益成为人类有史以来最伟大的学科。爱因斯坦于1955年4月18日病逝于美国普林斯顿大学。 爱因斯坦罕见青年旧照

他12岁时,阅读了欧几里得的《几何学原本》,被深深地吸引。16岁时写出第一篇题为《关于磁场中的以太的研究现状》的论文。1895年16岁时的爱因斯坦,他刚决定离开德国的学校,到意大利去和家人团聚,部分也是为了逃避在德国军队服役。大约6个月后,他就正式放弃了他的德国国籍。1905年以论文《分子大小的新测定法》取得苏黎世大学的博士学位。

爱因斯坦在物理学的许多领域中都有重大的贡献。其中最重要的是创立了相对论和对发展量子论的贡献。年轻的爱因斯坦不为旧传统所束缚,在洛伦兹等人研究工作的基础上,对空间和时间这样一些基本概念作了本质上的变革。这一理论上的根本性突破,开辟了物理学的新纪元。爱因斯坦的相对论,是近代科学技术在20世纪取得的最重大成果,它导致了古老物理学的彻底革命,完成了物理学第三次理论大综合,进一步奠定了现代物理学发展的基石。

1905年6月完成的《论动体的电动力学》一文中,他提出了狭义相对论。这一理论告诉我们,如果我们承认光在真空中的传播速率是恒定的(即不随发光物体的运动状态而改变),而且在一切惯性参考系中自然定律都是相同的,那么就可以确定,时间和运动对于观察者说来都是相对的。相爱因斯坦5岁时和3岁的妹妹一起照相对论的建立,使人类对于空间、时间和物质运动的认识,发生了革命性的变化,具有划时代的历史意义。1916年,他发表了《广义相对论的基础》的论文,建立了广义相对论。狭义相对论主要论述电磁现象及其在时间和空间中的传播;广义相对论则主要研究引力理论。这个理论的中心思想是引力的实质是由于质量的存在而引起的时一空连续场的弯曲。他根据广义相对论,作出了光在引力场作用下会发生弯曲、水星近日点发生进动和引力场中的光谱线向红端移动的三大预言,以后都被实验观测所证实。1919年,英国物理学家汤姆生曾激动地说,爱因斯坦创立的相对论是“人类思想史中最伟大的成就之一”。

1905年3月,他发表《论光的产生和转化的一个启发性的观点》。在普朗克量子论的启发下,提出了光量子学说,并用量子理论解释了光电效应、辐射过程和固体的比热等等,在科学史上第一次揭示了微观客体的波粒二象性。同年9月,爱因斯坦发表了题为《物体的惯性同它所含有的能量有关吗?》的论文,提出了著名的质能关系式E=mc2,阐明质量是m的物体蕴藏着mc2的能量,为原子能的开发、利用提供了理论基础。1922年11月,他荣获诺贝尔物理学奖,但授奖理由主要提到他在光量子论方面的贡献,因为当时对相对论是有争议的。

爱因斯坦手稿

1929年2月,爱因斯坦发表了《统一场论》的论文。从此,他几乎把后半生的全部精力都投入到这一研究中去,试图把电磁场和引力场统一起来,将相对论与量子论统一起来的统一场论。虽然,在这方面的研究,他没有取得成果,但他开辟了一个全新的领域,具有重要的意义。

爱因斯坦在量子论、分子运动论、相对论等物理学的三个不同领域取得了历史性成就,特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出,推动了物理学理论的革命。

1.早期工作  爱因斯坦早期的工作主要在热力学和统计物理方面,在1900—1904年间,他每年都发表一篇论文发表在德国《物理学杂志》。这些早期的工作为他在1905年辐射理论和分子动理论方面的重大突破奠定了基础。 爱因斯坦

2.1905年的奇迹  1905年,爱因斯坦在科学史上创造了一个无先例的奇迹。这一年他写了6篇论文,在3月到9月这半年中,利用在专利局每天8小时工作以外的时间,在三个领域作出了四个有划时代意义的贡献。分别是:

(1)光量子论,提出光量子假说。(2)分子动理论,1905年4月、5月、12月他发表了三篇有关布朗运动的论文,为解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题做出了突出贡献。

(3)创立狭义相对论  爱因斯坦写了一篇开创物理学纪元的长论文《论动体的电动力学》,完整地提出狭义相对性理论。这是他10年酝酿和探索的结果,它在很大程度上解决了19世纪末出现地古典物理学的危机,推动了整个物理学理论的革命。

(4)质能相当性  1905年9月,爱因斯坦写了一篇短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,作为相对论的一个推论,揭示了质量(m)和能量(E)的相当性:E=mc2,并由此解释了放射性元素(如镭)能释放出大量能量的原因。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的理论基础,也为40年实现的核能的释放和利用开辟了道路。 爱因斯坦和德国著名物理学家,量子理论的创始人普朗克。普朗克于1918年获得诺贝尔物理学奖。普朗克的伟大成就,是创立了量子理论,这是物理学史上的一次巨大变革。

3.量子论的进一步开拓  爱因斯坦的光量子论的提出,遭到几乎所有老一辈物理学家反对。尽管如此,他依然孤军奋战,坚持不懈地发展量子理论。他把量子概念扩展到物质内部振动、光化学现象及统计物理学的研究中,在许多领域中做出了开拓性成就。刚开始在专利局工作的爱因斯坦。他在那里工作的7年时间是他一生中成果最多的时期。1905年被称为爱因斯坦的“非凡的一年”,因为那年他撰写了数量和质量都相当可观的著作。

爱因斯坦

4.广义相对论的探索  狭义相对论建立后爱因斯坦并不感到满足,力图把相对性原理的适用范围推广到非惯性系。他从伽利略发现的引力场中一切物体都具有同一加速度(即惯性质量同引力质量相等)这一古老实验事实找到了突破口,于1907年提出了等效原理,此后经过曲折的探索终于1915年完成了被公认为人类思想史中最伟大的成就之一的广义相对论。

在1915年到1917年的3年中是爱因斯坦科学成就的第二个高峰时期,类似于1905年,他也在三个不同领域中分别取得了历史性成就。除了1915年最后建成了被公认为人类思想史中最伟大的成就之一的广义相对论以外,1916年在辐射量子论方面又作出了重大突破,1917年双开创了现代科学的宇宙学。

爱因斯坦的名言:“想象力比知识重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。”

爱因斯坦

 

巨星陨落,举世同悲

 

1955年4月18日,人类历史上最伟大的科学家,阿尔伯特·爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于美国普林斯顿。

在爱因斯坦去世的前几天还录音对以色列广播,他说:“我们这时代最大的问题是人类分成两个互相对敌的阵营:共产世界和所谓的自由世界。由于“自由”及“共产”这两个词的意义对我很难理解,我宁愿用“东方”和“西方”的权力冲突来说,然而,这地球是圆的,这样“东方”和“西方”的真正精确意义也不能清楚。”

耀眼的星星

爱因斯坦生前不要虚荣,死后更不要哀荣。他留下遗嘱,要求不发讣告,不举行葬礼。他把自己的脑供给医学研究,身体火葬焚化,骨灰秘密的撒在不让人知道的河里,不要有坟墓也不想立碑。在把他的遗体送到火葬场火化的时候,随行的只有他最亲近的12个人,而其他人对于火化的时间和地点都不知道。

爱因斯坦

爱因斯坦在去世之前, 把他在普林斯顿默谢雨街112号的房子留给跟他工作了几十年的秘书杜卡斯小姐,并且强调:“不许把这房子变成博物馆。”他不希望把默谢雨街变成一个朝圣地。他一生不崇拜偶像,也不希望以后的人把他当作偶像来崇拜。

爱因斯坦曾经说过:“我自己不过是自然的一个极微小的部分。”他把一切献给了人类从自然界获得自由的征程,最后连自己的骨灰也回到了大自然的怀抱。但是正如英费尔德第一次与他接触时所感受到的那样:“真正的伟大和真正的高尚总是并肩而行的。”爱因斯坦的伟大业绩和精神永远留给了人类。 爱因斯坦

 

爱因斯坦的家庭

 

爱因斯坦夫妇

 

爱因斯坦与前妻米列娃有一个未婚私生女丽瑟尔(1902—1903?),不过在1903年到1919年爱因斯坦娶了米列娃,后来米列娃为爱因斯坦生了两个儿子汉斯·爱因斯坦和爱德华·爱因斯坦。   

爱因斯坦的第二任妻子爱尔莎是他的堂姐和表姐,他们的母亲是亲姐妹,他们的曾祖父都是鲁普特·爱因斯坦。这个婚姻从1919年到1936年爱尔莎逝世。爱因斯坦的二儿子爱德华受米列娃家庭遗传爱因斯坦与他的第二任妻子爱尔莎的影响患精神分裂,一生未娶。大儿子汉斯·阿尔伯特是美国伯克利加州大学的水利工程教授,有三个孩子,大儿子伯恩哈德·凯撒·爱因斯坦是一名物理学家,二儿子Klaus Martin (1932–1938),以及养女。伯恩哈德·凯撒·爱因斯坦有五个孩子,其中最小的孩子成为了一名医生。

 

爱因斯坦的轶事
 
爱因斯坦

 

韦伯先生慧眼识才

 

爱因斯坦十六岁时报考瑞士苏黎世的联邦工业大学工程系,可是入学考试却告以失败。看过他的数学和物理考卷的该校物理学家韦伯先生却慧眼识英才,称赞他:“你是个很聪明的孩子,爱因斯坦,一个非常聪明的孩子,但是你有一个很大的缺点:就是你不想表现自己。”

韦伯先生是讲对了,爱因斯坦在数学方面可以说是“天才”,他在12岁到16岁时就已经自学学会了解析几何和微积分。而对于不想表现自己这个“缺点”,他也是“死不悔改”。他晚年写给朋友的信中说:“我年轻时对生活的需要和期望是能在一个角落安静地做我的研究,公众人士不会对我完全注意,可是现在却不能了。” 爱因斯坦

 

成功的秘诀

 

有一次,一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘诀。他回答:“早在1901年,我还是二十二岁的青年时,我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你,那就是A=X+Y+Z!A就是成功,X就是正确的方法,Y是努力工作,Z是少说废话!这公式对我有用,我想对许多人也一样有用。”

 

淡泊名利的大师

 

1948年5月14日,以色列国诞生,但不久以色列与周围阿拉伯国家的战争便爆发了。已经定居在美国十多年的爱因斯坦立即向媒体宣称:“现在,以色列人再不能后退了,我们应该战斗。犹太人只有依靠自己,才能在一个对他们存有敌对情绪的世界上生存下去。”1952年11月9日,爱因斯坦的老朋友以色列首任总统魏茨曼逝世。在此前一天,就有以色列驻美国大使向爱因斯坦转达了以色列总理本·古里安的信,正式提请爱因斯坦为以色列共和国总统候选人。当日晚,一位记者给爱因斯坦的住所打来电话,询问爱因斯坦:“听说要请您出任以色列共和国总统,教授先生。您会接受吗?”“不会。我当不了总统。”“总统没有多少具体事务,他的位置是象征性的。教授先生,您是最伟大的犹太人。不,不,您是全世界最伟大的人。由您来担任以色列总统,象征犹太民族的伟大,再好不过了。”“不,我干不了。”爱因斯坦刚放下电话,电话铃又响了。这次是驻华盛顿的以色列大使打来的。大使说:“教授先生,我是奉以色列共和国总理本·古里安的指示,想请问一下,如果提名您当总统候选人,您愿意接受吗?”“大使先生,关于自然,我了解一点,关于人,我几乎一点也不了解。我这样的人,怎么能担任总统呢?请您向报界解释一下,给我解解围。”大使进一步劝说:“教授先生,已故总统魏茨曼也是教授呢。您能胜任的。”“魏茨曼和我不一样。他能胜任,但我不能。”“教授先生,每一个以色列公民,全世界每一个犹太人,都在期待您呢!”爱因斯坦被同胞们的好意感动了,但他想的更多的是如何委婉地拒绝大使和以色列政府,而不使他们失望,不让他们窘迫。不久,爱因斯坦在报上发表声明,正式谢绝出任以色列总统。在爱因斯坦看来,“当总统可不是一件容易的事。”同时,他还再次引用他自己的话:“方程对我更重要些,因为政治是为当前,而方程却是一种永恒的东西。”

爱因斯坦

 

不拘小节的大师

 

有一次,他要把墙上的一幅旧画换下来,就搬来一架梯子,一步一步爬上去。突然,他又想起一个问题,沉思起来,忘记自己在做什么了,猛的从梯子上摔下来。摔到地上以后,他顾不得疼痛,马上想到:人为什么会笔直地掉下来呢?看来物体总是沿着阻力最小的线路运动的。爱因斯坦想到这里便马上站立起来,一瘸一拐地走到桌边,提笔把自己的这个想法记了下来。这对他正在研究的问题——相对论有很大的启发。

 

热爱运动的大师

 

爱因斯坦是一位成就辉煌的科学家。他从小喜欢运动,一生坚持不懈,直到老年,人们尊重地称他“老年运动家”。

有人认为科学家都是成天坐在试验室,摆弄机器,计算数据,生活单调,性格孤僻。其实,不少科学家把生活安排得非常丰富多彩,充满生气,爱因斯坦就是一个典型例子。他在学习或工作十分紧张的情况下,仍抽空参加多种文体活动,尤其喜欢爬山、骑车、赛艇、散步等体育活动。有人形容他工作时的劲头“简直象个疯子,似乎有使不完的精力。”一位伟人说过:不会休息的人,就不会工作。爱因斯坦这种充沛的精力,正是来自他的合理休息和经常锻炼的结果。 爱因斯坦

爱因斯坦于1879年3月14日诞生在德国北部的乌尔姆城,父亲是电气工程师。在家庭的薰陶下,他爱上了科学,不仅善于思考问题,而且喜欢文体活动。15岁时,全家离开德国来到意大利。后来,他考取瑞士苏黎世工业大学,尽管每天学习任务紧张,仍抽出一定时间散步,节假日还要出外旅游或划船。爱因斯坦的这种爱好,不但是从兴趣出发,而且为了提高学习效率。他常对人说:学习时间是个常数,它的效率却是个变数,单独追求学习时间是不明智的,最重要的是提高学习效率。他认为必须通过文体活动,才能获得充沛的精力,保持清醒的头脑,爱因斯坦还根据自己的亲身体会,总结出一个公式,即A=X+Y+Z。A代表成就,X代表劳动,Y代表休息和活动,Z代表少说废话。他把这个公式的内容,概括成两句话:工作和休息是走向成功之路的阶梯,珍惜时间是有所建树的重要条件。

爱因斯坦在物理学上取得伟大成就以后,在世界上获得了很高的荣誉,但是他从来不图虚名,生活一直艰苦简朴。进入中年以后,才华横溢,成就越来越大,不少国家请他去访问和讲学。有一次,他去比利时访问,国王和王后特地成立了一个接待委员会。那一天,火车站上张灯结彩,鼓乐齐鸣,许多官员身穿笔直的礼服,准备隆重地欢迎这位杰出的科学家。火车到站以后,旅客纷纷走下车来,却不见爱因斯坦的影子,他到哪里去了呢?原来,他避开了那些欢迎的人,一位头发灰白又蓬乱的老人一手提着皮箱,一手拿着小提琴,由小车站步行走向王宫。负责招待的人没有迎来贵宾,正在焦急地向王后报告,爱因斯坦风尘仆仆地来到了。王后问他:“为什么不乘我派去的车子,偏偏徒步而行呢?”他笑着回答说:“王后,请不要见怪,我平生喜欢步行,运动带给了我无穷的乐趣.

爱因斯坦庆祝生日吐舌照片拍得7.4万美元

爱因斯坦晚年时,还坚持劳动坚持锻炼,他经常从事一些家务劳动和栽花、浇水、剪枝,还经常邀请朋友去爬山,有意识地磨炼意志,锻炼身体。有一次爱因斯坦和居里夫人及其两个女儿,兴致勃勃地攀登瑞士东部的安加丁冰川。他们按照登山运动员的要求,身背干粮袋,手持木拐杖,顺着山径往上爬。在旅途中,爱因斯坦谈笑风生,十分活跃,好像年轻人一样。从此,人们赠给他一个光荣的称号:老年运动家。

 

爱因斯坦与中国

 

早在1919年,爱因斯坦的相对论就开始介绍到中国,特别是通过1920年英国哲学家罗素来华讲学,给中国学术界留下了深刻的印象。爱因斯坦本人的目光也曾一次次地投射到古老而陌生的中国,1922年冬天,他应邀到日本讲学,往返途中,两次经过上海,一共停留了三天,亲眼看到了处于苦难中的中国,并寄予深切的同情。他在旅行日记中记下“悲惨的图象”和他的感慨:“在外表上,中国人受人注意的是他们的勤劳,是他们对生活方式和儿童福利的要求的低微。他们要比印度人更乐观,也更天真。但他们大多数是负担沉重的:男男女女为每日五分钱的工资天天在敲石子。他们似乎鲁钝得不理解他们命运的可怕。”“爱因斯坦看到这个在劳动着,在呻吟着,并且是顽强的民族,他的社会同情心再度被唤醒了。他认为,这是地球上最贫困的民族,他们被残酷地虐待着,他们所受的待遇比牛马还不如。”(许良英等编译《爱因斯坦文集》,商务印书馆1979年版,20、21页)十几年后(1936年),爱因斯坦在美国普林斯顿大学与前来年进修的周培源第一次个别交谈时就说:“中国人民是苦难的人民。”他的同情是真挚的、发自内心的,不是挂在嘴上,而是付诸行动的。

爱因斯坦

1931年“九一八”事变发生,日本从东北作为突破口侵略中国的狼子野心已昭然若揭,当时的国际社会却表现出无奈和无能,当年11月17日,爱因斯坦公开谴责日本侵略东三省的行径,呼吁各国联合起来对日本进行经济制裁,可惜回音空荡。1932年10月,“五四运动的总司令”(毛泽东语)、中国共产党的创始人陈独秀(时已被开除出党)在上海被捕,他和罗素、杜威等具有国际声望的知识分子联名致电蒋介石,要求释放。1937年3月,主张抗日的沈钧儒、章乃器、王造时、史良等“七君子”被捕入狱后,他又联合杜威、孟禄等著名知识分子通电援救,向国民党当局施加道义的压力。1938年6月,为了帮助中国的抗日战争,他还和罗斯福总统的长子一同发起“援助中国委员会”,在美国2000个城镇开展援华募捐活动。 爱因斯坦是真正的世界公民,他的爱是没有国界的,他对中国的感情没有任何功利色彩,完全建立在人类的同情心和强烈的人道主义情怀之上。他的思想也对中国日益产生深刻而久远的影响,如许良英、周培源等。

1934年,爱因斯坦的文集《我的世界观》在欧洲出版,留学法国的物理学教授叶蕴理根据法文译本转译,1937年抗战前夕由于国难当头,这本书并没有引起多少反响,但读过的人无不深受启发,开始严肃地思考人生的意义、人与国家的关系等问题。1955年,爱因斯坦去世后,许良英和周培源都曾发表长篇悼念文章。不幸的是1968年到1976年的8年间,爱因斯坦在中国竟成了“本世纪以来自然科学领域中最大的资产阶级反动学术权威”,“四人帮”掀起了一场荒诞的批评爱因斯坦运动,好在多数科学家不予理睬,实际上进行了抵制。1979年,北京隆重举行了爱因斯坦诞辰100周年的纪念大会。 爱因斯坦

1920年,中国现代大学之父蔡元培与爱因斯坦接触,希望他可以到北大讲学。在梁启超的资助下,蔡元培接受了爱因斯坦所需的报酬。并约定,爱因斯坦于1922年12月中旬来华,然而直到12月30日,爱因斯坦才从日本到达上海,但是在上海逗留两天,直接乘船去了新加坡,没有前往北京。蔡元培一直等不到爱因斯坦的消息,就写了一封诚挚的信去催问,并重申了以前谈妥的条件。爱因斯坦回信:说上海有一个叫斐司德博士的人,受了蔡元培的全权委托,向爱因斯坦又提出了违背以前约定的要求,因此他不准备来了。如今接到蔡元培的亲笔信,才知道是误会,但他现在已经不能追改旅程计划,希望原谅。多年后人们重提这件令人遗憾的旧事,觉得这个莫名其妙的“斐司德博士”,疑似是日本有人作梗;也有人分析说问题的根本在于爱因斯坦在日本看到中国的状况,产生了退意:当时中国军阀混战,财政困难。感到北大能否兑现约定是未知数。 爱因斯坦在苏黎士上的大学的照片

 

重要贡献

 

相对论

 

提出的意义:相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。它否定了经典力学的绝对时空观,深刻地揭示了时间和空间的本质属性。它也发展了牛顿力学,将其概括在相对论力学之中,推动物理学发展的一个新的高度。

狭义相对论的创立:早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?

爱因斯坦

与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪的笛卡尔和其后的惠更斯首创并发展了以太学说,认为以太就是光波传播的媒介,它充满了包括真空在内的全部空间,并能渗透到物质中。与以太说不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,19世纪,却是波动说占了绝对优势。以太的学说也大大发展:波的传播需要媒质,光在真空中传播的媒质就是以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电磁波,从而统一了光的波动理论与电磁理论。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太,相反,迈克耳逊莫雷实验却发现以太不太可能存在。 爱因斯坦

电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却发现,与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量;然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同。例如,两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。根据伽利略理论,向你驶来的车将发出速度大于C(真空光速3.0x10^8m/s)的光,即前车的光的速度=光速+车速;而驶离车的光速小于C,即后车光的速度=光速-车速。但按照,这两种光的速度相同,因为在麦克斯韦的理论中,车的速度有无并不影响光的传播,说白了不管车子怎样,光速等于C。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?

爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以太绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?这时他一开始怀疑以太存在的必要。 爱因斯坦

爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,却在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。 爱因斯坦在教室讲学

1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。 爱因斯坦

什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何测出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。 20世纪初爱因斯坦在瑞士伯尔尼的故居,那时爱因斯坦还是瑞士专利局的一名普通职员。

光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速非无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。

相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。

爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc^2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。

 

广义相对论的建立爱因斯坦

 

1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后,并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。

1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。

在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论。 70多岁的爱因斯坦

1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。

1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文,在这四篇论文中,他提出了新的看法,证明了水星近日点的进动,并给出了正确的引力场方程。至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生了。1916年,爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》,在这篇文章中,爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。

70多岁的爱因斯坦

爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,。最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年,在英国天文学家爱丁顿的鼓动下,英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是:星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告,确认广义相对论的结论是正确的。会上,著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说:“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”,“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。爱因斯坦成了新闻人物,他在1916年写了一本通俗介绍相对论的书《狭义与广义相对论浅说》,到1922年已经再版了40次,还被译成了十几种文字,广为流传。

 

相对论的意义

 

狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

爱因斯坦

对于爱因斯坦引入的这些全新的概念,当时地球上大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。甚至有人说“当时全世界只有两个半人懂相对论”。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。”对爱因斯坦的诺贝尔物理学奖颁奖辞中竟然对于爱因斯坦的相对论只字未提。(注:相对论没有获诺奖,一个重要原因就是还缺乏大量事实验证。)

物质不灭定律,说的是物质的质量不灭;能量守恒定律,说的是物质的能量守恒。(信息守恒定律)

虽然这两条伟大的定律相继被人们发现了,但是人们以为这是两个风马牛不相关的定律,各自说明了不同的自然规律。甚至有人以为,物质不灭定律是一条化学定律,能量守恒定律是一条物理定律,它们分属于不同的科学范畴。

爱因斯坦认为,物质的质量是惯性的量度,能量是运动的量度;能量与质量并不是彼此孤立的,而是互相联系的,不可分割的。物体质量的改变,会使能量发生相应的改变;而物体能量的改变,也会使质量发生相应的改变。

在狭义相对论中,爱因斯坦提出了著名的质能公式:(这里的E代表能量,m代表减少质量,c代表光的速度,近似值为,这说明能量可以用减少质量的方法创造!)。

爱因斯坦的理论,最初受到许多人的反对,就连当时一些著名物理学家也对这位年青人的论文表示怀疑。然而,随着科学的发展,大量的科学实验证明爱因斯坦的理论是正确的,爱因斯坦才一跃而成为世界著名的科学家,成为20世纪世界最伟大的科学家。

爱因斯坦的质能关系公式,正确地解释了各种原子核反应:就拿氦4来说,它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理,氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上,这样的算术并不成立,氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了0.0302u(原子质量单位)!这是为什么呢?因为当2个氘[dao]核(每个氘核都含有1个质子、1个中子)聚合成1个氦4原子核时,释放出大量的原子能。生成1克氦4原子时,大约放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因为这样,氦4原子核的质量减少了。

这个例子生动地说明:在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时,似乎质量并不守恒,也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而,用质能关系公式计算,氦4原子核失去的质量,恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量!

这样一来,爱因斯坦就从更新的高度,阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质,指出了两条定律之间的密切关系,使人类对大自然的认识又深了一步。

 

光电效应

 

1905年,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖。

光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。

光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应,爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应(金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子)。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。

光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关 ,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。

爱因斯坦和他的妻子埃尔莎1930年新年前夕到达美国圣迭戈市。1933年,纳粹统治了德国,爱因斯坦离开了他的祖国,在美国新泽西州普林斯顿度过了他生命最后的22年时光。1952年,刚成立的以色列曾想

 

是大师,不是上帝

 

“上帝不掷骰子”

 

爱因斯坦曾经是量子力学的催生者之一,但是他不满意量子力学的后续发展,爱因斯坦始终认为“量子力学(以波尔为首的哥本哈根诠释:“基本上,量子系统的描述是机率的。一个事件的机率是波函数的绝对值平方。”)不完备”,但苦于没有好的解说样板,也就有了著名的“上帝不掷骰子”的否定式呐喊!爱因斯坦到过世前都没有接受量子力学是一个完备的理论。爱因斯坦还有另一个名言:“月亮是否只在你看着他的时候才存在?”(注:爱因斯坦对量子力学的挑战已经失败,试验证实了,“上帝不仅掷骰子,而且他总是把骰子扔到我们看不到的地方!”——斯蒂芬·威廉·霍金)

 

宇宙常数 普林斯顿的办公室

 

爱因斯坦在提出相对论的时候,曾将宇宙常数(为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在﹐他在引力场方程中引进一个与度规张量成比例的项﹐用符号Λ 表示。该比例常数很小﹐在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下﹐Λ 才可能有意义﹐所以叫作宇宙常数。即所谓的反引力的固定数值)代入他的方程。他认为,有一种反引力,能与引力平衡,促使宇宙有限而静态。当哈勃得意洋洋地将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时,爱因斯坦惭愧极了,他说:“这是我一生所犯下的最大错误。”

宇宙是膨胀着的! 哈勃等认为,反引力是不存在的,由于星系间的引力,促使膨胀速度越来越慢。 那么,爱因斯坦就完全错了吗?不。星系间有一种扭旋的力,促使宇宙不断膨胀,即暗能量。70亿年前,它们“战胜”了暗物质,成为宇宙的主宰。最新研究表明,按质量成份(只算实质量,不算虚物质)计算,暗物质和暗能量约占宇宙96%。看来,宇宙将不断加速膨胀,直至解体死亡。(目前也有其它说法,争议不休)。宇宙常数虽存在,但反引力的值远超过引力。也难怪这位倔强的物理学家与波尔在量子力学的争论:“上帝是不掷骰子的!”(不要指挥上帝如何决定宇宙的命运)。林德饶有风趣的说:“现在,我终于明白,为什么他(爱因斯坦)这么喜欢这个理论,多年后依然研究宇宙常数,宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。” 爱因斯坦在普林斯顿的住所

 

爱因斯坦的名言

 

“想象力比知识重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。”

“兴趣是最好的老师。”

“自然界最不可理解的就是它竟然可以理解。”

·一个人的价值,应当看他贡献什么,而不是看他取得什么。

· 在真理和认识方面,任何以权威者自居的人,必将在上帝的戏笑中垮台!

·凡在小事上对真理持轻率态度的人,在大事上也是不足信的。

·苦和甜来自外界,而坚强则来自于内心,来自于一个人坚持不懈的努力!

·智慧并不产生于学历,而是来自对于知识的终身不懈的追求。

·真正有价值的东西不是出自雄心壮志或单纯的责任感;而是出自对人和对客观事物的热爱和专心。

·科学研究好像钻木板,有人喜欢钻薄的,而我喜欢钻厚的。

·每个人都有一定的理想,这种理想决定着他的努力和判断的方向。

·想象力比知识更重要。

·如果有一个能够应付现代科技需求,又能与科技相依共存的宗教,那必定是基督教。

·人生最后的领域只能在佛教中找到答案。

·我不是一名宗教徒,但如果可以的话,我愿成为一名基督徒。------阿尔伯特·爱因斯坦

 

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