图:Ferdinand Schmutzer, 1921(公有领域)
阿尔伯特·爱因斯坦
Albert Einstein1879–1955 · 生于德国乌尔姆 · 德国 → 瑞士 → 美国
重新定义了时间、空间与引力的人
诺贝尔物理学奖 1921 对理论物理学的贡献,特别是发现光电效应定律
「想象力比知识更重要。知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步。」
—— 1929 年接受《星期六晚邮报》采访
在人类历史上,很少有人像爱因斯坦这样,仅凭头脑中的思想实验,就把整个宇宙的图景推倒重建。他证明了时间不是均匀流逝的河流,空间不是坚固的舞台,而引力——那个让苹果落地的力——其实是时空本身的弯曲。
专利局里的年轻人
爱因斯坦的起点毫不耀眼。他大学毕业后找不到教职,靠同学父亲的关系才在伯尔尼专利局谋得一份审查专利申请的差事。但这份「屈才」的工作意外地成全了他:审查电磁装置的专利让他天天与时钟同步、信号传输这类问题打交道,而下班后的时间完全属于自己。
他和几位朋友组建了自嘲式的「奥林匹亚科学院」,在小公寓里读马赫、庞加莱和休谟,边喝咖啡边争论物理与哲学。正是在这种没有导师、没有考核的自由空气里,那些颠覆性的问题开始生根:如果我追上一束光,会看到什么?
奇迹之年
1905 年,二十六岁的专利员在业余时间连续投出四篇论文,每一篇都足以奠定一个人的学术生涯:
- 光量子假说——光由一份份能量子组成,解释了光电效应(这篇为他赢得诺贝尔奖);
- 布朗运动理论——为原子的真实存在提供了可被实验验证的证据;
- 狭义相对论——时间与空间随观察者的运动状态而改变;
- 质能方程——,质量与能量是同一枚硬币的两面。
科学史上把这一年与牛顿的 1666 年并称为「奇迹年」。而这一切发表时,作者的职务栏写的还是「专利局三级技术员」。
十年长征:广义相对论
狭义相对论有一个刺眼的漏洞:它容不下引力。爱因斯坦花了整整十年填补它。1907 年,他在专利局的椅子上想到「一个自由下落的人感觉不到自己的重量」——他后来称之为「一生中最幸福的思想」。顺着这个等效原理,再借助黎曼几何这门当时冷僻的数学,他在 1915 年 11 月写下了广义相对论场方程。
1919 年,英国天文学家爱丁顿远征西非观测日全食,证实星光经过太阳附近时确实发生了爱因斯坦预言的偏折。第二天,伦敦《泰晤士报》的标题是「科学革命——牛顿观念被推翻」。爱因斯坦一夜之间成了科学的代名词。
与玻尔的世纪之辩
讽刺的是,这位亲手打开量子大门的人,终生无法接受量子力学的概率诠释。「上帝不掷骰子」,他在与玻尔长达数十年的论战中反复申辩。1935 年他与合作者提出 EPR 佯谬,试图证明量子力学不完备——结果这个「反对派武器」反而催生了量子纠缠研究,成为今天量子通信与量子计算的理论源头。伟大的反对,同样推动科学。
他自己都不信的那个预言
1916 年,广义相对论问世刚一年,爱因斯坦从场方程里推出一个结论:时空本身可以起波纹。两个天体互相绕转时会把能量以「引力波」的形式辐射出去,以光速传播。
然后他花了二十年反复怀疑这件事。
1936 年,他与罗森写成一篇题为《引力波存在吗?》的论文,结论是不存在——他们认为那不过是坐标选取造成的假象。文章投给《物理评论》,编辑按惯例送了外审。审稿人指出推导有误,退回十页意见。爱因斯坦此前从未经历过审稿(当时德国期刊不做匿名评审),愤而撤稿,并写信声明今后不再向该刊投稿。文章改投别处;而在改投之前,他被同事罗伯逊说服,把结论倒了过来——引力波是存在的,之前那个「奇点」只是坐标问题。
即便如此,他仍认为它们弱到永远测不到。这个判断差点就对了:直到 2015 年 9 月 14 日,两台 LIGO 探测器同时捕捉到十三亿光年外两个黑洞并合传来的信号,引起的臂长变化约为一个质子直径的千分之一。
从预言到证实,整整一百年。
最后的岁月
流亡美国后,爱因斯坦在普林斯顿度过了余生。他晚年孤独地追寻统一场论,远离了物理学的主流,却从未停笔。1955 年 4 月 18 日他去世时,病床边还放着写满演算的草稿。他留下的遗产无处不在:没有相对论的修正,GPS 每天会偏差十公里;没有光量子,就没有激光、光伏电池和数码相机的感光元件。
一个人最完美的状态,是把自我从琐碎的欲望中解放出来,去追问这个宇宙的本来面目。——这大概就是爱因斯坦一生的注脚。
代表方程
质能方程
质量本身就是被封存的巨大能量——一克物质里蕴含的能量足以让一座城市明亮一晚。
广义相对论场方程
物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。
光电效应方程
光是一份一份的能量包,每一份的能量只由频率决定——量子革命由此打开大门。
伟大发现
狭义相对论
时间与空间不是绝对的舞台,而会随观察者的运动状态伸缩——光速才是宇宙中唯一的不变量。
广义相对论
引力不是一种力,而是质量使时空弯曲的几何效应——行星沿着弯曲时空中「最直的路」运行。
光电效应与光量子
光不是连续的波,而是一份一份的能量包——「光子」概念的诞生,为量子力学劈开了第一道门缝。
布朗运动与原子的实在性
显微镜下悬浮微粒永不停歇的颤动,被爱因斯坦算成了一条可检验的定律 ;佩兰 1908 年起用它和沉降平衡数出了阿伏伽德罗常数,原子从「方便的假设」变成了可以计数的东西。
固体比热与声子
杜隆-珀蒂定律在低温下失效,爱因斯坦用量子解释了它为何下降,德拜换上整块晶体的振动谱,才算对了那个 。