爱因斯坦

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1921年演讲中的爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦,或译亚伯特·爱因斯坦(德语:Albert Einstein,1879年3月14日-1955年4月18日),犹太裔理论物理学家,创立了现代物理学的两大支柱之一的相对论,也是质能等价公式(E = mc2)的发现者。他在科学哲学领域颇具影响力。因为“对理论物理的贡献,特别是发现了光电效应的原理”,他荣获1921年诺贝尔物理学奖。这发现为量子理论的建立踏出了关键性的一步。

爱因斯坦在职业生涯早期就发觉经典力学与电磁场无法相互共存,因而发展出狭义相对论。他又发现,相对论原理可以延伸至重力场的建模。从研究出来的一些重力理论,他于1915年发表了广义相对论。他持续研究统计力学与量子理论,导致他给出粒子论与对于分子运动的解释。在1917年,爱因斯坦应用广义相对论来建立大尺度结构宇宙的模型。

阿道夫·希特勒于1933年开始掌权成为德国总理之时,爱因斯坦正在走访美国。由于爱因斯坦是犹太裔人,所以尽管身为普鲁士科学院教授,亦没有返回德国。1940年,他定居美国,随后成为美国公民。在第二次世界大战前夕,他在一封写给当时美国总统富兰克林·罗斯福的信里署名,信内提到德国可能发展出一种新式且深具威力的炸弹,因此建议美国也尽早进行相关研究,美国因此开启了曼哈顿计划。爱因斯坦支持增强同盟国的武力,但谴责将当时新发现的核裂变用于武器用途的想法,后来爱因斯坦与英国哲学家伯特兰·罗素共同签署《罗素—爱因斯坦宣言》,强调核武器的危险性。

爱因斯坦总共发表了300多篇科学论文和150篇非科学作品。爱因斯坦被誉为是“现代物理学之父”及20世纪世界最重要科学家之一。他卓越和原创性的科学成就使得“爱因斯坦”一词成为“天才”的同义词。


拍摄于1882年,3岁时的爱因斯坦

早年生活与教育
爱因斯坦于1879年3月14日出生在德意志帝国(德国)之符腾堡王国乌尔姆市。父亲赫尔曼·爱因斯坦是一名商人。母亲宝琳·柯克从小受到良好教育,演奏钢琴造诣深厚。1880年,举家迁往慕尼黑,爱因斯坦的父亲与叔叔在那里经营一间电器公司,专门设计与制造电器。

爱因斯坦一家是不遵循犹太教规的阿什肯纳兹犹太人。爱因斯坦学习说话的速度比较缓慢,父母因此很担心,甚至曾经找过医生看诊。他2岁后才学会使用字词,并且养成一种奇怪习惯,就是每当他想要说话之前,他都会先小声的对自己说几遍,直到觉得满意,才会大声说出来。家人都很担心,怕他以后会有学习障碍。

在4岁或5岁时的某天,父亲送了一只指南针给卧病在床的爱因斯坦,他深深地被磁针展现出的奇异行为所迷住,这成为他以后对物理学产生浓厚兴趣的原因之一。大约在那时期,他开始学习拉小提琴。爱因斯坦5岁时进入一所天主教小学就读。8岁时,他转学到路特波德文科中学,(后来改名为阿尔伯特·爱因斯坦文科中学),这学校很注重数学、科学、拉丁文与希腊文。在这里,他获得7年良好的教育。

摄于1893年,14岁时的爱因斯坦

爱因斯坦的父亲所经营的电器公司,因无法与大公司竞争而被迫于1894年关闭,全家随后搬至意大利帕维亚,只有爱因斯坦继续留在慕尼黑完成学业。虽然他住在远房亲戚家里,但他心里仍有被丢弃的感觉。严格专制的校风与机械式的学习方式令他难以忍受。那年年底,他借口身体不适,毅然决然地离开学校,搬去帕维亚与家人会合。这样,他也可以避免从军。后来,他决然放弃德国国籍,成为无国籍人。在意大利的时期,年仅16岁的他撰写了有生以来第一篇理论物理论文,标题为《磁场里以太的状态的研究》。

年仅16岁的爱因斯坦参加了瑞士苏黎世联邦理工学院的1895年入学考试,这时的他比大多数考生至少要小两岁。虽然他在数理科部分得到高分,但没有通过考试的文科部分。理工学院院长建议他先完成高中学业,因此他进入瑞士阿劳的阿劳州立中学读书,住在教授焦思特·温特勒的家里。几个月后,他爱上了温特勒的女儿玛莉。隔年9月,他成功通过瑞士高中毕业考试,大部分学科都获得优良成绩,特别是在物理与数学两个学科,都得到了最高分6分。

爱因斯坦的父亲很希望爱因斯坦能够继承他的电机工程事业,但爱因斯坦对这不感兴趣,他认为对他而言这是大材小用。1896年,年仅17岁的爱因斯坦获准进入苏黎世联邦理工学院师范系数理科学习物理。他在那里遇到未来妻子米列娃·马利奇。同班六名学生中,米列娃是唯一女性,她比爱因斯坦大三岁。爱因斯坦与米列娃在物理方面有共同的兴趣与目标,久而久之渐渐擦出爱情火花。1900年,爱因斯坦获得教学文凭,平均分数为4.9,是全班五名学生中第四名;米列娃的平均分数为4.0,是最后一名,校方不准她毕业,必须留级一年。有些人认为,米列娃与爱因斯坦合作写出著名的1905年论文,但物理历史学者经过仔细研究后,找不到任何证明她做出实质贡献的依据。

婚姻与家庭

爱因斯坦与第一任妻子米列娃,1912年

爱因斯坦与米列娃的一封早期往来信件于1987年被发现与发表,信中透露他们在婚前曾有一名称为丽瑟尔的女儿。1902年初,丽瑟尔诞生在塞尔维亚诺威萨米列娃的娘家。米列娃并没有带着丽瑟尔回瑞士,丽瑟尔的命运至今仍旧未知。爱因斯坦可能从未见过丽瑟尔。在1903年9月一封写给米列娃的信里,爱因斯坦最后一次提到她,内容暗示女婴可能被收养或死于猩红热。

爱因斯坦和米列娃在1903年1月结婚。婚后生了两个儿子,大儿子汉斯·爱因斯坦于1904年5月在瑞士伯尔尼出生。二儿子爱德华·爱因斯坦于1910年7月在瑞士苏黎世出生。4年后,爱因斯坦任聘为德国柏林洪堡大学教授,一家人又再搬回德国柏林。由于夫妻感情不好,米列娃带着两个儿子到苏黎世居住,爱因斯坦仍旧留在柏林。

第一次世界大战结束后不久,他俩已分居5年,但婚姻终旧无法挽回,他们正式于1919年2月14日离婚。尽管有报道指出,他为了离婚把光电效应的诺贝尔奖金全部给了米列娃,但是爱因斯坦与妻子和孩子间的信件表明大部分奖金被他用来在美国投资了,其中很多都在大萧条中成为了泡沫,二儿子爱德华对西格蒙德·佛洛伊德的精神分析有兴趣,20岁时精神崩溃,医生诊断为思觉失调,母亲长期照顾他。母亲百年后,他被送进精神病院生活,直到1965年过世。

爱因斯坦和米列娃的婚姻并不快乐。爱因斯坦曾经在1910年写信给他读中学时的女友玛莉·温特勒,在这封于2015年被公开的信里,爱因斯坦写到他的婚姻状况:“每一分钟空闲时间,我都以诚挚的爱想到你;我现在感受到只有男人能够感受到的不快乐。”那时,米列娃正怀有二儿子爱德华。

爱因斯坦与第二任妻子爱尔莎

爱因斯坦的第二任妻子爱尔莎·爱因斯坦是他的亲戚,在父系方面,他们都是同一位曾祖父的后代,在母系方面,他们都是同一位外祖父的后代。他们在1919年6月2日结婚。1933年,为了逃避纳粹德国,他们移民到美国,居住在普林斯顿。两年后,爱尔莎被诊断出患有心脏与肾脏疾病,必需卧床休息。她的病情迅速恶化,并于1936年过世。1935年,他的继女玛歌(Margot)将他介绍给玛格丽塔(Margarita Konenkova),之后两人坠入恋爱。一位俄国间谍专家指认玛格丽塔是俄国间谍,但这说法尚未被历史学者证实。

瑞士专利局
爱因斯坦在1900年毕业,没能留校担任助教,接下来两年时间都没能找到教职。1901年获得瑞士国籍,由于健康因素,他没有被征召入伍当兵。1902年在大学同学马塞尔·格罗斯曼的父亲协助下,成为伯尔尼瑞士专利局的助理鉴定员,从事电磁发明专利申请的技术鉴定工作。1903年成为正式职员。

爱因斯坦在专利局的工作很多都是与电信号传递、机电时间的同步化这类技术问题有关,这两类技术问题也时常会明显地出现在爱因斯坦的思想实验里,而这些思想实验最终导致爱因斯坦作出关于光的性质与时空之间的基础关联的大胆结论。

他利用业余时间开展科学研究,并且和在伯尔尼遇到的几位朋友组成讨论小组,自嘲地取名为“奥林匹亚学院”。他们时常定期聚集在一起讨论科学和哲学,共同阅读昂利·庞加莱、恩斯特·马赫和大卫·休谟的著作,他的科学哲学的发展因此深受影响。

学术生涯

1921年,爱因斯坦荣获诺贝尔物理学奖之后的官方肖像

爱因斯坦最早于1900年已在极具权威性的德国《物理年鉴》发表论文《毛细现象的结论》,由于这篇论文的基本猜测并不正确,其对于日后物理学的发展并没有给出任何实质贡献。那年,他决定继续攻读博士学位,由于苏黎世联邦理工学院并不提供物理博士学位,他必须通过特别安排从苏黎世大学得到博士学位。隔年,他成为苏黎世大学实验物理学教授阿尔弗雷德·克莱纳的博士学生。那年11月,他写完了初版的博士论文,但克莱纳并不满意这论文,特别是爱因斯坦在论文里对于其它科学权威的攻击。经过努力改善,1905年,他的博士论文《分子大小的新测定法》终获接受,他可以得到博士学位。同年,他发表了关于光电效应、布朗运动、狭义相对论、质量和能量关系的四篇论文,在物理学的四个不同领域中取得了历史性成就。该年被后人称为“爱因斯坦奇迹年”。

到了1908年,爱因斯坦已被公认为物理学领域的顶尖学者,伯尔尼大学聘请他为讲师,但由于薪俸微薄,他仍需继续在专利局工作。隔年,苏黎世大学新设立了一个理论物理学副教授席位,克莱纳很想让爱因斯坦专任这份工作,可是克莱纳很不欣赏爱因斯坦的教学风格,他讲课时会长时间独白,并且缺乏条理,爱因斯坦只好提议,在苏黎世的物理学会开一场讲课,请克莱纳再评估一次。经过精心准备,爱因斯坦的讲课获得好评,克莱纳于是向苏黎世大学推荐爱因斯坦,“自从他在相对论的成就之后,他已是最重要的理论物理学者之一……爱因斯坦博士会证实他也是一位教师,因为他的才智与良心会在必要时间促使他接受建议”。爱因斯坦成为苏黎世大学的理论物理学副教授,他辞去了专利局工作。

那时期,布拉格查理大学正在努力招募年轻物理人才,在名望与薪资的双重吸引下,爱因斯坦1911年转任这所大学的教授,同时获准成为奥匈帝国的公民。任职期间,他共撰写了11篇科学论文,其中5篇论述辐射数学与固体量子理论。1912年7月,他又回到母校苏黎世联邦理工学院担任理论物理学教授,主要是教导分析力学与热力学,在学术研究方面,他专注于引力问题,与数学家朋友马塞尔·格罗斯曼共同尝试找到解答,突破似乎在望,但真正严格表述还要等待几年。

应马克斯·普朗克和瓦尔特·能斯特的邀请,爱因斯坦于1914年回到德国担任威廉皇家物理研究所的第一任所长(1914-1932)兼柏林洪堡大学教授,而且不需要在课堂担任教职。很快地,他当选为普鲁士科学院院士。1916年,又获选为德国物理学会的会长(1916-1918)。

爱因斯坦于1915年发表了广义相对论。根据这理论,他预言,光线经过太阳引力场时会被弯曲。1919年,这预言由英国天文学家亚瑟·爱丁顿观测1919年5月29日日食的结果所证实。全世界的很多新闻媒体都以头版报导这惊人的观测结果,爱因斯坦因此成为家喻户晓的物理学者,同年11月7日,英国泰晤士报的头条新闻标题宣告,“科学革命,宇宙新理论已将牛顿绘景推翻”。

1917年,爱因斯坦在《论辐射的量子性》一文中提出了受激辐射理论,开创了激光学术领域。

1919年11月10日《纽约时报》刊登对于光线被弯曲的新观察,并且表示这是爱因斯坦理论的大胜利

由于在光电效应方面的研究成果,爱因斯坦获授予1921年诺贝尔物理学奖。在瑞典科学院的公告中并未提及相对论,原因是相对论被认为仍旧存在争议。

普林斯顿岁月

爱因斯坦在普林斯顿的居所

1933年1月,纳粹党攫取德国政权,希特勒成为德国总理。那时,爱因斯坦正在美国,由于纳粹党鼓吹反犹太主义,爱因斯坦知道他无法返回德国。3月,爱因斯坦与妻子爱尔莎坐船来到比利时。途中,爱因斯坦获知,纳粹借口闯入了他的暑假小屋,又没收了他的心爱小船。抵达安特卫普后,他立刻到德国大使馆缴回护照,并且宣布再度放弃德国国籍,他又向普鲁士科学院提出辞呈,他在辞呈里表示,“就目前情势来看,他觉得无法忍受倚赖普鲁士政府。”

回到美国后,10月,爱因斯坦成为普林斯顿高等研究院的常驻教授,他此后有生之年,几乎都在这里度过,他再也没有踏上欧洲一步。除了爱因斯坦以外,奥斯瓦尔德·维布伦、约翰·冯·诺伊曼、库尔特·哥德尔与赫尔曼·外尔等等世界级学者也都获聘来到这里做研究。爱因斯坦与哥德尔成为忘年之交,他们每天都会一起走路到研究室工作,途中顺便讨论一些科学问题。爱因斯坦本性幽默,很喜欢开玩笑,而严肃的哥德尔则疑心很重,时常忧虑、郁闷;爱因斯坦极力主张量子力学的不完备性,哥德尔的不完备定理则是现代逻辑学的重要里程碑。在某些方面,他们很像对方,他们都有“打破砂锅问到底”的习性,想要找到问题的症结所在。

在这段时期,爱因斯坦尝试发展出统一场理论,驳斥量子物理的哥本哈根诠释,但都没有获得重大突破,他逐渐地与物理研究的主流趋势脱节。

二战和曼哈顿工程
在1939年,包括利奥·西拉德、爱德华·泰勒、尤金·维格纳在内的一群流亡物理学者试图警告美国政府,揭露纳粹德国正在进行的原子弹研究;他们把警告美国人民视为己任:德国科学家也许会赢得制造原子弹竞赛的胜利;希特勒会毫不犹豫地使用这种武器。为了要让美国警觉到原子弹的巨大威胁,他们曾拜访爱因斯坦,告诉他杀伤力超强的原子弹可能在不久的将来被制成。爱因斯坦支持和平主义,他正在专心研究统一场理论,并不清楚核子研究的最新发展,他从未想到这项技术的进展会如此快速。爱因斯坦被说服借助其崇高声望和西拉德写信给美国总统富兰克林·罗斯福。他们还建议美国政府注重并直接介入核武器研究。这封信被认为是,美国在参与二战前夕,展开大规模核武器研究的关键激励因素。罗斯福不能冒险让希特勒抢先掌握原子弹技术。由于爱因斯坦的信件,美国加入研制原子弹竞赛,依托其巨大的材料、金融、科学资源展开曼哈顿计划,成为在二战中唯一成功研制出原子弹的国家。


晚年时的爱因斯坦

对爱因斯坦而言,“战争是一种疾病……他呼吁抵抗战争”。写给罗斯福的那封信违反了爱因斯坦所支持的和平主义。在过世之前一年,爱因斯坦对老朋友莱纳斯·鲍林说:“我一生之中犯了一个巨大的错误:我签署了那封要求罗斯福总统制造核武器的信。但是犯这错误是有原因的:德国人制造核武器的危险是存在的。”

离世
爱因斯坦69岁时被诊断出患有腹主动脉瘤,著名肠胃科权威医生鲁道夫·尼森是他的开刀医生,他用玻璃纸紧紧包住葡萄柚尺寸的瘤,试图促使血管纤维化,降低破裂的风险。爱因斯坦可能因此手术多活了几年。

1955年4月13日,爱因斯坦的腹主动脉瘤破裂,引起内出血。他正在撰写的一篇庆祝以色列建国7周年的电视讲稿,还没有写完,就于18日过世,享寿76岁。在那时代,动手术治疗在技术上成功率很高,纽约医院的医生弗兰克·格伦(Frank Glenn)建议立刻动手术治疗,但爱因斯坦坚决拒绝,他表示:“当我想要离去的时候请让我离去,一味地延长生命是毫无意义的。我已经完成了我该做的。现在是该离去的时候了,我要优雅地离去。”

在验尸过程中,病理学家托马斯·哈维医生,未经爱因斯坦的家人允许,私自取下爱因斯坦的大脑保存,他希望未来神经科学研究能够发现爱因斯坦那么聪明的原因。遵照爱因斯坦的遗嘱,他身体的其它部分在过世当天就被火化,包括他的儿子汉斯在内,只有12人在场参与简单的仪式。火化后,骨灰全都撒在附近的特拉华河里。

主要科学成就
爱因斯坦一生发表了很多书籍与论文。除此以外,他还与很多科学家合作贡献出很多重要结果。

奇迹年论文
爱因斯坦于1905年在《物理年鉴》发表了四篇划时代的论文。从来没有人能在这么短暂的时间内对于现代物理给出这么多重大贡献[19]:121。这一年因此被称为“爱因斯坦奇迹年”。这四篇论文分别为


相对论和爱因斯坦质能方程

爱因斯坦在论文《论运动物体的电动力学》里提出了狭义相对论的两个基本公设:“光速不变”,以及“相对性原理”,按照这两个基本公设对于经典力学在运动速度接近光速时做出一些重要修正,从而化解了麦克斯韦方程组与经典力学定律之间的矛盾。经过整理之后,这些创举成为爱因斯坦的狭义相对论。

承认时空的相对性与光速的不变性导致了几个必然的推论。一是运动物体在其运动方向会表现出长度收缩。二是运动物体会经历时间膨胀。也就是说,一个运动中的钟表要比静止的同样钟表走得慢。三是以太的概念其实是多余无用的。

爱因斯坦在表述质能等价的论文里,从狭义相对论的方程里推导出质能方程E = mc2。这意味着能量和质量其实是一回事,可以相互转换。对于任何物体来说,其质量会随着其速度的增加而增加。

爱因斯坦的相对论曾经有很多年备受争议,他获得1921年诺贝尔物理学奖并不是因为表扬他在相对论做出重大贡献。普朗克是最热烈支持相对论的物理学者之一。

光子与能量量子

光电效应示意图:来自左上方的光子冲击到金属板,将电子逐出金属板,并且向右上方移去

在论文《关于光的产生和转变的一个启发性观点》里[60],爱因斯坦提出光量子假说,即光是由离散的能量量子组成,这能量量子称为光量子,后来被简称为光子。最初,光量子假说遭到物理学者强烈质疑,其中包括马克斯·普朗克以及尼尔斯·玻尔。后来,罗伯特·密立根做实验证实了光电效应的方程,阿瑟·康普顿做康普顿散射实验展示在某种情况下光会表现出粒子性。直到1919年,光量子假说才被广为接受。

爱因斯坦得到了一个结论,频率为f的光束是由能量为hf的光量子所组成;其中,h为普朗克常数。爱因斯坦并没有对这结论给出很多解释,实际而言,他并不确定光量子与光波之间的关系。但是,他的确建议这点子能够解释某些实验结果,尤其是光电效应。

量子化原子振动
在1906年论文《普朗克的辐射理论和比热容理论》里,爱因斯坦提出一种新的描述物质的物理模型,称为爱因斯坦模型。在这模型里,位于晶格结构里的每一个原子都被视为一个独立的量子谐振子,它们各自以相同频率像弹簧一样做简谐振动,因此具有离散的能级。杜隆-珀蒂定律预言比热容为常数,在高温极限时,这模型给出相同的理论结果;而当温度趋于零时,这模型预言比热容也趋于零,与实验结果相符合。这是20世纪初期第三个被发现的重要量子理论。

爱因斯坦模型预言比热容以温度的指数函数趋于零,这是因为它假设所有谐振子的振动频率相同。彼得·德拜对于这假设给予修正,在他研究出的德拜模型里,振动频率不一样,因此比热容以温度的立方函数趋于零。

波粒二象性
在爱因斯坦的光量子假说中,光量子只是表现出能量的不连续性,它尚未被赋予粒子应具有的性质,所以不能被严格视为粒子。1909年,在爱因斯坦发表的两篇论文《论辐射问题的现状》与《论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展》里,爱因斯坦阐明,光量子具有良好定义的动量,并且在某些方面表现出类点粒子的物理行为。这两篇论文引入了光子的概念(吉尔伯特·路易斯于1926年给出术语光子的命名),启发了量子力学的波粒二象性观念。他又表示,理论物理下一个阶段将会发展出一种能够将光的波动论与光的粒子论融合在一起的理论。在这里,“融合”意味着波粒二象性,或更加延伸,尼尔斯·玻尔后来提出的互补原理。

临界乳光理论
在临界点附近,照射于介质的光束会被介质强烈散射,这现象称为临界乳光。波兰物理学者马里安·斯茅鲁樵斯基于1908年首先表明,临界乳光的机制为介质密度涨落,他并没有给出相关的方程。两年后,爱因斯坦应用统计力学严格论述介质的分子结构所形成的密度涨落,从而推导出相关的方程,并且用这方程给出另一种计算阿伏伽德罗常数的方法,更有意思的是,这临界乳光的机制可以解释天空呈蓝色的现象。

按照瑞利散射理论,瑞利散射光的辐照度和入射光波长的四次方成反比。应用瑞利散射来解释天空的蓝色现象,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。因此,天空的颜色是蓝色的。瑞利散射方程能够准确地描述光束对于气体的瑞利散射行为,但对于液体并不适用。爱因斯坦的临界乳光理论更一般地适用于液体与气体;瑞利散射只是临界乳光问题的一个特别案例。后来,布鲁诺·齐姆分析粒子在气体与液体里的随机性,将瑞利散射理论加以延伸来描述光在液体里的散射行为。

零点能
零点能指的是量子系统处于基态时所拥有的能量,量子系统所拥有能量不能低于零点能。普朗克于1911年至1913年之间重新表述他的1900年量子理论时提出了零点能的概念,他指出,在绝对温度(或温度趋于绝对温度),振动频率为 v 的谐振子,其平均能量不是零,而是零点能 hv /2。

爱因斯坦和助手奥托·施特恩对于这点子极感兴趣。他们研究出一种方法,能够证实零点能的存在。他们假设双原子分子的旋转能含有零点能,并且所有双原子分子以同样角速度旋转,然后计算出双原子分子气体的比热容。他们在1913年论文《对于分子在绝对零度下的扰动假设的某些论证》里,将氢气的理论比热容与实验数据相互比较,他们总结,零点能 hv /2可能存在。

虽然这计算结果很漂亮地符合实验数据,不久之后,他们又撤回了这篇论文,主要原因是保罗·埃伦费斯特给出更具一般性的计算,从假设双原子分子以某种统计分布的角速度进行旋转,并且遵守普朗克的量子理论,他计算出与实验数据相符合的理论结果,因此他总结,零点能不存在。[66]:48-49一直到1925年,零点能的存在才被维尔纳·海森堡在他的著名论文《运动与机械关系的量子理论重新诠释》里理论证实。

广义相对论

英国天文学家亚瑟·爱丁顿拍摄到的1919年5月29日日食

爱因斯坦在1907-1915年间创建的广义相对论是一种引力理论。根据广义相对论,在质量与质量之间观测到的引力是源自于这些质量所造成的时空弯曲。在现代天文物理学里,广义相对论是重要工具。

在接受1921年诺贝尔物理奖的演讲时,爱因斯坦表示狭义相对论对于惯性运动的偏好并不令人满意,而从最开始就不偏好任何运动状态(不论是匀速运动或加速度运动)的理论,应该会显得更令人满意,因此他才会尝试发展广义相对论。他在1907年论文《关于相对性原理和由此得出的结论》里指出,自由下落实际是一种惯性运动,对于自由下落的观察者而言,狭义相对论的规则应该适用。爱因斯坦并没有对这后来被称为等效原理的论题给出详尽分析。另外,他还初步预言重力红移,即射入引力势阱中的光会发生蓝移,而相反从引力势阱中射出的光会发生红移;又粗略预言光线在重力场中的偏折,即光子的路径在引力场中会发生偏折。这些预言后来纷纷得到了实验验证。

爱因斯坦将1907年论文加以扩充,于1911年写成论文《论重力对光的传播的影响》;在这篇论文里,他对光线在重力场中的偏折重新加以详细分析,得到可以严格测试的结果,即光线经过太阳产生的引力场时被偏折的角度。这预言可以做实验严格检试,因此他呼吁实验者的关注,尽快完成这实验。

经过多年思考引力的内秉性质,爱因斯坦领悟到引力可以定义为时空的弯曲,对于引力的详细描述必须用到几何,更甚言之,几何是发现引力定律的重要工具,因此,他找到大学同学马塞尔·格罗斯曼来帮助他解决数学方面的问题。格罗斯曼建议他使用黎曼几何,因为黎曼张量与从其衍伸的里奇张量都具有广义协变性。1913年他与格罗斯曼共同发表了论文《广义相对论和引力理论纲要》。在这篇论文里,他们给出的场方程很像后来的爱因斯坦场方程,但具有非常有限的协变性,这场方程后来被称为“草稿场方程”。1915年11月,爱因斯坦一连串发表了四篇关于广义相对论的论文。第三篇论文《用广义相对论解释水星近日点运动》详细分析水星的反常进动现象,所得到的理论数值与实验数据完全符合,并且还修改先前对于光子路径在引力场中发生的偏折所做的估算,这修正后来也成功通过实验检试。第四篇论文《引力场方程》终于给出具有广义协变性的场方程,后来称为爱因斯坦场方程,这方程能够描述引力场和物质彼此之间的相互作用;如同约翰·惠勒所说,物质告诉时空怎样弯曲,空间告诉物质怎样移动。在弱引力场的状况下,爱因斯坦场方程必须与牛顿万有引力定律相互啮合,而在零引力场的状况下,爱因斯坦场方程又必须与狭义相对论相互啮合。这两个条件几乎决定了爱因斯坦场方程的形式,也是爱因斯坦给出爱因斯坦场方程的关键概念。

引力波
引力波是时空曲率的涟漪以波动的形式从波源向外传播,同时会有能量向外传输。1916年,爱因斯坦了预测引力波的存在,根据广义相对论,洛伦兹不变性使得引力波的存在成为可能,由于引力相互作用必须以有限速度传播于空间。牛顿万有引力定律无法预言这种结果,因其假定引力相互作用是以无穷高速度传播于空间。

普林斯顿大学物理学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒于1974年发现发现首个脉冲双星系统PSR B1913+16,通过对其深入研究,首次发现引力波存在的间接定量证据。2016年2月11日,爱因斯坦论文一世纪之后,LIGO团队宣布,已直接探测到引力波,其源头来自于双黑洞融合机制。

宇宙学
全新装备了功能超强的广义相对论,爱因斯坦已准备好在梦寐以求的宇宙学领域大展身手。1917年,他应用广义相对论来建模整个宇宙结构。从那时的实验观测推论,他认为宇宙的范围是有限,并且不具有任何边界,因为宇宙质量会使时空弯曲回自己,就如同圆球的表面,具有有限的面积,不具有任何边界。这种宇宙称为静态宇宙。但是,根据爱因斯坦场方程,静态宇宙不可能存在,宇宙只能扩张或收缩。为了使宇宙保持静态,爱因斯坦在他的方程中加入了一个宇宙常数项,然后让宇宙常数项与宇宙质量项相互抵销,这样,宇宙常数可以抗拒引力的效应,从而实现静态宇宙。然而,爱德文·哈勃于1929年确定宇宙呈膨胀状态。爱因斯坦只好放弃宇宙常数,他认为在引力方程中引入该常数是他“一生中最大的错误”。

后来,人们发现宇宙加速膨胀,这现象的最简单说法是宇宙常数不为零,而是一个很小的数值10−52 m−2。爱因斯坦的直觉最终可能还是正确的。

玻色-爱因斯坦统计

印度物理学者萨特延德拉·玻色在1923年完成论文《普朗克定律与光量子假说》,并且将这篇论文寄给英国《哲学杂志》,但是遭到拒绝发表。玻色丝毫不因此气馁,隔年他又将该论文转寄给爱因斯坦,寻求爱因斯坦的意见。在这篇论文里,玻色提出一种新的统计模型,按照这模型,光束可以被视为由一群无法分辨的粒子所组成气体,因此在做统计运算时,所有相同能量的光子应该合并处理。爱因斯坦注意到玻色的统计模型不仅适用于光子,还适用于很多其它种粒子,这些粒子后来被称为玻色子。爱因斯坦把玻色的论文翻译成德文后发表于德国的《物理期刊》(Zeitschrift für Physik)。

爱因斯坦将玻色的理论推广至带质量的粒子,于1924年发表论文《单原子理想气体的量子理论》,隔年,又发表论文预言,玻色子冷却至非常低温时,会凝聚到其能量最低的量子态,因此会出现一种新的物态,称为玻色-爱因斯坦凝聚态。1995年,科罗拉多大学波德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用铷原子气体在170 nK(1.7×10−7 K)的低温下首次观测到了玻色-爱因斯坦凝聚。四个月后,麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒使用钠原子气体独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚。

与其他科学家的合作关系

1927年,在比利时布鲁塞尔索尔维国际物理研究所,有很多当时最著名的物理学家参加索尔维会议。图为他们的合照,爱因斯坦坐在前排中央

除了长久合作者利奥波德·英费尔德、纳森·罗森与彼得·博格曼以外,爱因斯坦还曾经与很多物理学者合作。

爱因斯坦-德哈斯效应
爱因斯坦和亨德里克·洛伦兹的女婿万德尔·德哈斯于1915年证实,铁磁性物质的磁化会诱导出某种旋转运动,这效应称为爱因斯坦-德哈斯效应。他们认为这效应显示出“安培分子电流”的存在。[注 8]在那时,他们并不知道电子拥有自旋性质。后来,物理学者确定,自旋造成了铁磁性物质的磁性,安培分子电流并没有贡献出磁性。

在爱因斯坦和德哈斯完成的实验里,他们把静止悬挂在扭摆一端的铁圆柱体置放在螺线管里,然后给螺线管施加电流脉冲,这会使得铁圆柱体发生偏转,因此铁圆柱体的角动量会从零变为某特定数量,根据角动量守恒定律,在铁圆柱体内部必定也产生了一个大小相等、方向相反的角动量,这个角动量正是由铁圆柱体中电子自旋所产生。

这实验需要很高的灵敏度,因为产生效应相当为小,但在那时,他们确实观测到,突然磁化会促使某种力矩作用于铁圆柱体,因此使得铁圆柱体被偏转。他们的论文声称,实验误差只有10%。由于爱因斯坦和德哈斯并没有将电子自旋纳入理论计算,他们的理论预言缺少了朗德g因子。为什么实验结果没有反应出这问题?这可能因为是他们忽略了一些实验误差。

薛定谔气体模型
从1924年至1925年,爱因斯坦发表了三篇关于理想气体的论文,他应用玻色-爱因斯坦统计来计算理想气体的热力学性质。埃尔温·薛定谔阅读了爱因斯坦的文章后,对其方法不解,甚至一度认为爱因斯坦错了。爱因斯坦与薛定谔通信交换意见,爱因斯坦又给出一些量子统计学的点子,按照这些点子,薛定谔计算出半经典理想气体的与总态和与热力学性质,并写成论文《单原子理想气体模型的能级》。薛定谔邀请爱因斯坦为论文署名,但是爱因斯坦婉拒了。

爱因斯坦冰箱
爱因斯坦和他的学生列奥·西拉德在1926年共同发明了一种吸收式制冷系统,既不用电,也没有活动零件,后来被称为爱因斯坦冰箱。他们在很多国家申请到专利[注 9]。一家瑞典制冷设备公司伊莱克斯为了防止这种新技术带来的竞争,买断了他们的专利。另外,德国的AEG也和他们签约,并且发展出爱因斯坦-西拉德电磁汞与爱因斯坦冰箱原型,但由于不具毒性的制冷剂氟利昂于1930年开始大量生产,发展爱因斯坦冰箱的需要不再成立。爱因斯坦-西拉德电磁汞后来被用在核子增殖反应堆的制冷系统。

据说,爱因斯坦在看报纸时,读到一则新闻,关于一家人死于从冰箱中泄露出的制冷剂,在那时使用的制冷剂,例如氨气、二氧化硫等,毒性都很强,爱因斯坦大为震惊,因此开始在这方面的研究。[87]:60ff

玻尔-爱因斯坦论战

1925年,玻尔与爱因斯坦讨论问题

爱因斯坦和尼尔斯·玻尔都是旧量子论的奠基人。他们之间关于量子力学发生了一系列著名的争论。爱因斯坦不赞同量子力学的统计性质,他表示,“我仍旧相信我们能够给出一个实在模型来直接描述事件本身,而不是它们发生的概率。”玻尔声明,“没有量子世界,只有抽象量子力学描述。我们不应该以为物理学的工作是发现大自然的本质。物理只涉及我们怎样描述大自然。”他们之间的辩论在科学哲学里意义非凡,因此被载入史册。

爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬
爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬是由爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森在1935年发表于美国《物理评论》的思想实验,又称为“EPR佯谬”。这思想实验检验两个量子纠缠粒子所展现出的关联性物理行为。给定两个相互纠缠并且在空间相隔一段距离的粒子A、B,假若对于其中一个粒子A测量位置或动量,则可得知另一个粒子B的位置或动量。根据定域性原理,这测量丝毫不会以超过光速的传递方式搅扰到这粒子B。按照实在论,做实验所测量到的结果是出自于某种物理实在,而这物理实在与测量的动作无关。因此,在这思想实验里,粒子B的位置与动量都是物理实在。可是,量子力学的不确定性原理不允许粒子的位置与动量同时被确定;也就是说,假若粒子位置越明确,则粒子动量越不明确;反之亦然。由于量子力学对于位置与动量这两个物理实在都没有相关描述,因此,爱因斯坦等总结,量子力学不完备。

定域实在论表明,微观粒子具有可测量、良好定义的物理实在,不会被在遥远区域发生的事件以超光速速度影响。定域实在论是EPR佯谬用来反对量子力学的利器。1982年完成的阿斯佩实验证实了贝尔定理,而贝尔定理强调,定域实在论与量子力学的预测不相符,因此,定域实在论不成立。

社会活动

反对纳粹主义
爱因斯坦是率直的和平主义者与国际主义者。在魏玛共和国期间,他成为反犹太团体的眼中钉,时常受到恶毒毁谤。后来,纳粹党更认为爱因斯坦的言论与举动严重威胁到纳粹运动的发展。纳粹党攫取德国政权时,爱因斯坦恰巧不在德国,由于情势转趋恶劣,他再也不愿意回到德国[94]:4-5。“德意志物理”激进分子出版了抹黑爱因斯坦的小册子和教科书[95]:133。诺贝尔奖得主菲利普·莱纳德和约翰尼斯·斯塔克把爱因斯坦的成就称为“犹太物理”,并发起政治运动把它们从德语词汇排除出去。传授爱因斯坦理论的学者都被列入黑名单,比如维尔纳·海森堡。睁眼说瞎话的莱纳德宣称,爱因斯坦质能方程不是爱因斯坦的发明,而是德国学者弗瑞利希·海森诺的雅利安杰作。

从1930年代直至二战,爱因斯坦一直建议美国政府向想逃离欧洲的犹太人颁发签证,他还对美国政治人士进行游说,希望促使通过更为宽松的移民法[96]。他曾为锡安主义组织募款,还在1933年参与发起了国际救援委员会。

协助锡安运动

1921年,爱因斯坦和妻子爱尔莎在纽约迎接锡安主义的领袖们,包括以色列未来的总统哈伊姆·魏茨曼和妻子薇拉·魏茨曼、梅纳赫姆·乌什金以及本-锡安·莫新森

爱因斯坦强烈支持社会锡安主义,努力促进以色列-阿拉伯合作。他支持在英属巴勒斯坦托管地建立犹太人家园,但是,他最初时极力反对建立一个有边界、军队和世俗权力的犹太国家;他青睐文化锡安主义,主张以一国两族的形式建立以色列-阿拉伯二族混居的国家。

在1931年著作《关于锡安主义的演讲与信件》里,收集了爱因斯坦很多在这方面发表的信息。其中11篇被汇集成著作《我眼中的世界》;爱因斯坦在前言中将该书“献给德国的犹太人”。面对德国日益高涨的军国主义,爱因斯坦在著述和演讲中呼吁和平。

位于以色列科学与人文学院的爱因斯坦雕像

对于分割英属巴勒斯坦托管地为独立阿拉伯国与犹太国的提议,爱因斯坦公开表示持保留态度[99]:33。然而,事与愿违,联合国最后决定以巴分治,划分了新以色列国的边界,紧接着就爆发了第一次中东战争。1948年,爱因斯坦等人在《纽约时报》上发表公开信,就屠杀阿拉伯村民的代尔亚辛村大屠杀事件强烈抨击梅纳赫姆·贝京的政党,称呼该党为“纳粹和法西斯党”。同年5月,以色列国正式宣布成立。爱因斯坦表示,“这完成了一个古老的梦想……创建了犹太社会的精神与文化生活可以自由表达的环境”。

爱因斯坦是耶路撒冷希伯来大学监事会的最早几位监事之一。在他1950年遗嘱中,爱因斯坦将其作品的著作权赠予希伯来大学。许多爱因斯坦著作的原件都存放在希伯来大学的爱因斯坦档案馆里。

以色列第一任总统哈伊姆·魏茨曼去世后,总理戴维·本-古里安邀请爱因斯坦出任总统。爱因斯坦婉拒说,同人打交道,他“既无能力又无经验”。他后来写到:“我为以色列政府的邀请深深感动,但忧愁与惭愧冲击着我的内心,因我不能接受这份要职。”

个性和思想
爱因斯坦为人和蔼友善,同时谦虚却又特立独行,受到大众广泛尊敬。他有时会讲讲笑话,并爱好帆船运动和拉小提琴。他还是个心不在焉的教授,经常丢三落四,专心于思考物理问题而忽视周围世界。晚年,因为身体欠安,医生要求他停止抽烟,饮食必须无脂、无盐。

宗教观
爱因斯坦形容自己为不可知论者,但并不具有像专业无神论者般的十字军精神;更仔细解释,由于人类对于大自然与自己本身的了解可能有缺失,因此应该采取谨慎谦卑的态度。美国犹太领袖拉比赫伯特·高德斯坦曾经问他是否相信神?他回答说:“我相信斯宾诺莎的神,一个通过存在事物的和谐有序体现自己的神,而不是一个关心人类命运和行为的神。”换句话说,爱因斯坦认为,从宇宙世界的存在,可以感觉到神的伟大工作,但神并不会干预人们的日常生活,神是非人格化的神。爱因斯坦曾经在书信里表示:”我不相信人格化的神,我从未否认这一点,而且表达得很清楚。如果在我的内心里有什么能被称之为宗教,那就是,对于我们的科学所能够揭示的世界结构,对于这世界结构的无垠的敬仰。”

在犹太哲学家马丁·布伯逼问他的宗教信仰之下,他大声嚷道:“我们物理学家所努力的仅仅是跟随祂画祂的线。”多年后,爱因斯坦在他的柏林办公室与一位物理学者谈到同样论题时,他表明,“我想要知道神如何创造这世界。对于发现这个或那个现像,对于研究这个或那个元素的光谱,我丝毫不感兴趣。我想要知道祂的思维,其它的只是细节。”

政治观
爱因斯坦的政治观倾向于社会主义,他对于资本主义抱有诸多怨言,这些在他撰写的文章《为什么选择社会主义?》里有详细陈述。简略言之,根据爱因斯坦,资本主义社会追求利润的动机,资本家与资本家之间的竞争,这些因素导致不必要的经济循环,从繁荣到萧条,又从萧条到繁荣,这循环鼓励的是自私行为,而不是合作互助。爱因斯坦指出,资本主义的恶魔源自于这种无秩序的经济。他深信,只有一种方法能够解决这严峻的问题,那就是建立社会主义的经济系统与教育系统。也因为对和平主义和社会主义的连结,使得他有1427页的美国联邦调查局档案资料。

二战末期投掷在广岛市与长崎市的两颗原子弹,所展示出的恐怖毁灭,带给爱因斯坦极大的脑力冲击,他因此更加增强支持世界联盟的念头,只有世界联盟才能实际地拯救人类的生命与文明。爱因斯坦强烈地主张成立民主的世界政府,以世界联盟的框架抑制民族国家力量。他认为,建基于普遍原理的世界联盟能够克服不受约束的民族主义所造成的混乱失序;就如同在物理学里,浩瀚宇宙必定存在一种统一理论(爱因斯坦晚年将精力投注在统一场论,一种大统一理论的形式),就能够合理解释宇宙的奥秘。假若每一个主权国家都拥有自己的军队,那么,不同的思想体系与分歧的国家利益会不可避免地造成难以化解的冲突与战争,所以,必须存在一个具有健全统治功能的世界联盟,总体管理与调和主权国家之间的事情与问题。自此以后,他竭力提倡建立世界联盟,他的热情在这方面不亚于主导大自然所有作用力的统一理论研究。

热爱音乐
假若我不是物理学者,那我可能会是音乐家。我时常会想到音乐。我生活在音乐的白日梦里,我从音乐来看我的生命,……我从音乐里获得生命中最多的快乐。

爱因斯坦和诗人、音乐家、哲学家、诺贝尔文学奖获得者罗宾德拉纳特·泰戈尔, 1930年

爱因斯坦从小就培养出欣赏音乐的美德。他的母亲很会弹钢琴,她希望爱因斯坦学习拉小提琴,不仅是要培养他对音乐的热爱,而且还要帮助他融入德国文化。根据指挥家莱昂·博茨泰因,爱因斯坦在五岁时已经开始学习小提琴,但他那时并不喜欢练琴。

当他13岁时,他接触到莫扎特创作的小提琴奏鸣曲,从此就喜爱上了莫扎特的音乐。根据他的自述,他并没有经过“系统性”的练习,就学会演奏这音乐,他的心得是“与责任感相比,喜爱是更好的老师。”17岁时, 瑞士阿劳的一位学校督察听到他表演贝多芬的小提琴奏鸣曲之后表示,他的演奏“很杰出,并揭示了卓越的洞察力”。

从那时起,在爱因斯坦的生活中,音乐扮演了重要与永久的角色。虽然他从未想过成为职业音乐家,他曾和一些专业音乐家一起在私人场合演奏过室内乐。他在伯尔尼、苏黎世和柏林时,室内乐成为他社交生活的一部分。同他一起演奏的人包括普朗克父子。

1931年,当他在加州理工学院做研究时,曾去洛杉矶拜访佐尔那家族音乐学院,并和佐尔那弦乐四重奏的成员一起演奏莫扎特和贝多芬的作品。[114][115]爱因斯坦晚年时,刚成立不久的茱莉亚弦乐四重奏去普林斯顿拜访了他,并且与他合奏。为了配合爱因斯坦,乐团成员故意放缓节奏。爱因斯坦的演奏技巧和音准给茱莉亚四重奏留下了深刻印象。

私人书信
从1912年到1955年之间,爱因斯坦至少写了大约3,500页私人信件,这包括了他写给米列娃、爱尔莎与儿女们的信。爱因斯坦与爱尔莎结婚后,爱因斯坦出外旅行,几乎每天都要写信给妻子艾尔莎和继女玛格特。这些信件透露出爱因斯坦私生活的点点滴滴。它们后来全部被捐赠给耶路撒冷希伯来大学。玛格特在遗嘱中表示,在她去世20年之后才可公开这些信件,她是于1986年去世,所以,这些信件直到2006年才被公诸于世[116]。

2018年6月,有媒体披露爱因斯坦的旅行日记的英译版本,使公众有机会了解到爱因斯坦的私人日记内容。其中涉及了对亚洲人特别是中国人的种族偏见内容。其中形容中国人“勤劳、肮脏、迟钝”、“特别没有数学天赋”,甚至称“(中国的)男人和女人几乎没什么差别(英语:how little difference there is between men and women)”。加州理工学院中负责出版爱因斯坦日记的助理主任泽埃夫·罗森克兰茨(Ze’ev Rosenkranz)称,爱因斯坦日记中的内容“将他人描绘为生理上的劣等人,这是显然是一种歧视的特征”[119]。然而,从爱因斯坦为美国民权运动服务的举动,可以反映出他对于改变自己的偏见所做出的努力,例如,1946年,在一场毕业典礼的演讲中,爱因斯坦郑重表示,“在美国,有色人种和白人是隔离的。这是白人的一种病。我不打算对此保持沉默。”

本文转自维基百科


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