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【專家解說】：20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦(Albert.Einstein)1879年3月14日出生在德國西南的烏耳姆城，一年后隨全家遷居慕尼黑。愛因斯坦的父母都是猶太人，父親赫爾曼·愛因斯坦和叔叔雅各布·愛因斯坦合開了一個(gè)為電站和照明系統(tǒng)生產(chǎn)電機(jī)、弧光燈和電工儀表的電器工廠。母親玻琳是受過中等教育的家庭婦女，非常喜歡音樂，在愛因斯坦六歲時(shí)就教他拉小提琴。 愛因斯坦小時(shí)候并不活潑，三歲多還不會(huì)講話，父母很擔(dān)心他是啞巴，曾帶他去給醫(yī)生檢查。還好小愛因斯坦不是啞巴，可是直到九歲時(shí)講話還不很通暢，所講的每一句話都必須經(jīng)過吃力但認(rèn)真的思考。 在四、五歲時(shí)，愛因斯坦有一次臥病在床，父親送給他一個(gè)羅盤。當(dāng)他發(fā)現(xiàn)指南針總是指著固定的方向時(shí)，感到非常驚奇，覺得一定有什么東西深深地隱藏在這現(xiàn)象后面。他一連幾天很高興的玩這羅盤，還糾纏著父親和雅各布叔叔問了一連串問題。盡管他連“磁”這個(gè)詞都說不好，但他卻頑固地想要知道指南針為什么能指南。這種深刻和持久的印象，愛因斯坦直到六十七歲時(shí)還能鮮明的回憶出來。 愛因斯坦在念小學(xué)和中學(xué)時(shí)，功課屬平常。由于他舉止緩慢，不愛同人交往，老師和同學(xué)都不喜歡他。教他希臘文和拉丁文的老師對(duì)他更是厭惡，曾經(jīng)公開罵他:“愛因斯坦，你長大后肯定不會(huì)成器?！倍乙?yàn)榕滤谡n堂上會(huì)影響其他學(xué)生，竟想把他趕出校門。 愛因斯坦的叔叔雅各布在電器工廠里專門負(fù)責(zé)技術(shù)方面的事務(wù)，愛因斯坦的父親則負(fù)責(zé)商業(yè)的往來。雅各布是一個(gè)工程師，自己就非常喜愛數(shù)學(xué)，當(dāng)小愛因斯坦來找他問問題時(shí)，他總是用很淺顯通俗的語言把數(shù)學(xué)知識(shí)介紹給他。在叔父的影響下，愛因斯坦較早的受到了科學(xué)和哲學(xué)的啟蒙。 父親的生意做得并不好，但卻是一個(gè)樂觀和心地善良的人，家里每星期都有一個(gè)晚上要邀請(qǐng)來慕尼黑念書的窮學(xué)生吃飯，這樣等于是救濟(jì)他們。其中有一對(duì)來自立陶宛的猶太兄弟麥克斯和伯納德，他們都是學(xué)醫(yī)科的，喜歡閱讀書籍、興趣廣泛。他們被邀請(qǐng)來愛因斯坦家里吃飯，并和羞答答、長著黑頭發(fā)和棕色眼睛的小愛因斯坦交成了好朋友。 麥克斯可以說是愛因斯坦的“啟蒙老師”，他借了一些通俗的自然科學(xué)普及讀物給他看。麥克斯在愛因斯坦十二歲時(shí)，給了他一本施皮爾克的平面幾何教科書。愛因斯坦晚年回憶這本神圣的小書時(shí)說:“這本書里有許多斷言，比如，三角形的三個(gè)高交于一點(diǎn)，它們本身雖然并不是顯而易見的，但是可以很可靠地加以證明，以致任何懷疑似乎都不可能。這種明晰性和可靠性給我留下了一種難以形容的印象?！? 愛因斯坦還幸運(yùn)地從一部卓越的通俗讀物中知道了自然科學(xué)領(lǐng)域里的主要成果和方法，科普讀物不但增進(jìn)了愛因斯坦的知識(shí)，而且撥動(dòng)了年輕人好奇的心弦，引起他對(duì)問題的深思。 愛因斯坦十六歲時(shí)報(bào)考瑞士蘇黎世的聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)工程系，可是入學(xué)考試卻告失敗。他接受了聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)校長以及該校著名的物理學(xué)家韋伯教授的建議，在瑞士阿勞市的州立中學(xué)念完中學(xué)課程，以取得中學(xué)學(xué)歷。 1896年10月，愛因斯坦跨進(jìn)了蘇黎世工業(yè)大學(xué)的校門，在師范系學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。他對(duì)學(xué)校的注入式教育十分反感，認(rèn)為它使人沒有時(shí)間、也沒有興趣去思考其他問題。幸運(yùn)的是，窒息真正科學(xué)動(dòng)力的強(qiáng)制教育，在蘇黎世的聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)要比其他大學(xué)少得多。愛因斯坦充分的利用學(xué)校中的自由空氣，把精力集中在自己所熱愛的學(xué)科上。在學(xué)校中，他廣泛的閱讀了赫爾姆霍茲、赫茲等物理學(xué)大師的著作，他最著迷的是麥克斯韋的電磁理論。他有自學(xué)本領(lǐng)、分析問題的習(xí)慣和獨(dú)立思考的能力。 早期工作 1900年，愛因斯坦從蘇黎世工業(yè)大學(xué)畢業(yè)。由于他對(duì)某些功課不熱心，以及對(duì)老師態(tài)度冷漠，被拒絕留校。他找不到工作，靠做家庭教師和代課教師過活。在失業(yè)一年半以后，關(guān)心并了解他才能的同學(xué)馬塞爾·格羅斯曼向他伸出了援助的手。格羅斯曼設(shè)法說服自己的父親把愛因斯坦介紹到瑞士專利局去作一個(gè)技術(shù)員。 愛因斯坦終身感謝格羅斯曼對(duì)他的幫助。在悼念格羅斯曼的信中，他談到這件事時(shí)說，當(dāng)他大學(xué)畢業(yè)時(shí)，“突然被一切人拋棄，一籌莫展的面對(duì)人生。他幫助了我，通過他和他的父親，我后來才到了哈勒(時(shí)任瑞士專利局局長)那里，進(jìn)了專利局。這有點(diǎn)象救命之恩，沒有他我大概不致于餓死，但精神會(huì)頹唐起來。” 1902年2月21日，愛因斯坦取得了瑞士國籍，并遷居伯爾尼，等待專利局的招聘。1902年6月23日，愛因斯坦正式受聘于專利局，任三級(jí)技術(shù)員，工作職責(zé)是審核申請(qǐng)專利權(quán)的各種技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造。1903年，他與大學(xué)同學(xué)米列娃.瑪麗克結(jié)婚。 1900~1904年，愛因斯坦每年都寫出一篇論文，發(fā)表于德國《物理學(xué)雜志》。頭兩篇是關(guān)于液體表面和電解的熱力學(xué)，企圖給化學(xué)以力學(xué)的基礎(chǔ)，以后發(fā)現(xiàn)此路不通，轉(zhuǎn)而研究熱力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)。1901年提出統(tǒng)計(jì)力學(xué)的一些基本理論，1902~1904年間的三篇論文都屬于這一領(lǐng)域。 1904年的論文認(rèn)真探討了統(tǒng)計(jì)力學(xué)所預(yù)測的漲落現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)能量漲落取決于玻爾茲曼常數(shù)。它不僅把這一結(jié)果用于力學(xué)體系和熱現(xiàn)象，而且大膽地用于輻射現(xiàn)象，得出輻射能漲落的公式，從而導(dǎo)出維恩位移定律。漲落現(xiàn)象的研究，使他于1905年在輻射理論和分子運(yùn)動(dòng)論兩方面同時(shí)做出重大突破。 1905年的奇跡 1905年，愛因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了一個(gè)史無前例奇跡。這一年他寫了六篇論文，在三月到九月這半年中，利用在專利局每天八小時(shí)工作以外的業(yè)余時(shí)間，在三個(gè)領(lǐng)域做出了四個(gè)有劃時(shí)代意義的貢獻(xiàn)，他發(fā)表了關(guān)于光量子說、分子大小測定法、布朗運(yùn)動(dòng)理論和狹義相對(duì)論這四篇重要論文。 1905年3月，愛因斯坦將自己認(rèn)為正確無誤的論文送給了德國《物理年報(bào)》編輯部。他靦腆的對(duì)編輯說:“如果您能在你們的年報(bào)中找到篇幅為我刊出這篇論文，我將感到很愉快?！边@篇“被不好意思”送出的論文名叫《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)推測性觀點(diǎn)》。 這篇論文把普朗克1900年提出的量子概念推廣到光在空間中的傳播情況，提出光量子假說。認(rèn)為:對(duì)于時(shí)間平均值，光表現(xiàn)為波動(dòng);而對(duì)于瞬時(shí)值，光則表現(xiàn)為粒子性。這是歷史上第一次揭示了微觀客體的波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一，即波粒二象性。 在這文章的結(jié)尾，他用光量子概念輕而易舉的解釋了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的光電效應(yīng)，推導(dǎo)出光電子的最大能量同入射光的頻率之間的關(guān)系。這一關(guān)系10年后才由密立根給予實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1921年，愛因斯坦因?yàn)椤肮怆娦?yīng)定律的發(fā)現(xiàn)”這一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 這才僅僅是開始，阿爾伯特·愛因斯坦在光、熱、電物理學(xué)的三個(gè)領(lǐng)域中齊頭并進(jìn)，一發(fā)不可收拾。1905年4月，愛因斯坦完成了《分子大小的新測定法》，5月完成了《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》。這是兩篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的研究的論文。愛因斯坦當(dāng)時(shí)的目的是要通過觀測由分子運(yùn)動(dòng)的漲落現(xiàn)象所產(chǎn)生的懸浮粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，來測定分子的實(shí)際大小，以解決半個(gè)多世紀(jì)來科學(xué)界和哲學(xué)界爭論不休的原子是否存在的問題。 三年后，法國物理學(xué)家佩蘭以精密的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的理論預(yù)測。從而無可非議的證明了原子和分子的客觀存在，這使最堅(jiān)決反對(duì)原子論的德國化學(xué)家、唯能論的創(chuàng)始人奧斯特瓦爾德于1908年主動(dòng)宣布:“原子假說已經(jīng)成為一種基礎(chǔ)鞏固的科學(xué)理論”。 1905年6月，愛因斯坦完成了開創(chuàng)物理學(xué)新紀(jì)元的長論文《論運(yùn)體的電動(dòng)力學(xué)》，完整的提出了狹義相對(duì)論。這是愛因斯坦10年醞釀和探索的結(jié)果，它在很大程度上解決了19世紀(jì)末出現(xiàn)的古典物理學(xué)的危機(jī)，改變了牛頓力學(xué)的時(shí)空觀念，揭露了物質(zhì)和能量的相當(dāng)性，創(chuàng)立了一個(gè)全新的物理學(xué)世界，是近代物理學(xué)領(lǐng)域最偉大的革命。 狹義相對(duì)論不但可以解釋經(jīng)典物理學(xué)所能解釋的全部現(xiàn)象，還可以解釋一些經(jīng)典物理學(xué)所不能解釋的物理現(xiàn)象，并且預(yù)言了不少新的效應(yīng)。狹義相對(duì)論最重要的結(jié)論是質(zhì)量守恒原理失去了獨(dú)立性，他和能量守恒定律融合在一起，質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。其他還有比較常講到的鐘慢尺縮、光速不變、光子的靜止質(zhì)量是零等等。而古典力學(xué)就成為了相對(duì)論力學(xué)在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的一種極限情況。這樣，力學(xué)和電磁學(xué)也就在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。 1905年9月，愛因斯坦寫了一篇短文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎?》，作為相對(duì)論的一個(gè)推論。質(zhì)能相當(dāng)性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，也為20世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)的核能的釋放和利用開辟了道路。 在這短短的半年時(shí)間，愛因斯坦在科學(xué)上的突破性成就，可以說是“石破天驚，前無古人”。即使他就此放棄物理學(xué)研究，即使他只完成了上述三方面成就的任何一方面，愛因斯坦都會(huì)在物理學(xué)發(fā)展史上留下極其重要的一筆。愛因斯坦撥散了籠罩在“物理學(xué)晴空上的烏云”，迎來了物理學(xué)更加光輝燦爛的新紀(jì)元。 廣義相對(duì)論的探索 狹義相對(duì)論建立后，愛因斯坦并不感到滿足，力圖把相對(duì)性原理的適用范圍推廣到非慣性系。他從伽利略發(fā)現(xiàn)的引力場中一切物體都具有同一加速度這一古老實(shí)驗(yàn)事實(shí)找到了突破口，于1907年提出了等效原理。在這一年，他的大學(xué)老師、著名幾何學(xué)家閔可夫斯基提出了狹義相對(duì)論的四維空間表示形式，為相對(duì)論進(jìn)一步發(fā)展提供了有用的數(shù)學(xué)工具，可惜愛因斯坦當(dāng)時(shí)并沒有認(rèn)識(shí)到它的價(jià)值。 等效原理的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦認(rèn)為是他一生最愉快的思索，但以后的工作卻十分艱苦，并且走了很大的彎路。1911年，他分析了剛性轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，意識(shí)到引力場中歐氏幾何并不嚴(yán)格有效。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)洛倫茨變化不是普適的，等效原理只對(duì)無限小區(qū)域有效……。這時(shí)的愛因斯坦已經(jīng)有了廣義相對(duì)論的思想，但他還缺乏建立它所必需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 1912年，愛因斯坦回到蘇黎世母校工作。在他的同班同學(xué)、母校任數(shù)學(xué)教授的格羅斯曼幫助下，他在黎曼幾何和張量分析中找到了建立廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)工具。經(jīng)過一年的奮力合作，他們于1913年發(fā)表了重要論文《廣義相對(duì)論綱要和引力理論》，提出了引力的度規(guī)場理論。這是首次把引力和度規(guī)結(jié)合起來，使黎曼幾何獲得實(shí)在的物理意義。 不過他們當(dāng)時(shí)得到的引力場方程只對(duì)線性變換是協(xié)變的，還不具有廣義相對(duì)論原理所要求的任意坐標(biāo)變換下的協(xié)變性。這是由于愛因斯坦當(dāng)時(shí)不熟悉張量運(yùn)算，錯(cuò)誤的認(rèn)為，只要堅(jiān)持守恒定律，就必須限制坐標(biāo)系的選擇，為了維護(hù)因果性，不得不放棄普遍協(xié)變的要求。