愛因斯坦的失敗

【專家解說】：20世紀最偉大的物理學(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為電站和照明系統(tǒng)生產(chǎn)電機、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，在愛因斯坦六歲時就教他拉小提琴。 愛因斯坦小時候并不活潑，三歲多還不會講話，父母很擔心他是啞巴，曾帶他去給醫(yī)生檢查。還好小愛因斯坦不是啞巴，可是直到九歲時講話還不很通暢，所講的每一句話都必須經(jīng)過吃力但認真的思考。 　　在四、五歲時，愛因斯坦有一次臥病在床，父親送給他一個羅盤。當他發(fā)現(xiàn)指南針總是指著固定的方向時，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還能鮮明的回憶出來。 　　愛因斯坦在念小學(xué)和中學(xué)時，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他更是厭惡，曾經(jīng)公開罵他：“愛因斯坦，你長大后肯定不會成器?！倍乙驗榕滤谡n堂上會影響其他學(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責技術(shù)方面的事務(wù)，愛因斯坦的父親則負責商業(yè)的往來。雅各布是一個工程師，自己就非常喜愛數(shù)學(xué)，當小愛因斯坦來找他問問題時，他總是用很淺顯通俗的語言把數(shù)學(xué)知識介紹給他。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，但卻是一個樂觀和心地善良的人，家里每星期都有一個晚上要邀請來慕尼黑念書的窮學(xué)生吃飯，這樣等于是救濟他們。其中有一對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，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說：“這本書里有許多斷言，比如，三角形的三個高交于一點，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，科普讀物不但增進了愛因斯坦的知識，而且撥動了年輕人好奇的心弦，引起他對問題的深思。 　　愛因斯坦十六歲時報考瑞士蘇黎世的聯(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，愛因斯坦跨進了蘇黎世工業(yè)大學(xué)的校門，在師范系學(xué)習數(shù)學(xué)和物理學(xué)。他對學(xué)校的注入式教育十分反感，認為它使人沒有時間、也沒有興趣去思考其他問題。幸運的是，窒息真正科學(xué)動力的強制教育，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)、分析問題的習慣和獨立思考的能力。 早期工作 　　1900年，愛因斯坦從蘇黎世工業(yè)大學(xué)畢業(yè)。由于他對某些功課不熱心，以及對老師態(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技術(shù)員。 　　愛因斯坦終身感謝格羅斯曼對他的幫助。在悼念格羅斯曼的信中，他談到這件事時說，當他大學(xué)畢業(yè)時，“突然被一切人拋棄，一籌莫展的面對人生。他幫助了我，通過他和他的父親，我后來才到了哈勒(時任瑞士專利局局長)那里，進了專利局。這有點象救命之恩，沒有他我大概不致于餓死，但精神會頹唐起來?！?　　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，任三級技術(shù)員，工作職責是審核申請專利權(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年的論文認真探討了統(tǒng)計力學(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動論兩方面同時做出重大突破。 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工作以外的業(yè)余時間，在三個領(lǐng)域做出了四個有劃時代意義的貢獻，他發(fā)表了關(guān)于光量子說、分子大小測定法、布朗運動理論和狹義相對論這四篇重要論文。 　　1905年3月，愛因斯坦將自己認為正確無誤的論文送給了德國《物理年報》編輯部。他靦腆的對編輯說：“如果您能在你們的年報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)化的一個推測性觀點》。 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。認為：對于時間平均值，光表現(xiàn)為波動；而對于瞬時值，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驗證實。1921年，愛因斯坦因為“光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)”這一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 　　這才僅僅是開始，阿爾伯特·愛因斯坦在光、熱、電物理學(xué)的三個領(lǐng)域中齊頭并進，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《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》。這是兩篇關(guān)于布朗運動的研究的論文。愛因斯坦當時的目的是要通過觀測由分子運動的漲落現(xiàn)象所產(chǎn)生的懸浮粒子的無規(guī)則運動，來測定分子的實際大小，以解決半個多世紀來科學(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)家佩蘭以精密的實驗證實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，這使最堅決反對原子論的德國化學(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)新紀元的長論文《論運體的電動力學(xué)》，完整的提出了狹義相對論。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世紀末出現(xiàn)的古典物理學(xué)的危機，改變了牛頓力學(xué)的時空觀念，揭露了物質(zhì)和能量的相當性，創(chuàng)立了一個全新的物理學(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)。狹義相對論最重要的結(jié)論是質(zhì)量守恒原理失去了獨立性，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)就成為了相對論力學(xué)在低速運動時的一種極限情況。這樣，力學(xué)和電磁學(xué)也就在運動學(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？》，作為相對論的一個推論。質(zhì)能相當性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，也為20世紀40年代實現(xiàn)的核能的釋放和利用開辟了道路。 　　在這短短的半年時間，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元。 廣義相對論的探索 狹義相對論建立后，愛因斯坦并不感到滿足，力圖把相對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驗事實找到了突破口，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論的四維空間表示形式，為相對論進一步發(fā)展提供了有用的數(shù)學(xué)工具，可惜愛因斯坦當時并沒有認識到它的價值。 等效原理的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦認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)動圓盤，意識到引力場中歐氏幾何并不嚴格有效。同時還發(fā)現(xiàn)洛倫茨變化不是普適的，等效原理只對無限小區(qū)域有效……。這時的愛因斯坦已經(jīng)有了廣義相對論的思想，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，使黎曼幾何獲得實在的物理意義。 不過他們當時得到的引力場方程只對線性變換是協(xié)變的，還不具有廣義相對論原理所要求的任意坐標變換下的協(xié)變性。這是由于愛因斯坦當時不熟悉張量運算，錯誤的認為，只要堅持守恒定律，就必須限制坐標系的選擇，為了維護因果性，不得不放棄普遍協(xié)變的要求。