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爱因斯坦诞辰140周年,会拉小提琴的科学家一生科研路
南京科普之窗网  2019-03-14

3月14日,是爱因斯坦诞辰140周年的日子。140年前的今天,这位20世纪最伟大的科学家在德国乌耳姆诞生了。而他“相对”离开我们已经60多年。之所以说“相对”,是因为他的“物质”身躯已离开人世,但他留下科学文化的“精神”财富,却生生不息地“活着”。他的“相对论”和光量子概念正焕发着不朽的光彩。

当地时间3月6日,为庆祝爱因斯坦140周年诞辰,以色列希伯来大学公开展出了爱因斯坦的110份手稿,其中大部分手稿是首次对外展出。

这些展出的手稿中包括爱因斯坦的亲笔信、论文、未经发表的科学文章等。这些手稿现已成为希伯来大学吉瓦特拉姆(Givat Ram)校区的爱因斯坦档案馆的藏品。而档案馆内还收藏了大约80000件已经公开的藏品,这些藏品包括奖章、证书及照片等。

那么今天,就让我们共同走进这位20世纪世界最伟大的科学家的一生。

图片来源:百度百科

1905年的奇迹

1900~1904年,爱因斯坦每年都写出一篇论文,发表于德国《物理学杂志》。头两篇是关于液体表面和电解的热力学,企图给化学以力学的基础,以后发现此路不通,转而研究热力学的力学基础。1901年提出统计力学的一些基本理论,1902~1904年间的三篇论文都属于这一领域。1904年的论文认真探讨了统计力学所预测的涨落现象,发现能量涨落取决于玻尔兹曼常数。它不仅把这一结果用于力学体系和热现象,而且大胆地用于辐射现象,得出辐射能涨落的公式,从而导出维恩位移定律。涨落现象的研究,使他于1905年在辐射理论和分子运动论两方面同时做出重大突破。

1905年,爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文,在三月到九月这半年中,利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间,在三个领域做出了四个具有划时代意义的贡献,他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。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。

1905年3月,爱因斯坦将自己认为正确无误的论文送给了德国《物理年报》编辑部。这篇论文名叫《关于光的产生和转化的一个推测性观点》。这篇论文把普朗克1900年提出的量子概念推广到光在空间中的传播情况,提出光量子假说。认为:对于时间平均值,光表现为波动;而对于瞬时值,光则表现为粒子性。这是历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。1921年,爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

这才仅仅是开始,爱因斯坦在光、热、电物理学的三个领域中齐头并进,一发不可收拾。1905年4月,爱因斯坦完成了《分子大小的新测定法》,并以该论文取得苏黎世大学的博士学位。5月完成了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。1905年6月,爱因斯坦完成了开创物理学新纪元的长论文《论运体的电动力学》,完整的提出了狭义相对论。这是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果,它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机,改变了牛顿力学的时空观念,揭露了物质和能量的相当性,创立了一个全新的物理学世界,是近代物理学领域最伟大的革命。狭义相对论不但可以解释经典物理学所能解释的全部现象,还可以解释一些经典物理学所不能解释的物理现象,并且预言了不少新的效应。狭义相对论最重要的结论是质量守恒原理失去了独立性,他和能量守恒定律融合在一起,质量和能量是可以相互转化的。其他还有比较常讲到的钟慢尺缩、光速不变、光子的静止质量是零等等。而古典力学就成为了相对论力学在低速运动时的一种极限情况。这样,力学和电磁学也就在运动学的基础上统一起来。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。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20世纪40年代实现的核能的释放和利用开辟了道路。

图片来源:百度百科

在这短短的半年时间,爱因斯坦在科学上的突破性成就,可以说是“石破天惊,前无古人”。即使他就此放弃物理学研究,即使他只完成了上述三方面成就的任何一方面,爱因斯坦都会在物理学发展史上留下极其重要的一笔。爱因斯坦拨散了笼罩在“物理学晴空上的乌云”,迎来了物理学更加光辉灿烂的新纪元。

支持“广义相对论”背后的数学工具

狭义相对论建立后,爱因斯坦并不感到满足,他力图把相对性原理的适用范围推广到非惯性系。等效原理的发现,爱因斯坦认为是他一生最愉快的思索,但以后的工作却是十分艰苦,并且走了很大的弯路。1911年,他分析了刚性转动圆盘,意识到引力场中欧氏几何并不严格有效。同时还发现洛伦茨变化不是普适的,等效原理只对无限小区域有效……这时的爱因斯坦已经有了广义相对论的思想,但他还缺乏建立它所必需的数学基础。1912年,爱因斯坦回到苏黎世母校工作。在他的同班同学、母校任数学教授的格罗斯曼帮助下,他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。经过一年的奋力合作,他们于1913年发表了重要论文《广义相对论纲要和引力理论》,提出了引力的度规场理论。这是首次把引力和度规结合起来,使黎曼几何获得实在的物理意义。

科学研究创新的第二个高峰

从1915年到1917年的这三年,爱因斯坦进入了他科学研究创新的第二个高峰,就像1905年那样,他也在三个不同领域中分别取得了历史性的成就。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年在辐射量子方面提出引力波理论,1917年又开创了现代宇宙学。

1915年7月以后,爱因斯坦在走了两年多弯路后,又回到普遍协变的要求。1915年10月到11月,他集中精力探索新的引力场方程,于11月4日、11日、18日和25日一连向普鲁士科学院提交了四篇论文。在第一篇论文中他得到了满足守恒定律的普遍协变的引力场方程,但加了一个不必要的限制。第三篇论文中,根据新的引力场方程,推算出光线经过太阳表面所发生的偏转是1.7弧秒,同时还推算出水星近日点每100年的进动是43秒,完满解决了60多年来天文学的一大难题。

1915年11月25日的论文《引力的场方程》中,他放弃了对变换群的不必要限制,建立了真正普遍协变的引力场方程,宣告广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了。1916春天,爱因斯坦写了一篇总结性的论文《广义相对论的基础》;同年底,又写了一本普及性的小册子《狭义与广义相对论浅说》。

1916年6月,爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时,发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波,从而提出引力波理论。1979年,在爱因斯坦逝世24年后,间接证明了引力波存在。

1917年,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构,发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。论文分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念,指出它同牛顿引力理论和广义相对论都是不协调的。他认为,可能的出路是把宇宙看作是一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区,以科学论据推论宇宙在空间上是有限无边的,这在人类历史上是一个大胆的创举,使宇宙学摆脱了纯粹猜想的思辨,进入现代科学领域。

对于统一场论漫长艰难的探索

广义相对论建成后,爱因斯坦依然感到不满足,要把广义相对论再加以推广,使它不仅包括引力场,也包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三个阶段,即统一场论。

1925年以后,爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。开头几年他非常乐观,以为胜利在望;后来发现困难重重,他认为现有的数学工具不够用;1928年以后转入纯数学的探索。他尝试着用各种方法,但都没有取得具有真正物理意义的结果。 在1925年~1955年这30年中,除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外,爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。

1937年,在两个助手合作下,爱因斯坦从广义相对论的引力场方程推导出运动方程,进一步揭示了空间——时间、物质、运动之间的统一性,这是广义相对论的重大发展,也是爱因斯坦在科学创造活动中所取得的最后一个重大成果。 在统一场论方面,他始终没有成功,他从不气馁,每次都满怀信心底从头开始。由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻当时没有条件解决的难题,因此,同20年代的处境相反,他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然无所畏惧,毫不动摇地走他自己所认定的道路,直到临终前一天,他还在病床上准备继续他的统一场论的数学计算。

最伟大的科学家与小提琴

爱因斯坦钟情音乐。面对诸多音乐大师,他唯独钟爱莫扎特。对于音乐,爱因斯坦可以说是琴不离身。这琴,就是小提琴。他留下诸多照片,有一张亮人耳目。这“目”,是人们看见大科学家在拉小提琴;那“耳”,则是观此景境犹若乐声灌耳。

图片来源:中国科学报

爱因斯坦与小提琴情愫深厚。在颠沛流离的生涯中,他总与提琴为伴。不管何处,无论场合,这琴就在身边。即使在严肃严谨的学术会议上,琴盒就在椅子近旁。他每天拉琴,还在德国柏林和美国为慈善募捐演出。他甚至认为,自己演奏的才华可媲美于科学上的成就。演奏乐曲时,爱因斯坦常去思考未知领域的科学问题。其妹玛雅回忆:“在演奏中有时他会突然停下,激动宣布,我找到了它!”这个“它”,不是琴弦上的莫扎特音符,而是物理学科的发现。可以想见,在悠扬琴声中,大科学家犹有神明启示,又似灵感降临,一个个看似枯燥的公式数字以及天书一般的阐释,在完全不搭调的音符涌动中昭示给了世界。或许,他那旷世“相对论”也不无琴声的催发吧。

作为物理学革命中的伟大科学巨匠,爱因斯坦从来没有自认为是一个超人。他认识到,自己所走的道路是前人走过的道路的延伸,科学的新时代是在前人工作基础上的合理发展,因此他总是抱着感激和敬仰的心情赞赏前人的贡献。而今天,让我们抱着同样感激和敬仰的心情,来祝这位20世纪最伟大的科学家生日快乐!