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愛因斯坦誕辰140周年,會拉小提琴的科學家一生科研路
來源:科普中國-科普融合創作與傳播 作者:科普中國-科普融合創作與傳播 點擊數: 發表時間:2019-03-22 10:27:27
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3月14日,是愛因斯坦誕辰140周年的日子。140年前的今天,這位20世紀最偉大的科學家在德國烏耳姆誕生了。而他“相對”離開我們已經60多年。之所以說“相對”,是因為他的“物質”身軀已離開人世,但他留下科學文化的“精神”財富,卻生生不息地“活著”。他的“相對論”和光量子概念正煥發著不朽的光彩。

當地時間3月6日,為慶祝愛因斯坦140周年誕辰,以色列希伯來大學公開展出了愛因斯坦的110份手稿,其中大部分手稿是首次對外展出。

這些展出的手稿中包括愛因斯坦的親筆信、論文、未經發表的科學文章等。這些手稿現已成為希伯來大學吉瓦特拉姆(Givat Ram)校區的愛因斯坦檔案館的藏品。而檔案館內還收藏了大約80000件已經公開的藏品,這些藏品包括獎章、證書及照片等。

那么今天,就讓我們共同走進這位20世紀世界最偉大的科學家的一生。

圖片來源:百度百科

1905年的奇跡

1900~1904年,愛因斯坦每年都寫出一篇論文,發表于德國《物理學雜志》。頭兩篇是關于液體表面和電解的熱力學,企圖給化學以力學的基礎,以后發現此路不通,轉而研究熱力學的力學基礎。1901年提出統計力學的一些基本理論,1902~1904年間的三篇論文都屬于這一領域。1904年的論文認真探討了統計力學所預測的漲落現象,發現能量漲落取決于玻爾茲曼常數。它不僅把這一結果用于力學體系和熱現象,而且大膽地用于輻射現象,得出輻射能漲落的公式,從而導出維恩位移定律。漲落現象的研究,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,愛因斯坦在科學史上創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余時間,在三個領域做出了四個具有劃時代意義的貢獻,他發表了關于光量子說、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。特別是狹義相對論的建立和光量子論的提出,推動了物理學理論的革命。

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。這篇論文名叫《關于光的產生和轉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,光表現為波動;而對于瞬時值,光則表現為粒子性。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一,即波粒二象性。1921年,愛因斯坦因為“光電效應定律的發現”這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎。

這才僅僅是開始,愛因斯坦在光、熱、電物理學的三個領域中齊頭并進,一發不可收拾。1905年4月,愛因斯坦完成了《分子大小的新測定法》,并以該論文取得蘇黎世大學的博士學位。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》。1905年6月,愛因斯坦完成了開創物理學新紀元的長論文《論運體的電動力學》,完整的提出了狹義相對論。這是愛因斯坦10年醞釀和探索的結果,它在很大程度上解決了19世紀末出現的古典物理學的危機,改變了牛頓力學的時空觀念,揭露了物質和能量的相當性,創立了一個全新的物理學世界,是近代物理學領域最偉大的革命。狹義相對論不但可以解釋經典物理學所能解釋的全部現象,還可以解釋一些經典物理學所不能解釋的物理現象,并且預言了不少新的效應。狹義相對論最重要的結論是質量守恒原理失去了獨立性,他和能量守恒定律融合在一起,質量和能量是可以相互轉化的。其他還有比較常講到的鐘慢尺縮、光速不變、光子的靜止質量是零等等。而古典力學就成為了相對論力學在低速運動時的一種極限情況。這樣,力學和電磁學也就在運動學的基礎上統一起來。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嗎?》,作為相對論的一個推論。質能相當性是原子核物理學和粒子物理學的理論基礎,也為20世紀40年代實現的核能的釋放和利用開辟了道路。

圖片來源:百度百科

在這短短的半年時間,愛因斯坦在科學上的突破性成就,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發展史上留下極其重要的一筆。愛因斯坦撥散了籠罩在“物理學晴空上的烏云”,迎來了物理學更加光輝燦爛的新紀元。 

支持“廣義相對論”背后的數學工具 

狹義相對論建立后,愛因斯坦并不感到滿足,他力圖把相對性原理的適用范圍推廣到非慣性系。等效原理的發現,愛因斯坦認為是他一生最愉快的思索,但以后的工作卻是十分艱苦,并且走了很大的彎路。1911年,他分析了剛性轉動圓盤,意識到引力場中歐氏幾何并不嚴格有效。同時還發現洛倫茨變化不是普適的,等效原理只對無限小區域有效……這時的愛因斯坦已經有了廣義相對論的思想,但他還缺乏建立它所必需的數學基礎。1912年,愛因斯坦回到蘇黎世母校工作。在他的同班同學、母校任數學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學工具。經過一年的奮力合作,他們于1913年發表了重要論文《廣義相對論綱要和引力理論》,提出了引力的度規場理論。這是首次把引力和度規結合起來,使黎曼幾何獲得實在的物理意義。

科學研究創新的第二個高峰 

從1915年到1917年的這三年,愛因斯坦進入了他科學研究創新的第二個高峰,就像1905年那樣,他也在三個不同領域中分別取得了歷史性的成就。除了1915年最后建成了被公認為人類思想史中最偉大的成就之一的廣義相對論以外,1916年在輻射量子方面提出引力波理論,1917年又開創了現代宇宙學。 

1915年7月以后,愛因斯坦在走了兩年多彎路后,又回到普遍協變的要求。1915年10月到11月,他集中精力探索新的引力場方程,于11月4日、11日、18日和25日一連向普魯士科學院提交了四篇論文。在第一篇論文中他得到了滿足守恒定律的普遍協變的引力場方程,但加了一個不必要的限制。第三篇論文中,根據新的引力場方程,推算出光線經過太陽表面所發生的偏轉是1.7弧秒,同時還推算出水星近日點每100年的進動是43秒,完滿解決了60多年來天文學的一大難題。 

1915年11月25日的論文《引力的場方程》中,他放棄了對變換群的不必要限制,建立了真正普遍協變的引力場方程,宣告廣義相對論作為一種邏輯結構終于完成了。1916春天,愛因斯坦寫了一篇總結性的論文《廣義相對論的基礎》;同年底,又寫了一本普及性的小冊子《狹義與廣義相對論淺說》。 

1916年6月,愛因斯坦在研究引力場方程的近似積分時,發現一個力學體系變化時必然發射出以光速傳播的引力波,從而提出引力波理論。1979年,在愛因斯坦逝世24年后,間接證明了引力波存在。 

1917年,愛因斯坦用廣義相對論的結果來研究宇宙的時空結構,發表了開創性的論文《根據廣義相對論對宇宙所做的考察》。論文分析了“宇宙在空間上是無限的”這一傳統觀念,指出它同牛頓引力理論和廣義相對論都是不協調的。他認為,可能的出路是把宇宙看作是一個具有有限空間體積的自身閉合的連續區,以科學論據推論宇宙在空間上是有限無邊的,這在人類歷史上是一個大膽的創舉,使宇宙學擺脫了純粹猜想的思辨,進入現代科學領域。

對于統一場論漫長艱難的探索

廣義相對論建成后,愛因斯坦依然感到不滿足,要把廣義相對論再加以推廣,使它不僅包括引力場,也包括電磁場。他認為這是相對論發展的第三個階段,即統一場論。

1925年以后,愛因斯坦全力以赴去探索統一場論。開頭幾年他非常樂觀,以為勝利在望;后來發現困難重重,他認為現有的數學工具不夠用;1928年以后轉入純數學的探索。他嘗試著用各種方法,但都沒有取得具有真正物理意義的結果。 在1925年~1955年這30年中,除了關于量子力學的完備性問題、引力波以及廣義相對論的運動問題以外,愛因斯坦幾乎把他全部的科學創造精力都用于統一場論的探索。

1937年,在兩個助手合作下,愛因斯坦從廣義相對論的引力場方程推導出運動方程,進一步揭示了空間——時間、物質、運動之間的統一性,這是廣義相對論的重大發展,也是愛因斯坦在科學創造活動中所取得的最后一個重大成果。 在統一場論方面,他始終沒有成功,他從不氣餒,每次都滿懷信心底從頭開始。由于他遠離了當時物理學研究的主流,獨自去進攻當時沒有條件解決的難題,因此,同20年代的處境相反,他晚年在物理學界非常孤立。可是他依然無所畏懼,毫不動搖地走他自己所認定的道路,直到臨終前一天,他還在病床上準備繼續他的統一場論的數學計算。 

最偉大的科學家與小提琴

愛因斯坦鐘情音樂。面對諸多音樂大師,他唯獨鐘愛莫扎特。對于音樂,愛因斯坦可以說是琴不離身。這琴,就是小提琴。他留下諸多照片,有一張亮人耳目。這“目”,是人們看見大科學家在拉小提琴;那“耳”,則是觀此景境猶若樂聲灌耳。

圖片來源:中國科學報

愛因斯坦與小提琴情愫深厚。在顛沛流離的生涯中,他總與提琴為伴。不管何處,無論場合,這琴就在身邊。即使在嚴肅嚴謹的學術會議上,琴盒就在椅子近旁。他每天拉琴,還在德國柏林和美國為慈善募捐演出。他甚至認為,自己演奏的才華可媲美于科學上的成就。演奏樂曲時,愛因斯坦常去思考未知領域的科學問題。其妹瑪雅回憶:“在演奏中有時他會突然停下,激動宣布,我找到了它!”這個“它”,不是琴弦上的莫扎特音符,而是物理學科的發現。可以想見,在悠揚琴聲中,大科學家猶有神明啟示,又似靈感降臨,一個個看似枯燥的公式數字以及天書一般的闡釋,在完全不搭調的音符涌動中昭示給了世界。或許,他那曠世“相對論”也不無琴聲的催發吧。

作為物理學革命中的偉大科學巨匠,愛因斯坦從來沒有自認為是一個超人。他認識到,自己所走的道路是前人走過的道路的延伸,科學的新時代是在前人工作基礎上的合理發展,因此他總是抱著感激和敬仰的心情贊賞前人的貢獻。而今天,讓我們抱著同樣感激和敬仰的心情,來祝這位20世紀最偉大的科學家生日快樂!

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