爱因斯坦的信息
爱因斯坦成长在物理学快速变革的时代。在以他为代表的一代物理学家的努力下,物理学的发展进入了一个新的历史时期。伽利略和牛顿建立的经典物理学理论体系经历了近200年的发展,到19世纪中叶,由于能量守恒和转化定律的发现,热力学和统计物理学的建立,特别是法拉第和麦克斯韦对电磁学的发现,取得了辉煌的成就。这些成就让当时的许多物理学家相信,物理学领域的理论问题原则上已经解决,留给后人的只是细节上的补充和发展。但历史的进程恰恰相反,随之而来的是一系列经典物理无法解释的新现象:以太漂移实验、元素的放射性、电子运动、黑体辐射、光电效应等等。面对这种新情况,物理学家一般都试图在旧的理论框架内修补来解决矛盾。然而,年轻的爱因斯坦不受旧传统的束缚。他在洛伦茨等人研究工作的基础上,对空间、时间等一些基本概念做了本质上的改变。这一理论上的重大突破开创了物理学的新纪元。
爱因斯坦一生最重要的贡献是相对论。1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文,提出了特殊意义上的相对性原理和光速不变原理,建立了狭义相对论。这个理论包括牛顿力学作为低速运动理论的特例。它揭示了时空作为物质存在形式的本质统一性,深刻揭示了运动学中机械运动和电磁运动的统一性,并进一步揭示了物质和运动的统一性(质量和能量的等效性),发展了物质和运动不可分的原理,为原子能的利用奠定了理论基础。然后经过多年的努力,他在1915年建立了广义相对论,进一步揭示了四维时空与物质的统一关系,指出没有物质时空就不能独立存在,空间的结构和性质取决于物质的分布。它不是平坦的欧几里得空间,而是弯曲的黎曼空间。根据广义相对论的引力理论,他推断光在引力场中是沿着曲线而不是直线传播的。这一理论预言在1919年的日食观测中被英国天文学家证实,当时全世界都震惊了。1938年,他在广义相对论的运动方面取得了重大进展,即从场方程推导出了物体的运动方程,进一步揭示了时空、物质、运动和引力之间的统一性。自20世纪60年代以来,由于实验技术和天文学的巨大发展,对广义相对论和引力理论的研究受到了重视。此外,爱因斯坦对宇宙学的研究,引力和电磁的统一场论,量子理论都为物理学的发展做出了贡献。
爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家,一位具有哲学探索精神的杰出思想家,而且是一位具有高度社会责任感的正直的人。他生活在西方政治漩涡的中心德国和美国,经历了两次世界大战。他深刻体会到一个科学家的劳动成果会对社会产生怎样的影响,一个知识分子应该对社会承担怎样的责任。
爱因斯坦一心希望科学造福人类,却在两次世界大战中目睹了科技带来的巨大破坏。因此,他认为战争与和平的问题是当代的首要问题,他一生中发表最多的言论就是这方面的。他关于政治问题的第一次公开声明是1914年签署的反对一战的声明。他关于政治问题的最后一次演讲,即1955年4月签署的《罗素-爱因斯坦宣言》,至今仍是呼吁人们团结起来,防止新的世界大战爆发。
在20世纪的思想家画廊中,爱因斯坦是正义、善良和真理的化身。他的品格与天、地、日、月抗衡,他的科学贡献将为人类世世代代所景仰。
这本书不仅以翔实的史实勾勒了爱因斯坦的伟大一生,而且从人类文化的源头探寻了爱因斯坦思想和人格的精神内涵。在书中,形而上学的物理理论和传奇的故事可能在读者解释20世纪历史文化进程的视野中形成一幅既有深度又有趣味的立体画面。同时,我们会在历史的氛围中理解爱因斯坦,在现实的情境中默默接受爱因斯坦的精神启发。
爱因斯坦用理性之剑为当代物理学开辟了一条新的道路,也用理性之剑斩尽了世间的妖魔鬼怪。今天,这把理性之剑在哪里?我们应该寻找这把理性之剑吗?这是爱因斯坦留下的一个巨大的问号。每一个走进21世纪的人,都应该在这个问号面前沉思,都应该接过爱因斯坦的理性之剑,为一个和谐公正的21世纪而努力。
爱因斯坦因其光子理论获得了诺贝尔物理学奖。事实上,爱因斯坦对相对论的贡献要重要得多,但诺贝尔奖委员会对激进相对论持谨慎态度。事实上,诺贝尔奖从未颁发给理论相对论者。指导爱因斯坦和他的后代从事科学家职业的最大动机不是财富、名誉或其他更崇高的目标。他们的主要动机是科学好奇心和科学审美。
爱因斯坦是历史上继牛顿之后最伟大的科学家。他是狭义相对论的重要发现者,为量子理论的建立做出了巨大贡献,广义相对论,也就是现代引力理论的建立,都应该归功于他。
19世纪末,麦克斯韦在他的电磁理论中成功地统一了电和磁,并从他的方程中推导出电磁波在真空中传播的速度正好是光速,因此他得出光波应该是一种电磁波的结论。麦克斯韦因为家族疾病只活了48岁,所以没有看到电磁波实验的成功。在牛顿的绝对空间、绝对时间和伽利略的旧相对论原理的框架下,只有以无限大速度运动的物体,在相对匀速运动的坐标系中具有相同的速度,即无限大速度。牛顿的引力被认为是以无限速度传播的,所以在麦克斯韦之前,牛顿的物理被认为是自洽的,而电磁波是以有限速度传播的。在相对论的旧框架下,它的速度会因为坐标系的选择而发生变化,所以他的方程只能在特定的坐标系下成立,相对于一种叫做以太的介质被认为是静止的。于是寻求以太的存在就成了科学的主题。迈克尔逊-莫雷实验的结果否定了以太的存在。爱因斯坦在1905年发表了一篇题为《运动物体的电动力学》的论文,指出如果时空是由四维时空组成的,当参考系以相对匀速运动时,时空的坐标遵循所谓的洛伦兹线性变换,那么包括麦克斯韦方程组在内的所有物理定律都应该采取同样的形式。这样,乙醚的存在就完全没有必要了。爱因斯坦正在发送。
在狭义相对论之前我们是否知道迈克尔-莫雷的实验,至今仍是科学史上的一个悬案。
这篇论文抛弃了牛顿的绝对时空观,引发了物理学的一场革命。由洛伦兹变换导出的标度、时钟慢度和孪生佯谬都与人的直觉相矛盾。著名的质能等效公式是核能乃至核武器的理论基础。
1900年,普朗克为了解决黑体辐射的紫外灾难,提出了辐射的量子理论,即光辐射必须采取称为量子的波包形式。但只有在爱因斯坦提出光子理论后,人们才真正接受光可以以粒子或光子的形式存在。普朗克是爱因斯坦第一篇关于狭义相对论的论文的审稿人。既然光波可以以粒子的形式存在,那么电子等物质的粒子是否可以以波动的形式存在?这是一个法国研究生德·布罗伊的想法,爱因斯坦得知后立即支持了这个激进的假说。这些都是量子理论发现的前奏。爱因斯坦因其光子理论获得了诺贝尔物理学奖。事实上,爱因斯坦对相对论的贡献要重要得多,但诺贝尔奖委员会对激进相对论持谨慎态度。事实上,诺贝尔奖从未颁发给理论相对论者。爱因斯坦终其一生,从未接受量子论为终极理论。他认为量子力学只是一个唯象理论,终极理论必须是决定性的。我们知道,就目前的情况来看,量子力学并不是自洽的。它仍然受到爱因斯坦-罗森-帕多尔悖论的困扰。近年来,一些研究似乎在一定程度上解除了薛定谔猫悖论的折磨。
狄拉克把狭义相对论和量子力学结合起来,得到了一个非常有成果的量子场论。量子场论是描述所有微观粒子的理论框架。场论可以从狄拉克方程得到。量子场论是描述所有微观粒子的理论框架。反粒子的概念可以从狄拉克方程推导出来。量子电动力学可以描述电子、光子和正电子。
湮灭,创造,相互转化。人们随后发展了当代粒子物理学。
爱因斯坦说过,如果他不发表狭义相对论,别人会在五年内发表。其实洛伦茨和庞加莱当时已经很接近这个结果了。可惜洛伦茨摆脱不了陈旧的时空观念,而庞加莱主要是一位杰出的数学家,所以只有眼光敏锐、思想深邃的爱因斯坦来担当这一历史重任。值得一说
更何况洛伦茨是当时世界闻名的物理学家,庞加莱是法国第一数学家。爱因斯坦大学毕业后,连一个中学老师的职位都找不到,就在朋友的介绍下,在伯尔尼专利局当了一名职员。
他接着说,如果他没有在1915年发表广义相对论,人们至少要等五十年。这个估计很合理。广义相对论是狭义相对论和引力理论相结合的结果。其实验基础之一是伽利略在比萨斜塔的自由落体实验,即引力质量和惯性质量的等效。但是为了充分解释它的物理意义,人们等了300年,也就是直到广义相对论的发现。所以如果不是爱因斯坦,再等50年也是有可能的。当我们浏览《爱因斯坦文集》第六卷时,可以看到他做了许多不成功的尝试,这是人类理性的蹒跚学步。他认为引力场不同于其他物质场,它是通过时空的曲率来体现的。物质弯曲时空,时空是物质的载体,没有物质的时空弯曲就是引力波。所谓广义相对论原理是指物理定律对任何坐标变换都采用相同的形式,狭义相对论原理是指物理定律只对任何坐标变换采用相同的形式,狭义相对论原理是指物理定律只对任何洛仑兹线性变换采用相同的形式。引力场受所谓的爱因斯坦方程支配。它是非线性的,不同于以前所有的场方程。所以物质的运动方程就隐含在爱因斯坦的方程中。引力场方程是一个带椭圆约束的二阶双曲偏微分方程,以时空为自变量,度规为因变量。它的复杂和美丽给任何与之打过交道的人留下了深刻的印象。
在广义相对论的框架内,爱因斯坦计算了引力红移、水星近日点进动和引力场对光的折射。他关于光在太阳引力场附近发生折射的预言,在1919年西非日食的观测中得到了证实。他的方程是如此的困难,以至于他在这些计算中只使用一个近似解,主要依靠他无与伦比的物理洞察力。球对称的精确解——Schwartz解是在这之后才发现的。
他首次用引力场方程研究整个宇宙,开创了理论宇宙学的新学科。可惜的是,因为稳态宇宙的概念如此根深蒂固,他拒绝了演化宇宙的解,他还为此在场方程中引入了一个宇宙常数,人类就这样失去了一个重大的科学预言机会!1929年,哈勃观测到光谱红移与星系距离的线性关系,这就是所谓的哈勃定律。人们将红移归因于宇宙的膨胀,并断言宇宙是由100多亿年前的一次大爆炸产生的,这就是所谓的标准大爆炸宇宙学。
他的场方程还引出了致密天体引力坍缩的解,即史华兹解及其推广,是描述黑洞的解。但爱因斯坦认为物质不可能如此致密,并写道这是荒谬的。然而,历史已经证明黑洞是天体物理学中最重要的物体。近年来的天文观测让人们普遍认为星系中心存在巨大的黑洞。其实宇宙本身和黑洞才是理论物理最奇妙的研究对象。如果抛开宇宙和黑洞,物理学的荣耀将大大逊色!
爱因斯坦对布朗运动、作为激光机制基础的辐射理论、玻色-爱因斯坦统计及其凝聚现象做出了关键贡献。他和玻尔关于量子力学的争论是科学史上持续时间长、影响深远的事件。他坚信自然界所有的相互作用都可以统一成一个函数。统一场论是科学皇冠上的钻石!当代的超对称、超引力、超弦等理论都是统一场论的尝试。
相对论在近四十年取得了很大的进展,特别是经典相对论已经成为一门成熟的学科。相对论在近代的进步主要归功于彭罗斯和霍金。彭罗斯使用整体分析和拓扑工具赋予深刻的相对论计算以独特的物理意义。以他的名字命名的彭罗斯图对时空的重要性不亚于费曼图对粒子物理学的重要性。霍金和彭罗斯一起证明了奇胜定理。他独立证明了黑洞面积定理和黑洞视界面积代表了黑洞的熵。他的黑洞蒸发理论统一了量子场论、广义相对论和统计物理,其理论瑰丽夺目如佛光。他的量子宇宙论的无限性假设是研究宇宙创造的科学理论。
利用整体分析和拓扑工具,先进相对论计算被赋予了独特的物理意义。
作者认为,引导爱因斯坦及其后代从事科学家职业的最大动力不是财富、名望或其他更高的目标(尤其是财富和名望可以通过其他更快的手段获得)。他们的主要动机是科学好奇心和科学审美。我们可以在历史上找到很多例子,有多少人只是为了科学而牺牲了他们在世俗世界中的健康、财富和名誉。但人在整个世界上所拥有的一切,除了科学发现和艺术创造的快乐,都可能被剥夺。人类对好奇和美的不懈追求,将引领人类走向更美好的未来!
写于爱因斯坦120岁生日前夕。
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这一次,我执着于面子,任性地沉醉。我不在乎它是对是错。
即使深陷困境,我绝望,即使执迷不悟,我也不后悔
在20世纪700个诺贝尔奖的历史上,恐怕爱因斯坦获奖时惹的麻烦最多,而获奖的原因更是千奇百怪。他被提名为候选人已经很久了,但由于各种几乎难以置信的原因,他一直没有成功。1922年,他终于在1921年获得了重新颁发的诺贝尔物理学奖。1909 10德国著名化学家奥斯特瓦尔德首次提名爱因斯坦为1910诺贝尔物理学奖候选人,推荐理由是爱因斯坦对狭义相对论的巨大贡献。后来他又在1912和1913两次提名爱因斯坦。当时反对相对论的声音很大,评奖委员会不给爱因斯坦颁奖也情有可原。1912年,德国物理学家普林斯海姆(Pringsheim)推荐爱因斯坦(因其在相对论方面的成就)为该奖候选人时,写下了一句很有分量的话:“我相信,诺贝尔奖委员会很少有机会为一项意义类似的工作颁奖。”
从物理学后来的发展来看,普林斯海姆的话非常准确。然而,令人遗憾和惊讶的是,诺贝尔委员会并没有因为20世纪最伟大的理论之一——相对论而授予爱因斯坦一个奖项。恐怕无论如何,这也是诺贝尔奖历史上的一大遗憾。
191911年6月,英国皇家学会主席J·J·汤姆逊(1906年6月诺贝尔物理学奖获得者)郑重宣布:“(爱因斯坦的引力理论)是自牛顿时代以来最重要的进展,是人类思想的最高成就之一。”当时科学界最权威的人之一荷兰物理学家洛伦茨(1903年获得诺贝尔物理学奖),在1919年9月22日给埃伦费斯写信说,“(日食观测结果)是一个理论最辉煌的证明之一,也非常适合为诺贝尔奖铺路。”就连最初劝爱因斯坦不要搞广义相对论的普朗克,即使他搞了,也没人相信他,因为爱因斯坦在广义相对论方面的成就,在1919 19上提名爱因斯坦为获奖候选人,理由是他迈出了超越牛顿的第一步。1921年,更多的人提名爱因斯坦广义相对论,但诺贝尔委员会犹豫了,因为很多人(但不是一流科学家)反对相对论,导致了当年诺贝尔物理学奖的空缺。那么多最权威的科学家的意见都能被委员会无视,可见诺贝尔委员会中的保守势力有多强大。
在1919之前,无论在特殊意义上还是广义相对论上,每年都有一些反对意见或者证明他们错误的实验,而提出这些反对意见和实验结果的人,大部分都不是闲人,有些还是非常著名的科学家(或者哲学家),这引起了诺贝尔奖委员会的一些犹豫,也不是完全不能理解。然而,在1919年英国日食探险队用确凿的观测证明了爱因斯坦的万有引力新定律后,委员会的犹豫相当令人费解。1919年,很多之前获得诺贝尔奖的科学家,因为广义相对论,继续提名爱因斯坦,包括沃伯格、劳厄、普朗克等人;瑞典物理化学家阿伦尼乌斯因为布朗运动提名爱因斯坦为该奖候选人。但在委员会的最终报告中,认为“如果爱因斯坦获得统计物理学奖……而不是他的其他主要论文,学术界会感到奇怪”。这意味着爱因斯坦关于统计力学的论文质量没有他研究相对论的论文质量高;但对于广义相对论,建议等到2009年5月29日日食观测结果出来后+1965438。随着结果在1919年9月6日正式公布(爱因斯坦的广义相对论得到证实),1919年的物理学奖被授予“发现了运河射线的多普勒效应和在电场作用下谱线的分裂现象”的斯塔克。
1920年,更多的科学家提名爱因斯坦获得广义相对论奖,因为在1919年,通过观测日食证实了广义相对论的一个预言。玻尔也开始第一次提名爱因斯坦。他特别提到相对论是“第一个也是最重要的”,并表示“在这里,我们正面临着物理学研究发展中最具决定性的进展”。委员会问阿伦尼乌斯(物理化学家!写一份关于广义相对论的评估报告。当时,阿伦尼乌斯一直在试图弄清楚并遵循德国科学家对爱因斯坦的看法。德国诺贝尔奖获得者勒纳和斯塔克强烈反对爱因斯坦和相对论的同时,他也强烈反对爱因斯坦获得相对论奖。他在报告中指出:红移实验尚未得到实验证实;很多人对1919日食调查结果提出批评和质疑;至于近日点效应,阿伦尼乌斯不幸错误地重复了德国科学家格尔克的观点。格尔克在1916年提出,水星近日点的进动早已被德国物理学家格柏解决。事实上,爱因斯坦在1917中正确地分析了格柏的理论基础和格尔克的观点是基于相互矛盾的假设。结果在伯恩哈德·哈西伯格的坚持下,1920诺贝尔物理学奖授予了瑞士裔法国冶金学家纪尧姆,以表彰他“发现了镍钢合金的异常性及其在精密物理学中的重要性”。几乎所有的物理学家,包括纪尧姆本人,都对这个决定感到惊讶,只有法国人和瑞士人感到高兴。这个决定让很多人摇头。
1921年,在一封简短有力的信中,普朗克再次提名爱因斯坦为获奖者,表彰他对广义相对论的贡献,许多著名科学家,如爱丁顿、莱曼等都提名了爱因斯坦。瑞典乌普萨拉大学的C.Oseen提名爱因斯坦获得光电效应奖。
委员会请乌普萨拉大学眼科教授A . gull strand(1911获得生理医学奖)写一份关于广义相对论的评价报告,请阿伦尼乌斯写一份关于光电效应的评价报告。Gullstrand根本不懂物理,更别说相对论了,但他坚持要来物理评选委员会,他要决定物理奖!Gullstrand在瑞典很有权威。他竭尽全力反对爱因斯坦获奖。他曾私下说:“爱因斯坦一定得不了奖,哪怕全世界都支持他。结果可想而知:他以门外汉的身份彻底严厉批判相对论,说它们根本没有经过严格的实验证实。这真的是中国的一句俗语:“乔是坏分子的太守。“皇家瑞典学院科学院院士、物理学奖评审团成员哈塞尔伯格听说爱因斯坦可能会因为相对论而获得诺贝尔物理学奖。他在病床上抗议,反对因为相对论给爱因斯坦颁奖。他写道:“把猜想放在颁奖的考虑中是极不可取的。"
20世纪初,瑞典科学界过于重视实验物理,轻视理论,将其视为纯粹的猜想。哈塞尔伯格在瑞典很有权威。他一直坚持精确测量“是我们深刻理解物理规律的根本和主要条件,是取得新发现的必由之路,是科学进步的必由之路”。这正是霍尔顿所说的“实验主义”哲学。这种哲学在1900左右的物理学界非常流行,但是到了20世纪20年代,大多数国家的物理学家都有了不同的看法,选择了不同的研究方法,但是瑞典物理学家(尤其是当权的乌普萨拉学派)的视野还是非常狭窄。哈塞尔伯格、古尔斯特兰德等人甚至认为爱因斯坦的相对论是一种“病态”的物理学,侵蚀了人们以前所持有的正确信念,与西方文明的古希腊真善美传统观念完全对立。他们认为爱因斯坦没有做任何实验,他的理论也不是由实验归纳出来的。他修正了基本假设,把不同的物理场总结成统一的理论。对于这些实验物理学家来说,这是一部形而上学的作品,不是科学的一部分,而是达达主义在科学中的一种表现。是可忍,也是不可忍!?
Arrhenius是斯德哥尔摩大学的教授。他因为自己的电离理论被乌普萨拉大学压制,所以不满意哈塞尔伯格和古尔斯特兰德过于偏袒实验的狭隘态度。但是,他对爱因斯坦获奖仍然持不支持的态度。他说,普朗克刚刚在1918获得量子理论奖,然后把量子理论奖颁给爱因斯坦,是不合适的;如果真的要给光电效应颁奖,应该颁给实验物理学家。他还建议1921不要颁发物理奖。结果1921没有颁发物理,其他四个奖项照常颁发(当时没有经济学奖)。这也是诺贝尔奖历史上非常奇怪的行为。
从65438到0922,一封封推荐信陆续送到委员会,越来越多的著名科学家推荐爱因斯坦。法国物理学家布里渊甚至在信中写道:“试想:如果爱因斯坦的名字不在诺贝尔奖得主名单上,那么20世纪50年代以后人们的看法会是怎样的?”这时候的情况已经不是爱因斯坦期待获得诺贝尔奖,而是诺贝尔委员会因为某种原因不得不把诺贝尔奖颁给爱因斯坦。因为爱因斯坦在科学界的名声如日中天。有人认为爱因斯坦不先得奖,就不能考虑其他人选;也有人说爱因斯坦的威望已经高于诺贝尔奖了。
普朗克建议将1921的物理学奖重新颁发给爱因斯坦,将1922的物理学奖重新颁发给玻尔。
委员会又让古尔斯特兰德写一份关于相对论的报告,结果可想而知;不过好在委员会让理论物理学家奥席恩(而不是物理化学家阿伦尼乌斯!)写一篇关于光电效应的报告。此时哈塞尔伯格已经去世,委员会上的空缺已经由奥辛填补,因此他的意见会比以前更受重视。奥席恩懂理论物理。尽管Gullstrand仍然错误地坚持“反对的论点是信仰问题”,但没有人重视他的意见。而古尔斯特兰德知道奥席恩很懂理论物理,他不敢挑战奥席恩的推荐。而奥辛则充分展示了一个战略家大师的水平。他采取了两种策略:一是把颁奖理由限定在光电效应定律,不谈“理论”(即光子理论,当时很少有人相信);第二,指出爱因斯坦的成就,不同的研究者有不同的兴趣,避免了光电效应不如相对论重要而引起争议。阿伦尼乌斯在1922转而支持爱因斯坦对爱因斯坦更有利。这种转变的主要原因是他在柏林亲自见到了爱因斯坦,看到了柏林科学界对爱因斯坦的尊重和爱戴。他非常尊敬的勒纳和斯塔克已经名誉扫地,被德国科学主流所不齿。
因此,委员会决定绕过相对论“争论太多”的障碍,以光电效应定律的贡献直接授予爱因斯坦1921年空缺的物理学奖,授予玻尔1922年的奖。
1922年,大约是18年9月,诺贝尔奖物理委员会主席阿伦尼乌斯给爱因斯坦写了一封信,信中说:“你很有可能应该在12年6月到达斯德哥尔摩。如果你当时在日本,可能不太合适。”同一天,劳厄也给爱因斯坦写了一封信:“根据我昨天得到的可靠消息,诺贝尔奖的评选将于5438年6月+065438年+10月开始,所以你最好在5438年6月+2月留在欧洲。”
但是这个时候爱因斯坦已经和日本维新会签约了,他不能毁约。他在9月22日给阿伦尼乌斯回信说:“合同已经迫使我去日本,所以我不能推迟旅行日期。.....希望不要取消邀请,不过过段时间可以去瑞典。”
在时代的潮流下,爱因斯坦终于在1921年获得了诺贝尔奖。诺贝尔委员会虽然留下了种种遗憾和责备,但最终还是正确地把诺贝尔奖颁给了最值得的人。也许让爱因斯坦感到好笑的是,当他看到获奖通知时,上面特别指出他在获奖感言中仅限于形式上的颁奖理由,不能提相对论。天佑,因为爱因斯坦要去日本做学术演讲,所以躲过了5438年6月+2月的官方颁奖仪式。
次年7月在瑞典哥德堡演讲时,阿伦尼乌斯暗示:“人们一定会感谢你的相对论讲座。”7月11日,爱因斯坦在2000名听众面前做了题为《相对论的基本思想和问题》的报告。瑞典国王古斯塔夫五世也出席了。