重新理解爱因斯坦

我很久以前就认识爱因斯坦了。当时我只知道他是一个伟大的科学家,仅此而已。在写这篇文章之前,我只知道一些与相对论、量子科学、原子弹相关的术语,但我觉得是时候去了解这样一个伟大的人了。

爱因斯坦不仅有世界上最疯狂的发型,还有最聪明的大脑。小时候的爱因斯坦说话很晚,家里的丫鬟都叫他傻小子,但是带他去看医生的时候发现他就是喜欢一开口就说完整的句子。年轻的爱因斯坦开始探索日常生活的世界。他曾说有两件事影响了他的早期生活:一个是他五岁时得到的指南针,一个是他12岁时收到的几何书。他对神秘现象和数学深深着迷。

爱因斯坦的思维方式和别人不一样,这使得他和老师的关系不好。其实在他口中,学校是“军营”,老师是“中尉”。因为他没有通过任何一门课程,“二等兵”爱因斯坦成为了一名高中辍学生。他没有通过瑞士苏黎世联邦理工学院的考试,但他在17岁时又参加了一次,并以高分通过。不过这是因为他还是很叛逆,经常反对老师。他认为教育制度扼杀创新。他从不遵守规则,还经常质疑老师,让老师很头疼。所以22岁的时候,他还没有工作,有一个怀孕的女朋友。幸运的是,他在瑞士专利局找到了一份小工作,他把这段经历称为鞋匠生涯。这一补就是七年。在这七年里,他一直在做他最喜欢的事情:思考。

他认为时间产生了非常积极的影响。在此期间,他写了大量的重要论文,边思考边完成他在专利审查员的工作,所以他当时的工作没有产生负面影响,反而有所帮助。因为如果他留在学术界,会受到很多干扰。

爱因斯坦的伟大思想:

想象你正在追一辆公共汽车。它的速度是每小时48公里,而你的速度只能达到每小时47公里。公交车比你快1公里,你只要稍微加速就能追上。但是如果把公交车换成光束(每秒30万公里左右),那么无论你怎么加速,你们之间的速度差都是不变的,这个差就是光速。这种说法似乎很难理解,但20世纪初的实验证明,这个结论是正确的,光速确实是恒定的。

他通过一个有趣的思维实验推断,改变的不是光,而是时间本身。因为光速不变,所以空间和时间的概念必须改变。排除距离因素后,剩下的只有时间。这意味着时间本身不再是绝对的,而是相对的,这是爱因斯坦取得的重大突破。这是一个非常违反直觉的观点,但事实证明这是正确的。

质能方程E = MC 2其实就是能量=质量*光速的平方。因为光速的平方是一个非常大的数字,即使是一个很小的物体,比如一个回形针,也相当于巨大的能量,正好相当于1.8吨TNT炸药或者一颗原子弹。这是一个意义深远的方程式,人们花了好几年才掌握。在这个等式中,爱因斯坦表明能量和质量是相关的。想象你正坐在一艘宇宙飞船里,试图赶上光速。火箭燃料一如既往的猛烈燃烧着,但是当你接近光速的时候,你会发现速度变小了,但是在达到光速之前,火箭燃料会继续燃烧,产生能量,而这种能量必须有去处。如果你还没有达到光速,说明你越来越难前进,也就是你越来越重,所以你的质量在增加。所以爱因斯坦意识到质量本身就是能量的一种形式。这是质能方程的精髓。

同时,他告诉我们还有更多。它告诉我们少量的物质可以转化为巨大的能量。不管是什么物质,苹果酱、石头还是猴子的耳垢,理论上都是可以转化为能量的原子。问题是哪种能量需要相当大的能量才能释放出来。方法之一是核裂变。如果一个大的原子核,比如铀,被一分为二,一部分会转化为能量,同时会有一种可怕的辐射副产品。另一种方法是核聚变,让两个氢核聚合形成一个氦核,产生一些能量,但首先你需要一个大约1亿摄氏度的高温环境,这也是太阳等恒星能够进行核聚变的原因。如果我们能在地球上解决这个问题,受控核聚变将给我们带来无尽的清洁能源。一座核聚变电站每天要消耗大约1公斤燃料,相当于一大袋糖,而一座燃煤电站每天要消耗几百卡车的煤。现在你应该明白我们能从核聚变中获得多少能量了。这个想法真的太乐观了,因为氢弹是我们目前唯一实现的高能效核聚变,而且是绝对不可控的,但是科学还是在进步的。

爱因斯坦知道他的第一个相对论遗漏了一些东西:引力,所以他把它重新命名为狭义相对论,并开始处理一个全新的版本,他称之为广义相对论。传说爱因斯坦坐在办公室里,看到一个人在修屋顶。他想象着那个可怜的家伙倒下了,这个想法给了他所谓的“他一生中最快乐的想法”。这名男子坠落时实际上处于失重状态。如果把他放在一个同样在自由下落的封闭盒子里,他不会知道自己在移动,这种情况会持续到落地的那一刻。爱因斯坦意识到重力实际上只是一种幻觉,尽管它的影响一如既往地真实存在。爱因斯坦花了十年时间研究细节,最后他画出了一幅全新的由时间、空间和引力组成的图画。在这个新的宇宙中,重力减慢了时间。他把三维空间和时间结合起来,提出了时空的概念。这是一个无法理解的概念,因为我们生活在一个三维空间,我们无法描述一个四维空间。除了上、下、左、右、左之外还有一个方向,我不能指,很遗憾,因为我只能指出空间中的方向,但如果我们能指出这个方向,那就是时间的方向。

我们可以把时间和空间想象成一块橡胶板。如果考虑重力的话,它会让这个橡胶块下陷。如果我把一颗行星放入我的时空,它会使时空变形,那就是我的引力井。所以我们不仅仅把它看成一个力,而是一个时空的扰动。我们说引力使它们绕着更大的物体运动,但如果引力不存在,那么一定有其他一些因素使物体直线运动。当它们的路径是弯曲的,的确,曲面可以实现这一点。所以如果你想以最短的距离从北京直飞纽约,你可以选择一直往前飞,但是如果你从太空看那条直线,你会发现它其实是一条弧线,因为你会绕着地球表面飞。爱因斯坦发现曲率和引力本质上是一样的,于是我们就有了这个弯曲的四维时空,它其实和引力是等价的。离地心越远,引力越弱。就衰老速度而言,你的头每天比脚快百分之一秒,到你80岁生日时,你的头骨比你的脚趾老300纳秒,也就是一眨眼的百万分之一。

广义相对论真正摆脱了固有的思维方式。爱因斯坦用思想实验的方法去想象那个场景,但是之前没有人想过。爱因斯坦的思维方式和整合知识的方式是独一无二的。

爱因斯坦的观点是正确的。一个天文实验证明了引力可以弯曲光,颠覆了我们之前对空间、时间、宇宙的所有认知,爱因斯坦成为了世界名人。广义相对论在世界上引起了很大的轰动,这对于科学理论来说是非常罕见的。我认为广义相对论触及了我们所能感知的世界,加深了我们对宇宙的理解和认知,牛顿学派的世界观被彻底击碎了。从人类会思考开始,我们就一直仰望星空,想知道哪里有东西,爱因斯坦给我们提供了更广阔的窗口。

至此,广义相对论告一段落,在此基础上发生了很多事情:比如量子物理的探索,BIGBANG的理论,拒绝以色列让他当总统的邀请,后来爱因斯坦鼓励美国总统罗斯福下令研制原子弹。这是一个极其艰难的决定,因为爱因斯坦是一个和平主义者,一生都在为和平而奋斗。

爱因斯坦在1955年离开了这个四维世界,一次尸检偷走了他的大脑。他想找出大脑和天才之间是否存在生理联系,他想揭示爱因斯坦天赋的秘密。最后发现爱因斯坦的大脑和普通人的一样大,这就产生了大脑越大的人越聪明的论点。发现由于大脑外侧裂未发育完全,爱因斯坦的顶叶比常人宽15%。大脑的这个区域控制着数学运算和空间认知,这绝对是爱因斯坦最擅长的两门学科。此外,爱因斯坦76岁的灰质似乎没有任何衰老的迹象,所以也许爱因斯坦天赋的关键在于他年轻的头脑,或者说年轻的大脑。

我觉得事实是,他一直在工作,带着孩子般的专注和好奇,他有自己的人生哲学,这有助于他发展自己的想法。阿尔伯特·爱因斯坦是一位伟大的天才,他给我们带来了一种新的世界观。他是历史上最伟大的物理学家。他为21世纪的科学奠定了基础。他引入了新的概念,提出了以前没有人考虑过的新观点。他改变了我们对宇宙的理解。这一成果意义重大。