爱因斯坦改变世界的七种方式

编者按： Andrew May拥有英国曼彻斯特大学天体物理学博士学位，30 年来，他活跃在学术界、政府部门和私营部门，之后成为一名科学作家，长期为 Fortrean Times、How It Works、All About Space、Popular Science 等杂志撰稿。

阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）是有史以来最著名的科学家之一，他的名字几乎已成为“天才”一词的同义词。虽然他在世界上的广泛声誉很大程度上归因于他古怪的外表和偶尔在哲学、世界政治和其他非科学话题上发表的言论，但他真正声名鹊起的原因是他对现代物理学的贡献，这些贡献改变了我们对宇宙的整个看法，并帮助塑造了我们今天生活的世界。

01

时空

爱因斯坦的狭义相对论改变了我们思考空间和时间的方式——并建立了光速的普遍速度极限。

图源：NASA

爱因斯坦在 26 岁时最早的成就之一是他的狭义相对论——之所以这么称呼，是因为它涉及忽略引力的特殊情况下的相对运动。这听起来好像没什么，但它是历史上最伟大的科学革命之一，彻底改变了物理学家对空间和时间的看法。实际上，爱因斯坦将这些合并成一个单一的时空连续体。我们认为空间和时间是完全分开的一个原因是因为我们分别用不同的单位来衡量它们，例如英里和秒。但是爱因斯坦展示了它们实际上是如何互换的，通过光速相互联系 — 大约每秒 186000 英里（每秒 300000 公里）。

也许狭义相对论最著名的结果是没有什么东西可以比光速传播得更快。但这也意味着随着接近光速，事情开始变得非常奇怪。如果你能看到一艘以 80% 光速飞行的宇宙飞船，它看起来会比静止时短 40%。根据佐治亚州立大学的 HyperPhysics 网站，如果你能看到里面，一切似乎都在以慢动作移动，时钟需要 100 秒才能走完一分钟。这意味着宇宙飞船的船员实际上会随着他们旅行的速度变慢而变老。

02

E = mc2

E = mc2 可能是世界上最著名的方程

图源：VICTOR HABBICK VISIONS/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

狭义相对论的一个意外分支是爱因斯坦著名的方程 E = mc2 ，这可能是唯一一个达到文化偶像地位的数学公式。该方程表示质量 (m) 和能量 (E) 的等效性，这两个物理参数以前被认为是完全独立的。在传统物理学中，质量测量物体中所含物质的数量，而能量是物体由于其运动和作用在其上的力而具有的属性。此外，能量可以在完全没有物质的情况下存在，例如在光或无线电波中. 然而，爱因斯坦的方程说质量和能量本质上是一回事，只要你将质量乘以 c2——光速的平方，这是一个非常大的数字——以确保它最终得到相同的结果单位为能量。

这意味着物体在移动得更快时会增加质量，这仅仅是因为它正在获得能量。这也意味着即使是惰性的、静止的物体也有大量的能量被锁在里面。除了是一个令人兴奋的想法之外，这个概念在高能粒子物理学领域也有实际应用。根据欧洲核研究委员会 ( CERN ) 的说法，如果足够高能的粒子碰撞在一起，碰撞的能量可以以额外粒子的形式产生新物质。

03

激光器

激光腔中受激发射的阶段。

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激光是现代技术的重要组成部分，用于从条形码阅读器和激光笔到全息图和光纤通信的所有领域。尽管人们通常认为激光与爱因斯坦无关，但最终是他的工作使其成为可能。根据美国物理学会的说法，激光这个词于 1959 年创造，代表“受激辐射的光放大”——受激辐射是爱因斯坦在此之前40多年提出的一个概念。1917 年，爱因斯坦写了一篇关于辐射量子理论的论文，其中描述了穿过物质的光子如何激发更多光子的发射。

爱因斯坦意识到新光子与原始光子以相同的方向、相同的频率和相位传播。随着越来越多的几乎相同的光子产生，这会导致级联效应。作为一名理论家，爱因斯坦并没有进一步深入研究这个想法，而其他科学家却迟迟没有意识到受激发射的巨大实际潜力。但是后来整个世界都发现了激光巨大价值，直到今天人们仍在寻找激光的新应用，从反无人机武器到超高速计算机。

04

黑洞和虫洞

1935 年，爱因斯坦和内森罗森描述了从一个时空点到另一个点的捷径的可能性——被称为爱因斯坦-罗森桥。

图源：Shutterstock

爱因斯坦的狭义相对论表明，即使没有引力场，时空也可以做一些非常奇怪的事情。但这只是冰山一角，正如爱因斯坦在他的广义相对论中最终成功地将引力加入混合体时所发现的那样。他发现像行星和恒星这样的大质量物体实际上扭曲了时空结构，正是这种扭曲产生了我们所感知的重力效应。

爱因斯坦通过一组复杂的方程解释了广义相对论，这些方程具有广泛的应用范围。也许最著名的爱因斯坦方程解来自于 1916 年卡尔施瓦茨柴尔德的解——黑洞。更奇怪的是爱因斯坦本人于 1935 年与内森罗森合作开发的解决方案，描述了从时空的一个点到另一个点的捷径的可能性。最初被称为爱因斯坦-罗森桥，现在所有科幻小说迷都更熟悉“虫洞”这个词。

05

膨胀的宇宙

宇宙膨胀示意图。

图源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

早在 1915 年，爱因斯坦对广义相对论方程所做的第一件事就是将它们应用于整个宇宙。但在他看来，这个答案是错误的。这暗示着空间结构本身处于不断膨胀的状态，拉着星系随之而动，因此它们之间的距离不断增加。常识告诉爱因斯坦这不可能是真的，所以他在他的方程中添加了一个叫做宇宙常数的东西，以产生一个行为良好的静态宇宙。

但在 1929 年，埃德温·哈勃对其他星系的观察表明，宇宙确实在膨胀，显然正如爱因斯坦的原始方程所预测的那样。它看起来像是宇宙常数的终点，爱因斯坦后来将其称为他最大的错误。然而，这并不是故事的结局。基于对宇宙膨胀更精确的测量，我们现在知道它正在加速，而不是在没有宇宙常数的情况下减速。所以看起来爱因斯坦的“失误”并不是一个简单的“错误”。

06

原子弹

1945 年美国新墨西哥州阿拉莫戈多，第一次试爆原子弹。

图源：环球历史档案馆/环球图片组 Getty Images

爱因斯坦有时会因为他的方程 E = mc2 被认为是核武器的“发明者”，但根据马克斯普朗克引力物理研究所的爱因斯坦在线网站，两者之间的联系是微不足道的。关键因素是核裂变物理学，爱因斯坦没有直接参与。尽管如此，他在第一颗原子弹的实际开发中发挥了至关重要的作用。1939 年，一些同事提醒他核裂变的可能性以及如果纳粹德国获得此类武器将会带来的恐怖。最终，根据原子遗产基金会的说法，他被说服在给美国总统富兰克林·D·罗斯福的一封信中转达了这些担忧。爱因斯坦这封信的最终结果是曼哈顿计划的启动，该计划制造了二战结束时用来对付日本的原子弹。

尽管许多著名的物理学家都参与了曼哈顿计划，但爱因斯坦不在其中。据美国自然历史博物馆（AMNH）称，由于他的左倾政治观点，他被拒绝获得必要的安全许可。对爱因斯坦来说，这并不是什么大损失——他唯一担心的是否认纳粹对这项技术的垄断。1947 年，爱因斯坦告诉《新闻周刊》杂志，“如果我知道德国人不会成功地研制出原子弹，我将永远不会动一根手指头，”这个说法来自《时代》杂志。

07

引力波

引力波、中子星

图源：R. Hurt/Caltech-JPL

爱因斯坦于 1955 年去世，但他的巨大科学遗产即使在 21 世纪仍继续成为头条新闻。这件事在 2016 年 2 月以惊人的方式发生，科学家宣布发现了引力波——这是广义相对论的另一个结果。引力波是在时空结构中传播的微小涟漪，人们经常直言不讳地说爱因斯坦“预测”了它们的存在。但实际情况并没有那么明确。

爱因斯坦从未完全确定他的理论是否预测或排除了引力波。天文学家花了几十年的时间寻找以一种或另一种方式来决定这件事。最终他们成功了，使用了诸如位于华盛顿汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 等巨型设施。引力波的发现不仅是爱因斯坦广义相对论的又一次胜利（尽管他自己不太确定），还为天文学家提供了一种观察宇宙的新工具——包括黑洞合并等罕见事件。