《人类科学技术史-333》科学巨匠爱因斯坦（上）

科学巨匠爱因斯坦（上）
1.爱因斯坦的科学贡献

科学巨匠爱因斯坦在现代科学技术史上占有极其重要的地位，他的一生对科学宝库作出了巨大的贡献，对物理学的贡献就有以下几个主要方面：

一是分子运动论方面。爱因斯坦用统计方法研究分析了原子、分子的热运动问题。1827年，英国的植物学家布朗(1773-1858)在显微镜下发现，浸泡在液滴中的花粉粒子在不停地作不规则的运动(后来以发现者的名字，命名这种运动为布朗运动），粒子越小，液体温度越高，运动就越激烈。布朗运动实际上是由液体分子的不规则热运动引起的。1905年春，爱因斯坦撰写的关于液体中悬浮粒子运动的两篇论文才真正从理论上完全解释了布朗运动，并以统计方法给出了悬浮粒子的运动状态与液体性质之间的数学关系式，还给出了测定分子大小的方法。1908年，法国物理学家裴兰用实验证实了"布朗运动的爱因斯坦定律"，并因此获得1926年的诺贝尔奖。爱因斯坦的研究证明，热是能量的一种形式，是由不规则的分子运动引起的，证明了物质是由分子、原子构成的。他的工作使原先对原子论抱怀疑和反对态度的人如马赫和奥斯特瓦尔德(1853-1932)也不得不宣称"改信原子学说"，对原子论的胜利作出了决定性的贡献。

二是量子论方面。1905年，爱因斯坦推广了普朗克的"能量子假说"提出"光量子假说"，以最简练、明晰的方式解释了1887年赫兹所发现的"光电效应"现象，并给出了光电效应的"爱因斯坦公式"。10年后，该公式在美国实验物理学家密立根(1868-1953)的实验中得到了证实。爱因斯坦关于光的这种新的理论，发展了普朗克在热辐射问题上阐明的量子思想，首次揭示了光的两重性，即光既有波动性，又有微粒性，使惠更斯和牛顿彼此对立的光学理论在新的概念、新的高度上得以统一。后来，德布罗意(1892-)和薛定谔(1887-1961)把爱因斯坦的这种观点又推广到电子，提出电子和光子一样具有波粒二重性，而波粒二重性则是量子力学和量子场论的支柱。1906年，爱因斯坦把量子概念运用到物体内部的晶格振动问题中，解决了低温时固体比热同温度变化的关系问题；1912年，又把量子概念用于光化学现象，提出光化学当量定律；1916年，他从玻尔的基本假定出发导出了普朗克的辐射公式，并提出受激辐射的理论，这一理论对60年代激光技术的发展有重要意义；1924年，他利用刚刚提出的德布罗意物质波假说处理单原子理想气体，同玻色一起建立了玻色-爱因斯坦量子统计理论。由于爱因斯坦在量子论方面的贡献以及对量子力学产生的推动作用，他和玻尔一起被称为量子力学的两个"教父"。

三是相对论的创立和发展。包括前面所述的狭义相对论、广义相对论的创立，以及广义相对论创立之后在宇宙论和统一场论研究领域的开拓、发展。

被人们尊称为"相对论之父"的爱因斯坦，实际上在多学科领域中都是出类拔萃的理论研究家。1921年，爱因斯坦因在光电效应理论方面的贡献获得诺贝尔奖，而他的学生兰佐斯认为，爱因斯坦一生理应获得五个诺贝尔奖，即指布朗运动研究，提出光量子理论，创立狭义相对论，发现质能关系式和创立广义相对论。其中前四项涉及三个领域的重大成果是在1905年3月到9月这半年之内完成的。当时爱因斯坦年仅26岁，在瑞士伯尔尼专利局任技术员，一无名师指导，二无专门研究机构的条件，而他完全靠业余时间独立钻研取得这些成果。爱因斯坦的成就不能不说是科学技术史上的一大奇迹，也是人类科技史上最光彩夺目的一页。毫无疑问，爱因斯坦具有不同于常人的高度发达的"信息加工中心"——大脑，科学家们至今仍在努力揭开这个"信息加工中心"的奥秘，但从另一方面看，爱因斯坦的成就并不是偶然的。

2.从学生时代到就职于伯尔尼专利局

1879年3月14日，爱因斯坦出生于德国乌尔姆的一个犹太商人家庭。

他和牛顿一样，并不早慧，但从小就有强烈的好奇心，酷爱大自然而且喜欢思索其中的奇妙现象。在树林里游玩，他琢磨阳光透过树叶在地上留下的美丽图案；在湖边，他会专注地观察湖面上起伏的波纹。四五岁时，从爸爸那里得到一枚指南针，面对总是在一个方向附近游动的指针，小爱因斯坦惊奇不已，竟呆呆地想个不停。上学后几年的某个学期，他拿到一本欧几里得几何学课本，书中对几何公理严谨、明晰的论证再次使他惊奇不已，并激发起他强烈的求知欲，他等不及听老师讲授，就一口气读完了它。正如爱因斯坦后来所说的，这种种"惊奇"是经历的事情同我们的充分固定的概念世界有冲突时才会发生，每当我们尖锐而强烈地经历这种冲突时，它就会以一种决定性的方式反过来作用于我们的思维世界，思维世界的发展，在某种意义上说就是对"惊奇"的不断摆脱。

少年时代还有两本书对爱因斯坦的影响比较深。一本是伯恩斯坦的《自然科学通俗读本》。书中，光速问题被放在第一卷的最前列，作为所有自然观察的开端，作者用引人入胜的叙述引导读者去思索、理解自然现象。爱因斯坦在这里首次接触到光速的基本含义问题，而且，这个问题从此一直激励、引导着他，直至创立了相对论。另一本是布赫纳的《力和物质》，具有朴素的现实主义思想。这些自然科学启蒙著作较早地形成了爱因斯坦的怀疑主义思想。

从少年时代起，爱因斯坦就喜欢开诚布公，毫不掩饰自己的观点。他对学校那种死记硬背、因袭守旧的教学方式很不以为然，喜欢按自己的想法学习，根据自己的思索和理解来寻求对任何问题的解答，表现出非凡的自学能力。

在苏黎士上大学时，他把主要精力充分利用于学习，但仍不注重学校的正规课程，而喜欢独立思考和自学。他为自己开列了长长的书单，并制定了严格的阅读计划。这些书中有基尔霍夫(1824-1887)、亥姆霍兹(1821-1894）赫兹、玻尔兹曼(1844-1906)及麦克斯韦等著名物理学家的重要著作。通过对这些著作的学习，爱因斯坦掌握了电磁理论，还从亥姆霍兹等人的著作中汲取了哲学和认识论方面的思想。

奥地利著名物理学家、哲学家马赫的《力学及其发展的批判历史概要》(以下简称《力学史》）则给他留下了深刻、持久的印象。19世纪中后期，当多数物理学家还陶醉于经典力学的完美无缺时，马赫就看出了经典力学理论框架的局限性，在1883年出版的历史性著作《力学史》中，他抨击了18至19世纪统治着物理学基础的教条主义，其中最为突出的是对牛顿绝对时空观的批判。这些对爱因斯坦创立相对论产生了深刻的影响。在狭义相对论对"同时性"问题和在广义相对论对"惯性"问题的思索中，爱因斯坦都从马赫的著作中受到了启示。爱因斯坦到晚年还赞颂《力学史》为一本"革命著作"。大学毕业以后的两年时间里，爱因斯坦常为谋求职业而忧虑、奔波。后来，在朋友的帮助下，被伯尔尼的联邦专利局聘为技术员，半年后，爱因斯坦和大学时的同学米列娃结了婚。米列娃是塞尔维亚人，当时也是物理教师。

1902年7月到1909年10月，爱因斯坦在伯尔尼专利局工作了7年。这是他一生中科学研究最丰产的时间。为了胜任专利技术员的工作，他必须多方面思考物理问题、技术问题，还要有充裕的时间和精力来思索更多的学术问题。

在专利局工作的前3年里，他和他的两位朋友，哲学系的大学生素罗文及苏黎士时的学友哈比希特组成哲学小组，并命其名为"奥林匹亚科学院"。在"科学院"里，他们一起研读了许多哲学著作和科学研究论著，如马赫的《力学史》和《感觉分析》，对爱因斯坦来说是再次研读，还有皮尔逊的《科学法则》，弥尔的《逻辑学》，休谟(1711-1776)的《人性论》，斯宾诺莎(1632-1677)的《伦理学》，亥姆霍兹的《报告、演说集》和安培的自然哲学著作，还研读了黎曼的《几何学基础》和戴德金等的数学论著。对彭加勒的《科学与假设》，"科学院"的"院士们"讨论了几周时间，作者的科学思想和批判精神无疑给爱因斯坦留下深刻的启示和激励。

1905年，哈比希特离开了伯尔尼，索罗文到法国学习，"奥林匹亚科学院"也结束了它的使命。3年来广泛深入地集体自学哲学和科学著作的活动，使爱因斯坦在以后的科学研究道路上获益匪浅。

爱因斯坦从前人的著作中汲取了两方面的财富；一方面是对经典物理学理论及其内在矛盾的深刻理解，一方面是批判和分析的思想。对于各派思想家的哲学著作，爱因斯坦感兴趣的并不是他们的结论，而是他们提出的问题和对问题思索，是当他面临认识论困境而寻求出路时可从中获取的启迪。例如，爱因斯坦自己承认，"他曾直接或间接地特别从休谟和马赫那里受到很大启发"，他十分钦佩马赫那"坚如磐石的怀疑态度和独立性"。

3.爱因斯坦的科学探索精神和风格

爱因斯坦在吸收前人思想精华的基础上，形成了他自己独特的科学探索的精神和风格。

他不仅勇于摒弃一切"世俗的偏见"，倡导彻底的怀疑态度，还具有勇敢的创新开拓精神。这种精神贯穿于这位量子论和相对论创始人的整个科学探索活动中。这也许能解释，为什么是爱因斯坦而不是洛伦兹、彭加勒或别的人创立了狭义相对论。洛伦兹提出的"长度收缩"以及"地方时间"等假说已经严重动摇了经典力学的基础，但他未能从根本上摆脱静止以太理论和牛顿绝对时空观的束缚。对他自己推出的洛伦兹变换式，也一直未能揭示和解释其真正的含义。彭加勒提出了一些更为接近相对论的重要思想，甚至提出了相对性原理的普遍性，但也没有意识到，要从根本上改造整个物理学的基础，而始终未找到突破口。

爱因斯坦不仅具有犀利的批判力和创新开拓精神，更具有彻底的科学探索精神。狭义相对论的创建工作刚刚告一段落，许多人尚不能接受和理解狭义相对论的观点时，爱因斯坦已经开始了对广义相对论的研究。曾积极支持他创立狭义相对论的物理学家，这时对爱因斯坦不解地说："现在一切都明白地解释了，您为什么又忙于另一个问题呢？"在广义相对论的10年探索中，他遇到了数学等方面的很大困难，但从未却步。1919年，广义相对论得到了天文观测实验的证实，爱因斯坦誉满天下。这时，他又选择了另一个更为艰难的新的探索目标——建立统一场论，直至临终前不久，仍在为这个目标而奋斗。

爱因斯坦具有敏锐的物理直觉和深邃的思维分析能力，善于从人们认为很平常的事实中发现问题，领悟出一般人认识不到的事物的本质。所以，也只有爱因斯坦才能创立包含着深邃思想的广义相对论。广义相对论的建立突出表现出了逻辑思维、直觉思维和哲学思维的能动作用。爱因斯坦本人也认为，"要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。但是我认为，广义相对论的情况不是这样。"爱因斯坦把广义相对论看作自己一生中最重要的科学成果。

善于设计理想实验在爱因斯坦的科学探索活动中是十分突出的。理想实验也称为思想实验，是科学研究人员源于自身的经验，但又超出自身经验的一种高级的思维活动。这种思维方法是针对研究过程中所出现的问题进行的辩证的、深入的、抽象的分析。因为这种思维活动是按照实验的特点进行的，所以被称为理想实验。和实际操作的实验不同，理想实验并不需要现实的仪器设备，但它所需要的"实验仪器"常常超越当时的科学技术发展的水平。

在爱因斯坦之前，许多自然科学家，如伽利略等，就曾运用过理想实验。但关于理想实验的提法最早见于爱因斯坦1921年的著述《我是怎样创立相对论的》，而且，在科技史上，最成功地、最多地应用理想实验的也当首推爱因斯坦。

16岁时，他就设计了一个理想实验，即所谓的"追光实验"，他设想，当光的接受器(如人的眼睛）跟随在光的后面飞奔，将会有什么情景发生呢？会不会处于一个不随时间变化的波场中？相对论就孕育、萌芽于这样一个朴素的理想实验中。在狭义相对论的创立过程中，爱因斯坦设计了著名的"高速爱因斯坦火车"的理想实验来推证"同时相对性"；在广义相对论的探索过程中，爱因斯坦则设计了另一个著名的理想实验，即"爱因斯坦电梯"或称之为"爱因斯坦密封舱"以推证等效原理的合理性。