《人類(lèi)科學(xué)技術(shù)史-333》科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦（上）

科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦（上）
1.愛(ài)因斯坦的科學(xué)貢獻(xiàn)

科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)史上占有極其重要的地位，他的一生對(duì)科學(xué)寶庫(kù)作出了巨大的貢獻(xiàn)，對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)就有以下幾個(gè)主要方面：

一是分子運(yùn)動(dòng)論方面。愛(ài)因斯坦用統(tǒng)計(jì)方法研究分析了原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。1827年，英國(guó)的植物學(xué)家布朗(1773-1858)在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，浸泡在液滴中的花粉粒子在不停地作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)(后來(lái)以發(fā)現(xiàn)者的名字，命名這種運(yùn)動(dòng)為布朗運(yùn)動(dòng)），粒子越小，液體溫度越高，運(yùn)動(dòng)就越激烈。布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是由液體分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。1905年春，愛(ài)因斯坦撰寫(xiě)的關(guān)于液體中懸浮粒子運(yùn)動(dòng)的兩篇論文才真正從理論上完全解釋了布朗運(yùn)動(dòng)，并以統(tǒng)計(jì)方法給出了懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與液體性質(zhì)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，還給出了測(cè)定分子大小的方法。1908年，法國(guó)物理學(xué)家裴蘭用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了"布朗運(yùn)動(dòng)的愛(ài)因斯坦定律"，并因此獲得1926年的諾貝爾獎(jiǎng)。愛(ài)因斯坦的研究證明，熱是能量的一種形式，是由不規(guī)則的分子運(yùn)動(dòng)引起的，證明了物質(zhì)是由分子、原子構(gòu)成的。他的工作使原先對(duì)原子論抱懷疑和反對(duì)態(tài)度的人如馬赫和奧斯特瓦爾德(1853-1932)也不得不宣稱(chēng)"改信原子學(xué)說(shuō)"，對(duì)原子論的勝利作出了決定性的貢獻(xiàn)。

二是量子論方面。1905年，愛(ài)因斯坦推廣了普朗克的"能量子假說(shuō)"提出"光量子假說(shuō)"，以最簡(jiǎn)練、明晰的方式解釋了1887年赫茲所發(fā)現(xiàn)的"光電效應(yīng)"現(xiàn)象，并給出了光電效應(yīng)的"愛(ài)因斯坦公式"。10年后，該公式在美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根(1868-1953)的實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。愛(ài)因斯坦關(guān)于光的這種新的理論，發(fā)展了普朗克在熱輻射問(wèn)題上闡明的量子思想，首次揭示了光的兩重性，即光既有波動(dòng)性，又有微粒性，使惠更斯和牛頓彼此對(duì)立的光學(xué)理論在新的概念、新的高度上得以統(tǒng)一。后來(lái)，德布羅意(1892-)和薛定諤(1887-1961)把愛(ài)因斯坦的這種觀點(diǎn)又推廣到電子，提出電子和光子一樣具有波粒二重性，而波粒二重性則是量子力學(xué)和量子場(chǎng)論的支柱。1906年，愛(ài)因斯坦把量子概念運(yùn)用到物體內(nèi)部的晶格振動(dòng)問(wèn)題中，解決了低溫時(shí)固體比熱同溫度變化的關(guān)系問(wèn)題；1912年，又把量子概念用于光化學(xué)現(xiàn)象，提出光化學(xué)當(dāng)量定律；1916年，他從玻爾的基本假定出發(fā)導(dǎo)出了普朗克的輻射公式，并提出受激輻射的理論，這一理論對(duì)60年代激光技術(shù)的發(fā)展有重要意義；1924年，他利用剛剛提出的德布羅意物質(zhì)波假說(shuō)處理單原子理想氣體，同玻色一起建立了玻色-愛(ài)因斯坦量子統(tǒng)計(jì)理論。由于愛(ài)因斯坦在量子論方面的貢獻(xiàn)以及對(duì)量子力學(xué)產(chǎn)生的推動(dòng)作用，他和玻爾一起被稱(chēng)為量子力學(xué)的兩個(gè)"教父"。

三是相對(duì)論的創(chuàng)立和發(fā)展。包括前面所述的狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論的創(chuàng)立，以及廣義相對(duì)論創(chuàng)立之后在宇宙論和統(tǒng)一場(chǎng)論研究領(lǐng)域的開(kāi)拓、發(fā)展。

被人們尊稱(chēng)為"相對(duì)論之父"的愛(ài)因斯坦，實(shí)際上在多學(xué)科領(lǐng)域中都是出類(lèi)拔萃的理論研究家。1921年，愛(ài)因斯坦因在光電效應(yīng)理論方面的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而他的學(xué)生蘭佐斯認(rèn)為，愛(ài)因斯坦一生理應(yīng)獲得五個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，即指布朗運(yùn)動(dòng)研究，提出光量子理論，創(chuàng)立狹義相對(duì)論，發(fā)現(xiàn)質(zhì)能關(guān)系式和創(chuàng)立廣義相對(duì)論。其中前四項(xiàng)涉及三個(gè)領(lǐng)域的重大成果是在1905年3月到9月這半年之內(nèi)完成的。當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦年僅26歲，在瑞士伯爾尼專(zhuān)利局任技術(shù)員，一無(wú)名師指導(dǎo)，二無(wú)專(zhuān)門(mén)研究機(jī)構(gòu)的條件，而他完全靠業(yè)余時(shí)間獨(dú)立鉆研取得這些成果。愛(ài)因斯坦的成就不能不說(shuō)是科學(xué)技術(shù)史上的一大奇跡，也是人類(lèi)科技史上最光彩奪目的一頁(yè)。毫無(wú)疑問(wèn)，愛(ài)因斯坦具有不同于常人的高度發(fā)達(dá)的"信息加工中心"——大腦，科學(xué)家們至今仍在努力揭開(kāi)這個(gè)"信息加工中心"的奧秘，但從另一方面看，愛(ài)因斯坦的成就并不是偶然的。

2.從學(xué)生時(shí)代到就職于伯爾尼專(zhuān)利局

1879年3月14日，愛(ài)因斯坦出生于德國(guó)烏爾姆的一個(gè)猶太商人家庭。

他和牛頓一樣，并不早慧，但從小就有強(qiáng)烈的好奇心，酷愛(ài)大自然而且喜歡思索其中的奇妙現(xiàn)象。在樹(shù)林里游玩，他琢磨陽(yáng)光透過(guò)樹(shù)葉在地上留下的美麗圖案；在湖邊，他會(huì)專(zhuān)注地觀察湖面上起伏的波紋。四五歲時(shí)，從爸爸那里得到一枚指南針，面對(duì)總是在一個(gè)方向附近游動(dòng)的指針，小愛(ài)因斯坦驚奇不已，竟呆呆地想個(gè)不停。上學(xué)后幾年的某個(gè)學(xué)期，他拿到一本歐幾里得幾何學(xué)課本，書(shū)中對(duì)幾何公理嚴(yán)謹(jǐn)、明晰的論證再次使他驚奇不已，并激發(fā)起他強(qiáng)烈的求知欲，他等不及聽(tīng)老師講授，就一口氣讀完了它。正如愛(ài)因斯坦后來(lái)所說(shuō)的，這種種"驚奇"是經(jīng)歷的事情同我們的充分固定的概念世界有沖突時(shí)才會(huì)發(fā)生，每當(dāng)我們尖銳而強(qiáng)烈地經(jīng)歷這種沖突時(shí)，它就會(huì)以一種決定性的方式反過(guò)來(lái)作用于我們的思維世界，思維世界的發(fā)展，在某種意義上說(shuō)就是對(duì)"驚奇"的不斷擺脫。

少年時(shí)代還有兩本書(shū)對(duì)愛(ài)因斯坦的影響比較深。一本是伯恩斯坦的《自然科學(xué)通俗讀本》。書(shū)中，光速問(wèn)題被放在第一卷的最前列，作為所有自然觀察的開(kāi)端，作者用引人入勝的敘述引導(dǎo)讀者去思索、理解自然現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦在這里首次接觸到光速的基本含義問(wèn)題，而且，這個(gè)問(wèn)題從此一直激勵(lì)、引導(dǎo)著他，直至創(chuàng)立了相對(duì)論。另一本是布赫納的《力和物質(zhì)》，具有樸素的現(xiàn)實(shí)主義思想。這些自然科學(xué)啟蒙著作較早地形成了愛(ài)因斯坦的懷疑主義思想。

從少年時(shí)代起，愛(ài)因斯坦就喜歡開(kāi)誠(chéng)布公，毫不掩飾自己的觀點(diǎn)。他對(duì)學(xué)校那種死記硬背、因襲守舊的教學(xué)方式很不以為然，喜歡按自己的想法學(xué)習(xí)，根據(jù)自己的思索和理解來(lái)尋求對(duì)任何問(wèn)題的解答，表現(xiàn)出非凡的自學(xué)能力。

在蘇黎士上大學(xué)時(shí)，他把主要精力充分利用于學(xué)習(xí)，但仍不注重學(xué)校的正規(guī)課程，而喜歡獨(dú)立思考和自學(xué)。他為自己開(kāi)列了長(zhǎng)長(zhǎng)的書(shū)單，并制定了嚴(yán)格的閱讀計(jì)劃。這些書(shū)中有基爾霍夫(1824-1887)、亥姆霍茲(1821-1894）赫茲、玻爾茲曼(1844-1906)及麥克斯韋等著名物理學(xué)家的重要著作。通過(guò)對(duì)這些著作的學(xué)習(xí)，愛(ài)因斯坦掌握了電磁理論，還從亥姆霍茲等人的著作中汲取了哲學(xué)和認(rèn)識(shí)論方面的思想。

奧地利著名物理學(xué)家、哲學(xué)家馬赫的《力學(xué)及其發(fā)展的批判歷史概要》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《力學(xué)史》）則給他留下了深刻、持久的印象。19世紀(jì)中后期，當(dāng)多數(shù)物理學(xué)家還陶醉于經(jīng)典力學(xué)的完美無(wú)缺時(shí)，馬赫就看出了經(jīng)典力學(xué)理論框架的局限性，在1883年出版的歷史性著作《力學(xué)史》中，他抨擊了18至19世紀(jì)統(tǒng)治著物理學(xué)基礎(chǔ)的教條主義，其中最為突出的是對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的批判。這些對(duì)愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論產(chǎn)生了深刻的影響。在狹義相對(duì)論對(duì)"同時(shí)性"問(wèn)題和在廣義相對(duì)論對(duì)"慣性"問(wèn)題的思索中，愛(ài)因斯坦都從馬赫的著作中受到了啟示。愛(ài)因斯坦到晚年還贊頌《力學(xué)史》為一本"革命著作"。大學(xué)畢業(yè)以后的兩年時(shí)間里，愛(ài)因斯坦常為謀求職業(yè)而憂(yōu)慮、奔波。后來(lái)，在朋友的幫助下，被伯爾尼的聯(lián)邦專(zhuān)利局聘為技術(shù)員，半年后，愛(ài)因斯坦和大學(xué)時(shí)的同學(xué)米列娃結(jié)了婚。米列娃是塞爾維亞人，當(dāng)時(shí)也是物理教師。

1902年7月到1909年10月，愛(ài)因斯坦在伯爾尼專(zhuān)利局工作了7年。這是他一生中科學(xué)研究最豐產(chǎn)的時(shí)間。為了勝任專(zhuān)利技術(shù)員的工作，他必須多方面思考物理問(wèn)題、技術(shù)問(wèn)題，還要有充裕的時(shí)間和精力來(lái)思索更多的學(xué)術(shù)問(wèn)題。

在專(zhuān)利局工作的前3年里，他和他的兩位朋友，哲學(xué)系的大學(xué)生素羅文及蘇黎士時(shí)的學(xué)友哈比希特組成哲學(xué)小組，并命其名為"奧林匹亞科學(xué)院"。在"科學(xué)院"里，他們一起研讀了許多哲學(xué)著作和科學(xué)研究論著，如馬赫的《力學(xué)史》和《感覺(jué)分析》，對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)是再次研讀，還有皮爾遜的《科學(xué)法則》，彌爾的《邏輯學(xué)》，休謨(1711-1776)的《人性論》，斯賓諾莎(1632-1677)的《倫理學(xué)》，亥姆霍茲的《報(bào)告、演說(shuō)集》和安培的自然哲學(xué)著作，還研讀了黎曼的《幾何學(xué)基礎(chǔ)》和戴德金等的數(shù)學(xué)論著。對(duì)彭加勒的《科學(xué)與假設(shè)》，"科學(xué)院"的"院士們"討論了幾周時(shí)間，作者的科學(xué)思想和批判精神無(wú)疑給愛(ài)因斯坦留下深刻的啟示和激勵(lì)。

1905年，哈比希特離開(kāi)了伯爾尼，索羅文到法國(guó)學(xué)習(xí)，"奧林匹亞科學(xué)院"也結(jié)束了它的使命。3年來(lái)廣泛深入地集體自學(xué)哲學(xué)和科學(xué)著作的活動(dòng)，使愛(ài)因斯坦在以后的科學(xué)研究道路上獲益匪淺。

愛(ài)因斯坦從前人的著作中汲取了兩方面的財(cái)富；一方面是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)理論及其內(nèi)在矛盾的深刻理解，一方面是批判和分析的思想。對(duì)于各派思想家的哲學(xué)著作，愛(ài)因斯坦感興趣的并不是他們的結(jié)論，而是他們提出的問(wèn)題和對(duì)問(wèn)題思索，是當(dāng)他面臨認(rèn)識(shí)論困境而尋求出路時(shí)可從中獲取的啟迪。例如，愛(ài)因斯坦自己承認(rèn)，"他曾直接或間接地特別從休謨和馬赫那里受到很大啟發(fā)"，他十分欽佩馬赫那"堅(jiān)如磐石的懷疑態(tài)度和獨(dú)立性"。

3.愛(ài)因斯坦的科學(xué)探索精神和風(fēng)格

愛(ài)因斯坦在吸收前人思想精華的基礎(chǔ)上，形成了他自己獨(dú)特的科學(xué)探索的精神和風(fēng)格。

他不僅勇于摒棄一切"世俗的偏見(jiàn)"，倡導(dǎo)徹底的懷疑態(tài)度，還具有勇敢的創(chuàng)新開(kāi)拓精神。這種精神貫穿于這位量子論和相對(duì)論創(chuàng)始人的整個(gè)科學(xué)探索活動(dòng)中。這也許能解釋?zhuān)瑸槭裁词菒?ài)因斯坦而不是洛倫茲、彭加勒或別的人創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。洛倫茲提出的"長(zhǎng)度收縮"以及"地方時(shí)間"等假說(shuō)已經(jīng)嚴(yán)重動(dòng)搖了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，但他未能從根本上擺脫靜止以太理論和牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的束縛。對(duì)他自己推出的洛倫茲變換式，也一直未能揭示和解釋其真正的含義。彭加勒提出了一些更為接近相對(duì)論的重要思想，甚至提出了相對(duì)性原理的普遍性，但也沒(méi)有意識(shí)到，要從根本上改造整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)，而始終未找到突破口。

愛(ài)因斯坦不僅具有犀利的批判力和創(chuàng)新開(kāi)拓精神，更具有徹底的科學(xué)探索精神。狹義相對(duì)論的創(chuàng)建工作剛剛告一段落，許多人尚不能接受和理解狹義相對(duì)論的觀點(diǎn)時(shí)，愛(ài)因斯坦已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)廣義相對(duì)論的研究。曾積極支持他創(chuàng)立狹義相對(duì)論的物理學(xué)家，這時(shí)對(duì)愛(ài)因斯坦不解地說(shuō)："現(xiàn)在一切都明白地解釋了，您為什么又忙于另一個(gè)問(wèn)題呢？"在廣義相對(duì)論的10年探索中，他遇到了數(shù)學(xué)等方面的很大困難，但從未卻步。1919年，廣義相對(duì)論得到了天文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，愛(ài)因斯坦譽(yù)滿(mǎn)天下。這時(shí)，他又選擇了另一個(gè)更為艱難的新的探索目標(biāo)——建立統(tǒng)一場(chǎng)論，直至臨終前不久，仍在為這個(gè)目標(biāo)而奮斗。

愛(ài)因斯坦具有敏銳的物理直覺(jué)和深邃的思維分析能力，善于從人們認(rèn)為很平常的事實(shí)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，領(lǐng)悟出一般人認(rèn)識(shí)不到的事物的本質(zhì)。所以，也只有愛(ài)因斯坦才能創(chuàng)立包含著深邃思想的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論的建立突出表現(xiàn)出了邏輯思維、直覺(jué)思維和哲學(xué)思維的能動(dòng)作用。愛(ài)因斯坦本人也認(rèn)為，"要是我沒(méi)有發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論，也會(huì)有別人發(fā)現(xiàn)的，問(wèn)題已經(jīng)成熟。但是我認(rèn)為，廣義相對(duì)論的情況不是這樣。"愛(ài)因斯坦把廣義相對(duì)論看作自己一生中最重要的科學(xué)成果。

善于設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)在愛(ài)因斯坦的科學(xué)探索活動(dòng)中是十分突出的。理想實(shí)驗(yàn)也稱(chēng)為思想實(shí)驗(yàn)，是科學(xué)研究人員源于自身的經(jīng)驗(yàn)，但又超出自身經(jīng)驗(yàn)的一種高級(jí)的思維活動(dòng)。這種思維方法是針對(duì)研究過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行的辯證的、深入的、抽象的分析。因?yàn)檫@種思維活動(dòng)是按照實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)進(jìn)行的，所以被稱(chēng)為理想實(shí)驗(yàn)。和實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)不同，理想實(shí)驗(yàn)并不需要現(xiàn)實(shí)的儀器設(shè)備，但它所需要的"實(shí)驗(yàn)儀器"常常超越當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平。

在愛(ài)因斯坦之前，許多自然科學(xué)家，如伽利略等，就曾運(yùn)用過(guò)理想實(shí)驗(yàn)。但關(guān)于理想實(shí)驗(yàn)的提法最早見(jiàn)于愛(ài)因斯坦1921年的著述《我是怎樣創(chuàng)立相對(duì)論的》，而且，在科技史上，最成功地、最多地應(yīng)用理想實(shí)驗(yàn)的也當(dāng)首推愛(ài)因斯坦。

16歲時(shí)，他就設(shè)計(jì)了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，即所謂的"追光實(shí)驗(yàn)"，他設(shè)想，當(dāng)光的接受器(如人的眼睛）跟隨在光的后面飛奔，將會(huì)有什么情景發(fā)生呢？會(huì)不會(huì)處于一個(gè)不隨時(shí)間變化的波場(chǎng)中？相對(duì)論就孕育、萌芽于這樣一個(gè)樸素的理想實(shí)驗(yàn)中。在狹義相對(duì)論的創(chuàng)立過(guò)程中，愛(ài)因斯坦設(shè)計(jì)了著名的"高速愛(ài)因斯坦火車(chē)"的理想實(shí)驗(yàn)來(lái)推證"同時(shí)相對(duì)性"；在廣義相對(duì)論的探索過(guò)程中，愛(ài)因斯坦則設(shè)計(jì)了另一個(gè)著名的理想實(shí)驗(yàn)，即"愛(ài)因斯坦電梯"或稱(chēng)之為"愛(ài)因斯坦密封艙"以推證等效原理的合理性。