科學界的牛人—愛因斯坦4

各位老師：大家好！這裡是格致教育工作坊，歡迎大家的到來！穿越時空，來享受一碟知識的小菜，讓我們一起天天學習，好好向上！今天我們繼續來聊聊牛人——愛因斯坦。

昨天，我們談到愛因斯坦根據「蘿蔔招聘」得到了一個公務員的職位。人不光只有大腦在運轉，腸胃也要運轉。古語說得好：「民以食為天」，這話一點都不假，孔老夫子就說過：唯女子與小人為難養也！恐怕在那個時代，愛因斯坦也深有體會。

我們前幾天還談到物理學界的兩朵烏雲，今天我們先把物理學的烏雲放在一邊，來聊聊愛因斯坦自己家裡兩朵揮之不去的烏雲。愛因斯坦的老婆孩子都要靠他掙工資來養呀。因此，愛因斯坦不得不去接各種家教工作，他自己的生活也過得很潦草。過不了多久，他那個老岳父給他寄來了一封信，把他罵了一通。據說，他接到信的時候，又驚又喜，抖抖索索打開老泰山的信啊，就等著老岳父給他劈頭蓋臉一頓臭罵。原來，信中說：他老婆米麗娃生孩子生得挺困難，費了好大的力氣，也沒有力氣和精力給愛因斯坦寫信，不得不由岳父來代寫，告訴愛因斯坦生的第一個孩子是女兒。當然，信中老泰山也沒過多的責備這個小女婿。

愛因斯坦總算暫時鬆了一口氣，其實這時候他還承擔不了一個做丈夫的責任。他一個人在伯爾尼快樂地過著一個單身狗生活。他很快就找到了一群志同道合的小夥伴，愉快地玩耍。這群小夥伴當中有學醫的，有學數學的，大家都對自然哲學與科學感興趣，所以自發地就組成一個小團體，叫做「奧林匹亞科學院」。他們成天在一起高談闊論，彼此交流對物理學的心得。當然也不僅關注物理學，上至天文，下至地理，他們都有興趣，少不了也討論一下那個馬赫的哲學理論，還有一些有關相對性的思想。當然他們也看法國數學大師龐加萊的書籍。

龐加萊是一位數學家，對物理很感興趣，在物理學方面有很大的貢獻。愛因斯坦他們制定了一個讀書計劃，開列了一大堆書單子。奧林匹亞科學院氣氛活躍，給了他非常舒服的感受。讀書讀累了，就操起小提琴給大家拉一曲，活躍一下氣氛。這種日子就有點像我當年一個人在寧波一樣，活得逍遙自在。如此過了一年多，一直等到愛因斯坦在專利局的工作職位批下來了：年薪三千五百瑞士法郎，在專利局當審查員。愛因斯坦這才長長舒了一口氣，看來養家糊口是有了著落。

有人說愛因斯坦在專利局工作很清閑，其實並不是這樣的。他每天工作八小時，工作挺充實的。他也的確很喜歡這份工作。愛因斯坦可不是一個只會動腦不會動手的書生啊，他小的時候就經常到家裡的那個電機公司去玩，很多東西從小就接觸啊。不過，他在專利局還是惡補了不少機械方面的知識，電子方面他自己本來就比較熟悉，這是他的強項。愛因斯坦在專利局的工作就是審查每一個申請方案是不是跟別人雷同，如果跟別人類似那就屬於侵權。如果是機械方面、電氣方面的申請，他還要看看這東西是不是能夠運轉。因此在很多情況下，在他面前攤開的就是一張張圖紙，剩下的全靠腦補。他需要想像這一堆複雜的機器零件或者電氣線路，能不能正常運轉起來，運轉起來以後會是個什麼樣子的。這樣的工作無意當中就增強了愛因斯坦的一種能力，這項能力也是物理學誕生之初的最古老的技法之一，叫做思想實驗。愛因斯坦可是這方面的高手啊，他憑著這種能力在思想世界裡面縱橫馳騁，終於就找到了突破現代物理學瓶頸的鑰匙。

愛因斯坦有了這個工作之後，米麗娃也回到了他身邊，一邊帶孩子一邊操持家務，愛因斯坦的那個小屋子裡面開始變得整潔起來。愛因斯坦平時就到專利局上班，辦公就在郵電大樓四樓，視野十分開闊。好友貝索先生也在專利局工作，他倆是同事。愛因斯坦喜歡在業餘時間與奧林匹亞科學院的成員碰頭，討論討論科學問題，喝喝咖啡。這些朋友都尊稱愛因斯坦為院長。小夥伴之間相處很融洽，相互之間開開玩笑，偶爾惡作劇一下，這真是快樂的日子。本來愛因斯坦這一輩子就這樣交代了呀，也不知道是什麼回事兒，就在這一年，1905年，就像是上帝摸了一下愛因斯坦的頭。愛因斯坦一下子拋出了六篇特別有分量的論文：

1.《關於光的產生和轉化的一個試探性的觀點》；

2.《分子大小的新測定方法》；

3.《熱的分子運動論所要求的靜液體當中懸浮粒子的運動》；

4.《論運動物體的電動力學》；

5．《物體的慣性同它所包含的能量有關嗎？》；

6.《布朗運動的一些檢視》；

作為專利局的小職員，愛因斯坦自己看起來這個1905年也是一個不平凡的一年。他非常興奮，這一年他六篇論文中每一篇都是現代物理學史上的標誌性的成果。第一篇，講的就是光電效應，他提出了光量子的概念，提出了光的波粒二象性也就是光的本質既是一種波，同時又是一種粒子。後來，愛因斯坦就是憑著這一篇論文拿下諾貝爾獎。他自己也說是非常革命的。其實他這六篇論文當中，其它每一篇的分量都很重，都不亞於他拿諾貝爾獎的第一篇論文。尤其是他的第四篇和第五篇。第四篇叫做《論運動物體的電動力學》，在這篇論文當中他就提出了狹義相對論，在第五篇當中他又作了一個補充。後來根據這個補充，又延伸出一個物理學公式，這個著名的公式，就叫做E＝mc2，這就是經常放在愛因斯坦大腦旁邊的一個公式。

在世界物理學歷史上，有三個奇蹟之年。第一個奇蹟之年是1543年，哥白尼發表了他的日心說。大家覺得了不起，顛覆了整個世界。第二個奇蹟之年，就是前幾天我們講過的1666年，那一年，牛頓因為躲避瘟疫跑到鄉下沒事幹，推演各種數學公式。結果在這一年，牛頓同時提出了三項了不起的成果。第一項是微積分，第二項是光譜原理，第三項就是萬有引力。第三個奇蹟之年就是1905年，這一年愛因斯坦二十六歲，提出了相對論，顛覆了牛頓的絕對時空觀。但是當時就整個物理學界來說，愛因斯坦的相對論並沒有引起太大的波瀾，直到後來他的論文引起了普朗克的注意。當時普朗克正在擔任著《物理學年鑒》雜誌的主編，這可是一本物理學界的權威雜誌。普朗克一看，哎呀，這篇論文寫得不簡單，思想非常大膽，觀點非常新銳。

普朗克對愛因斯坦非常賞識，他覺得愛因斯坦簡直就是當代的哥白尼呀。實際上，後代的人要感謝普朗克，他有兩個發現，第一個他提出了量子這個概念，第二個就是他發現了愛因斯坦。那麼愛因斯坦的論文到底寫的啥，引起了普蘭克的讚賞有加呢？接下來我就跟你簡單說一說。

在愛因斯坦的這篇論文一上來，愛因斯坦就表達了他的不爽。他拿當年法拉第做那個螺旋螺絲管的實驗來講：都是一個螺絲管，裡面有磁鐵，從裡面快速的抽出來，螺線管就產生感應電流，這個實驗我們中學都演示過。按照現在的電動力學來說，螺絲管固定不動，抽動磁鐵是一回事兒；反過來磁鐵不動，抽動螺絲管是另外一回事，這兩個過程的計算方法應該完全不同，雖然最後的結果是一樣的，但是造成這種問題的罪魁禍首，就是所謂的絕對時空，拿出這樣一個不對稱的理論，法拉第有臉沒臉？當然，愛因斯坦反駁的這玩意兒我也都不懂，我也講不清。反正愛因斯坦在一開始就說法拉第的理論不夠優美。在一頓抱怨之後，他又指出現實中的困難，比如現實中一系列證明地球相對於光媒介運動的實驗都失敗了，大家都去找什麼以太，找來找去都沒找到。於是，愛因斯坦說：「光在虛空之中，總是以固定的速度傳播，與光源無關。這個應該是個公式定理。公理是一切數學推導的基石，你是根本就不需要以太這個概念的，以太是多餘的……」我估計，普朗克一看到這裡眼睛都直了呀，因為在這一百年來全世界的科學家都在討論以太、證明以太的存在。可這小子真是膽大呀，說扔就把以太給扔了呀！接著再往下看，這個普朗克發現後面的東西更加是「毀三觀」呀！愛因斯坦不但把以太給扔了，還把「同時性」也給廢了，他堅持兩個基本公理：第一個相對性原理，第二個光速不變原理。在這兩條前提之下，就可以推導出整個體系。

我們都知道同一地點可以是相對的。比如，一個乘客在行駛的公交車上買票，他把錢交給售票員，售票員把票交給了這位乘客，這就是在同一個地點發生的事情。因為乘客把錢交給售票員的時候，以及後面售票員把票交給乘客的時候，他們都站著沒動，就可以認為這是在公交車上同一地點發生的事情。但是，假如地面上有一位觀察者，他目睹了這一切就會發現，這兩件事情並非發生在同一地點。因為，乘客把錢交給售票員的時候，車子在一個地方；等售票員把票交給乘客的時候，公交車已經開出去好幾百米遠，這兩件事情不是在同一個地點。空間的相對性就是說不同的觀察者觀察同一件事情，看到的東西是不一樣的。由此可見，同一地點是相對概念，並不是各種狀態的觀察者，看到的都是同樣的情景。物理學家普遍都知道這回事。

但是，大家都知道「同時性」是不會有問題的。比如說七點鐘火車到站了，那就意味著手錶的指針指向了七點鐘和火車到站這件事情是同時發生的呀。在旁邊蹲著看的人這件事情也是同時發生，看的人在飛速駛過的火車上面看這件事情也是同時發生的，哪怕是在天空中那個小鳥看來，這兩件事情也是同時發生的。

但是，愛因斯坦不這麼認為，他認為這個觀眾不變的情況下，同時性也是相對的。假如觀察者的狀態不同，他不見得會看到這兩件事情是同時發生的。接下來，我們就講一講愛因斯坦這樣一個思想實驗。

我前面就講了，愛因斯坦是一個思想實驗的高手。他描述了這樣一個思想實驗，用來說明「同時性」是有問題的。愛因斯坦說：天上打雷擊中了一輛飛馳的火車，這個雷打得有點奇怪，地面觀察者看到這個雷電同時擊中了火車的一頭一尾。也就是說這個火車的頭和尾同時被閃電打中。可是，在火車上面也有一個觀察者，他在火車的中心，火車的頭尾到他的距離是一樣的，他只能依靠頭尾傳過來的光才能知道發生了什麼事情。火車往前開，光速可是不變的呀！火車迎著光走，光走得近，因此先看到車頭的光；火車尾的光走得遠，因為火車的車尾的光要多趕幾步才能趕上觀察者。這下倒好，在列車的中間的這個觀察者來看，這兩件事情就不是同時發生的啦。因此，愛因斯坦就說：絕對的時間觀念是不存在的，因為觀察者不同，你覺得這兩件事情是同時發生的，在其他人看來就不見得是這樣。就這一句話，把那個放之四海而皆準的統一的時間刻度給消除掉了。有了這個思想實驗，眼前豁然開朗，一個新的物理學的時代就到來了。時間是相對的，空間也是相對的，並不存在統一的絕對的時空觀念。

愛因斯坦一開始也沒想到這一點。後來在他自己心路歷程的回憶當中，他說：那是在一個晴朗的日子裡面，他去找好朋友貝索先生，兩個人就時間問題討論了好久，突然開竅了，原來時間和信號的速度之間有著密不可分的聯繫。貝索先生倒是一臉的懵圈了，他並不知道自己哪句話啟發了愛因斯坦。不出幾個禮拜，1905年那篇劃時代的論文就寫完了，愛因斯坦還在論文的最後不惜筆墨的寫上：感謝貝索先生花時間與他侃大山，給了他啟發和靈感。於是貝索先生這個打醬油的，也一不小心跟著愛因斯坦的這篇《論動體的電動力學》論文名垂千古了。

哎呀，其實說句老實話，我也沒有什麼能力給大家把愛因斯坦的狹義相對論以及相關的原理，說得很清楚。我只能很簡單地根據我的理解來講講這個結論而已。

愛因斯坦的相對論，其實是相對於牛頓的觀點來說，牛頓的那個觀點叫做「絕對時空論」。我們生活在一個低速的運動環境當中，就是一個物體運動，它的速度不管是一公里每小時還是一百公里每小時，時間都是一模一樣的。你坐火車坐飛機，下了飛機火車一對錶，都是北京時間。可是，當運動的物體速度到達極高的時候，尤其到達光速的時候，時間就會變了，就會膨脹了，時間就會慢下來了，這就是愛因斯坦提出來的著名的「鐘慢效應「，這個我們明天再花時間來和大家說。

好了，關於愛因斯坦，我們今天先聊到這裡。讓我們一起自我迭代，好好學習，格致教育工作坊每天都在這裡等著你。

講座時間：2017年12月18日

文字整理：曾寶俊 詹林芳陳雙

錄音整理：朱蕾

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