漫谈相对论(1)爱因斯坦的故事
各位同学大家好,我是李永乐。从今天开始,我想为大家导读爱因斯坦的一本小册子《狭义与广义相对论浅说》,和大家一切聊聊相对论。
相对论的书很多,为什么我要选择这本呢?因为在这本书的前言中,爱因斯坦写道:本书旨在让那些对相对论感兴趣,但是理论物理和数学又不太好的读者,能够尽可能确切的而理解相对论,我想这本书刚好适合我的知识水平。
我想,无论你是中学生,还是大学生,无论是文科生还是理科生,都一定听说过相对论这三个字。可是对于大多数的人来说,相对论实在太难了。
这里还有一个故事:全世界只有两个人懂相对论。这个故事具体是这样的:
1919年英国皇家学会的会议上,爱丁顿宣布他测量的星光偏折角度与爱因斯坦1915年广义相对论的预测相符。会后,自认为是相对论专家的美国物理学家席尔伯斯坦与他闲聊时谓说:「爱丁顿教授,您应是世界上了解相对论的三个人之一。」
爱丁顿
当爱丁顿还在迟疑着如何回答时,席尔伯斯坦紧接着说:「不要太谦虚了!」
席尔伯斯坦
爱丁顿终于回答说:「哦,不!我是在想第三者可能是谁。」
的确,在爱因斯坦提出相对论的时候,科学界一片哗然,很多科学家既没有弄懂,也不相信爱因斯坦。而且,爱因斯坦获得诺贝尔奖也不是因为相对论,而是因为光电效应。不过,一百年已经过去了,后人用各种方法发展了相对论,让这种理论越来越清晰。现在,了解相对论的人何止千千万万。如果你愿意,那么通过今后的几期节目,你也可以对相对论有一个大概的了解。
要了解这本书,我们还是要首先从他的作者——爱因斯坦说起。
1879年,爱因斯坦出生于德国多瑙河畔的一座城市。小时候学说话很慢,父母甚至认为这个孩子以后可能会有学习障碍。四五岁的时候,他的父亲送给他一个指南针,也许从那个时候开始,爱因斯坦就对物理学产生了兴趣。
【3岁的爱因斯坦】
不过,在德国读书的时候,爱因斯坦并没有表现出自己的天才,甚至因为德国的教育的严格让爱因斯坦非常不舒服。爱因斯坦成绩一般般,又没有对老师充分尊重,还总是提出一些刁钻古怪的问题让老师难堪,学校对爱因斯坦忍无可忍。
1894年底,校长找到爱因斯坦,建议他退学。爱因斯坦虽然感到震惊,但是转念一想,这样也就再也不用回到让自己感觉不舒服的学校了,于是接受了校长的建议,离开了德国。1895年,爱因斯坦来到瑞士,参加了瑞士的高考,但是因为文科部分考的不好,没有考上,于是就在瑞士阿劳中学复读了一年。
【7岁的爱因斯坦和妹妹】
阿劳中学宽松的学风给了爱因斯坦很多独立思考的机会。学校在生活和学习上都给了学生充分的自由,学生有比较多的时间自由支配,学生也可以平等的和老师讨论问题。比如,他曾经想过这样一个问题:如果一个人跑的跟光一样快,他会看到什么情景呢?直到十年后,爱因斯坦自己回答了自己的问题。爱因斯坦后来回忆说:正是阿劳中学培养了他的独立精神和创造精神,成了孕育相对论的土壤。
【14岁的爱因斯坦】
第二年,爱因斯坦高中毕业,他的数学和物理考试都得了6分。有人据此说:爱因斯坦学习不好,我还考了60分。要知道,瑞士高中毕业时,6分就是满分了。
紧跟着,爱因斯坦就升入了著名学府:苏黎世联邦理工学院。
【苏黎世联邦理工学院】
这所学校除了爱因斯坦之外,还有一位著名校友:潘周聃
爱因斯坦就读于师范系,这个专业是专门用来培养大学和中学的物理、数学教师的,毕业最好的出路就是留校当老师。上了大学,爱因斯坦依然不太喜欢循规蹈矩的上课,经常逃课自己读些课外书。放学后,他反而会进到学校的实验室做实验,验证一下自己白天看书时候的想法。爱因斯坦拜托全班唯一的一位女同学——米列娃帮自己记笔记,后来两人就恋爱了。每次考试,爱因斯坦凭借同学给自己记的笔记,都能勉强通过考试,然后爱因斯坦就会说一句:这门课简直太无聊了。就这样,爱因斯坦混到了毕业。
【爱因斯坦和他的同学、第一任妻子米列娃】
爱因斯坦有一位数学老师——闵可夫斯基,他小时候是一个著名的神童,他有多厉害呢?这么说吧,他和20世纪初最伟大的数学家希尔伯特是同学。希尔伯特学不过闵可夫斯基,一度自卑到想退学。后来,他来到苏黎世联邦理工学院任教,看到爱因斯坦这么不守规矩非常愤怒,斥责爱因斯坦是一条懒狗。可是他可能不知道,我们现在知道闵可夫斯基,竟然就是因为他有这样一个学生。
【闵可夫斯基】
1900年,爱因斯坦从苏黎世理工毕业。他和他的未来的妻子米列娃在全班6名同学中成绩分列第五和第六。留校名额只有4个,自然是没有他们两个的份了。爱因斯坦勉强拿到了学位,他的老婆米列娃,就是那个帮他记笔记的同学,最后连学位都没有拿到。
1901到1902年,已经毕业的爱因斯坦开始撰写博士论文,可是好几次都没有通过,直到1905年爱因斯坦的博士论文才通过。最初几年,爱因斯坦没有工作,他和米列娃的婚姻还受到了家长的反对,他们在婚前就有了第一个孩子,生活捉襟见肘,狼狈至极。
幸好,爱因斯坦的同学格罗斯曼的父亲和瑞士专利局的局长是好朋友,在同学父亲的帮助下,爱因斯坦在伯尔尼瑞士专利局当了一名小职员。这段时间,爱因斯坦为了贴补家用,开始四处收学生做家教,教授数学、物理和他自己为自己很厉害的小提琴。他曾经在电线杆上贴小广告,也曾经在当地报纸《伯尔尼市公告报》上刊登广告:
阿尔伯特爱因斯坦,愿私人为大学生或者中学生彻底讲授数学和物理学,本人持有苏黎世联邦工学院的教师资格证书,住正义街32号一楼,试听免费。 伯尔尼市公告报
广告真的招来了几个学生。
1902年,爱因斯坦有了第一个学生索洛文,当时正在伯尔尼大学学习物理和哲学。他觉得课堂的内容太简单,就来听爱因斯坦的课。收费课程结束后,二人又开始随心所欲的讨论物理和哲学。后来,又加入了在伯尔尼大学学习数学的哈比克特。
【爱因斯坦和索洛文、哈比克特】
再后来,邮电局雇员沙旺,专利局的同事贝索也加入了进来。很快,收费课程变成了次要的,热烈的课后讨论才是他们想要的。
因为在家里影响了妻子米列娃休息,几个人转移到了一个叫做奥林匹亚的咖啡馆里,几个年轻人给这个小团体起了个名字——奥林匹亚科学院。
他们会先吃一点东西,然后阅读一些与物理、数学、哲学有关的书,再进行讨论。他们读过休谟、柏拉图、莱布尼茨、庞加来的经典著作。他们读一页,然后就开始讨论,这些讨论几乎占据了他们所有的业余时间,甚至通宵达旦。
1905年的一天,爱因斯坦等人又开始讨论时间和空间的问题。爱因斯坦的同事贝索突然说:也许在一个人看来同时发生的两件事,在另一个人看来并不是同时发生的。
【爱因斯坦和贝索】
一语惊醒梦中人。爱因斯坦终于明白:时间也好,空间也好,都是与运动紧密相关的,不同的运动物体所感受到的时空是不一样的。牛顿假设存在一个绝对静止的空间和永恒流逝的时间,也许这种假设并不正确,反而应该假设光速和物理规律永恒不变。
从这种想法出发,5周之后,爱因斯坦就写成了文章《论动体的电动力学》,这篇文章被后人起了一个响亮的名字——狭义相对论。
贝索在科学史上默默无闻,但在爱因斯坦这篇划时代的论文最后,几乎没有什么参考文献,却唯独对贝索表示了感谢。贝索激动的对爱因斯坦说:阿尔伯特,你把我拉进了历史!
在那一年,爱因斯坦宛如被雅典娜附体,一年之内连续发表了数篇论文,每一篇论文是诺贝尔奖水品。比如爱因斯坦解释了光电效应,提出了光的波粒二象性学说。爱因斯坦通过对布朗运动的解释,证实了原子的存在。爱因斯坦提出了时间和空间的新的看法,并提出了质能方程。
标题 | 专注领域 | 重要性 |
关于光的产生和转变的一个启发性观点 | 光电效应 | 光量子假说 |
热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动 | 布朗运动 | 原子实在性 |
论运动物体的电动力学 | 狭义相对论 | 狭义相对论 |
物体的惯性同它所含的能量有关吗? | 质能等价 | 质能方程 |
1905年被称为爱因斯坦奇迹年,人们难以想象一个26岁的年轻人是如何获得这么多成果的。就像人们不明白1666年,那个23岁的年轻人为什么能坐在苹果树下,发现万有引力、色散和微积分一样。
【牛顿和他的苹果树】
1905年之后,爱因斯坦这个名字已经响彻了科学圈,所有人都知道有一个年轻的学者,提出了一个惊世骇俗的理论。可尽管如此,爱因斯坦依然在专利局工作。直到4年之后,苏黎世大学设立了一个理论物理副教授的职位,聘请了爱因斯坦,他才辞去专利局的工作。这一年,爱因斯坦刚满30岁。
【第五届索尔维会议中的爱因斯坦】
我时常想:爱因斯坦的成功到底来自于哪里?在中学时,爱因斯坦不过是一个学习成绩优异,又爱胡思乱想的学生。上了大学,爱因斯坦成绩平平,又酷爱逃学。毕业后,托关系找了一份平凡的工作。这样的人生轨迹,在我们现在一抓一大把。而且,我们对于这样的学生,往往评价不高。
【老年的爱因斯坦】
可是,爱因斯坦非常幸运,他找到了最适合他的发展方向。在瑞士那种宽松的教学环境下,爱因斯坦保持了热爱思考的习惯。毕业后,在专利局,爱因斯坦的工作并不繁忙。专利局的局长为人宽容,他默许这个聪明勤奋的年轻人在完成局里安排的工作后,在上班时间搞些与本职工作无关的科研。当他得知爱因斯坦发表了高水平的论文时,他不顾这些论文与专利局的本职工作无关,不但当面表扬爱因斯坦,还给他提职加薪。
而且,爱因斯坦作为一个在专利局工作的业余青年学者,也无需为自己的大胆猜想付出任何代价。比如1900年爱因斯坦的论文《毛细现象的结论》的猜想就大多是错的,可这丝毫不会影响到爱因斯坦。反过来,如果爱因斯坦在大学中教书,他可能会因此被嘲笑好多年,影响了他的进展。
爱因斯坦一直不被人看好,被中学校长劝退,被大学老师说成懒狗,被迫在电线杆上贴小广告,走后门找工作,也许在很多人看来,爱因斯坦的人生简直是失败得不能再失败了。可是,爱因斯坦从未放弃小时候埋下的对科学的梦想,他一直在思考,也最终成为了伟大的科学家。
子曰:学而不思则罔,思而不学则殆。爱因斯坦受到了良好的教育,也经历了挫折,但他没有被传统教育的思想束缚,也没有被挫折磨平棱角,这也许是他成功的原因之一吧。
这一回我为大家介绍了爱因斯坦的生平,下一回我们会讲讲狭义相对论,讲讲爱因斯坦为什么要放弃绝对时空观,提出光速永恒不变。关注我的账号,听我继续漫谈相对论。
微信扫码关注该文公众号作者