生平
20世紀最偉大的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦1879年3月14日出生在德國西南的烏耳姆城,壹年後隨全家遷居慕尼黑。愛因斯坦的父母都是猶太人,父親赫爾曼·愛因斯坦和叔叔雅各布·愛因斯坦合開了壹個為電站和照明系統生產電機、弧光燈和電工儀表的電器工廠。母親玻琳是受過中等教育的家庭婦女,非常喜歡音樂,在愛因斯坦六歲時就教他拉小提琴。
愛因斯坦小時候並不活潑,三歲多還不會講話,父母很擔心他是啞巴,曾帶他去給醫生檢查。還好小愛因斯坦不是啞巴,可是直到九歲時講話還不很通暢,所講的每壹句話都必須經過吃力但認真的思考。
在四、五歲時,愛因斯坦有壹次臥病在床,父親送給他壹個羅盤。當他發現指南針總是指著固定的方向時,感到非常驚奇,覺得壹定有什麽東西深深地隱藏在這現象後面。他壹連幾天很高興的玩這羅盤,還糾纏著父親和雅各布叔叔問了壹連串問題。盡管他連“磁”這個詞都說不好,但他卻頑固地想要知道指南針為什麽能指南。這種深刻和持久的印象,愛因斯坦直到六十七歲時還能鮮明的回憶出來。
愛因斯坦在念小學和中學時,功課屬平常。由於他舉止緩慢,不愛同人交往,老師和同學都不喜歡他。教他希臘文和拉丁文的老師對他更是厭惡,曾經公開罵他:“愛因斯坦,妳長大後肯定不會成器。”而且因為怕他在課堂上會影響其他學生,竟想把他趕出校門。
愛因斯坦的叔叔雅各布在電器工廠裏專門負責技術方面的事務,愛因斯坦的父親則負責商業的往來。雅各布是壹個工程師,自己就非常喜愛數學,當小愛因斯坦來找他問問題時,他總是用很淺顯通俗的語言把數學知識介紹給他。在叔父的影響下,愛因斯坦較早的受到了科學和哲學的啟蒙。
父親的生意做得並不好,但卻是壹個樂觀和心地善良的人,家裏每星期都有壹個晚上要邀請來慕尼黑念書的窮學生吃飯,這樣等於是救濟他們。其中有壹對來自立陶宛的猶太兄弟麥克斯和伯納德,他們都是學醫科的,喜歡閱讀書籍、興趣廣泛。他們被邀請來愛因斯坦家裏吃飯,並和羞答答、長著黑頭發和棕色眼睛的小愛因斯坦交成了好朋友。
麥克斯可以說是愛因斯坦的“啟蒙老師”,他借了壹些通俗的自然科學普及讀物給他看。麥克斯在愛因斯坦十二歲時,給了他壹本施皮爾克的平面幾何教科書。愛因斯坦晚年回憶這本神聖的小書時說:“這本書裏有許多斷言,比如,三角形的三個高交於壹點,它們本身雖然並不是顯而易見的,但是可以很可靠地加以證明,以致任何懷疑似乎都不可能。這種明晰性和可靠性給我留下了壹種難以形容的印象。”
愛因斯坦還幸運地從壹部卓越的通俗讀物中知道了自然科學領域裏的主要成果和方法,科普讀物不但增進了愛因斯坦的知識,而且撥動了年輕人好奇的心弦,引起他對問題的深思。
愛因斯坦十六歲時報考瑞士蘇黎世的聯邦工業大學工程系,可是入學考試卻告失敗。他接受了聯邦工業大學校長以及該校著名的物理學家韋伯教授的建議,在瑞士阿勞市的州立中學念完中學課程,以取得中學學歷。
1896年10月,愛因斯坦跨進了蘇黎世工業大學的校門,在師範系學習數學和物理學。他對學校的註入式教育十分反感,認為它使人沒有時間、也沒有興趣去思考其他問題。幸運的是,窒息真正科學動力的強制教育,在蘇黎世的聯邦工業大學要比其他大學少得多。愛因斯坦充分的利用學校中的自由空氣,把精力集中在自己所熱愛的學科上。在學校中,他廣泛的閱讀了赫爾姆霍茲、赫茲等物理學大師的著作,他最著迷的是麥克斯韋的電磁理論。他有自學本領、分析問題的習慣和獨立思考的能力。
早期工作
1900年,愛因斯坦從蘇黎世工業大學畢業。由於他對某些功課不熱心,以及對老師態度冷漠,被拒絕留校。他找不到工作,靠做家庭教師和代課教師過活。在失業壹年半以後,關心並了解他才能的同學馬塞爾·格羅斯曼向他伸出了援助的手。格羅斯曼設法說服自己的父親把愛因斯坦介紹到瑞士專利局去作壹個技術員。
愛因斯坦終身感謝格羅斯曼對他的幫助。在悼念格羅斯曼的信中,他談到這件事時說,當他大學畢業時,“突然被壹切人拋棄,壹籌莫展的面對人生。他幫助了我,通過他和他的父親,我後來才到了哈勒(時任瑞士專利局局長)那裏,進了專利局。這有點象救命之恩,沒有他我大概不致於餓死,但精神會頹唐起來。”
1902年2月21日,愛因斯坦取得了瑞士國籍,並遷居伯爾尼,等待專利局的招聘。1902年6月23日,愛因斯坦正式受聘於專利局,任三級技術員,工作職責是審核申請專利權的各種技術發明創造。1903年,他與大學同學米列娃·瑪麗克結婚。
1900年-1904年,愛因斯坦每年都寫出壹篇論文,發表於德國《物理學雜誌》。頭兩篇是關於液體表面和電解的熱力學,企圖給化學以力學的基礎,以後發現此路不通,轉而研究熱力學的力學基礎。1901年提出統計力學的壹些基本理論,1902年-1904年間的三篇論文都屬於這壹領域。
1904年的論文認真探討了統計力學所預測的漲落現象,發現能量漲落取決於玻爾茲曼常數。它不僅把這壹結果用於力學體系和熱現象,而且大膽地用於輻射現象,得出輻射能漲落的公式,從而導出維恩位移定律。漲落現象的研究,使他於1905年在輻射理論和分子運動論兩方面同時做出重大突破。
1905年的奇跡
1905年,愛因斯坦在科學史上創造了壹個史無前例奇跡。這壹年他寫了六篇論文,在3月到9月這半年中,利用在專利局每天八小時工作以外的業余時間,在三個領域做出了四個有劃時代意義的貢獻,他發表了關於光量子說、分子大小測定法、布朗運動理論和狹義相對論這四篇重要論文。
1905年3月,愛因斯坦將自己認為正確無誤的論文送給了德國《物理年報》編輯部。他靦腆的對編輯說:“如果您能在妳們的年報中找到篇幅為我刊出這篇論文,我將感到很愉快。”這篇“被不好意思”送出的論文名叫《關於光的產生和轉化的壹個推測性觀點》。
這篇論文把普朗克1900年提出的量子概念推廣到光在空間中的傳播情況,提出光量子假說。認為:對於時間平均值,光表現為波動;而對於瞬時值,光則表現為粒子性。這是歷史上第壹次揭示了微觀客體的波動性和粒子性的統壹,即波粒二象性。
在這文章的結尾,他用光量子概念輕而易舉的解釋了經典物理學無法解釋的光電效應,推導出光電子的最大能量同入射光的頻率之間的關系。這壹關系10年後才由密立根給予實驗證實。1921年,愛因斯坦因為“光電效應定律的發現”這壹成就而獲得了諾貝爾物理學獎。
這才僅僅是開始,阿爾伯特·愛因斯坦在光、熱、電物理學的三個領域中齊頭並進,壹發不可收拾。1905年4月,愛因斯坦完成了《分子大小的新測定法》,5月完成了《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》。這是兩篇關於布朗運動的研究的論文。愛因斯坦當時的目的是要通過觀測由分子運動的漲落現象所產生的懸浮粒子的無規則運動,來測定分子的實際大小,以解決半個多世紀來科學界和哲學界爭論不休的原子是否存在的問題。
三年後,法國物理學家佩蘭以精密的實驗證實了愛因斯坦的理論預測。從而無可非議的證明了原子和分子的客觀存在,這使最堅決反對原子論的德國化學家、唯能論的創始人奧斯特瓦爾德於1908年主動宣布:“原子假說已經成為壹種基礎鞏固的科學理論”。
1905年6月,愛因斯坦完成了開創物理學新紀元的長論文《論動體的電動力學》,完整的提出了狹義相對論。這是愛因斯坦10年醞釀和探索的結果,它在很大程度上解決了19世紀末出現的古典物理學的危機,改變了牛頓力學的時空觀念,揭露了物質和能量的相當性,創立了壹個全新的物理學世界,是近代物理學領域最偉大的革命。
狹義相對論不但可以解釋經典物理學所能解釋的全部現象,還可以解釋壹些經典物理學所不能解釋的物理現象,並且預言了不少新的效應。狹義相對論最重要的結論是質量守恒原理失去了獨立性,他和能量守恒定律融合在壹起,質量和能量是可以相互轉化的。其他還有比較常講到的鐘慢尺縮、光速不變、光子的靜止質量是零等等。而古典力學就成為了相對論力學在低速運動時的壹種極限情況。這樣,力學和電磁學也就在運動學的基礎上統壹起來。
1905年9月,愛因斯坦寫了壹篇短文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎?》,作為相對論的壹個推論。質能相當性是原子核物理學和粒子物理學的理論基礎,也為20世紀40年代實現的核能的釋放和利用開辟了道路。
在這短短的半年時間,愛因斯坦在科學上的突破性成就,可以說是“石破天驚,前無古人”。即使他就此放棄物理學研究,即使他只完成了上述三方面成就的任何壹方面,愛因斯坦都會在物理學發展史上留下極其重要的壹筆。愛因斯坦撥散了籠罩在“物理學晴空上的烏雲”,迎來了物理學更加光輝燦爛的新紀元。
廣義相對論的探索
狹義相對論建立後,愛因斯坦並不感到滿足,力圖把相對性原理的適用範圍推廣到非慣性系。他從伽利略發現的引力場中壹切物體都具有同壹加速度這壹古老實驗事實找到了突破口,於1907年提出了等效原理。在這壹年,他的大學老師、著名幾何學家閔可夫斯基提出了狹義相對論的四維空間表示形式,為相對論進壹步發展提供了有用的數學工具,可惜愛因斯坦當時並沒有認識到它的價值。
等效原理的發現,愛因斯坦認為是他壹生最愉快的思索,但以後的工作卻十分艱苦,並且走了很大的彎路。1911年,他分析了剛性轉動圓盤,意識到引力場中歐氏幾何並不嚴格有效。同時還發現洛倫茨變化不是普適的,等效原理只對無限小區域有效……。這時的愛因斯坦已經有了廣義相對論的思想,但他還缺乏建立它所必需的數學基礎。
1912年,愛因斯坦回到蘇黎世母校工作。在他的同班同學、母校任數學教授的格羅斯曼幫助下,他在黎曼幾何和張量分析中找到了建立廣義相對論的數學工具。經過壹年的奮力合作,他們於1913年發表了重要論文《廣義相對論綱要和引力理論》,提出了引力的度規場理論。這是首次把引力和度規結合起來,使黎曼幾何獲得實在的物理意義。
不過他們當時得到的引力場方程只對線性變換是協變的,還不具有廣義相對論原理所要求的任意坐標變換下的協變性。這是由於愛因斯坦當時不熟悉張量運算,錯誤的認為,只要堅持守恒定律,就必須限制坐標系的選擇,為了維護因果性,不得不放棄普遍協變的要求。
漫長艱難的探索
廣義相對論建成後,愛因斯坦依然感到不滿足,要把廣義相對論再加以推廣,使它不僅包括引力場,也包括電磁場。他認為這是相對論發展的第三個階段,即統壹場論。
1925年以後,愛因斯坦全力以赴去探索統壹場論。開頭幾年他非常樂觀,以為勝利在望;後來發現困難重重,他認為現有的數學工具不夠用;1928年以後轉入純數學的探索。他嘗試著用各種方法,但都沒有取得具有真正物理意義的結果。
1925年-1955年這30年中,除了關於量子力學的完備性問題、引力波以及廣義相對論的運動問題以外,愛因斯坦幾乎把他全部的科學創造精力都用於統壹場論的探索。
1937年,在兩個助手合作下,他從廣義相對論的引力場方程推導出運動方程,進壹步揭示了空間——時間、物質、運動之間的統壹性,這是廣義相對論的重大發展,也是愛因斯坦在科學創造活動中所取得的最後壹個重大成果。
在統壹場理論方面,他始終沒有成功,他從不氣餒,每次都滿懷信心底從頭開始。由於他遠離了當時物理學研究的主流,獨自去進攻當時沒有條件解決的難題,因此,同20年代的處境相反,他晚年在物理學界非常孤立。可是他依然無所畏懼,毫不動搖地走他自己所認定的道路,直到臨終前壹天,他還在病床上準備繼續他的統壹場理論的數學計算。
最偉大的科學家的風格
愛因斯坦因為在科學上的成就,獲得了許多獎狀以及名譽博士的授予證書。如果壹般人就會把這些東西高高掛起。可是愛因斯坦把以上的東西,包括諾貝爾獎獎狀壹起亂七八糟地放在壹個箱子裏,看也不看壹眼。英費爾德說他有時覺得愛因斯坦可能連諾貝爾獎是什麽意義都不知道。據說他在得獎的那壹天,臉上和平日壹樣平靜,沒有顯出特別高興或興奮。
少年時代的愛因斯坦在瑞士生活時,過的是窮學生的生活,他對物質生活要求不高,有壹碟意大利面條加上壹點醬他就感到很滿意。成名後,成為教授以及後來為了躲避納粹的迫害移民美國,他是有條件過很好的物質享受的,但是他仍保留像窮學生那樣簡樸無華的生活。當愛因斯坦來到普林斯頓的高等科學研究所工作時,當局給了他相當的高薪—年薪壹萬六千美元,他卻說:“這麽多錢,是否可以給我少壹點?給我三千美元就夠了。”
愛因斯坦對自己的衣著也是不註意的,長年披著壹件黑色皮上衣,不穿襪子,不結領帶,褲子有時既沒有綁皮帶也沒有吊帶,他和人在黑板前討論問題時,壹面寫黑板,壹面要把那像要滑下的褲子用手拉住,這種情形是有些滑稽,而他的頭發卻留得長長的,不加修飾。這對當年“貴族學府”普林斯頓大學的學生來說是驚異的事,難怪他們要希望上帝叫他把頭發剪掉。愛因斯坦是很節儉的人,他在計算的紙上是兩面都寫,而且他把許多寄給他的信的信封裁開,當作計算的草稿紙,不讓它們在進了紙簍之前失掉可以再利用的價值。愛因斯坦在外出時經常坐二、三等車,平時只吃壹些簡單的食物。
1909年7月,愛因斯坦應邀到日內瓦,參加隆重的日內瓦大學三百五十周年校慶和紀念建校人加爾文的慶祝活動,並接受日內瓦大學頒發給他的榮譽博士學位。在慶祝活動的遊行中,學校裏的顯要人物和政府中的大人物,都身穿燕尾服、頭戴高禮帽,或者身穿中世紀式的銹金長袍,頭戴平頂絲帽,而愛因斯坦卻穿著壹套平時上街穿的衣服,戴著壹頂草帽。對這次慶祝活動所舉辦的盛大宴會,愛因斯坦很不以為然,他對坐在旁邊的人說,“如果加爾文還活著,他會堆起壹大堆柴禾,因為搞這樣的鋪張浪費的盛宴而把我們全都燒死。”愛因斯坦自己曾說過:“安逸和幸福,對我來說從來不是目的。我稱這些倫理基礎為豬倌的理想……”。他甚至拒絕自己被安排在上流社會中,而居於與眾不同的地位,對社會上對他的特殊照顧感到憤怒。
愛因斯坦是很珍惜時間的人,他不喜歡參加社交活動與宴會,他曾諷刺地說:“這是把時間餵給動物園。”他集中精神專心的鉆研,他不希望寶貴的時間消耗在無意義的社交談話上。他也不想聽那些奉承和贊揚的話。他認為:“壹個以偉大的創造性觀念造福於全世界的人,不需要後人來贊揚。他的成就本身就已經給了他壹個更高的報答。”1929年3月,為了躲避五十壽辰的慶祝活動,他在生日前幾天,就秘密跑到柏林近郊的壹個花匠的農舍裏隱居起來。
作為物理學革命中的偉大科學巨匠,愛因斯坦從來沒有自認為是壹個超人。他認識到,自己所走的道路是前人走過的道路的延伸,科學的新時代是在前人工作基礎上的合理發展,因此他總是抱著感激和敬仰的心情贊賞前人的貢獻。在談到相對論的創立時,他說:“相對論實在可以說是對麥克思韋和洛倫茲的偉大構思畫了最後壹筆,因為它力圖把場物理學擴充到包括引力在內的壹切現象。”愛因斯坦曾幾次在信中對贊揚他的成就的朋友寫道:“我完全知道我沒有什麽特殊的才能:興趣、專壹、頑強工作,以及自我批評使我達到我想要達到的理想境界。”
全人類命運的關註者
愛因斯坦熱愛科學,也熱愛人類。他沒有因為埋頭於科學研究而把自己置於社會之外,壹直關心著人類的文明和進步,並為之頑強、勇敢地戰鬥。他說過:“人只有獻身於社會,才能找出那實際上是短暫而又有風險的生命的意義”,他自己正是這樣去做的。
成功的秘訣
有壹次,壹個美國記者問愛因斯坦關於他成功的秘決。他回答:“早在1901年,我還是二十二歲的青年時,我已經發現了成功的公式。我可以把這公式的秘密告訴妳,那就是A=X+Y+Z! A就是成功,X就是努力工作,Y是懂得休息,Z是少說廢話!這公式對我有用,我想對許多人也是壹樣有用。”