爱因斯坦如何改变了世界

一个人的思想成果对文明的影响比看起来还要深远

阿尔伯特·爱因斯坦曾说过,可能只有两件事是无限的:宇宙和人类的愚蠢。而且,他承认,他对宇宙并不确定。

当我们听到这句话时,我们会轻笑。或者至少我们会微笑。我们不会感到冒犯。原因是“爱因斯坦”这个名字让人联想到一位和蔼可亲、慈祥的长者形象。我们看到这位善良、头发蓬乱的科学天才,他的标志性肖像——骑着自行车、吐着舌头、用他那双锐利的眼睛盯着我们——深深地印在我们的集体文化记忆中。爱因斯坦已经成为纯粹和强大的智力探索的象征。

爱因斯坦在1905年科学界一举成名,那一年被誉为他的奇迹年。在瑞士伯尔尼专利局每周工作六天,每天八小时的同时,他利用业余时间撰写了四篇论文,改变了物理学的进程。在那年三月,他提出光,长期以来被描述为波,实际上是由粒子组成的,这些粒子被称为光子,这一观察结果开启了量子力学。两个月后的五月,爱因斯坦的计算为原子假说提供了可测试的预测,后来通过实验证实,确凿地证明了物质是由原子构成的。六月,他完成了狭义相对论,揭示了空间和时间的行为方式出人意料,这是任何人都没有预料到的——简而言之,距离、速度和持续时间都是相对的,取决于观察者。最后,在1905年9月,爱因斯坦推导出了狭义相对论的一个推论,一个将成为世界上最著名的方程:E = mc2


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科学通常是渐进的。很少有贡献能发出科学警报,预示着一场根本性的变革即将来临。但在这里,一个人在一年内敲响了四次警钟,这是一种惊人的创造性洞察力的迸发。几乎立刻,科学界就能感觉到爱因斯坦工作的反响正在动摇对现实的基石理解。然而,对于更广泛的公众来说,爱因斯坦尚未成为爱因斯坦。

这种情况将在1919年11月6日改变。

在狭义相对论中,爱因斯坦确定没有任何东西可以比光速更快地传播。这为与牛顿引力理论的对抗奠定了基础,在牛顿引力理论中,引力在空间中瞬时施加影响。在这种迫在眉睫的矛盾的驱动下,爱因斯坦大胆地试图改写牛顿引力数百年来的规则,这是一项令他最热心的支持者也认为是不切实际的任务。德国科学界的领袖人物马克斯·普朗克语重心长地说:“作为一位老朋友,我必须劝你不要这样做……你不会成功的,即使你成功了,也不会有人相信你。”爱因斯坦从不屈服于权威,他坚持不懈地继续前进。而且持续了将近十年。

最终,在1915年,爱因斯坦宣布了他的广义相对论,该理论以一个惊人的新思想对引力进行了深刻的重新定义:空间和时间中的扭曲和弯曲。广义相对论认为,不是地球抓住你手中滑落的茶杯并将其拉到地板上不幸地摔碎,而是地球使周围环境凹陷,导致茶杯沿着时空滑槽滑落,将其引导到地板上。爱因斯坦宣称,引力印刻在宇宙的几何结构中。

自爱因斯坦提出该理论以来的100年里,物理学家和历史学家已经拼凑出一个连贯的,尽管很复杂的故事,讲述了它的起源[参见沃尔特·艾萨克森的“爱因斯坦如何在战争、离婚和竞争中重新发明现实”]。在我自己的一些通俗读物中,我很高兴地回顾了爱因斯坦的攀登过程,从优雅的技巧到pieds en canard,再到他最终的顶峰。然而,审视他的过程远非使爱因斯坦的创造性飞跃变得神秘,反而只会为这一提议惊人的新颖性和压倒一切的美丽增添光彩。

1919年11月6日,在爱因斯坦完成广义相对论四年后,世界各地的报纸都大肆宣扬刚刚发布的天文测量结果,这些结果证实,天空中恒星的位置与牛顿定律的预期略有不同,正如爱因斯坦所预测的那样。这些结果胜利地证实了爱因斯坦的理论,并使他一夜之间成为偶像。他成为了推翻牛顿的人,并且在这个过程中,带领我们人类向自然的永恒真理迈进了一大步。

更重要的是,爱因斯坦成为了绝佳的新闻素材。当他在聚光灯下眯着眼睛,口头上表达对孤独的渴望时,他知道如何引起世界对他神秘而重大的领域的兴趣。他会抛出巧妙的俏皮话(“我是一个好战的和平主义者”),并兴高采烈地扮演着天才中的天才的公众角色。在城市之光的首映式上,当红地毯上的相机闪烁时,查理·卓别林对着爱因斯坦耳语了一些类似这样的话,“人们为我鼓掌是因为每个人都理解我,而他们为你鼓掌是因为没有人理解你。”这是一个爱因斯坦很适合扮演的角色。而更广泛的公众,厌倦了第一次世界大战,全心全意地拥抱了他。

当爱因斯坦在社会上游刃有余时,他对相对论的看法,至少是广泛报道的版本,似乎与其他文化变革产生了共鸣。詹姆斯·乔伊斯和T·S·艾略特正在分裂句子。巴勃罗·毕加索和马塞尔·杜尚正在劈开画布。阿诺德·勋伯格和伊戈尔·斯特拉文斯基正在打破音阶。爱因斯坦正在将空间和时间从过时的现实模型中解放出来。

有些人更进一步,将爱因斯坦描绘成20世纪前卫运动的中心灵感来源,是科学的源泉,它迫使人们重新思考文化。相信自然的真理掀起了一场浪潮,席卷了根深蒂固的文化中陈旧的残余物,这很浪漫。但我从未见过令人信服的证据表明这些变革与爱因斯坦的科学有关。对相对论的广泛误解——它消除了客观真理——是文化领域中许多不合理的援引爱因斯坦理论的原因。奇怪的是,爱因斯坦本人有着传统的品味:他喜欢巴赫和莫扎特胜过现代作曲家,并拒绝了新的包豪斯家具的礼物,而选择了他已经拥有的磨损严重的传统装饰。

公平地说,许多革命性的思想在20世纪初涌现,它们肯定相互交织在一起。正如可以肯定的是,爱因斯坦是打破长期以来的假设如何能揭示令人叹为观止的新景象的一个主要例子。

一个世纪后,爱因斯坦揭示的景象仍然充满活力和肥沃。广义相对论在20世纪20年代催生了现代宇宙学,即研究整个宇宙的起源和演化。俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼和比利时物理学家兼牧师乔治·勒梅特各自独立地使用爱因斯坦的方程证明空间应该正在膨胀。爱因斯坦反对这一结论,甚至通过插入臭名昭著的“宇宙学常数”来修改方程,以确保宇宙是静态的。但是后来的埃德温·哈勃的观测表明,遥远的星系都在飞速远离,这说服了爱因斯坦回到他最初的方程,并接受空间正在伸展。今天宇宙的膨胀意味着过去宇宙更小,这意味着宇宙起源于一个原始小点的膨胀,勒梅特称之为“原始原子”。大爆炸理论由此诞生。

自那以后的几十年里,大爆炸理论得到了极大的发展(今天最广泛接受的版本是暴胀理论),并且通过各种改进,经受住了各种观测测试。其中一项观测,获得了2011年诺贝尔物理学奖,揭示了在过去的七十亿年里,空间不仅一直在膨胀,而且膨胀速度还在加快。最好的解释是什么?大爆炸理论,加上爱因斯坦很久以前抛弃的宇宙学常数的一个版本。教训是什么?如果你等待足够长的时间,即使是爱因斯坦的一些错误想法也会被证明是正确的[参见劳伦斯·M·克劳斯的“爱因斯坦哪里错了”]。

广义相对论更早的见解起源于德国天文学家卡尔·史瓦西在第一次世界大战期间在俄国前线服役时进行的一项分析。史瓦西在计算炮弹轨迹的间隙,推导出了爱因斯坦方程的第一个精确解,给出了一个精确的描述,描述了像太阳这样的球形物体产生的扭曲时空。作为副产品,史瓦西的结果揭示了一些奇特的东西。将任何物体压缩到足够小的尺寸——例如,太阳,压缩到三英里宽——由此产生的时空扭曲将非常严重,以至于任何过于靠近的东西,包括光本身,都会被困住。用现代语言来说,史瓦西揭示了黑洞的可能性。

当时,黑洞似乎遥不可及,是一种数学上的怪异现象,许多人认为它与现实无关。但是,是观测,而不是期望,决定了什么是正确的,天文数据现在已经证实,黑洞是真实存在的,而且数量众多。它们离我们太远,目前无法进行直接探索,但作为理论实验室,黑洞是不可或缺的。从斯蒂芬·霍金在1970年代的有影响力的计算开始,物理学家们越来越相信,黑洞的极端性质使其成为推动广义相对论向前发展,尤其是将其与量子力学融合的理想试验场[参见迪米特里奥斯·普萨尔蒂斯和谢泼德·S·多尔曼的“黑洞测试”]。事实上,当今最受热议的问题之一是量子过程可能如何影响我们对黑洞外边缘——其事件视界——以及黑洞内部性质的理解。

这一切都只是想说明,广义相对论一百周年远非对历史兴趣的回顾。爱因斯坦的广义相对论紧密地编织在当今前沿研究的挂毯中。

那么,爱因斯坦是如何做到的呢?他是如何做出如此多具有持久重要性的贡献的呢?虽然我们可以否认爱因斯坦是立体主义或无调性音乐的来源,但他确实是我们想象某人可以在自己内心的私密空间中,努力思考并揭示宇宙真理的原因。爱因斯坦作为一名科学家是社交的,但他重大的突破都是孤独的灵光乍现时刻。这些洞察力的出现是因为他的大脑具有不寻常的结构吗?因为他具有不墨守成规的视角吗?因为他具有坚持不懈和毫不妥协的专注能力吗?也许是。是的。很可能。当然,现实是,没有人知道。我们可以讲述某人可能产生这个或那个想法的原因的故事,但底线是,思想和洞察力受到太多无法分析的影响因素的影响。

避免夸张,我们能说的最好的就是,爱因斯坦在正确的时刻拥有了正确的大脑,从而破解了一系列深刻的物理学难题。那真是一个伟大的时刻。他在发现广义相对论之后的几十年里所做的许多但相对适度的贡献表明,他带给物理学的特定智力联系的时机已经过去。

鉴于他所取得的一切成就,以及他所产生的持续遗产,人们不禁要问另一个推测性的问题:还会出现另一个爱因斯坦吗?如果指的是另一个将有力地推动科学进步的超级天才,那么答案肯定是肯定的。在爱因斯坦去世后的半个世纪里,确实出现过这样的科学家。但如果指的是一个世界将会关注的超级天才,不是因为在体育或娱乐方面的成就,而是作为一个人类头脑能够取得成就的激动人心的榜样,那么,这个问题就关系到我们——关系到我们作为一个文明将珍视什么。

更多探索

E = mc2:世界最著名方程的传记。 戴维·博达尼斯。 企鹅出版社,2000年。

宇宙的构造:空间、时间和现实的纹理。 布莱恩·格林。 克诺夫出版社,2004年。

阿尔伯特·爱因斯坦的 Collected Papers。 普林斯顿大学出版社。 http://einsteinpapers.press.princeton.edu

来自我们的档案

弦理论的未来:与布莱恩·格林的对话。 布莱恩·格林;2003年11月。

布莱恩·格林是哥伦比亚大学物理学和数学教授,研究超弦理论。他是多本书籍的作者,也是世界科学节的联合创始人兼董事会主席。

更多作者:布莱恩·格林
大众科学杂志 第313卷 第3期本文最初以“他为何重要”为标题发表于大众科学杂志 第313卷 第3期(),第34页
doi:10.1038/scientificamerican0915-34
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