首都科学讲堂第632期《与真实的爱因斯坦相遇》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-03-16

  2020年3月14日,受新冠肺炎疫情影响,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中科院自然科学史所研究员方在庆,为大家带来主题为《疾病故事与人类探索》的精彩讲座。

  应对疫情防控,首都科学讲堂线上开讲。为坚决贯彻落实习近平总书记对新型冠状病毒感染的肺炎疫情作出的重要指示精神,北京科学中心坚持“疫情不解除,科普不掉线”,积极开展疫情防控和应急科普,切实做好知识普及和引导科学防控等工作。本期首都科学讲堂使用科学加APP、腾讯新闻客户端、新浪科技客户端、一直播APP等平台开展直播,采用“直播+录播”双管齐下的新颖方式,让公众足不出户,也能获得最权威、最前沿的科普内容和资讯。首都科学讲堂在疫情防控期间将灵活运用各类载体形成宣传阵地,利用网络手段为公众带来更多丰富主题的线上活动,进一步发挥科普在疫情防控中的重要作用。

与真实的爱因斯坦相遇

  2020年3月14日是爱因斯坦诞辰141周年,这位伟大的科学家在今天仍深刻的影响着我们。爱因斯坦的形象深入人心,在德国的幻想博物馆内展出过这样一张照片,用各种日常用品的照片拼接而成,远处看就是一副爱因斯坦的照片,这也是最广为人知的爱因斯坦的形象——灰白的头发,深邃的眼神观看整个世界。关于爱因斯坦有很多神话,我们认为他是一个天才,不会犯错;作为一个理论物理学家,他可能不需要做任何实验就能够改变世界;还有人认为他孤军奋战做出了伟大发现。但是,这些神话都与真实的爱因斯坦形象相悖的,让我们跟随中科院自然科学史所研究员方在庆的讲述,去了解一个真实的爱因斯坦。

第一讲 勤于动手,文武双全

  爱因斯坦是一名理论物理学家,不做实验,一般认为这样的科学家没有动手能力。但爱因斯坦动手能力非常强,甚至可以说他的这个特长为他后来作出重要理论发现打下了良好的基础。爱因斯坦与技术有非常紧密的联系。一方面是家庭背景,爱因斯坦出生于一个中产阶级家庭,他的父亲和叔叔开办了一个规模不小的,专门生产电气产品的工厂。德国慕尼黑有著名的啤酒节,啤酒节第一次用上的电灯就是爱因斯坦家生产的。每当工人在生产过程中遇到技术问题时,他们就习惯去找小爱因斯坦来解决。很不幸的是,家族企业在爱因斯坦十五岁时就破产了,家人离开德国去意大利北部谋生,不得不把爱因斯坦一个人留在慕尼黑求学,但这段技术经历仍是让爱因斯坦受益终身的。

  另一方面是爱因斯坦在大学毕业后的工作。爱因斯坦毕业后两年都没找到工作,后来在他同学父亲的帮助下到了瑞士专利局做技术员。专利局是专门审查专利的地方,要对技术发明非常了解才能胜任这份工作。爱因斯坦参与了很多专利审查,当两个公司就同一个专利出现纠纷诉讼时,爱因斯坦会出庭作证,他的证词对判决起到非常重要的作用。

  爱因斯坦特别关注社会生活问题,经常解决一些从生活中延伸出来的技术问题,并与人合作申请了很多专利,比如电冰箱、听诊器等等,有些专利让爱因斯坦获得了不少专利费。爱因斯坦曾和和他的家庭医生一起发明了一个过滤病毒的仪器。如何通过陶瓷过滤器过滤病毒,需要测量过滤器孔径的大小和压力。爱因斯坦通过计算,帮医生解决了这个问题。可以设想一下,如果爱因斯坦面对新冠疫情,他会有些什么出乎意料的构想。

  还有一例子,爱因斯坦以专家和发明者的身份参与过飞行用的陀螺仪的发明。陀螺仪对飞行过程中的平衡非常重要,后来被用于军事,间接地影响到世界历史的进程。

  我们说爱因斯坦“文武双全”,还与他小时候读的科普读物有关。爱因斯坦成长的年代,德国社会上兴起科学普及的热潮。当时有一套书非常成功的《大众科学普及读本》(Naturwissenschaftliche Volksbücher),这套书对他影响很大,爱因斯坦思考相对论问题的最初由来就从这本书得到的启发。后来爱因斯坦家还资助过一个贫困犹太大学生,他的到来开阔了爱因斯坦的视野,让爱因斯坦读了更高深的作品,比如康德的《纯粹理性批判》。十几岁的爱因斯坦不完全同意康德的观点,但康德的最根本的思想是要给我们的知识寻找坚固的基础,这种理念深刻影响了爱因斯坦,实际上是为他后来创立相对论的提供了基本思路——理论应该建立在第一原理上。

  爱因斯坦的成长经历中,阅读、动手、质疑,对于我们今天的教育仍具有启发意义。

第二讲 一个好汉三个帮

  有很多人说,如果没有爱因斯坦,狭义相对论可能会晚几年出现,广义相对论会晚几十年,甚至根本就出不来。爱因斯坦自己也曾说,“我是一个真正意义上的独行者”,因此爱因斯坦的形象就被固化为孤军奋战的独行侠,靠一己之力改变了世界。实际上,爱因斯坦只是从社会行为角度而言表达自己的疏离感,而从科学思想发展历程来看,爱因斯坦不仅得到了许多朋友的帮助扶持,还有竞争对手的帮助,正是“一个好汉三个帮”。

  我们先谈几位大家可能熟知的朋友。爱因斯坦在瑞士补习时的老师约斯特·温特勒(Jost Winteler),可以说是爱因斯坦良师益友中的第一位。爱因斯坦住在老师家,在这里感受到了尊重学生、思想自由的环境,还与温特勒的小女儿谈了恋爱,这样身心愉悦的状态让他度过了学生时代最美好的时光。

  爱因斯坦的早期好友中不得不提的就是他和朋友自行成立的小组织“奥林匹亚学院”的几位。爱因斯坦在专利局工作还没开始前,为生计起见,在报上刊登当数学物理老师的广告,结果真来了两位,他们一起畅谈阅读,除了科学著作外,还读文学、哲学等等,无所不谈。那时碰撞出的火花对爱因斯坦的思想产生了重要影响。

  爱因斯坦的终生挚友,名叫贝索(Michele Besso),从个人成就上讲,贝索可以说是一事无成的人,他的兴趣太过广泛,而且毕业时也没找到工作。爱因斯坦推荐他到专利局工作。他们一起上班,一起下班,两家人住得很近。每当爱因斯坦有想了解的问题,贝索都有兴趣,还提出一些想法帮助爱因斯坦深入思考。贝索是爱因斯坦在科学著作中唯一感谢过的人,可见贝索对爱因斯坦多么重要。

  爱因斯坦还有一位“贵人”,曾三次在关键时刻帮助过爱因斯坦,他就是爱因斯坦的大学同学格罗斯曼(Marcel Grossmann)。第一次是大学时的数学考试,经常翘数学课的爱因斯坦靠着格罗斯曼的笔记渡过难关,有意思的是,他有时成绩比格罗斯曼好。第二次就是爱因斯坦的工作。在格罗斯曼父亲的帮助下,爱因斯坦才有了专利局的工作。第三次则是创立广义相对论时。当时身为母校苏黎世理工学院数学教授的格罗斯曼抽向爱因斯坦介绍了非欧几何。爱因斯坦在焦头烂额之时说,“你再不帮我的话,我可能就要疯了”。

  除了这几位亦师亦友的朋友,有一位朋友帮助爱因斯坦真正走上“神坛”,这就是英国天文学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)。1919年,他率领英国的日食考察团,证实了爱因斯坦的广义相对论的一个推论:光线经过大质量物体时会发生偏折,这个预测值比牛顿的要大一倍。爱因斯坦一夜之间成了名人。那时第一次世界大战刚结束不久,英国和德国本是敌对国,去验证一个敌对国的科学家的理论,体现了真正的科学国际主义。没有爱丁顿的坚持,爱因斯坦也无法真正在科学界立足。事实上,爱因斯坦的“助手”弗洛因德里希(Erwin Finlay-Freundlich)很早就提出用天文观测来证实广义相对论。

  在爱丁顿带队观测的同时,美国天文学家坎贝尔(William Wallace Campbell)也率队进行了观测,却但得出了相反的结论。当1922年再次出现日全食时,坎贝尔亲自带队前往澳大利亚观测,最后证实了爱因斯坦的理论。他给爱因斯坦发了电报,“从此我们不需要再进行所谓日全食的测量了。”

  还有许多朋友在生活上给予了爱因斯坦很大帮助,比如奥地利-荷兰物理学家埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)。爱因斯坦找了莱顿大学的客座教授,与他的努力是分不开的。他们更是心灵上契合的好友。不幸的是埃伦费斯特后来自杀,爱因斯坦专门写文章悼念。再比如和爱因斯坦一起发明陀螺仪的安许茨-坎普菲(Hermann Anschütz-Kaempfe),在反犹主义猖獗的时期,甚至想给爱因斯坦买一栋别墅避难。

  因爱因斯坦仗义执言,爱因斯坦所在的普鲁士科学院想开除他。这时,德国物理学家劳厄(Max von Laue)挺身而出,在道义上支持爱因斯坦。尽管他们在科学上观点不尽相同,但除了劳厄和少数几个科学家的挺身而出,对爱因斯坦来说尤为重要。爱因斯坦不认同德国的军国主义,但在希特勒上台前却依然留在德国,是因为那时柏林被认为是世界科学的中心,爱因斯坦舍不得德国那些科学界的同仁。劳厄也是少数几个爱因斯坦敬佩的科学家之一。

  无论学习、生活、研究都有朋友的互动和相助,爱因斯坦并非独行,有了他们才成就了伟大的爱因斯坦。

第三讲 人非圣贤,孰能无过

  爱因斯坦会犯错,其实不是一个新鲜的观点。只不过以往人们更关注爱因斯坦在生活方面的“犯错”,比如婚姻、家庭问题。这里面有非常复杂的因素,不足以为外人道。我们想谈论爱因斯坦在科学思想发展过程中走过的弯路。事实上,在创立广义相对论的过程中,他犯过几乎所有可能的错误。在引力波问题上,甚至他的错误也成为了一段历史轶事。

  一个著名的错误是关于引力波。1916年爱因斯坦就发表了第一篇引力波的论文。两年后,他再次发表一篇论文。之间沉寂了差不多20年。1936年,爱因斯坦与普林斯顿高等研究院的一位助手合作,写了一篇题为《引力波存在吗?》(Do Gravitational Waves Exist?)的论文,他们得出结论就是引力波不存在。他们把这篇论文寄给了《物理学评论》(Physical Review),当时这本期刊换了一位新主编,开始实施匿名评审制度。爱因斯坦之前在这本期刊上发过两篇文章,那时还没有匿名审稿制度,提交后说发表。新主编希望把刊物打造成真正顶级的物理学期刊,严格坚持匿名评审制度。但他们收到大名鼎鼎的爱因斯坦的论文后,还是有所犹豫,放了一个多月才送出评审。而评审人是普林斯顿大学一位年轻的副教授,当时在加州度假,他花了一个星期的时间仔细阅读论文,发现了里面的计算错误,,写了长达10页的评审意见,最终结论说爱因斯坦的计算有错误,应该修改。主编收到评审意见后,给爱因斯坦写信建议重新核实修改。这封信让爱因斯坦非常生气,连评审意见都没有看,就回信“亲爱的先生,我们投稿给您是为了发表,并没有授权您在论文发表之前让任何专家过目。我认为没必要回复您的匿名专家那些无论如何都是错误的意见。基于这种情况,我宁愿把论文发表在其它地方。”爱因斯坦将论文转投给另一本杂志。这本杂志没有审稿,直接排印。在接到校样后,爱因斯坦也发现了论文里的问题。这与当时爱因斯坦的助手,就是后来和他合写《物理学进化》一书的波兰物理学家英费尔德(Leopold Infeld)有关。他最初被爱因斯坦对于引力波的想法所信服,就与另一位同事罗伯逊(Howard P. Robertson)交流意见。他并不知道罗伯逊就是爱因斯坦论文的匿名评审人。罗伯逊也没有告诉他,只是讲了自己的想法,结果把英费尔德说服了,令他意识到了爱因斯坦的计算是错误的,他再向爱因斯坦解释,而此时爱因斯坦本人也意识到了计算错误。

  实际上在这件事发生之前,普林斯顿大学还专门开了一个研讨会,把爱因斯坦请去讲引力波,爱因斯坦已经意识到了自己的问题,最后给出的结论是“关于引力波是否存在,我不知道”。爱因斯坦在校样上修改了自己错误,还修改了论文的标题,变成《关于引力波》(On Gravitational Wave),结论也是开放式的。从这件事可以看出,到了晚年,爱因斯坦的思想某种程度上保守了,他本人的心态也发生了变化。

  我们讲爱因斯坦也犯了错,并不是否定他。“人非圣贤,孰能无过”,犯错误是很正常的现象。我们现在学习的内容都是从没有犯错历史的教科书中得来的,而教科书是胜利者写的,常常过滤历史情节,简单化处理。要了解科学真实的过程就要了解科学史,科学史能告诉你科学家走过哪些弯路,让我们知道最终得来的科学成果多么不易。

第四讲 侠之大者,为国为民

  爱因斯坦不是只坐在书斋中的学者,对社会问题的关注是他到柏林以后生活的重要组成部分。如果不了解这一点,很难了解一个全面的爱因斯坦。

  爱因斯坦在1914年3月底来到柏林,四个月后一次世界大战就开始了。他发现当时柏林有大量从俄罗斯和东欧来的贫困的犹太人。同时,这里还有很多早就立住脚跟了的富有的犹太人。他们生怕这些新来的贫穷同胞影响自己的同化过程,从而影响犹太人融入德国社会的过程。而由于“一战”失败,德国社会上弥漫着强烈的反犹情绪。这时爱因斯坦意识到自己的犹太人身份,应该出面为自己同胞的悲惨命运呼吁。事实上,这种想法与他的国际主义观点相悖。按照国际主义,应该所有族群都平等,不应该特定关注某一个群体。爱因斯坦把两种想法结合起来,一方面坚持国际主义,另一方面一定要帮助自己的同胞。所以他同意当时犹太复国主义运动的请求,为在巴勒斯坦建一所犹太大学去美国募捐。 对于找他帮忙的人,爱因斯坦表现出有求必应。几乎给每一位请求他帮忙的人写推荐信,以至于后来,“几乎每个人都有一封爱因斯坦的推荐信”,他的推荐已不起作用。爱因斯坦的档案中有大量信件,是很多他根本不认识的人写的,都是向他寻求帮助的,可见爱因斯坦在当时的社会影响力。

  前面提到爱因斯坦和英费尔德合写的《物理学进化》。这本书在出版时,出版商希望他们做广告,本来爱因斯坦非常反感这样的做法,但他突然想到这样也能帮助犹太人就同意了。条件是,书中所用照片必须用刚从东欧逃难出来的犹太摄影师的作品。爱因斯坦支持人人平等,谋求社会公正,但他反对以色列建国,认为犹太人能够有一个中心传播文化,青少年有学上,和阿拉伯人和平共处就好了。他知道,如果建立一个实体的以色列国,一定会发生冲突,他呼吁巴勒斯坦的犹太人要克制,而且谴责一些激进的行为。后来,以色列第一任总统去世后,人们希望他能接任,他理性地拒绝了。他说,“我一辈子都在跟客观事物打交道,我生性缺乏恰当地与人打交道和行政管理的经验“。他为以色列给他的莫大荣誉所感动,但无能为力。”

  所谓“侠之大者,为国为民”,爱因斯坦用他的个人能力去尽力帮助每个有需求的人,而他自己本人也有一众侠客的自由。他热爱音乐,喜欢航行,年轻时愤世嫉俗,为人却风趣幽默,他的德语水平极高,文章中带着睿智。与人们常说的恰恰相反,他是一位包含深情的父亲,恨不能将自己所有的经验与教训一古脑儿传给他们。他有天才的一面,也有常人的一面。

  与真实的爱因斯坦相遇,不仅要了解他的成就,也要了解时代背景。他留下的宝贵的精神财富,仍值得我们珍视。

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