阿基米德 伽利略 牛 頓 愛因斯坦
 

愛因斯坦

文:小罐子老師

「思考,思考,再思考。」 

「科學研究好像鑽木板,有人喜歡鑽薄的,我喜歡鑽厚的。」 

                                                                      ---亞伯•愛因斯坦(Albert Einstein)

 

洞中一日,世間千年

同學們聽過一個故事吧!一個樵夫到山中砍柴,不知不覺中誤入仙境,在一個山洞中看見兩位老人在下棋,看著看著就著了迷,等到天黑尋路回家時,卻發現家鄉已經經過了幾百年,早就改朝換代了。於是,他嘆息著說:「洞中一日,世間千年」。這個故事說明了:仙界和凡間「時間」的長度顯然是不同的,是相對的。用這個故事來介紹愛因斯坦的相對論,顯然是太過簡單和膚淺;不過可以確定的是,建立在絕對時間絕對空間基礎上的牛頓力學,顯然存在著一些問題。

羅盤裡的奇蹟

愛因斯坦1879314日生於德國的小鎮烏姆(Ulm),他在慕尼黑度過童年時代,未入學之前,有一件事使他終身難忘。他回憶道:「在我4歲時,我父親送我一只羅盤,當時我覺得宛如看到一個奇蹟,我突然覺得各種事物的背後一定有某些東西隱藏著;在某種意義上來說,一件神奇的東西可以使人的思想世界飛揚起來」。少年時期的他熱愛平面幾何學的證明方法,他用心讀了「自然科學通俗讀本」,這本書把光速的問題放在最前面,以此作為所有

愛因斯坦的第一任妻子及他們的子女們

自然觀察的開端,給他留下了深刻的印象。

在他高中的最後一年,父親移民到義大利,愛因斯坦決定放棄德國國籍,前往瑞士繼續學業。高中畢業之後,他進入蘇黎士的聯邦工科大學。事實上,他並不是一個老師心目中好的學生,因為他常常被某些問題深深的吸引,而投入全部的興趣和時間,對於不感興趣的必修科目,一點也不想費心思。

1900年大學畢業之後,由於愛因斯坦給教授的印象不佳,使他沒能如願留校擔任助教。失業兩年後,他在瑞士的專利局謀得一份工作,職務是對所有的發明作初審,並將每一件發明的細節,用清晰而有系統的文字表達出來,這是一件很不容易的事,卻使他有機會學到新奇的觀念,對於任何提出的假設,都能很快的把握住要點和結果。

小公務員的偉大論文

1905年,愛因斯坦26歲,在沒有任何名師指導,缺乏研究的儀器和資料下,他利用一切空餘的時間,完成了4篇革命性的論文。其中一篇《分子大小的新測定法》為他贏得了博士學位;另外其它三篇分別是:第一篇是解釋「光電效應」的文章。由一個嶄新的角度來探討光的輻射和能量,他認為光是由分離的粒子所組成。17年後這篇論文使他獲得諾貝爾獎

第二篇是證明膠體溶液中的「布朗運動」。1827年英

愛因斯坦與第二任妻子及女兒

國植物學家布朗做了一個實驗,他將花粉灑在水裡,然後用顯微鏡觀察,發現花粉不斷在舞動,這種現象稱為布朗運動。愛因斯坦以獨特的眼光分析是微小的水分子在作祟,還利用數學方法計算出分子的大小和亞佛加厥常數,證明分子的存在。3年後,法國物理學家佩蘭通過實驗印證了愛因斯坦的理論。

牛頓不再絕對

最重要的一篇《論運動物體的電動力學》,就是所謂的「狹義相對論」,愛因斯坦在論文中提出了兩個原理:

光速恆定       以及      相對性原理

這兩條原理有著驚人的推論,它根本地改變了牛頓的時空觀、改變了人類對宇宙的看法,將牛頓定律視為一個特殊例子,只有在速度很慢時才適用。

用通俗的例子來舉例:一卷錄音帶,如果在地面的收音機裡播放,需一個小時;在飛快速度的飛船裡,飛船裡的人測定也是一個小時。但是如果是地面人員用自己的鐘錶,測定飛船中錄音帶播放完的時間呢?根據牛頓的絕對時間理論,應該也是一小時;但是愛因斯坦認為應該是一個多小時,時間是相對的,不同情況下測量的時間長度是不一樣的。就像文章一開始的「洞中一日,世間千年故事,也是蘊含有樸素的相對論原理。

狹義相對論的問題發表後,愛因斯坦著手廣義相對論的問題,整整思考了八年。廣義相對論實質上是萬有引力的問題,愛因斯坦在大學時代同學格羅斯曼的幫助下掌握了數學形式,並用於表達他的物理思想。1913年,他們合作發表了論文《廣義相對論和引力理論綱要》,19163月,發表了總結的論文:《廣義相對論基礎》,在這篇僅60頁的文章裡,愛因斯坦假定重力不是一個力,而是在時空連續體(space-time continuume)中一個扭曲的場,而這個扭曲是由於質量存在造成的。這篇論文被認為是20世紀理論物理研究的最高峰。

愛因斯坦不尋常的主張,自然引起了爭論,幸好理論終於找到機會驗證:1919529日有一次日全蝕,利用廣義相對論計算星光經過太陽邊緣時產生的偏折,會比傳統牛頓力學計算的大上一倍。英國天文學會派遣了兩支觀察隊,一支到巴西,一支到西非進行觀察測量,來驗證愛因斯坦的理論是否正確,全世界的科學家都屏息以待。此時,愛因斯坦的好友普朗克(量子力學創始者)徹夜未眠,急著想知道觀測結果,而愛因斯坦卻信心十足,安心的去睡覺,他說:「如果普朗克真正瞭解廣義相對論,那麼他一定跟我一樣,安心地睡大覺了!」

結果觀察隊的觀察證實了愛因斯坦的預測,這馬上成為所有媒體的頭條新聞,轟動了全世界,一般大眾也開始認定愛因斯坦是世界級的人物。

統一場論

愛因斯坦的後半生,可以說是奉獻給兩件事:一是「統一場論」的發展,一是倡導世界和平

統一場論是一個將電磁現象和重力理論整合在一起的理論。愛因斯坦自己認為相對論有3個發展階段

狹義相對論牛頓運動定律的修正

廣義相對論牛頓萬有引力定律的改造

統一場論廣義相對論的推廣

他不倦的思索研究了30多年而終未成功,晚年他曾感慨的說:「統一場論將被遺忘,但在未來會被人們重新發現的!」有些人批評愛因斯坦,一個問題花了30多年竟然得不到結果,但是,科學的重點不在尋求答案,而在發掘問題,愛因斯坦當時所發掘出來的許多問題,或許在未來會被人們所解決...

192211月,瑞典皇家科學院決定,諾貝爾物理獎必須頒給對人類有重大用途的新發現者。但是沒有人敢肯定他的相對論是否是個新發現,至於這個理論對人類是否有用,更是莫衷一是,甚至成為眾多攻擊的焦點。於是瑞典皇家學院想出一個變通的方法,頒獎給愛因斯坦。得獎理由十分簡單扼要:

此獎頒給愛因斯坦,因為他對光電理論及理論物理學上的重大頁獻。

和平主義者

愛因斯坦的相對論,以及他對時空的看法,的確激起了大家強烈的興趣,也使他成為大眾所景仰的偶像。然而他不僅只是科學家,更是一個和平主義人道主義者,他關心社會底層的勞苦大眾;在戰爭頻仍的時代裡,他譴責軍國主義的侵略者。1933年為了抗議希特勒的法西斯獸行,愛因斯坦毅然決然下了決定:只要納粹政權存在一天,他就永不返回德國。納粹政府也沒收了他在德國境內的所有財產,使他變得一無所有。於是愛因斯坦舉家遷往美國的普林斯頓,應聘為普林斯頓高等研究院教授。

以後的歲月中,他除了埋首於研究的工作外,並以全力協助歐洲難民的移民。在納粹及赤色暴政之下,獲得愛因斯坦營救的著名科學家不知有多少。也正因為這些科學家脫險抵美國,而使得後來美國政府能夠憑藉著他們的智慧和技能,創造出人類史上的第一顆原子彈

1914年的《告歐洲人民書》、1930年《全世界裁軍宣言》、1955年的《羅素愛因斯坦宣言》,愛因斯坦簽署的這三個和平宣言,一再闡揚他和平、反戰的一貫立

愛因斯頓在普林斯頓的家

場,在1955年的這個最後宣言裡,他更是呼籲:停止軍備競賽、禁止使用核武

拒絕當總統

1952年,以色列共和國請愛因斯坦去擔任總統,因為以色列都是猶太人,愛因斯坦是猶太人心目中的精神領袖。然而他沒有接受,他覺得自己的個性並不適合當總統。

由於過度的運用腦力,使愛因斯坦體力衰退,看起來總是比實際年齡老。在1955418日午夜,在普林斯頓醫院的愛因斯坦呼吸困難,主動脈瘤破裂導致大溢血,與世長辭,享年七十六歲。 他死時像生時那樣寧靜平淡,沒有病痛、沒有傷感、沒有悔恨,只是靜靜的讓死亡降臨。愛因斯坦的女兒曾經說過: 甚至在他死時,也教我們如何生。

很抱歉推翻了您的理論

在柏林家中的愛因斯坦

相對論是愛因斯坦對物理學所做的最大貢獻,相對論打開了人類的眼界,使人們獲得了去探究宇宙奧秘的方法,提升了人們認識宇宙的能力。

愛因斯坦曾說道:「牛頓先生,很抱歉推翻了您的理論,不過您的成就是您那個時代一個人的智力和創造力所能達到的顛峰,您所創造的許多觀念直到今日都仍在引導我們的物理思維。雖然我們知道,當我們對宇宙萬物有了更深入的瞭解以後,這些觀念將會被一些更抽象的新觀念所取代。」

也許將來某一天,會有一位少不更事的科學家說道:「愛因斯坦先生,很抱歉推翻了您的理論,不過您的成就是您那個時代一個人的智力和創造力所能達到的顛峰.....