在我还是一个住在芝加哥的12岁孩子时,我们班级去博物馆进行实地考察,老师讲到阿尔伯特·爱因斯坦有多伟大。我们都印象深刻。然后我记得梅丽莎·戈尔曼,一个很专注的同学,问老师爱因斯坦究竟发明了什么。
老师不知道。
我感到震惊,不仅仅是因为我仍然认为老师什么都知道。我很难想象一个人如此出名,却没有发明过什么,或者没有参加过世界职业棒球大赛,或者以其他方式做过什么具体的事情。我知道爱因斯坦很聪明:我邻居的几个父母在他冰箱上贴着他的照片。20世纪50年代和60年代,许多犹太家庭家里都挂着爱因斯坦的照片。在那些照片里,他总是看起来若有所思,甚至有些悲伤。我想,他究竟做了什么?
我在芝加哥大学读本科时,对爱因斯坦的伟大理论有了更多了解,读了一些他关于自己成就的非个人化的评论——他觉得虽然自己有机会看到我们宇宙是如何构建的,但自己的作用终将被人遗忘。作为一名青少年,我很难接受爱因斯坦对自己生命有限的承认。但多年后,当我在牛津教书时,一天清晨,在看着河上划船的队伍时,我豁然开朗。我意识到,随着一代又一代的学生在我脑海中逐渐模糊。这个想法让我感到震惊,同时也欣慰,因为我对他们教育的贡献也会在他们脑海中模糊,就像在更高层面上,我们已经开始理所当然地接受爱因斯坦在拓展我们对宇宙理解方面的作用一样。
在我童年时期,那次博物馆的实地考察激起了我对爱因斯坦及其工作的兴趣,几十年后,我惊讶地发现他确实发明了一些东西——实际上是不少东西,包括一种没有活动部件的冰箱。多年来,我也逐渐认识到,爱因斯坦的理论如此影响深远,他确实帮助发明了我们现代的世界。
花上一天大部分时间思考那些已成为日常生活一部分的技术奇迹,你会发现处处都有爱因斯坦的踪迹。
哦,多么美好的早晨
当你走向厨房去喝咖啡时,停下来想一想头顶上默默工作的烟雾探测器,微量的放射性物质镅-241释放能量,产生一束带电粒子。任何火灾产生的烟雾都会干扰这束粒子,触发警报。镅原子的原子核是不稳定的。当它分裂时,质量似乎消失了,因为碎片比原始原子核轻。但它并没有真正丢失,我们知道这一点,都归功于爱因斯坦。
在爱因斯坦1905年发表的一篇开创性论文中,他打破了19世纪科学的一个核心信念:即存在能量领域和质量领域,两者永不相交。相反,他表明任何质量都可以被视为一种高度压缩的能量形式。要确切知道给定质量能释放多少能量,只需测量消失的质量,然后乘以c平方(光速乘以自身)——这是一个非常庞大的数字。
化学家和工程师使用基于爱因斯坦著名
E = mc^2
方程的计算来设计我们最普通的烟雾探测器。但这不止于此。医学专家在为癌症患者进行放射治疗时,或需要估计X射线可能对DNA造成多少损害时,也会使用类似的计算。当然,当曼哈顿计划的物理学家计算投在日本的原子弹的爆炸威力时,他们使用了爱因斯坦的
E = mc^2
.
即使在医疗和军事技术之外,我们的世界也充斥着爱因斯坦关于质量与能量之间关系的见解。从厨房窗户抬头看天空,你看到的太阳实际上是一个巨大的泵站,将数百万吨的质量转化为滚滚能量,其速率足以照亮我们的星球。在起伏的地形上进行晨跑,地貌很可能是地壳板块运动的结果,而这种运动在很大程度上是由我们脚下深处的放射性衰变驱动的,就像那个普通的镅物质一样,只是规模更大。
在路上
导航我们的全球定位系统卫星——无论是我们在开车上班时经过的高速公路,还是头顶上的喷气式飞机,以及海上的船只——都依赖于爱因斯坦的更多见解。在他1905年的另一篇论文中,爱因斯坦指出,时间的常规定义“如果时间仅限于手表所在的位置,确实是足够的,但当需要将不同地点发生的事件系列在时间上联系起来时,这个定义就不再令人满意了。”GPS卫星配备了高精度原子钟,但如果没有对地面原子钟测量的时间差进行调整,下发给我们的GPS信号每天都会偏离一英里多。
我们车轮下的道路也依赖于爱因斯坦的工作。爱因斯坦在瑞士技术大学毕业后未能获得一份学术工作,并非像传说中那样是因为他是糟糕的学生——他成绩优异——而是因为他忍不住告诉教授们,他认为他们的教学枯燥、过时,只照本宣科,而不是探索最新研究的意义。这就是他为什么在写博士论文期间,一直困在专利局工作。
他的论文引入了测量各种溶液中分子的绝妙方法,这成为胶体化学的基础。当水泥工程师建造我们驾驶的道路时,他们就使用了爱因斯坦的研究成果。
照顾生意
看看你工作台上的电脑,如果你有合适的
设备,你就能探测到从显像管的阴极射出的电子。它们加速得如此之快,以至于在飞向玻璃屏幕的过程中似乎会增加质量——这完全符合爱因斯坦狭义相对论的预测。制造电脑显示器的工程师必须纠正这种相对论效应。否则,控制电子轨迹的磁铁将产生模糊的图像,而不是清晰的图像。
传输你的电子邮件或谷歌搜索的光纤电缆也依赖于爱因斯坦的工作。1916年末,尽管刚刚完成广义相对论的宏伟大论文让他筋疲力尽,爱因斯坦还是告诉他亲密的朋友米歇尔·贝索,“关于辐射的吸收和发射,我有一个绝妙的灵感。”爱因斯坦展示了处于特定激发态的电子如何被入射光子激发,释放出与入射光子相同的光子——这是物理学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛在40年后勾勒出大量此类释放如何迅速累积,产生我们现在所知的激光时所依赖的关键见解。传输我们信息的闪光光学信号就是由这样的激光产生的,其核心工作原理是爱因斯坦在第一次世界大战那些遥远的年份里设想的;我们购买的每一件商品的条形码也依赖于爱因斯坦的激光能够准确读取那些编码的间距。
看日落
在阳光明媚的白天,直到傍晚时分,节能房屋屋顶上的光伏电池(带有补充太阳能)将太阳能转化为电能。这依赖于爱因斯坦1905年另一篇论文中首次被正确分析的一个效应,他认为这个效应甚至比他的相对论工作更具革命性。在那篇论文中,他提出了光被集中在传播的能量包中,后来被称为光子。其中一些光子携带的能量足以克服将电子束缚在金属上的“粘性”。
这种现象被称为光电效应,它是我们所有涉及使电子从金属或其他物质中逸出的技术的核心。例如,打开你的数码相机拍摄夕阳,镜头中飞入的光子会使位于传统相机胶片所在位置的半导体中的电子移动。
晚上,当你准备睡觉时,你会发现在药柜里也有爱因斯坦的身影。我们服用的许多药物,从他汀类药物到伟哥,都是使用借鉴了爱因斯坦1905年关于布朗运动的论文的技术制造的。他极力想将先前分离的领域联系起来,利用植物学家罗伯特·布朗关于小颗粒在流体中随机碰撞的老观察,创建统计技术,将微观量(如分子质量)与宏观量(如整体温度)联系起来。这些技术现在对全球制药公司的化学家来说已是家常便饭。
爱因斯坦留给我们的这些知识正在逐渐淡去,我想在再过几代人,人们只会模糊地知道他与核武器有关。但我不认为他会在意——这正是我在牛津最终理解的。最高形式的慈善不是强迫他人知道你所给予的东西;而是自由地给予,让接受你给予的人继续前行。在科学领域,我们能够看到在我们出生之前就已经存在的事物,并能想象在我们死后很长一段时间内将存在的事物。这里不需要傲慢,也没有那种我们年轻时许多人渴望的永恒的绝望追逐。相反,还有其他东西——对我来说,这正是我从研究爱因斯坦那里获得的最大的礼物。
是宁静。














