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爱因斯坦自述(精装)


爱因斯坦自述(精装)

作  者:[英]安妮·鲁尼(Anne Rooney)著

译  者:王浪

出 版 社:黑龙江教育出版社

丛 书:大师馆

出版时间:2016年11月

定  价:38.00

I S B N :9787531689195

所属分类: 传记  >  科学家    

标  签:传记  科学家  数理科学  

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书评书荐

TOP内容简介

  爱因斯坦对很多话题都多有著述,但核心还是关于他的科学工作。数学多涉及一些常人所不太能理解的术语,但科学方面还是留下了很多通俗易懂的见地。爱因斯坦还热衷于谈论政治与道德问题,认为“常识就是人们18岁以前存于脑海中的那些偏见”;但是就爱因斯坦个人而言,“常识”和“非常识”(在他之前从没有人去问及的那些问题)是其所思考的全部。该书所选择的手记虽然篇幅有限,但全都出自爱因斯坦亲笔,内含的巨量插图与照片是该书的一大亮点,是关于爱因斯坦的一本简短但精悍的精华书,囊括了爱因斯坦关于科学、信仰、战争、政治、哲学等方面的所有看法。

TOP作者简介

  安妮·鲁尼(Anne Rooney),从剑桥大学三一学院获得博士学位,曾先后在剑桥大学和纽约大学教授课程,后来一直从事技术与教育方面的写作。她在科学技术方面的著述颇丰,并于2004年被提名全球科普书最高荣誉安万特科学图书奖。现在,安妮·鲁尼是一位全职作家,定居于英国剑桥。

TOP目录

引言/001

第一章 科学:科学天才/025

第二章 宗教:上帝和宗教/084

第三章 战争:爱因斯坦的和平主义/107

第四章 政治:不情愿的政治家/130

第五章 哲学:广博的宇宙/140

 

附录/155

名人录/155

文本出处/164

图片出处/165


TOP书摘

时空穿梭

  如果运动的速度增加,时间就变慢,那么穿越时间似乎是可能的。爱因斯坦描述过一对双胞胎被分开的悖论。一个以近乎光速的速度飞向太空,另一个留在地球上。五十年过后(以地球的时间来算),飞向太空的火箭回来了。当留在地球上的那个人变老了五十岁,飞向太空的那个人却可能只变老十岁左右,因为运动的速度使时间变慢。

  使用比光速还要快的速度,我们可以给过去发电报。

  我们得出结论,一个位于地球赤道的平衡轮钟要比一个与它一模一样,但位于两极中的其中一极的钟走得慢一点。除了位置不同,它们所处的其他条件完全一致。

 

质量和能量

  爱因斯坦在1905年发表的第四篇论文给世界提供了他最著名的公式的基础,并且预示了核能以及核武器出现的可能性。狭义相对论的一份三页长的附录说明了此理论带来的最深刻的影响:

  克拉克·麦斯威尔和洛伦兹的理论不可避免地促成了狭义相对论??这个理论要表明的是,质量不是一个恒定的数量,它取决于或者等同于能量的构成。它还表明了牛顿定论只适用于较小速度情况的局限性;狭义相对论是一种新的运动定律,在它的框架下,真空中的光速是临界速度。

  正如同时间和空间由于相对性密不可分,能量和质量也如此。

  一个封闭系统的静止质量和它的能量是相同的,这样就排除了质量作为一个独立概念存在的可能。

 

广义相对论

  虽然狭义相对论是突破性的,但它只代表了爱因斯坦的一部分观点。之所以它是狭义的,是因为它只适用于特定的环境和情况处于一致、恒定的运动的物体。它没有考虑到中立的情况。因此,爱因斯坦想创造出一个能普遍适用的理论。

  我必须说明,相对论像是有两层楼的建筑,分别是狭义相对论和广义相对论。作为广义相对论基础的狭义相对论适用于除重力外的所有物理现象;广义相对论提供了重力的原则以及它们和自然界其他力量的关系。

  伟大的物理学家马克斯·普朗克曾警告爱因斯坦:

  作为一个老朋友,我必须告诉你,首先你不会成功;其次,即使你成功了,也没人会相信你??如果你成功,你将成为下一个哥白尼。这项工作比爱因斯坦设想的要困难得多,直到1915年他才完成。

  在此之前,我从未被任何事情困扰这么久??和这个难题比起来,最初的相对论只是小儿科的游戏。

  我找不到时间写作,因为我正在忙真正伟大的事业。日日夜夜,我殚精竭虑地更深入思考着在过去两年我逐渐发现的东西。这些都代表了物理学的基础问题中前所未有的进步。

  在我的个人经历中,因为这个理论以及与之相关的一切,我更加深刻地认识了人类的可怜。

  现在,这个圆满的成就似乎是必然的,任何一个聪明的学生都可以不费力地理解它的意义。但是年复一年地在黑暗中焦虑地摸索,伴随着内心强烈的渴望、自信心不断受到打击、精疲力竭以及最后才看到曙光,只有切身经历过这些的人才会懂。

 

代替重力

  广义相对论用一个全新的类比推翻了牛顿的重力概念。与物体之间的引力有所区别,重力是一种时空持续体中的扭力,它促使一个物体朝另一个物体移动。

  我坐在伯恩专利局的办公室里,突然想到一个问题:如果一个人自由下落,他不会感受到他的重力。我惊呆了。这个简单的想法给我留下了深刻的印象。它促使我离重力理论更近了一步。

  设想一个很重的人坐在蹦床上。蹦床四周都比这个人高,这便形成了一个坑。如果一个球被放在蹦床的边缘,它能滚进由这个人体重造成的坑里。一个星球会使空间变形,正如体重使蹦床变形的方式一样,但是这是在四维中—三维再加上时间的维度。这四个维度的构成便是时空,或者是构建了宇宙基本结构的时空连续体。小一点的物体使时空变形的程度变低,但仍然对时空有一定影响。

  当一只黑色的甲壳虫在弯曲的树枝表面爬行时,它注意不到它爬过的路径是一条曲线。我很幸运能够发现甲壳虫没有发现的东西。

  正是时空的变形控制着物体的行动,物体的存在定义了时空,因此,没有物质的话,时间和空间都不复存在。时空充满了各种物质,从巨大的星球到渺小的尘埃,它无处不被质量弄得弯曲。

  这个理论美丽得无与伦比,但是只有一个同事能理解它。

 

空间的弯曲

  为了证明时空的弯曲以及它如何能产生重力,爱因斯坦必须求助于他嘲弄和回避了多年的数学。

  我对数学无比尊敬,过去因为我的无知忽略了它,现在我认为它最微妙的地方都是绝对的奢侈。

  新的理论需要掌握能应用于弯曲平面上的高斯几何[1827年由高斯(Gauss)和黎曼(Riemann)创立],而不是用于平面、直线和点的欧几里得几何。

  不要担心你在数学中遇到的困难,我可以向你保证,我遇到的困难要比你的大得多。

  水星近日点的旋进早在1859年就让科学家困惑不已,因为它似乎驳斥了牛顿力学。问题就在于:水星运行轨道中离太阳最近的那个点,也就是近日点,一直都在变。它围绕着太阳移动。

  当爱因斯坦算出水星轨道的扭曲并且得到了和测量结果一致的答案时,他终于找到了突破口。正是此时,爱因斯坦的空间弯曲理论被证明是正确的。

  很多天来,我都情不自禁地兴奋。我很大胆的推测成为了现实。

 

光的偏移

  根据爱因斯坦的广义相对论,光会被其周围例如星球那样的物体持续不断的力量压弯。1919年,在一次对日食的测量中,爱因斯坦的观点被证明是正确的。通过对比从地球各地收集的测量结果,科学家发现银河系的光的确被太阳的重量压弯。天文学家弗兰克·沃森·戴森(Frank Watson Dyson)宣布:

  在对板块进行仔细地研究之后,我准备告诉大家,它验证了爱因斯坦的预言。我们得到了一个非常明确的答案—光的弯曲符合爱因斯坦的重力理论。

  爱因斯坦他自己对此并不吃惊。当问起如果日食没有证明他是对的,他会怎么想时,他回答道:

  我会为上帝感到抱歉,但是不管怎样,理论是正确的。

  【马克斯·普朗克】是我认识的最优秀的人之一??但是他真的对物理一窍不通??1919年日食时,他彻夜观察这是否会证实重力场引起的光偏移。如果他真的懂广义相对论,那他会和我一样去睡觉。

 

重新定义宇宙

  当我判断一个理论是否正确时,我就问我自己,如果我是上帝,我是否会如此安排世界。

  在十余年的时间里,爱因斯坦重新定义了宇宙的结构。现在时间不是匀速前进,它是一个可以追踪的路径,可以快速运动,也可以慢速运动,但我们必须跟随这条路径走。它和被宇宙占据的空间不矛盾,相反,它和空间的结构一样,可以被改变和扭曲。

  【广义相对论】把时间和空间的最后一点客观性清除了。

  爱因斯坦给他之后的物理学家和宇宙学家指明了道路,他的理论为黑洞、大爆炸和时间穿越的研究奠定了基础。

  但是,这一切并不容易。爱因斯坦面对众多诽谤者,其中最长盛不衰的是—爱因斯坦因为是犹太人被嘲弄,那时的德国科学家都想消灭掉犹太科学家以及他们的理论。

  伟大的灵魂总是遭到平庸之辈的强烈抵制。

 

红移—黑洞

  当一个恒星爆炸时,就会产生黑洞。它的引力场如此集中以至于光都无法从中逃脱。在恒星爆炸的初始阶段,光还可以逃离黑洞不可避免的拉力,但是因为引力的拖拉作用,光子失去了能量。这就降低了光的频率,把它推向光谱中红色的那端,产生了红移效应。任何由重力扭曲的光都会红移,但是在黑洞外围,这种效应非常微小且难以被发现。

  爱因斯坦预测了由太阳引力造成的红移,但是这个变化是如此微小以至于无法进行测量。直到四十年后,太阳周围由引力造成的红移才被科学界证实。

  不管怎样,在未来几年内,将有一个定论。如果由引力引起的光谱线朝红色端移动的现象并不存在,那广义相对论就站不住脚。另一方面,如果光谱线偏离的原因真的可以追溯到引力,那对偏移的研究就可以给我们提供关于天体的重要信息。

 

爱因斯坦的抵抗

  在黑洞的边缘,时间是静止不动的,空间被延长。所有这些特质都可以自然地从爱因斯坦的广义相对论中得出,而且在爱因斯坦发表理论的几天后,黑洞理论几乎立刻被提出。

  卡尔·史瓦兹齐德(Karl Schwarzschild)把他的第一篇相对论论文递交给了爱因斯坦,文中描述了他对爱因斯坦公式的完善和对黑洞的预测。爱因斯坦于1916年在柏林于普鲁士科学院展示了这篇论文。史瓦兹齐德将爱因斯坦的研究工作做了进一步的发展完善,但是他在几个月之后就逝世了,于是黑洞理论在未来的五十年内都没得到深入探索。

  爱因斯坦创立了黑洞概念,或者是那时为人所熟知的“史瓦兹齐德奇点”。这些理论高深莫测,直到他去世之前,他都抗拒它们的存在。并不只有他一个人认为这个理论难懂。1919年参与领导小组观察日食的艾丁顿如此评价:

  宇宙中应该有一个自然法则来阻止恒星如此荒谬的行为。

  这项调查得出最重要的结果就是让人清楚地理解了“史瓦兹齐德奇点”在现实中并不存在。

  然而现在的天文学家们普遍接受了黑洞这一概念。

 

不断膨胀的宇宙

  我们现在认可宇宙正在扩张的观点,但是当爱因斯坦发现广义相对论假设了一个不断膨胀的或者缩小的宇宙,他补充了一个“宇宙常量”来抵消这个观点,并且保持宇宙稳定,而且这也是他坚信的。

  【理论】仍然不令人满意,因为它指向的结果是—恒星以及星系中的单独恒星所发射出来的光永远都流向无限的空间,永远都不会回来,而且也绝不接触自然界中其他的物体。这一个有限的物质宇宙注定会逐渐地、系统化地衰落。

  在1929年,埃德温·鲍威尔·哈勃(Edwin Powell Hubble)展示了遥远的星系正在消退,宇宙的确在不断膨胀的现象,他表示宇宙常量并没有存在必要。

  如果不存在准静态的世界,那就不存在宇宙论的术语。

  大爆炸理论是广义相对论的一个自然发展,它起源于乔治·勒梅特(Georges Lema?tre)在1931年提出的假设,即宇宙始于一个令人难以置信的小点,是由一个渺小的“原始原子”逐渐膨胀而成。爱因斯坦和哈勃都听了勒梅特关于宇宙起源理论的演讲。

  【勒梅特的观点】是我听过的最美丽、最让人满意的解读。

  “空”的空间真实存在吗?

  空的空间能被认为是“真的”吗?这个问题困扰了自笛卡儿(Descartes)以来的哲学家。宇宙是否没有边界,以及是否在扩张,这些问题让第一个问题的解答变得更急迫。

  设想有一个盒子。盒子里装满了物品。可以如此放置物品的可能是盒子具有的特性,这种特性是与盒子共同存在的,是盒子包含的“封闭空间”??当盒子里没有其他物体时,它的空间就是“空”。

  目前,我们对空间的认识与盒子紧紧地联系在一起。然而,构成盒子空间的储存可能性与盒子四壁的厚度无关。会不会这个厚度减少到零,但是空间并未消失呢?这个受限制的过程非常自然,并且现在我们认识到没有盒子的空间存在。这似乎不言而喻,然而如果我们忘记这个概念的起源,它看上去就非常不真实??人们知道对于笛卡儿来说,空间完全独立于物体或者可以不依靠物质存在的想法是令人无法接受的??空间的概念,或者对被认为是独立的、真实的空间来说,始终有令人不满意的地方。

  如此一来,空间看上去就是没有边界的。

  如果物质会消失,只有空间和时间可以留下(作为具体物理事件发生的舞台)。

 

宇宙的年龄

  然而,确实还存在一个难题。如果把哈勃发现的银河谱线位移解读为膨胀(很难让人从理论的角度怀疑),那么这个扩张的源头在一百零九年前就存在了,但是根据物理天文学,单独的恒星和星系的发展需要的时间要比这长很多。解决这个不一致的方法是未知的。

  自那以后,科学家们就重新估算了恒星和宇宙的年龄,然后把宇宙的年龄确定在一百四十亿年。这就解决了不一致性,而且再一次支持了广义相对论。

 

量子力学

  量子力学是研究和尝试解释亚原子粒子的一门新学科,它于1905年由爱因斯坦的光量子理论发展而来。正因如此,它是兴起于20世纪20年代量子运动的精神领袖。它和牛顿力学有根本的不同,对爱因斯坦来说,具有意义又最让人担心的就是量子力学是建立在可能性而不是确定性上的。

  在量子力学中,粒子的位置不可能被绝对测算出来,因为粒子可能同时有无限多可能的运动路径。但它真正的位置可能只有一个。爱因斯坦从未接受这个假设,在他生命的最后三十年他一直在和同时代最杰出的物理学家们争论。

  我不喜欢你们的物理学。

  爱因斯坦并没有完全否认量子力学。他甚至三次推举海森伯为诺贝尔奖候选人。但是他并不认为它就是他的同辈们追求的终极答案。

  毫无疑问,这个理论包含了一定的真理。

  我只能承认我仅仅是暂时地重视这个解读。

  量子理论越成功,它看上去就越蠢。

  人越追逐量子,它就隐藏得越好。

 

骰子和原子

  我仍然相信现实模型存在的可能性—也就是说,这是一个代表了事物本身而不是它们产生的概率的理论。

  量子理论很值得关注。但是我内心的声音告诉我这不是正确的道路。这个理论取得了一定的成果,但是它却几乎不能让我们靠近那个古老的秘密。我,不论怎样,仍然确信它不玩骰子。

 

探索统一场理论

  对爱因斯坦来说,物理的圣杯就是发明一套通过重力和电磁来解释一切的理论,这两种力量在原子的层面上被称作强力和弱力。他希望这个理论可以解释宇宙中的一切行为,从星系到原子和亚原子粒子。他称自己探索的目标为统一场理论。虽然他认为好几次自己都接触到了这个理论,但是这个理论还是让人难以捉摸。

  我的新工作目标是把重力场和电磁场的解释简化为一个公式??现在,但是仅仅是现在,我们知道使电子按照椭圆轨道围绕原子核移动的力量和地球年复一年围绕太阳转动的力量是同一种,同时,它给我们带来光与热,让地球出现生命成为可能。

  目前,主要的问题是这样的场理论是否可以达到预期目标。这是一个通过场来完整地描述包括四维空间在内的理论。现在这代物理学家倾向于否定的答案??我认为??不应该停止对相对场理论的探索。

  当他年老后,他仍然在寻找可以解释万物的终极统一场理论,并且反对量子力学的最新成果。对于同时代的物理学家来说,爱因斯坦似乎深陷于过去。

  我的同代人??认为我是异端,一个无计可施的保守分子。

  我再次唱起了孤独的歌。

  我仍然受困于和十年前一样的那个老问题。我在一些细小的地方获得了成功,但是真正的目标仍然难以达到,尽管有时目标已经清晰可见。这非常艰难但却很值得:艰难是因为它超出了我的能力范围,值得是因为它让我忘记日常生活带给我的烦恼。

  我认为这是上天赐予的对广义相对论的概括。不幸的是,魔鬼在阻扰我,因为我解不出【统一场理论】的方程。

  但是最近几年,科学家们又开始寻找一个统一场理论—一个21世纪的相对论,一个能缝合量子力学和相对论裂缝的理论。

  爱因斯坦受困于这个理论长达三十年之久,甚至要求在病床上看笔记以便继续工作,但是最终他承认失败。

  总得有个人做这件事。

  统一场理论已经退出历史舞台。它的数学运算如此困难以至于我拼尽全力也无法证明它。毫无疑问,这个状态会持续很多年。

 

故事还在继续

  虽然爱因斯坦最出名的理论是相对论,但是他的科技成就远远不止这些。他证明了布朗运动原则(principle of Brownian motion)(分子在不断地运动),他完善了阿伏伽德罗常数(Avogadro’s constant),改善了测量原子和分子的手段,并预测了一种新物质,叫波色-爱因斯坦冷凝物(Bose-Einstein condensate)。最终这种物质在1995年被发现;一位德国物理学家和两位美国物理学家因此于2001年被授予诺贝尔奖。

  这也不是仅有的在爱因斯坦死后才修成正果的理论成就。黑洞、弦理论、额外维、大爆炸和虫洞的概念都取决于或者自他的研究成果中来。一些想法,比如虫洞(它可以为穿越时空提供捷径),这是爱因斯坦自己的猜测,即使那时的天文学很落后,远远不能制作出一个模型或者发展出一套理论。

  爱因斯坦也意识到重力场能引起达到光速的波动,从而假定了重力波的存在。这些都在1974年由天文学家观察一组中子星的探测中得到,并于2005年通过实验测量到两个沿轨道运行的脉冲星,从而证实了这一假设。

  很多理论学说的提出都是他工作的延伸,但最开始都不是爱因斯坦所提出的。随着天文学和宇宙学的进步,相对理论持续发挥影响力,甚至在爱因斯坦做梦也想不到的领域。

 

黑暗之心

  狭义相对论发表一百年之后,现代物理和爱因斯坦于1905年创建的物理学说以相似的方式发展着。在他去世之前,他意识到需要用一个新的发现来调节(或者替换)相对论和量子力学之间的学术矛盾。两者与现在的科学思维都息息相关,但是它们又水火不相容。要抛弃任何一个理论都是不可能的,但是它们又不可能并存。

  新的难题在于检验当代物理和宇宙学,而相对论和量子力学都不能解释它们。

  自20世纪60年代以来,科学家们假设了“黑物质”,一种我们至今无法检测到却构成了宇宙质量百分之九十的物质。没有它,星系会被它们自身转动的速度撕碎。唯有黑物质事实上所占的质量要比我们先前相信的更巨大才能解释星系的稳定存在。

  “黑能量”在1998年提出,用来解释宇宙的加速膨胀。量子理论假设了一个普遍存在的、由寿命短暂的粒子混合组成的“原子真空”,但是这在数学推算上却不成立:它提供的能量要么太多、要么太少。

  黑能量和黑物质占据了宇宙的百分之九十六,现有理论无法解释这个现象。新的发现又将带来新的理论调整,正如19世纪末牛顿物理被打补丁以适应场理论一样。 

  1905年,当爱因斯坦重新书写牛顿物理时,终于可以将这些补丁丢弃。现在的物理在等待另一个爱因斯坦,这个人能发现统一场理论和完成他“总得有人做这个”的预言。


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页  数:176

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