995 次浏览

爱因斯坦传–樊登讲书

读完本文约需27分钟

各位好,我现在是在维也纳的市政厅录制今天的书籍,这是我们第一次在海外录书,今天我选择的书是《爱因斯坦传》。

那为什么要在维也纳录《爱因斯坦传》呢?首先是因为爱因斯坦来过维也纳,并且在维也纳居住过长达四年的时间,至今他的故居还依然被完好地保留着。更重要的一件事是维也纳有很多他的很多好朋友,比如说对他有非常大启发的哲学家维特根斯坦,还有跟他经常有书信往来并且深入地探讨了很多人性问题的弗洛伊德,都居住在维也纳。在1921年的时候,爱因斯坦来到维也纳发表了一次演讲,就在金色大厅里边,有3000多人坐在现场。

我读完《爱因斯坦传》以后特别心潮澎湃,所以非常想把这本书讲好。尤其是如果我们能够让每一个孩子都听到爱因斯坦的成长经历和过程,那么在他们心中可能就会埋下一颗探求真理的种子,所以今天这本书,我真的非常推荐。

我们要讲《爱因斯坦传》,首先从爱因斯坦的离世开始讲起。他是在1955年的4月18号去世的,去世以后,爱因斯坦的尸体被送去做尸检,他的尸检医生是托马斯·哈维。哈维给爱因斯坦做了尸体解剖,发现了爱因斯坦的死亡原因——因为这件事全世界都非常关心——爱因斯坦是死于腹部的动脉瘤破裂。哈维突然灵机一动,他认为:我应该留下爱因斯坦的大脑。于是他在没有跟任何人做汇报、没有经过任何审批手续的情况下,用锯子锯开,把那个完整的大脑拿回家。更神奇的一件事是,爱因斯坦的眼科大夫在爱因斯坦去世以后,手脚非常利索地把他的两个眼睛偷走了,作为自己的私人藏品保留了起来。你去问这些人,为什么你要保留爱因斯坦身体的一部分呢?因为大家已经把他当作圣人看待,爱因斯坦被人们用这种特别不科学的方法推上科学的圣坛,这也的确是一个非常具有反讽性的事情。

那么爱因斯坦为什么这么了不起?这里边最重要的一个年份是1919年。1919年是爱因斯坦的“第二次诞生年”,人们说这一年是爱因斯坦的第二次诞生。他是出生在1879年的,所以在1919年的时候他40岁。那年到底发生了什么事呢?爱因斯坦在1905年的时候发表了《狭义相对论》,然后再过了几年,发表了《广义相对论》。在《广义相对论》当中,他有一个预言,他说我们不是因为引力才站在这个地球上的,而是由于一个大质量的物体所产生的周围力场、光线、时间的扭曲,所以才导致我们每个人都沿着一个曲面几何当中的短程线去运动。

你可以想象,因为太阳的质量非常大,导致太阳周围的空间产生了扭曲,形成了一个像盆子一样的东西,当然没有那个实际的盆子,那是一个力场。而这些星星是沿着那个盆子边在转,这就是为什么它们不会突然被太阳吸过去撞在上面的原因。我们过去听到引力的时候,就觉得很神奇,说如果月亮和地球之间有引力,那么如果月亮稍微被碰一下、撞一下,这个引力失衡,它就一定会朝着一个方向不断地运动。因为距离越来越近,引力越来越大,然后如果朝那边碰,它就会越来越远,就会跑掉了。那为什么它不会这样?爱因斯坦说根本不是因为引力,他证明没有引力存在,而这一切东西是因为时空的扭曲。

那怎么来证明这件事呢?这件事你说出来挺玄乎的,别人听不懂。爱因斯坦说,如果我说的是对的,那么所有通过太阳的光线,一定都会发生扭曲,发生的这个扭曲的弧度是多少呢?爱因斯坦在纸上算出来,说1.7弧秒,但没有人能够证明这件事。一直到1919年,那一年出现了日全食,全世界很多人都在观测爱因斯坦所说的预言。其中最重要的,也是帮了爱因斯坦大忙的,是阿瑟·爱丁顿。他出发去探测从太阳周边过来的光线的偏差角度,观测出来的结果和爱因斯坦在草稿纸上演算的几乎一模一样,这一下子让爱因斯坦走上了圣坛,所以1919年,40岁的爱因斯坦的人生走上了一个新的高度。

我相信大家都非常好奇,爱因斯坦怎么会想出这么奇怪的理论,而且还是对的?我们来看看他是怎么成长的。

爱因斯坦在1879年的3月14号出生在德国的乌尔姆市,爱因斯坦小时候说话特别晚,他说话有一个特征,我相信你们在家里边观察很多不同的小孩,你会发现有的孩子说话是学会一句就说一句,想说什么就说,说出来的话都是不完整的。爱因斯坦不是,爱因斯坦是一定要把这句话在嘴里边完整地描述出来,自己光动嘴不出声,把话说全了,然后才张口说话。我见过有的孩子就是这样,他不会说那些小孩话,不会说只言片语,他永远都是要把那个话在嘴里边咕哝半天,然后才能说出来,所以他说话确实很晚。我们过去听过很多传说,说爱因斯坦小时候很笨什么的,这种传说可能也跟这个特征有关。

但爱因斯坦真的一点都不笨,他小时候非常聪明,他学习成绩极好,脾气特别差,4岁到7岁期间,经常把他的保姆的头都打破了。他是一个极其倔强的、特别有个性的一个小孩,其他的孩子不喜欢跟他玩,因为觉得他太容易出神、太怪。

爱因斯坦有一个最大的特征,就是喜欢读书,喜欢一个人啃那些别人都不看的书。你知道他在什么时候读康德的书吗?就是《纯粹理性批判》,这本书我到今天都没有勇气把它读下去,这是特别难的一本书。爱因斯坦在13岁的时候已经把它读完了,而正是因为爱因斯坦读完了这些哲学的书,才指导了他后期不断地在做科学研究的时候一定要去较那个真,他一定要讲究逻辑的自洽、他洽等等。

他非常有一套做科研的方法,尤其是他特别擅长做物理学,骨子里边存在着好奇心。一个成年人长大了以后是不会关心星星的,你们现在关心的都是股市,都是怎么赚钱、怎么创业。但是爱因斯坦说,我小时候很关心星星,我长大了以后还是很关心星星,我就想明白那些星星到底是怎么运转的,这个宇宙的规律到底是什么,所以我始终保持着一个孩子的、童真的那种感觉。

从另外一个角度看,这也可以反映出爱因斯坦真的从来没有长大。他和他妻子的关系处理得相当糟糕,就是他完全不会处理婚姻关系,也不会跟自己的孩子相处,所以我们能够感觉到这个人真的没有长大,却保持着少年一样的好奇心。所以只有把他精湛的物理能力和好奇心结合起来,才产生了爱因斯坦这么一个人。

有人说这肯定是天分。我们在《刻意练习》和《认知天性》里边都讲过,这不是天分,这再次证明了一个小孩子小时候生活的环境是多么重要。各位知道爱因斯坦的父母是做什么的吗?爱因斯坦的爸爸和他的叔叔,经营了一家叫作爱因斯坦的公司。后来爱因斯坦在做物理研究的时候,为什么像麦克斯韦、洛伦兹这些东西对他来说一点都不陌生?因为他从小就生活在一个工程师的环境之中,他的父亲和叔叔,包括舅舅,都是喜欢科研的人,有的是工程师,有的是商人。

爱因斯坦上中学的时候,是一个特别有意思的学生。他总是挑战他的老师,那个老师就说因为你的存在,我在这个班上应有的尊严没有得到足够的体现。爱因斯坦很讨厌那个学校,他觉得那种军事化管理的学校实在是不利于个性的成长。他跟老师商量,说我身体不好,我要休学。那老师一听,说太好了,赶紧给你签字,让你走。

爱因斯坦提前从中学毕业,毕业以后去考苏黎世联邦工学院,没考上。但是那个学校的物理学教授说,你可以随时来我的课堂上听课,因为没有见过一个高中生的物理有这么好的。后来爱因斯坦又复读了一年,考上了,在1896年10月份入读了苏黎世联邦工学院,在这个地方遇到了他后来的妻子,也是同班同学米列娃。

米列娃其实是个非常了不起的人,因为当时,你想有几个女生能够上大学,尤其是上这种理工科名校?然后两个人坠入爱河,爱因斯坦写了特别多的情书。爱因斯坦去世以后,他的所有信件都成了文物,历史学家、物理学家都在走遍爱因斯坦走过的角角落落,把他认识的所有人所收集的爱因斯坦的信件全部都拿出来作为资料研究。他一开始追米列娃的时候真的是非常炙热,特别会写情书,写得你都不好意思读。他的父母极其反对这种婚姻,觉得不合适。但是爱因斯坦坚持要结婚,甚至他们在结婚以前都已经生了一个孩子——生了一个女儿,后来这个女儿不知所踪,就是没有一个确定的答案,有可能是夭折了,也有可能是寄存在别人家去生活,这是一个谜。

爱因斯坦求职相当不利,没有获得进展的时候,他猜到有一个他得罪过的老教授在背后捣鬼,他说:“如果不是韦伯耍弄这种阴险的花招和我作对,我恐怕早就可以得到这样的职位了。”后来一直发展到没办法,最后是在瑞士的专利局获得了一份工作。每天工作八小时,每周工作六天,这是相当累的一份工作。

但是你知道这份工作给爱因斯坦带来了什么?我们过去一直觉得爱因斯坦在专利局工作是屈才了,好像他白天在混日子,然后晚上去搞科研。不是,这八个小时里边,爱因斯坦看遍了所有新的科技发明,他每天在阅读大量的文件,阅读大量的新发现、很多人申报专利的各种各样的东西。所以千万不要觉得在专利局的这份工作是没用的,这份工作给了爱因斯坦特别多的支持和学习机会。

后来因为在伯尔尼做专利员的时候他贴了一份求职信,那封求职信现在还能查得到,他说,我想我会教物理学,我愿意给大家补课。结果这封求职信没有帮他招来学生,没有人雇他去做这个工作,却招来了两个朋友。这两个朋友是爱因斯坦终身的朋友,一个叫作索洛文,一个叫作哈比希特。这两个人都是在伯尔尼求学的大学生,因为看到爱因斯坦贴了一个广告,说他喜欢物理学、喜欢研究,所以这两个人说,那咱们来探讨一下这个问题吧。所以他们三个人就整天在一块儿,搞了一个读书会,一天到晚地学习、研究、讨论问题。而且这三个人当时的口气好大,我怀疑很有可能是爱因斯坦的主意,他说咱们仨搞个科学院。这科学院的名字叫作“奥林匹亚科学院”,一直到他们三个人去世才解散,而且自始至终就只有他们三个人,这是多么棒的一种友谊。

他们成立了一个读书会,这个读书会主要读什么书呢?恩斯特·马赫的书,马赫写过《感觉的分析》,除了马赫的著作之外,令人印象深刻的还有大卫·休谟和亨利·庞加莱,这都是当年非常著名的哲学家和思想家。还有一些世界文学的名著也纳入其内,包括索福克勒斯的《安提戈涅》。爱因斯坦一直都在努力地做最前沿的科学研究,爱因斯坦一直研究到自己最后去世。他始终都在不断地向科学的高峰发起冲锋,他没有想过自己的名声,他从来不担心自己的名声,不担心自己会不会遇到挫折,不担心别人会怎么看。所以文学作品对于一个人的养成也是非常重要的。

在1905年的时候,大家可以算一下,爱因斯坦多大?26岁。1905年爱因斯坦26岁的时候,他还在专利局工作的那一年,被称作爱因斯坦的“奇迹年”,为什么是奇迹年?因为在这一年里,他发表了21篇物理学论文,在这21篇论文当中有5篇非常重要的论文,其中就包括《狭义相对论》,还包括了量子力学的雏形,还解释了光电效应。他后来得诺贝尔奖不是因为《狭义相对论》,而是因为《解释光电效应》这篇文章得了诺贝尔奖。

所以爱因斯坦在奇迹年到底发生了什么事?我们在这儿就要进入到非常重要的本书的核心——什么是狭义相对论?狭义相对论的意思就是相对,这个相对是谁提出来的?很简单,牛顿三定律是它的来源。牛顿说,我是站在巨人的肩膀上发现这一切的。那个巨人,我们大部分人认为就是伽利略。伽利略认为物体是相对的,这个咱们中学都学过,比如说火车以60公里每小时的速度开过来,这边以40公里每小时的速度开过去,那么它们的相对速度是多少呢,就是100(公里每小时),这是相对运动,这个是没问题的。相对运动是相对论的一个非常重要的支柱。

那么另外一根支柱是什么呢?就是光速不变,光速是最快的速度。很早的时候人们就发现卫星的投射有时差,所以根据这个时差,人们开始测算光速,最后居然相当精确地测算到了30万公里每秒。这个速度是一个最高速度,就是我们说宇宙里边最大的一个速度,而且光速恒定。这两根支柱放在这,作为普通人来讲,我们就会觉得背了两条规律,第一条规律是相对,第二条规律是光速恒定。

但是爱因斯坦,因为他学过哲学,他有前面那么多的积累,他就有一个问题:如果一束光以70%光速的速度过来,这边有60%光速的光的一个东西过来,那么它们俩的相对速度是多少?130%。它们俩的相对速度是130%的光速。那好了,谁错了?要么就是光速不恒定,要么就是相对运动无效。普通人看到这儿,就觉得无解,这事儿别问了,人家就这么规定的。爱因斯坦说不行,说这很奇怪,这样的话这个大厦就坍塌了,因为我们的基石不稳,我们这两个基石是矛盾的,这怎么可能呢?然后他就开始琢磨这件事。

结果在1905年的一天,那天据说天气好极了,然后爱因斯坦说我突然明白了。爱因斯坦他想明白的是什么?那时候最快的交通工具是火车,就没有比火车更快的东西了,所以那时候科学家都是用火车举例子。他说你们想象一个人在火车上拍篮球,咚咚咚地拍篮球,那么这个篮球的线是不是直上直下的线?这个篮球所在这个时间里边所走过的路程,就是直上直下的路程。那么假如你站在火车下边看这个人拍篮球,这时候火车是相对你运动过去的,你看这个人拍篮球,请问你看到的这个篮球的运动轨迹是什么?是不是锯齿形的?一定是锯齿形的。锯齿形的长度要比那个直上直下的长度长得多,三角形两边之和大于第三边,它肯定是要比它长得多。所以这个篮球在底下的人的眼中,要比在火车上拍的那个人眼中,运动的轨迹要长得多,但是时间一样。

这个篮球都是这么一个时间,都是这么一个速度在那不断地被拍,怎么解释呢?同样的一个篮球怎么可能既走得短又走得长呢?最后爱因斯坦说,这个现象叫作“时间的膨胀”。什么叫时间的膨胀?就是在那个开着的火车上,时钟变慢了。这就是为什么爱因斯坦所提出的叫“相对论”,它是跟“绝对”所对应的。牛顿的力学当中有两样东西是绝对的,牛顿说这个世界永远不变的两样东西,一个是时间,一个是空间。无论你物理怎么变,时间都是做匀速直线运动慢慢过来的,对每个人来讲都一样,二十四小时;空间一样,就算你这东西都没了,你的物质全部消失了,这个空间也还在。这是牛顿力学的一个基础。

但是爱因斯坦说,如果你要想把“相对性”和“光速不变”这两件事协调起来搞明白,想想看一定是因为时间变了,一定是因为时间是相对的。所以在高速运动的那个车上,时间被拉长了,就是时钟变慢了。我们今天所看到的太阳,我要提醒大家,我们看到的是8分钟以前的太阳。因为距离很远,那个光线从太阳射到地球上就需要8分钟。我们所看到的星星,可能那个星星已经没有了,所以你已经回到过去,你看到的是过去的事。时间和空间是可以转换的。所以爱因斯坦所做的这个狭义相对论最重要的突破点,各位现在能理解了吗?你想一想火车上拍篮球那个事你就理解了。在火车上拍的那个篮球很明显要比我在火车上看到的那个篮球走的路程要远。

如果那个速度再高一点呢?当你高到光速的时候时间就停止了,这里边有一个非常有意思的比喻。爱因斯坦说时间是第四维。假如我们手里边有个三维空间,有一只蚂蚁,这个蚂蚁在这个三维空间里边爬。请注意,假设这个蚂蚁所爬的总里程是一定的,比如说这个蚂蚁一共要爬一米,那么如果这个蚂蚁在竖着的维度上多爬了半米,那么它在平面这个维度上就会怎么样?一定会少爬半米。你把这个事想明白了以后,我们再加入一个第四维,就是时间维度的时候,你会发现如果我们在时间的维度上多跑了一些,我们在距离的维度上就会少跑一些。相应地,如果你在距离的维度上——空间维度上多跑一些呢?时间上就会短一些。这个就是狭义相对论的一个非常重要的这个结论。

咱们现在坐在这不动,你身上唯一流逝的是哪一个维度?对,你们此刻坐在这儿,唯一流逝的就是时间的维度。你在以匀速的方式变老,你在根据牛顿的那个说法不断地变老。假如你能够出去跑一跑的话,可能能够年轻一点。但是你要跑得足够快,你才能够体会到那种年轻。假如你能够坐上火箭,以1/3光速飞出去,那你就能够看到我们快速地变老,然后你就可以保持年轻。

这就是狭义相对论在当时提出来以后的意义。“爱因斯坦以最简单的运动学观察为基础,改变了我们对于空间和时间的想象。因为时间在任何一种物理学理论中都起作用,所以他的某些同行说他打开了一个潘多拉盒子。也就是说所有这些理论都必须与相对论相洽,爱因斯坦借助时空开拓了一片新大陆,其他人跟随其后,并在这片新大陆里做出了许多重大发现。”

后来爱因斯坦紧随其后,提出了他的那个公式,叫E=mc²。这个公式为什么了不起呢?他用如此优雅简洁的五个符号,就给我们揭示了质量和能量之间的关系。所以在写完这个公式以后,爱因斯坦说过一句特别著名的话,他说这个宇宙最难以理解的地方,就是它竟然可以被理解。他竟然有了这么简单又优美的一种公式,就能够揭示出来这样的关系。

E=mc²是一个导火索,它描述了核裂变无比巨大的潜能,一直到后来原子弹的爆炸。我们现在看到的一盏白炽灯,如果功率是100瓦的话,100年所消耗的质量还不到3‰克,等于是一点点质量的消耗换来了那么多光的能量。跟这个相对的一个数据就很震撼了——太阳。你们知道太阳要为我们烧多少东西吗?“太阳每天为我们提供令人印象深刻的质能转换的范例,在这个炙热的火球中,每一秒钟都有数百万吨的物质变成巨大的辐射能,这才能使我们这个蓝色星球上的生命成为可能。”太阳在不断地燃烧,很多的物质变成能量辐射过来。

所以在1905年的7月20号,爱因斯坦夫妇喝得酩酊大醉,这是爱因斯坦唯一一次喝酒过量的情况。爱因斯坦的那个院士朋友,叫康德拉·哈比希特,收到了一张具有历史价值的明信片。这明信片上写的是:“遗憾的是,两个醉得一塌糊涂的人全都钻到了桌子底下,我可怜的尾椎骨和太太。”从此以后爱因斯坦开始走上学术道路,最后他是在1909年的秋天获得了教授头衔。

在这之前,爱因斯坦还曾经在伯尔尼大学做过一段时间的无薪讲师。我不明白还有这样的职位,就是你来讲课可以,但是我不给你发钱。爱因斯坦去了,教室里边坐着他的朋友,讲了大概几个月,来了一个大学生。后来朋友不来了,爱因斯坦说那我也不去了,就不教这课了,这是特别失败的一个老师。因为他在一开始试讲的时候会紧张,所以有时候会讲得不好。但是爱因斯坦开辟了一个新的讲课方法——他讲完课之后总是带着学生去咖啡馆继续讨论。他们是真爱物理学,他不像我们的教授,上完课以后就走了,为了考试而上课。他是觉得这个问题一定要跟你说清楚。很快爱因斯坦就成了炙手可热的明星,因为伯乐出现了,最早出来力挺爱因斯坦的人就是普朗克,普朗克是真正能够看得懂爱因斯坦论文的人,说这个人太了不起了。

索尔维会议值得跟大家讲一下。比利时的一个工业家,叫恩内斯特·索尔维,当时特别有钱,他就邀请全世界最棒的物理学家举行一次高端会议,探讨一些最迫切的科学问题。第一次会议是1911年的10月末举行的,从此以后就形成了举办索尔维会议的传统,爱因斯坦与同行中的一些最伟大的人聚在了一起。虽然那次会议并没有得出什么伟大的科学结论,但是爱因斯坦走入了一个完全不同的圈子。

你们知道索尔维会议参加的人都有谁吗?有一个被称作“活着的艺术品”的荷兰人,这是爱因斯坦最崇拜的人,爱因斯坦说我爱他,这个人叫洛伦兹,就是研究电磁学的专家洛伦兹。除了爱因斯坦之外,在会上发言和讨论的还有马克斯·普朗克、玛丽·居里,就是我们知道的居里夫人,还有欧内斯特·卢瑟福——发现原子核的卢瑟福,还有亨利·庞加莱。所以,“这次会议标志着一次决定性的突破,爱因斯坦以32岁的年纪登上了物理学的奥林匹斯山,跻身于科学界的众神之列,这里没有国界,全世界可能再也找不出这样一群科学家,能够在最高水平上进行探讨和交谈。”

后来柏林人发现爱因斯坦很重要,于是就给他一个特别优厚的待遇:12000马克。你到德国来,并且担任我们院士。最重要的条件是,你不需要有任何工作量的承诺——你想干啥就干啥,爱研究就研究,不爱研究就不要研究,没关系。这么一份没法拒绝的条款,还让他当院士,让他到柏林来。爱因斯坦想了想,决定接受这份邀请,到了柏林。他给别人写信,说他们给了我一个像木乃伊一样的职位,就是那份工作什么都不用干。我觉得这事实在是没法拒绝。

说到这我想多说一句,对于科学家、大教授,我们所应该有的态度,其实就是要给他足够的尊重和空间。因为他们在想什么、研究什么,普通人是没法规定、没法决策的。我们今天之所以大家觉得大学教授出产的东西质量不高,是因为它们都是量的堆砌,就是什么样的论文发表多少篇,带多少个学生、多少分这样挣下来。所以教授们的自尊水平也得不到足够的体现和保证,教授们的办法就是我凑够就好了,我凑够了再去做别的事,把大量的时间浪费在了应付这些条条框框上。而爱因斯坦当时所受到的待遇是什么都不用做,你来就好,上课的事儿跟你商量,愿意上课就上一节,不愿意上课一节都不上也没事。就这样,爱因斯坦搬到了柏林。这个时候他的整个职业生涯基本算明确了,直到爱因斯坦最后一次转换工作,就是到了美国普林斯顿的那一次。

到了柏林以后,我们要谈一谈爱因斯坦的家庭悲剧了。因为爱因斯坦待在柏林最重要的一个原因是,他遇到了他的表姐爱尔莎。爱因斯坦的表姐爱尔莎跟他青梅竹马,小时候关系就很好,后来嫁到了柏林,还有两个女儿。爱因斯坦到了柏林以后跟她的表姐旧情复燃,然后两个人就特别好,好得不得了,也给她的表姐写了特别多的情书。这个时候他就看他的老婆非常不顺眼,他老婆带着两个儿子到柏林,天天吵架,吵得不得了。他跟他儿子的关系也非常不好,他的大儿子非常普通,二儿子爱德华得了严重的精神疾病,一直在精神病院里生活。所以爱因斯坦基本上没有什么亲近的人。

不过在他们闹离婚官司的时候,有一个细节我觉得特别有意思。爱因斯坦给他的妻子米列娃写信,他说除了我给你的这个抚恤金之外,我还可以把我的诺贝尔奖金全部都给你。这有什么好笑的?最好笑的地方在于,那个时候他根本没有得诺贝尔奖。在他根本没有得诺贝尔奖的时候,他竟然敢把诺贝尔奖拿出来作为离婚财产的一部分送给他的妻子。我在这个世界上没有见过这么自信的人,他坚信得诺贝尔奖是迟早的事,所以他就告诉你,诺贝尔奖金我可以给你。

后来他果然得了诺贝尔奖,他也遵守这个承诺,把诺贝尔奖金给了他的妻子米列娃。所以爱因斯坦一生当中因为钱财的问题、因为别的女人的问题,充满着跟自己孩子的矛盾、跟妻子的矛盾,总之是闹得不可开交。他去柏林工作的一个非常重要的原因是他的表姐,他自己在信里边写得很清楚,他说我就是想在那跟表姐在一起,还有和表姐的两个女儿都在一起。这是小插曲,接下来我们说怎么进入到广义相对论。

什么叫“狭义相对论”?什么叫“广义相对论”?这两个的区别是什么?“狭义相对论”所解决的是匀速直线运动下的相对状况,你看他讲的火车之类的都是做匀速直线运动。但是在现实生活当中充满着加速的状况,比如说重力,就是一个典型的加速的状况。把一个炮弹扔出去,它是加速的状况。所以爱因斯坦就说,我想研究一下在加速环境之下的相对运动到底是怎么回事。根据过去牛顿的方法,用加速运动的公式就能够看到地球上加速运动的这些现象。所以我们说,在我们的肉眼可视范围之内,牛顿的理论基本上都是正确的。但是一旦上升到宇宙的层面,牛顿的东西就不太对。

比如这里边有一个特别重要的、牛顿的bug,就是水星近日点的轨迹。历史上曾经出现过这样的状况:按照牛顿的公式所算出来的金木水火土的轨道都是对的,只有天王星的位置不对。天王星的位置跟牛顿算出来的不一样,但是因为牛顿太伟大了,所以没有人怀疑牛顿错了,所有的人都怀疑是天王星错。所以大家就拿望远镜在那使劲观测、使劲找,后来在遥远的地方找到了一颗蓝色的星星,就是海王星。海王星的出现就证明牛顿没有错,因为它把那个力场拉开了,所以导致天王星的位置不对。所以牛顿不会错,你看,这都是对的。但是水星近日点的轨道牛顿就是算得不对,大家依然认为肯定是没观测到,再找、使劲找,找来找去找不到,就是水星近日点那个地方永远都找不到,牛顿的这个算法就是没法解释那个问题。

所以爱因斯坦说,我得研究加速运动。因为星星都是加速运动,它在这儿转的速度不是匀速的。然后爱因斯坦就研究这件事情。这时候普朗克提醒他,你不要做,做了别人也看不懂。爱因斯坦说我一定要做。怎么做呢?爱因斯坦所用的最重要的东西,第一个支柱叫作“等效原理”。什么是等效原理?这个我有必要给大家念一下:“在牛顿死后200年的时间里边,谁也没能够解释惯性质量和引力质量的精确一致到底是怎么回事,终于有一个人对这种偶然提出了怀疑,就是爱因斯坦。”

在牛顿的理论当中,有一点爱因斯坦始终是不能够理解、不能够接受的:引力是怎么传递的?因为光是最快的,但是引力的传递似乎比光还快,快到没有时间、没有实质,没有实质就能够把两个原来不挨在一块的物体连接起来,这是一种什么样的东西?所以爱因斯坦始终不能够理解,说不可能有东西比光还快,但这个力是怎么传递过去的?这是一个很大的问题。爱因斯坦从这一点开始切入,去做深入的思考。

他做了一个很有意思的思想实验:如果一个人看不到任何参照物,然后从天上掉下来,做垂直下降的自由落体运动,他会有什么感受?你们现在想到的都是往下掉,那是因为你旁边有参照物,你能够看到楼房在往两边快速地往上爬,地面在快速地贴近你,所以你会尖叫。但是如果你没有这些参照物会怎么样?爱因斯坦就想象了一个场景,他说如果一个人被关在一个封闭的电梯里边,这个电梯没有窗户,然后随着这个电梯一起自由落体运动,往下掉,他会是什么样的状态?这叫作思想实验,爱因斯坦的很多实验都是在大脑当中自己完成的。他想到了这个场景,他说这个人一定会漂浮在半空当中,他不会感受到自己在往下掉。如果这个人手里恰好抓了一支笔,或者抓了一根羽毛,他松开手会怎样呢?爱因斯坦当时用脑子想出来的,他说这些笔和羽毛都会像他一样飘浮在空中不动。

这就是我们今天在天上所看到的失重,就是当宇航员在空中失重的时候,那么高的速度在那转,他的感觉就是这样,就是没有感觉,没有所谓的引力存在。所以爱因斯坦大胆地宣布,这个世界上根本不存在引力。大家今天坐在这儿,你会觉得是引力把你吸在了这个凳子上,爱因斯坦说没有引力这回事,根本不是。如果真的是有引力这回事的话,那么一个重的物体和一个轻的物体落地的时间就应该不一样,但是为什么一样呢?

因为它们走的是一个短程线。这个“短程线”的概念是哪来的?大家听过前一段时间有一个特别有意思、特别著名的黎曼猜想,黎曼最大的贡献是做了黎曼几何,黎曼几何是研究曲面几何。在黎曼之前还有一个伟大的数学王子叫高斯,高斯也研究曲面几何。高斯和黎曼所研究的曲面几何告诉我们,两点之间最短的距离不是直线,是曲面上的那个短程线,这才是最短的距离,因为曲面上不存在这个直线。所以我们之所以能够在这个地方,是由于地球这个强大的质量所造成的曲面的力场,导致我们沿着短程线的方向运动。如果底下没有地的话,我们就会继续往下运动,这是这条线决定的,但现在有这个地承载着我们。太阳是一个很大质量的物体,是离地球最近的大质量物体,那跟它更远一点的就是更大质量的一些星体,包括后来我们所说的黑洞等等,这些大质量的物体会引起光线的扭曲。

那关于光线的扭曲这件事,爱因斯坦是怎么想出来的?他又做了一个思想实验。在这个思想实验中,他让一道光线通过一个小孔横着穿过一台自由下落的电梯,因为电梯继续向下运动,这道光落在对面墙上时,不仅会高一点,而且由于是加速运动,这道光线还会越来越快地被电梯甩开,于是在下降的电梯里的观察者看来,光线变成了弯曲的。既然加速度和引力是等效的,那么引力必然对光产生相同的作用,这样一来,广义相对论在其完成最终表述之前很久便已经认可了另一个预测:巨大的质量会使光线发生偏折。在找到正确的公式之前,爱因斯坦还无法给出光线弯曲的精确数值。我们讲1919年爱因斯坦封神,就是因为他算出了那个光线从太阳射过来以后的那个偏折的角。

但是现在最大的难题出现了,就是爱因斯坦一遍一遍地演算、一次一次地跟教授们宣布说,我发现了,结果讲出来的几乎都是错的。为什么呢?数学不行。爱因斯坦这时候发现他的数学受到了限制,然后给他的老朋友格罗斯曼写了一封信,说你一定要救救我,我已经陷入到了泥潭当中,我知道物理学是怎么回事,但是我根本算不出来。格罗斯曼跟他一起研究相对论,所以他们在发表广义相对论论文的时候,两个人的名字一起署在了上面。爱因斯坦曾经发表过一篇论文,叫作《广义相对论纲要》,这篇论文走偏了,它的计算是有问题、有错误的,因为那个时候他的公式并不完备,他如果去观察,一定不能够验证这件事情。

“爱因斯坦用他的广义相对论轻而易举地取缔了宇宙中所有现象里面最神秘的现象之一:重力。我们现在知道不存在重力这件事,不存在任何让两个物体通过它们的质量相互发生作用的力。就像自打牛顿以来人们所想象的那样,除了由时空中所包含的规定引力场之形式的质量所确定的时空曲率之外,引力不会产生任何其他作用。与此同时,引力场的形式又告诉了我们质量应当如何运动。”就是因为大的质量所产生的周围空间磁场,整个的曲率发生了变化。

爱因斯坦做这个的过程跟牛顿不一样。牛顿的办法是重新发明了微积分,他自己发明了一套数学工具。爱因斯坦因为他的数学工具掌握得并不多,所以他用的就是麦克斯韦和洛伦兹的那些场力的公式。他用电磁场的公式来计算整个宇宙的场力的分布,然后算出来太阳周围的轨道的样子,这时候他完美地解释了水星近日点。科学家就是这样,他解释的就是对的,大家一观测,跟现实生活中发生的是一模一样的,所以再次证明爱因斯坦是对的。“质量也就是能量,它们聚集改变着时空几何,所有的物体全都沿着短程线穿过时空运动,它们在最短的道路上遵循各自的曲律和螺旋线行进,除非有外力作用于它们。”比如说火箭发动机就是外力作用。“或者在自由落体状态下被地球表面所阻挡,唯有时空结构预先规定的运动方向,除此之外,再也没有别的什么。”

大家现在要习惯一个没有重力的世界,你们不是因为重力才在这个地方待着的,而是因为短程线。“所以这也解释了为什么在自由落体状态下物体的质量不起作用,为什么它们会像伽利略所发现的那样以相同的速度落向地面。因为曲率对所有东西都是一致的。”跟你的质量无关。“这种关系在失重的情况下表现得非常清楚。如果一位宇航员离开围绕地球运行轨道上‘嗖嗖’飞行的空间站,尽管他的重量相对飞船来说小得多得多,但他也会在飞船旁边,在对于二者均起着支配作用的短程线上与飞船比翼齐飞。”也就是说根据重力公式,你身体质量轻,你和那个重的飞船飞行速度应该是不一样的,但是因为是短程线的问题,哪怕是一根羽毛速度都是一样的。这就是爱因斯坦对这个世界做出了一个完美的解答。

那么广义相对论和狭义相对论,我知道大家就想了解这有什么用呢,研究这些东西对我们整个世界有什么用呢?我告诉大家它有哪些用处。我们过去认为光是波,咱们上中学学过光是波,这个波要传播。那你知道水波是怎么传播吗?水波传播是因为有水。声波怎么传播呢?因为有空气。那光怎么传播呢,真空状态下光也可以传播。所以最后人们发明了一个词,叫“以太”。什么是以太呢?不知道。以太就是充斥着这个空间的物质,光是借助以太来传播的。听起来非常高大上。爱因斯坦说根本不存在这个东西,没有人曾经捕捉到过以太这个东西。

爱因斯坦还提出了引力波的问题,那是在很早以前。“1916年的时候爱因斯坦就曾经断言过难以置信的事情,仅仅根据他的场方程就可以证明引力也可以产生波,质量的极度变化以及因此而引起的重力场的变化。自那以后,科学家们一直梦想着捕捉到这种宇宙的震颤,后来捕捉到了。”引力波现在是物理学非常热门的话题,最近这几年人们才发现引力波的预言是对的。这都是爱因斯坦在一九一几年的时候就已经做出来的预言。

爱因斯坦做完了广义相对论以后,他的地位就进一步地提高。因为历史上没有哪一个学者是单独一个人跑马拉松,他第一棒马拉松跑完了以后,就应该交给下一棒,然后再接着研究。爱因斯坦第一棒狭义相对论,跑完一看没人接棒,自己又跑了第二棒。他自己在不停地研究新的挑战和巅峰。

后来因为他成为了一个名人,逐渐地开始出现了政治的因素。但是这时候有不和谐的音符开始出现,有特别多的人攻击爱因斯坦的相对论。一方面是因为科学上的分歧,更重要的是很多都是对于犹太人的反对,所以德国国内的环境变得越来越紧迫。后来他的一个好朋友,当时是德国的外交大臣,因为是一个犹太人被人枪杀。还有一个诺贝尔化学奖的得主,叫哈伯。哈伯是很有名的化学家,跟爱因斯坦关系也很好,但是哈伯就觉得他应该能够在主流社会混下去。他的办法是帮一战时期的德国研究化学武器,他觉得我都为国家做了这么大的贡献了,他的化学武器在战场上得到了应用,的确杀死了很多敌人,而且他放弃了犹太教,改信了基督教。即便是这样,最后纳粹德国依然把他逐出了国门。

爱因斯坦特别反感他们欺负犹太人,因此他的后半生整个就致力于人类的公平、致力于和平主义。爱因斯坦是一个绝对的和平主义者,他甚至发表了一个非常具有争议的演讲,就是如果有2%的人拒绝服兵役,这个世界就会和平了。他自己通过推算算出来,只要有2%的人拒绝服兵役,这个世界就会怎么样。他受到了很多的抨击,后来就流亡到了美国。

爱因斯坦在晚年的时候做的最重要的事就是参与了很多政治活动。他在政治方面非常敏感,看起来他是一个孩子,看起来他非常天真,他对自己的妻子都搞不定,但是爱因斯坦在政治上非常成熟。当时有特别多德国人都以为希特勒是救世主,但是爱因斯坦很早就看出来,说只要这个人上台,我们一定全完蛋。因此他始终处在反对希特勒、反对纳粹党的立场上,而这一点使得他成为犹太人的敌人。你很难想象,爱因斯坦在美国不断地抨击纳粹政府,导致犹太人在国内不断地骂爱因斯坦。他们的理由是,因为你,我们才受到了这样的迫害,就是因为你不跟德国政府搞好关系,所以我们才会变成这个样子。

在美国的时候,爱因斯坦从来没有参加过原子弹的研发,但是爱因斯坦因为这件事非常内疚。原因是什么呢?有一次爱因斯坦在家里接待了几个来访的科学家,告诉他们,德国人正在抓紧时间研究原子弹,爱因斯坦特别怕德国人研究原子弹成功,因为他知道原子弹的威力。所以他给罗斯福总统写了一封信,敦促罗斯福总统加快研究原子弹的步伐。这封信据爱因斯坦后来讲,我只是签了个名,但实际上应该是爱因斯坦参与草拟的。所以这封信写出去了以后,爱因斯坦认为原子弹的爆炸跟他有极大的关系。实际上他并没有能够进入到研究原子弹的科学家的阵营里边。为什么呢?因为美国有人认为爱因斯坦是间谍,所以爱因斯坦根本没机会进入到原子弹研究的核心阵营当中去,而他的朋友奥本海默是领头人。

但最可怕的是麦卡锡主义盛行的时候,奥本海默也遭到了监禁和调查,然后爱因斯坦就联合了特别多的名人,一起写信声援奥本海默,希望大家能够出面。当他跟他研究所的成员说咱们一块写信营救奥本海默的时候,没有一个人愿意跟他一块儿签字。麦卡锡主义当时在美国非常盛行,他们迫害共产党人和他们认为可能是共产党人的人,甚至有两位科学家因此坐电椅被处死。这在当时是非常恐怖的事情。所以爱因斯坦在美国其实没能够做出特别多的贡献,也跟他的生存环境是有关系的。但是爱因斯坦最了不起的一点就是他始终没有放弃过一线的科研工作。

还有另外一段需要解释的问题,就是爱因斯坦和量子力学的关系。爱因斯坦的《解释光电效应》里边说,他认为光是位于空间点上的能量子,这就是量子力学的发端,然后用它来解释光电效应、黑体辐射这些现象。这个东西对后来的启发包括什么呢?我们现在所知道的微电子、移动通讯、电子摄影、计算机、互联网、超导、纳米、现代化学、激光,几乎全都建立在量子力学的基础之上。爱因斯坦讲“波粒二象性”,就是光波既有波的性质也有粒子的性质。我们知道普朗克公式,是E=h×v,H是普朗克常数,v是频率,爱因斯坦的公式E=mc²,m是质量,c是光速。你把这两个公式结合在一起,就会发现是hv=mc²,这边是频率,这边是质量,波粒二象性。所以我们所生活的世界就是既有波又有粒子。

量子力学不断地发展,人们发现爱因斯坦遭到了一个挑战,什么挑战呢?就是因果论被推翻了。爱因斯坦认为这个世界再离奇再复杂,你都应该能够用因果来解释,因为有这个所以推导出这个,它一定是有连续的变化。但是量子力学告诉我们,没有因果,有很多东西是完全随机的、完全不知道的。

薛定谔为了解释这个现象,就提出了“薛定谔的猫”来声援爱因斯坦。爱因斯坦说“薛定谔的猫”这个反驳特别有力。他说一个猫在这个屋子里边待着,然后从外头投射过来一个东西,随着半衰期的变化——它可能是粒子也可能是波,如果它是粒子的话,就会释放毒气,这个猫就死了;如果是波的话,这个猫就死不了。然后问你这个猫到底会不会死?这个怎么答?答案就是看你要不要观察它。因为在你不观察它的时候,它处于一种不确定的状态。爱因斯坦说这个例子举得非常好,所以爱因斯坦当时提出了一个特别有意思的口号,叫作“上帝不掷骰子”。“上帝掷骰子”是什么意思?就是这事怎么弄?随便。上帝掷个骰子,然后这个东西会产生突变。爱因斯坦说怎么可能,这不是瞎说吗?

所以爱因斯坦就坚决反对波尔和其他量子力学家不断地深入研究量子力学。那个时候波尔曾经跟爱因斯坦进行过一次高手的对决,就好像欧阳锋和洪七公最后的对决一样。最后的结果是,几乎每次都是波尔胜。波尔每次都会获胜,爱因斯坦每次都落败。波尔也曾经饱含深情地讲过一句话,说我们含着热泪反对爱因斯坦,因为爱因斯坦是提出量子力学的人,爱因斯坦打开了这扇大门,给我们做了奠基,但是爱因斯坦现在没有那么勇敢。爱因斯坦不敢接受这么离奇的量子世界。

量子世界离奇到“量子纠缠”这样的事我们是没法解释的。就是当他把一个粒子分开成两个粒子以后,这个粒子放在多瑙河的这一侧,那个粒子放在多瑙河的那一侧,相隔了几百米,然后你发现这边的粒子怎么样变化,那边的粒子相应就会动。不可能啊,按照爱因斯坦的说法,这是怎么传递过去的?是光?是引力?是什么?怎么会完全不相关的两个粒子就会一起动呢?这种东西的发生,导致爱因斯坦认为它完全违背了因果律。爱因斯坦说上帝绝不掷骰子,一定是有连续的、确定的因果。所以最后爱因斯坦也讲过一句话,挺有感触的,他说可能是因为我年轻时候对于权威的不恭,命运把我变成了一个权威。就是当他到了晚年以后,他也成为了一个权威的形象,来反对年轻人不断地进步。

爱因斯坦在晚年还给我们留下了一个宝贵的遗产,就是和平。因为他影响力巨大,他成为了当时全世界最具有影响力的跨国界人士,又不是一个典型的政治符号。首先他参与了犹太复国运动,他一直反对犹太人自己建国,但是当他看到犹太人在德国遭受了希特勒的迫害之后,他转而支持犹太的复国运动。他和第一任的以色列总统魏茨曼是好朋友,后来在魏茨曼去世以后,以色列人邀请爱因斯坦担任他们的总统,爱因斯坦婉言谢绝了。因为那个时候其实爱因斯坦已经只有两三年的寿命了,他已经很老了,也不愿意去,觉得自己也不适合当总统。

其次就是他不断地推动平权,在美国推动黑人权利的提高,然后还反对原子弹的扩张。“在爱因斯坦去世前一个星期,他在他的政治遗嘱上签了名,他同哲学家伯特兰·罗素一起警告政府和世界人民,要强烈提防原子战争带来的巨大灾难,不能排除一场氢弹战争很有可能毁灭全人类。罗素—爱因斯坦宣言为随后的50年争取和平的斗争奠定了最重要的基础,反对核战争、防止核武器扩散的帕格沃什运动就是以这一宣言的发表地命名的,这一运动通过不懈的努力,为以后冷战只是保持了冷战而没有变为热核战做出了不小的贡献。”也就是我们今天所活着的这些人都应该感谢爱因斯坦在晚年所做出的这些努力,给全世界限制核武器作出的这么一个基础性的宣言。

最后,人的晚年总是会有一份凄凉在的。爱因斯坦在晚年的时候,1934年他的女儿伊尔莎去世。伊尔莎是他的继女,就是他的妻子和前夫所生的那个女儿,这是他非常喜爱的一个女儿,一直做他的秘书。1936年的时候,爱尔莎去世。说到爱尔莎去世的时候,你就能理解爱因斯坦当时豁达到什么程度。他的朋友说,对于爱因斯坦来讲,痛苦和喜悦只有一个分号的距离。这个是怎么写的呢?他在给马克思·波恩的这个信里边体现出来愉快和悲痛之间只是一个分号。他的妻子快死了,躺在病床上,他的信是这样写的:“可惜我的夫人病得很厉害;(分号)我本人在这里觉得非常幸福,我终于可以过真正平静的日子了,这样一种享受无法言表。”

爱因斯坦就是这么直言不讳的一个人,但是也有可能从另外一个角度,你会看到爱因斯坦是非常豁达的。他在面对生离死别的时候,他会认为每个人应该独自地走上平静的、最后的那段路。他自己去世前一两天的时候,在医院里边碰到他的熟人,依然谈笑风生,依然在跟别人开玩笑,在跟命运开玩笑。所以他有完全豁达的人生观。

对爱因斯坦打击最大的其实还不是家人的去世,而是在1935年3月15号,他的好朋友也是物理学家贝索的去世。他长期跟贝索通信,这个人在他闹家庭离婚的时候给了他很大的支持,在他研究出现困难的时候也给了他很大的支持。这些人的去世让爱因斯坦觉得越来越孤独,在1955年的4月18号,爱因斯坦去世。之后就是他的大脑被完整地保留了下来,用这么野蛮的方式纪念一个给我们带来文明的人。

最后我们用爱因斯坦的一段话作为我们这本书的结语,爱因斯坦给他的后人,包括我们在内的后人们,写了这样的话:“亲爱的后人,如果你们不能比我们更有正义感、更热爱和平、更加理智,那么魔鬼就会附身。我怀着深深的敬意,在这里向你们表达我真诚的希望,你们的阿尔伯特·爱因斯坦。”这就是爱因斯坦留给我们的遗嘱。

如果有人问我,为什么要讲爱因斯坦这样的书?我会无言以对,因为我觉得这种问题真的没法回答。爱因斯坦这么重要的人、这么了不起的一个人、这么纯粹的一个人,心地这么干净的一个人,他这一辈子从来没有欺压过任何人——当然,跟他妻子的矛盾例外——他这一辈子在政治上永远是站在弱者的一方,永远在发挥着自己的光和热,最重要的是他不断地探索着人类智力的极限,探索着宇宙的边界,几乎可以说他是人类历史上最伟大的人。所以希望大家能够了解爱因斯坦,能够了解科学的精神,能够进一步为这个社会创造真、创造善、创造美。

谢谢大家,我们下本书再见!

来自 樊登读书

 

发表评论