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重新认识爱因斯坦

重新认识爱因斯坦

作者: 风吹燕尾 | 来源:发表于2017-12-05 19:38 被阅读17次
    你看着我,我看着你

    很久很久以前我就知道爱因斯坦这个人,那时只知道他是一个为伟大的科学家,仅此而已。直到写这篇文章之前我也只是知道一些诸如相对论、量子学、原子弹相关的名词而已,但是对待一个如此伟大的人,我觉得是时候去了解一下了。

    爱因斯坦不仅有世界最疯狂的发型,更有一个最聪明大脑。幼年的爱因斯坦很晚才说话,家中的女仆都称他是傻孩子,但是带他看医生才发现,他只是喜欢一开口就说出完整的句子。年幼的爱因斯坦开始探索日常生活的世界,他自己曾说过有两样东西影响他早年的生活:一件是5岁时得到的一个指南针,一件是12岁时收到的一本几何书,他对神秘现象和数学深深着迷。

    爱因斯坦和别人有着不同的思考方式,这使得他和老师关系不佳。事实上在他口中,学校是”军营“,老师则是”中尉“,由于没有一科及格,“列兵”爱因斯坦成为了一名高中辍学少年。他也没通过瑞士苏黎世联邦理工学院的考试,不过17岁时他又考了一次,并且高分通过。不过这是他仍然十分叛逆,时常与老师作对,他认为教育制度扼杀了创新,他从不循规蹈矩,经常向老师提出质疑,这令老师们十分头疼。所以到22岁仍然失业,前途渺茫,而且还有一个怀孕的女友,但幸运的是他在瑞士专利局谋得了一份小差事,而他自己把这段经历成为补鞋匠生涯,这一补就是七年,这七年他一直在做自己最喜欢的事:思考。

    他认为那段时间是具有非常积极的影响,这个时期他写了大量重要的论文,一边完成自己专利审查员的工作,一边思考着,所以他当时的工作并没有爱因斯坦造成负面影响,反倒是帮了忙。因为如果他置身学术界,他会受到很多干扰。
    爱因斯坦的伟大理念:

    想象一下你正在追一辆公共汽车,它的时速是48公里,而你时速只能达到47公里。公共汽车的每小时比你快1公里,你只要稍微加速就可以追上它。但是如果把公共汽车的换成一道光束(大约每秒30万公里左右),那么无论你如何加速,你们之间的速度差一直不变,这个差就是光速。这种说法似乎听起来很难理解,但是20世纪初实验已经证明这个结论是正确的,光速确实恒定不变的。

    他通过一个有趣的思想实验推断改变的不是光,而是时间本身。因为光速是不变的,空间和时间的概念必须有所改变,排除距离因素之后,剩下的只有时间了。这意味着时间本身不再是绝对,而是相对的,这正是爱因斯坦取得的重大突破。这个一个非常反直觉的观点,但事实证明它是对的。

    质能方程式E=MC^2其实就是能量=质量*光速的平方,由于光速的平方是一个非常大的数字,所以即使是一件很小的物品,例如一枚回形针,也相当于巨大的能量,确切来说相当于1.8吨三硝基甲苯炸药或者一颗原子弹。这是一道意义深远的方程式,人们花费了数年时间才将其掌握,爱因斯坦在这个方程式里体现出了能量与质量是相关的。设想你坐在一艘宇宙飞船里,试图追上光速,火箭燃料正在一如既往地猛烈燃烧,可是当你接近光速后,你会发现速度在变小,可是还没有到达光速,火箭的燃料仍然再继续燃烧并产生能量,而这能量必然得有个去处,如果你一直没达到光速,那意味着你变得更难推进了,即你变得越来越重了,所以你的质量正在增加,也就是说火箭产生的能量其实转换成了你增加的质量。所以爱因斯坦意识到质量本身就是一种形式的能量。这正是质能方程式的精髓。

    同时他告诉我们还不止这些,它告诉我们少量的物质可以被转化成巨大的能量。无论哪种物质是什么,苹果酱、石头、或者是猴子的耳垢,从理论上说它们都是可以被转化成能量的原子。问题是释放哪些能量又需要相当大的能量,其中一种方法是核裂变,将一个大的原子核,例如铀,一分为二,就会有一部分转换为能量,同时带有可怕辐射的副产品。另一种方法是核聚变,使两个氢原子核进行聚合,形成一个氦核,并产生一些能量,但是首先你需要大约1亿摄氏度的高温环境,这就是太阳等恒星可以进行核聚变的原因。如果我们能够在地球上解决这一个问题,可控的核聚变将为我们带来无尽的清洁能源。一座核聚变发电站每天要消耗大约1公斤的燃料,那相当于一大袋白糖,而一座燃煤发电站每天要消耗数百卡车的煤炭,这下你该明白我们可以从核聚变中获得多么大的能量了吧。这个想法确实过于乐观,因为目前氢弹是我们唯一实现的一种高能效核聚变,而他绝对是不可控的,但科学仍在进步中。

    爱因斯坦知道他的第一个相对论遗漏了某种因素:引力,所以他重新将其标记为狭义相对论,并开始对一个全新的版本进行攻关,他把这个版本成为广义相对论。传说当时爱因斯坦正坐在办公室里看到一个人修理屋顶,他想象着这个可怜的家伙掉了下来,这个念头令他获得了他所说的”一生中最快乐的想法“。这个人坠落时实际处于零重力状态,如果把他放到一个同样在自由下落的封闭盒子里,他无法得知自己正在移动,这种状况会持续到他落地的一刻。爱因斯坦意识到重力其实只是一种错觉,尽管它造成的效果一如既往的真实。爱因斯坦花了十年来研究有关细节,最终他描绘了一幅由时间、空间和重力构成的全新图景,在这新的宇宙里,重力放慢了时间。他把三维空间和时间结合在一起,并得出了时空的概念。这是一个难以理解的概念,因为我们生活在一个三维空间,我们没法描述一个四维空间。除了上下左右前后,还有另外一种方向,而我无法指向它,很遗憾,因为我只能在空间里指出方向,但这种方向如果我们能指出来,那就是时间方向。

    我们可以把时空看做是一块橡胶板,如果你考虑到重力的话,它让这块橡胶块产生了凹陷,如果我将一颗行星放进我的时空里,它会使时空变形,那就是我的重力井。所以我们并不只是将它看作一种力,而是将它看作时空里的一种扰动。我们说引力作用使它们围绕着更大的物体运动,但如果引力并不存在的话,那么肯定有其他的某种因素使物体可以直线运动,当又让它们的路径呈现弧形,的确,弧形表面就可以实现这一点,所以如果你想以最短距离从北京直飞到纽约,你可以选择直线前进,但如果你从太空中看那条直线,你会发现它其实是条弧线,因为你将会绕地球表面飞行。爱因斯坦发现曲率在本质上与引力是相同的,于是我们有了这个弧形的四维时空,这其实就相当于引力。离地心越远引力就越弱,就衰老速度而言你的头每天会比你的脚快千亿分之一秒,而到你的80岁生日时你的颅骨已经比你的脚趾老了300纳秒,这只有一眨眼的百万分之一。

    广义相对论真正意义上摆脱了固有的思维方式,爱因斯坦利用思想实验的方法来想象场景,但是此前没人想过这一点。爱因斯坦思考问题的方式和整合知识的方法都是独一无二的。

    爱因斯坦的观点是正确的,一个天文实验证明了引力会使光线弯曲,而这颠覆了我们过去对空间、时间和宇宙的一切认知,爱因斯坦也因此成为了世界名人。广义相对论在国际上引起了巨大轰动,这对科学理论来说是非常罕见的,我觉得广义相对论触及了我们能感知到的世界,它深化了我们对宇宙的理解和认知,牛顿学派的世界观被彻底粉碎了。自从人类可以思考,我们就一直仰望星空,好奇哪里有什么,而爱因斯坦为我们提供了一扇更广阔的窗口。

    至此广义相对论就告一段落,后面在这个基础上发生了很多事:比如关于量子物理学的探究、宇宙大爆炸的理论、拒绝了以色列让他成为总统的邀请以及后来爱因斯坦鼓励美国总统罗斯福下令研发原子弹,这是个异常艰难的决定,因为爱因斯坦是一位和平主义者,一生都在争取和平。

    爱因斯坦于1955年离开了这个四维世界,一位尸检师偷走了他的大脑,他很想弄清楚大脑和天才之间的是否存在生理联系,他想揭秘爱因斯坦才华的奥密。最终人们发现爱因斯坦的大脑大小和普通人一样,这使得脑子越大,人越聪明的说法不攻自破。研究发现由于大脑外侧裂未发育完全,爱因斯坦的大脑顶叶比普通人宽了15%,大脑的这一区域控制着数学运算和空间认知,就绝对是爱因斯坦最为擅长的两科。除此之外爱因斯坦76岁的脑灰质似乎没有显示出任何老化的迹象,因此爱因斯坦拥有天赋的关键或许就在于他拥有年轻的心态,或者说年轻的大脑。

    我认为实际是他一直废寝忘食地工作,拥有孩子般的专注力和好奇心,他拥有自己的人生哲学,这有助于他发展自己的理念。阿尔伯特.爱因斯坦是一个伟大的天才,为我们带来了新的宇宙观。他是有史以来最伟大的物理学家,他为21世纪的科学奠定了基础,他引进了新概念,并提出了此前从未有人考虑过得新想法,他改变我们对宇宙的认知,这项成就意义广泛。

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