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发布时间：2021-12-16 13:39 所属栏目：15 来源：互联网

导读：科学是人类智慧的结晶，那些最伟大的科学家做出了尤为重大的贡献。不过，即使他们作为个人从未存在过，他们所引领的每一项伟大的科学进步最终都会发生。 1925年，尼尔斯玻尔和阿尔伯特爱因斯坦在保罗埃伦费斯特家中讨论了很多话题。玻尔-爱因斯坦之争是量子力

科学是人类智慧的结晶，那些最伟大的科学家做出了尤为重大的贡献。不过，即使他们作为个人从未存在过，他们所引领的每一项伟大的科学进步最终都会发生。

1925年，尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦在保罗·埃伦费斯特家中讨论了很多话题。玻尔-爱因斯坦之争是量子力学发展中最有影响的事件之一。今天，玻尔最具影响力的是他的量子贡献，但爱因斯坦更出名的是他对相对论和质能等效的贡献。

如果让普通人说出自己脑海中印象最深刻的一位科学家，你可能最常听到的一个名字就是阿尔伯特・爱因斯坦。这位物理学家已经成为 20 世纪标志性的人物之一，在众多科学事件发挥了举足轻重的作用；也许正是他亲手颠覆了主宰科学思想 200 多年的牛顿物理学。他最著名的方程，E = mc²，是如此有知名度，以至于连不知其含义的人都耳熟能详。他因在量子物理学方面的建树而获得诺贝尔奖，而他最成功的理论 —— 广义相对论，即我们现在所用的引力理论 —— 在首次提出 100 多年后，经受住了所有的检验。

那么，如果爱因斯坦从未存在过，世界会有什么不同？会不会有其他同样伟大的物理学家出现，并取得完全相同的成就？这些科学成就会很快实现，还是要花更长时间，甚至于有些可能至今都未发生？难道我们需要一个同等份量的天才，才能实现他的伟大成就吗？或者，我们是否严重高估了爱因斯坦的罕见性和独特性，仅仅因为他只是在正确的时间出现在正确的地点，并拥有正确的能力，就把他提升到了我们心目中不应该的至高位置？这是一个非常值得探索的有趣问题。就让我们来一探究竟吧。

1919年，亚瑟·爱丁顿的观测实验结果表明，广义相对论可以用于描述大质量物体周围的星光弯曲，从而推翻了牛顿的理论。这是爱因斯坦引力理论的第一次观测实证。

爱因斯坦之前的物理学
1905 年被称为爱因斯坦的“奇迹年”，当时他发表了一系列论文，而这些论文后来为物理学的诸多领域带来了革命性的突破。不过，在那之前的很短时间内，物理学取得了大量的进展，使许多长期以来关于宇宙的假说受到了极大的挑战。两百多年来，艾萨克・牛顿在力学领域里堪称无人能敌，他的万有引力定律既适用于太阳系中的天体，也适用于从地球某座山上滚下来的球，或是从大炮中射出的炮弹。

在深信牛顿学说的物理学家眼中，宇宙有着莫大的确定性。如果你能写下宇宙中每一个物体的位置、动量和质量，你就能以任意精度计算出它们在任何时刻的演变。此外，空间和时间是绝对的实体，引力以无限的速度运动，具有瞬时效应。整个 19 世纪，电磁学也发展迅速，揭示了电荷、电流、电场与磁场甚至光本身之间的复杂关系。有赖于牛顿、麦克斯韦和其他许多科学家的成功，物理学的很多问题似乎都已经解决了。

然而，后来的事实却并不如人意。有些谜题似乎暗示了许多不同方向的新事物。关于放射性的最初发现使人们意识到，当某些原子衰变时，其质量实际上会有所损失。衰变粒子的动量似乎与原初粒子的动量不匹配，这表明，要么某些过程并不守恒，要么存在某些不可见的东西。原子不一定是最基本的粒子，而是由带正电的原子核和离散的带负电的电子组成。

较重且不稳定的元素会发生放射性衰变，通常是以发射一个α粒子（1个氦核）或经历β衰变的形式（如图所示），一个中子转换成质子、电子和反电子中微子。这两种类型的衰变都改变了元素的原子序数，产生了与原先元素不同的新元素，并导致产物的质量低于反应物的质量。

▲ 较重且不稳定的元素会发生放射性衰变，通常是以发射一个 α 粒子（1 个氦核）或经历 β 衰变的形式（如图所示），一个中子转换成质子、电子和反电子中微子。这两种类型的衰变都改变了元素的原子序数，产生了与原先元素不同的新元素，并导致产物的质量低于反应物的质量。

不过，牛顿学说面临的两个挑战似乎比其他的都加重要。

第一个挑战是令人困惑的水星轨道观测结果。其他所有行星都遵循牛顿定律，达到了测量精度的极限，而水星却没有。尽管考虑到近日点进动与其他行星的影响，水星的轨道仍与预测的结果存在很大偏差。水星每世纪的近日点进动差值为 43 角秒，这使得许多人猜测水星内侧还存在一颗行星，即“祝融星”（Vulcan，又称火神星），但后来的研究者并未发现这颗行星。

第二个挑战可能更令人费解：当物体接近光速时，它们就不再服从牛顿的运动方程。如果你在一列时速 100 公里的火车上以每小时 100 公里的速度向前扔出一个棒球，球的速度就将达到每小时 200 公里。在直觉上，这一结果很符合你的预期，而且也得到了实验的验证。

但如果你在一辆向前行驶的火车上，向前、向后，或任何方向打出一束光，它都会以光速移动，不管火车运动的速度如何。事实上，无论观察者眼中光线移动的速度有多快，光速都是不变的。

此外，如果你在一辆行驶中的火车上扔一个球，但火车和球的速度都接近光速，那我们一贯认为的“加法”就不大适用了。如果火车的速度是光速的 60%，而你以 60% 的光速将球扔出去，那它的速度不会是光速的 120%，而是光速的大约 88%。尽管我们能够描述这一过程，但无法做出解释。这个时候，爱因斯坦出现了。

祝融星的假设位置。这颗假想的行星被认为是19世纪观测到的水星异常进动的原因。事实证明，祝融星并不存在，这一结果也为爱因斯坦的广义相对论铺平了道路。

▲ 祝融星的假设位置。这颗假想的行星被认为是 19 世纪观测到的水星异常进动的原因。事实证明，祝融星并不存在，这一结果也为爱因斯坦的广义相对论铺平了道路。

爱因斯坦的研究突破
我们很难将爱因斯坦的全部成就浓缩在一篇文章中，但他最重要的发现和理论有如下几个。

（1）质能方程 E = mc²。当原子衰变时，它们会失去质量。如果不守恒的话，这些质量会去哪里？爱因斯坦给出的答案是：质量被转化为了能量。此外，爱因斯坦还给出了最终的答案：质量与能量的转化比例就如这个著名方程 E = mc² 所描述的那样，反之亦然。从那时起，我们就基于这个方程，以物质-反物质对的形式，从纯粹的能量中创造了质量。在任何情况下，E = mc² 都是正确的。

（2）狭义相对论。当物体接近光速时，它们会出现什么样的行为？尽管它们以各种违背直觉的方式运动，但都可以用狭义相对论来描述。宇宙具有一个速度极限：真空中的光速；在真空中，所有无质量的实体都以光速进行精确的运动。如果是具有质量的实体，就永远无法达到光速，只能接近光速。狭义相对论规定了接近光速的物体将如何加速，如何提高或降低速度，以及时间尺度会如何膨胀和收缩。
，扭曲的时空也决定了物质和能量将如何运动。在牛顿学说失败的地方，爱因斯坦的相对论经受住了考验，它解释了水星的轨道，并预测了星光在日食期间将如何偏转。从广义相对论第一次被提出以来，还没有任何实验或观测能将其推翻。

除了以上这些，爱因斯坦还在其他许多领域发挥了重要作用。他发现了布朗运动；他与其他研究者共同发现了玻色子运行的统计规律；他通过爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论（简称 EPR 悖论）为量子力学的建立做出了重大贡献；此外，他还提出了通过虫洞（称为“爱因斯坦-罗森桥”）进行时空旅行的概念。可以说，爱因斯坦在科学领域的贡献是绝对的传奇。

在这张1934年的照片中，爱因斯坦站在黑板前，为一群学生和旁观者推导狭义相对论。尽管狭义相对论现在被认为是理所当然的，但该理论第一次被提出时无疑具有革命性的意义。

▲ 在这张 1934 年的照片中，爱因斯坦站在黑板前，为一群学生和旁观者推导狭义相对论。尽管狭义相对论现在被认为是理所当然的，但该理论第一次被提出时无疑具有革命性的意义。

如果没有爱因斯坦，物理学能否取得同样的进步？

尽管爱因斯坦的科研生涯举世无双，但我们有许多理由相信，如果没有他，其他研究者也会在很短的时间内取得同样的成就。当然，我们无法确认这一点。我们赞美“爱因斯坦式的天才”，他作为独一无二的例子，展示了无与伦比、足以改变我们对宇宙认知的能力 —— 他确实这么做到了。然而，即使没有爱因斯坦，他几乎一切的成就很可能都会实现。

在爱因斯坦之前，早在 19 世纪 80 年代，电子的发现者、英国物理学家约瑟夫・汤姆孙便开始认为具有移动带电粒子的电场和磁场一定携带着能量。他试图量化这种能量。这很复杂，但自学成才的英国物理学家奥利弗・亥维赛通过一组简化的假设，对此进行了计算：他确定带电粒子携带的“有效质量”与电场能量（E）除以光速（c）的平方成一定比例。亥维赛提出的比例常数是 4/3，与他在 1889 年计算的真值 1 不同；弗里茨・哈泽内尔在 1904 年和 1905 年也计算出了同样的结果。亨利・庞加莱在 1900 年独立推导出了 E = mc²，但他还未完全理解这一推导结果的含义。

（编辑：ASP站长网）