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關於愛因斯坦的發明

愛因斯坦是壹座後人很難逾越的智慧高峰。

如果沒有愛因斯坦在多個領域樹立的科學裏程碑,就不會有原子能發電站、宇宙飛船、所有電子設備,乃至整個科學文明時代都會姍姍來遲———

愛因斯坦說過:“我還有可以自慰的地方,我所做的主要工作已被公認為我們科學的主要部分。我雖然有機會發現了宇宙構造的某些秘密,但我留下的痕跡會被時間所沖淡。”

不過今天談起愛因斯坦,聽到最多的是:他發明了什麽?

也難怪,相對論和能量公式都比較難懂,所以讓人只隱約記得愛因斯坦與原子彈有某種內在關系。實在冤枉!連愛因斯坦的在天之靈也會忿忿不平的。

弄不清愛因斯坦身份的人,是混淆了科學與發明的關系,就如同將牛頓與愛迪生視為同行壹樣,是壹般科普知識欠缺所致。

打壹個不很恰當的比喻:科學是路,發明是車,車離不開路,路制約車。沒有路,再好的車也是壹堆漂亮的鋼鐵零件;沒有科學,再好的發明也是紙上談兵,空中樓閣。

毫不誇張地說,根據愛因斯坦創立的科學理論而衍生出的發明創造,涵蓋了現代文明的每壹個角落,連我們衣食住行的每個細節都閃現著愛因斯坦的影子。

這裏用壹個假設的“妳”做比喻。早晨當妳從下榻的賓館起來,走出房間準備晨練時,請註意妳頭上的煙霧探測器。它利用放射性物質鎇-241釋放出能量,產生壹小束帶電粒子。壹旦發生意外,從火焰裏冒出來的煙霧與粒子束發生反應,觸動警報器自動拉響。

由於鎇的原子核不穩定,壹旦裂開,質量似乎就消失了,因為碎片的質量比原來的原子核小。其實,鎇原子的質量根本沒有消失。這是愛因斯坦告訴我們的。

回到家後妳要開車去上班,妳車輪下的平坦公路裏也刻著愛因斯坦的功勞。在愛因斯坦的博士論文中探討了在不同溶液中測量分子的新方法,這些方法後來成為膠體化學的基本方法。建材工程師在建造公路時,就是利用他的研究成果。

來到辦公室,妳打開電腦開始工作。在短促的瞬間,電子正從顯像管的陰極發射出來,好像在飛馳過程中獲得了能量,積聚在顯示屏上———這正好符合愛因斯坦的狹義相對論。發明電腦顯示器的工程師必須使顯示器符合“相對論效應”,否則控制電子飛馳的磁鐵就會在顯示屏上產生模糊圖像,使妳無法工作。

下班後妳到超市購物,妳手裏的每壹件商品條形碼也得益於愛因斯坦的激光理論,只有激光才能準確讀出條形碼中的編碼空白。

假如妳富有,又是個令人尊敬的環保人士,妳就會用太陽能光電池為自己的居室提供能量。這些光電池能夠把太陽能轉成電能,愛因斯坦在90年前發表的壹篇論文裏首次正確地分析過這壹轉換原理。

他發現光承載於運動著的能量包(後來稱為光子)裏,某些光子攜帶的能量足以克服將電子集中於某種金屬的“粘性”,這就是著名的光電效應。

星期天,妳會帶領家人輕松郊遊。當妳打開數碼相機,準備攝下妻兒溫馨笑容時,要先感謝愛因斯坦。從鏡頭飛進來的光子會把半導體裏的電子擠走,這同樣利用了寶貴的光電效應。

倘若妳身體有恙,或是偶感風寒,需要藥物調理。許多藥物制造得益於愛因斯坦那篇有關布朗運動的論文。

英國植物學家羅伯特·布朗最先觀察到,懸浮的液體中的微粒永遠不停地做無規則運動。愛因斯坦將兩個毫無關聯的現象聯系起來,於是就利用布朗運動創立了將微觀數量和宏觀數量聯系在壹起的統計法。

直到今天,這些統計法仍是全世界藥劑師必須遵循的配比法則。

萬壹彩票中了大獎,得意忘形的妳不幸成為尋人啟事中主角,那也沒有關系,妳身上攜帶的GPS能幫助妳與搜索人員取得聯系。100年前愛因斯坦發現,如果想把發生在不同地點的多個事件聯系在壹起考慮,那麽傳統的時間概念就不夠充分。

雖然全球定位系統衛星上安裝了精確的原子鐘,但是,如果沒有地面原子鐘對衛星原子鐘的時間調整,定位系統每天發給地面的信號就會出現1.6公裏的偏差。

妳長了壹個腫瘤,幸虧是良性的,但因長在胸腺上,手術後需要放射治療。醫生在為妳實施放射治療前,需要估計X射線可能對妳細胞造成的傷害,根據就是愛因斯坦的E=mc2。

這同樣是100年前愛因斯坦的重大發現:任何質量都可以被看作壓縮的能量形式。要想知道某壹質量能夠產生多少能量,可以把消失的質量乘以光速的平方。那肯定是壹個巨大的數字。據此理論造出原子彈、氫彈的同時,也治好了妳的胸腺瘤。

愛因斯坦在完成廣義相對論近10年後,做了壹個大膽新奇的設想:引力減慢時間的流逝使光波朝光譜紅色壹端偏移。但無法用實驗加以證實。

直到1976年人們采用現代化手段才予以證實。方法是用火箭將壹座氫微波激射器時鐘帶到1萬公裏高空,在沈入百慕大以東1600公裏的太平洋之前的兩個小時內,時鐘的計時與地面壹個同樣的時鐘相符。氫微波激射器以1.42千兆赫的頻率發射微波,在火箭到達最遠點時,火箭上的時鐘比地面的時鐘快大約1赫茲,終於證實了愛因斯坦的判斷:引力越大,時鐘走的越慢。

早在1916年愛因斯坦就預測引力波的存在與來源,幾十年後,天文學家約瑟夫·泰勒和魯塞爾·胡爾賽證明,兩顆軌道脈沖星,也就是自轉時釋放輻射波的中子星,導致其速度減慢的能量損失正好與相對論所預測它們以引力波的方式釋放掉的能量吻合壹致。

愛因斯坦為什麽總是對的,除了他所具備的從未見中有所見,從未知中有所知的直覺感知力外,似乎有神人相助。

就在去年,從前往土星的“卡西尼號”飛船發回的無線電信號被證實受到太陽的影響而發生了偏斜,偏斜度與廣義相對論的預測完全吻合。

由此看見,愛因斯坦是壹個多重幸運的天才,他在特殊的時代用自己特殊的才能解決了特殊的難題,又取得了特殊的成功,甚至譜寫了壹段特殊的歷史。

假如沒有愛因斯坦,相對論會在何時問世?對這樣的假設,肯定是見仁見智,莫衷壹是。壹些學者說,那壹定還需要推後幾代人。著名天文物理學家馬丁·雷斯爵士認為,如果沒有愛因斯坦,無疑會滯後現代文明的腳步。

今天也會有人想到相對論,可愛因斯坦的成就可不是壹位單槍匹馬就能做到的。

背景

為了紀念愛因斯坦100年前對物理學界作出的貢獻,喚起年輕人對物理學的熱愛,去年6月,聯合國大會壹致通過將2005年命名為“世界物理年”。德國、英國等國家,則幹脆將“世界物理年”改名為“愛因斯坦年”。

1.太陽能電池、防盜報警器和照相機的測光表都是以光電效應為基礎的。

2.核能利用了這樣壹個物理現象:當鈾原子發生裂變時,總質量的微量損失可以轉變成能量,其依據正是愛因斯坦的著名等式E=Mc2。如今,核能為英國提供了25%的電力。

3.全球定位系統之所以能將物體的位置精確到米,正是根據愛因斯坦的相對論對地球衛星發出的信號進行了修正。

4.狹義相對論與量子理論相結合,指出了反物質的存在。科學家們利用正電子,即反物質“電子”,通過X射線層析照相術研究大腦活動。

5.亞原子粒子的特性是相對論的直接結果,其存在可以解釋從化學元素的特性到磁鐵作用的多種現象。

6.愛因斯坦1916至1917年對光子的研究為人類40年後發現激光奠定了基礎。目前激光廣泛應用於從DVD到激光打印機的多種產品。