阿尔伯特·爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦德語: ˈalbɛʁt ˈʔaɪnʃtaɪn1879年3月14日-1955年4月18日),是出生于德国、拥有瑞士美国国籍猶太理論物理學家,他创立了現代物理學的兩大支柱之一的相对论:274,也是質能等價公式E = mc2)的發現者。他在科學哲學領域頗具影響力。因為“對理論物理的貢獻,特別是發現了光電效應的原理”,他榮獲1921年度的諾貝爾物理學獎(1922年頒發)。這一發現為量子理論的建立踏出了關鍵性的一步。

阿爾伯特·爱因斯坦
1921年,由费迪南德·施穆策摄影的演講中的愛因斯坦
出生1879年3月14日
 德意志帝国符騰堡王國乌尔姆(今 德國巴登-符騰堡州烏爾姆)
逝世1955年4月18日(1955歲-04-18)(76歲)
 美國新泽西州普林斯顿
死因腹主動脈瘤
居住地德國意大利瑞士奧地利比利時美國
公民权
母校苏黎世联邦理工学院(联邦教师文凭,1900年)
蘇黎世大學(博士学位,1905年)
知名于广义相对论
狭义相对论
布朗运动
光电效应
質能等價
爱因斯坦场方程
玻色-爱因斯坦统计
玻色–爱因斯坦凝聚
宇宙學常數
经典统一场论
EPR佯谬
配偶米列娃·馬利奇(1903年-1919年結婚)
愛爾莎·洛文塔爾(1919年-1936年結婚)
儿女莉瑟兒·愛因斯坦
漢斯·愛因斯坦
愛德華·愛因斯坦
奖项诺贝尔物理学奖(1921年)
馬泰烏奇獎章(1921年)
科普利奖章(1925年)
普朗克奖章(1929年)
时代20世纪百大人物(1999年)
科学生涯
研究领域物理学
机构瑞士伯爾尼专利局
苏黎世大学
苏黎世联邦理工学院
布拉格查理大学
柏林洪堡大學
普鲁士科学院
威廉皇家物理研究所
莱顿大学
普林斯顿高等研究院
博士导师阿尔弗雷德·克莱纳
签名

愛因斯坦在職業生涯早期就發覺經典力學電磁場無法相互共存,因而發展出狹義相對論。他又發現,相對論原理可以延伸至重力場的建模。根据研究出來的一些重力理論,他於1915年發表了廣義相對論。他持續研究統計力學量子理論,这让他給出了粒子論與對於分子運動的解釋。1917年,愛因斯坦應用廣義相對論來建立大尺度結構宇宙的模型。

阿道夫·希特勒於1933年開始掌權成為德國總理之時,愛因斯坦正在走訪美國。由於愛因斯坦是猶太裔人,所以儘管身為普魯士科學院教授,他并沒有返回德國。1940年,他定居美國,隨後成為美國公民。在第二次世界大戰前夕,他在一封寫給當時美國總統富蘭克林·羅斯福的信裏署名,信內提到德國可能發展出一種新式且深具威力的炸彈,因此建議美國也盡早進行相關研究,美國因此開啟了曼哈頓計劃。愛因斯坦支持增強同盟國的武力,但譴責將當時新發現的核裂变用於武器用途的想法,後來愛因斯坦與英國哲學家伯特蘭·羅素共同簽署《羅素—愛因斯坦宣言》,強調核武器的危險性。

愛因斯坦是20世紀最重要的科學家之一,一生總共發表了300多篇科學論文和150篇非科學作品:730-746,有“現代物理学之父”之誉。他卓越和原創性的科學成就使得“愛因斯坦”一詞成為“天才”的同義詞。

生平

早年生活與教育

拍摄于1882年,3岁时的爱因斯坦
攝於1893年,14歲時的愛因斯坦

愛因斯坦于1879年3月14日出生在德意志帝國(德國)之符騰堡王國烏爾姆。父親赫爾曼·愛因斯坦是一名商人。母親寶琳·柯克從小受到良好教育,演奏鋼琴造詣深厚:14。1880年,舉家遷往慕尼黑,愛因斯坦的父親與叔叔在那裏經營一間電器公司,專門設計與製造電器。:248

愛因斯坦一家是不遵循猶太教規的阿什肯納茲猶太人。愛因斯坦學習說話的速度比較緩慢,父母因此很擔心,甚至曾經找過醫生看診。他2歲後才學會使用字詞,並且養成一種奇怪習慣,就是每當他想要說話之前,他都會先小聲的對自己說幾遍,直到覺得滿意,才會大聲說出來。家人都很擔心,怕他以後會有學習障礙。:8

在4歲或5歲時的某天,父親送了一隻指南針給臥病在床的愛因斯坦,他深深地被磁針展現出的奇異行為所迷住,這成為他以後對物理學產生濃厚興趣的原因之一。大約在那時期,他開始學習拉小提琴:13-14。愛因斯坦5歲時進入一所天主教小學就讀。8歲時,他轉學到路特波德文科中學,(後來改名為阿爾伯特·愛因斯坦文科中學),這學校很注重數學、科學、拉丁文與希臘文。在這裏,他獲得7年良好的教育。:248:59–6

愛因斯坦的父親所經營的電器公司,因無法與大公司競爭而被迫於1894年關閉,全家隨後搬至意大利帕維亞,只有愛因斯坦繼續留在慕尼黑完成學業。雖然他住在遠房親戚家裏,但他心裡仍有被丟棄的感覺。嚴格專制的校風與機械式的學習方式令他難以忍受。那年年底,他藉口身體不適,毅然決然地離開學校,搬去帕維亞與家人會合。這樣,他也可以避免從軍。後來,他決然放棄德國國籍,成為無國籍人:249-250。在意大利的時期,年僅16歲的他撰寫了有生以來第一篇理論物理論文,標題為《論在磁場裏乙太狀態的研究》。:5-6:24

年僅16歲的愛因斯坦參加了瑞士蘇黎世聯邦理工學院的1895年入學考試,這時的他比大多數考生至少要小兩歲。雖然他在數理科部分得到高分:36-37,但沒有通過考試的文科部分:250。理工學院院長建議他先完成高中學業,因此他進入瑞士阿勞阿勞州立中學讀書,住在教授焦思特·溫特勒的家裡。幾個月後,他愛上了溫特勒的女兒瑪莉:21, 31, 56–57。隔年9月,他成功通過瑞士高中畢業考試,大部分學科都獲得優良成績,特別是在物理與數學兩個學科,都得到了最高分6分。:30

愛因斯坦的父親很希望愛因斯坦能夠繼承他的電機工程事業,但愛因斯坦對這不感興趣,他認為對他而言這是大材小用:31。1896年,年僅17歲的爱因斯坦獲准进入苏黎世联邦理工学院师范系數理科學習物理。他在那裡遇到未來妻子米列娃·馬利奇:44。同班六名學生中,米列娃是唯一女性,她比愛因斯坦大三歲:42。愛因斯坦與米列娃在物理方面有共同的興趣與目標,久而久之漸漸擦出愛情火花。1900年,愛因斯坦獲得教學文憑,平均分數為4.9,是全班五名學生中第四名;米列娃的平均分數為4.0,是最後一名,校方不准她畢業,必須留級一年:48-49。有些人認為,米列娃與愛因斯坦合作寫出著名的1905年論文,但物理歷史學者經過仔細研究後,找不到任何證明她做出實質貢獻的依據。:48-50

婚姻與家庭

愛因斯坦與第一任妻子米列娃,1912年
愛因斯坦與第二任妻子愛爾莎

愛因斯坦與米列娃的一封早期往來信件於1987年被發現與發表,信中透露他們在婚前曾有一名稱為麗瑟爾的女兒。。1902年初,麗瑟爾誕生在塞爾維亞諾威薩米列娃的娘家。米列娃並沒有帶著麗瑟爾回瑞士,麗瑟爾的命運至今仍舊未知。愛因斯坦可能從未見過麗瑟爾。在1903年9月一封寫給米列娃的信裏,爱因斯坦最後一次提到她,內容暗示女嬰可能被收養或死於猩紅熱:73-74, 78:22-23

爱因斯坦和米列娃在1903年1月結婚。婚後生了兩個兒子,大兒子漢斯·愛因斯坦於1904年5月在瑞士伯爾尼出生。二兒子愛德華·愛因斯坦於1910年7月在瑞士蘇黎世出生。4年後,愛因斯坦任聘為德國柏林洪堡大學教授,一家人又再搬回德國柏林。由於夫妻感情不好,米列娃帶著兩個兒子到蘇黎世居住,愛因斯坦仍舊留在柏林。

第一次世界大戰結束後不久,他倆已分居5年,但婚姻終舊無法挽回,他們正式於1919年2月14日離婚。尽管有报道指出,他為了離婚把光電效應的諾貝爾獎金全部給了米列娃,但是爱因斯坦与妻子和孩子间的信件表明大部分奖金被他用来在美国投资了,其中很多都在大萧条中成为了泡沫。,二兒子愛德華對西格蒙德·佛洛伊德精神分析有興趣,20歲時精神崩潰,醫生診斷為思覺失調,母親長期照顧他。母親百年後,他被送進精神病院生活,直到1965年過世。:365-368, 639

爱因斯坦和米列娃的婚姻並不快樂。愛因斯坦曾經在1910年寫信給他讀中學時的女友瑪莉·溫特勒,在這封於2015年被公開的信裡,愛因斯坦寫到他的婚姻狀況:「每一分鐘空閒時間,我都以誠摯的愛想到你;我現在感受到只有男人能夠感受到的不快樂。」那時,米列娃正懷有二兒子愛德華。

爱因斯坦的第二任妻子爱尔莎·爱因斯坦是他的表姐,在父系方面,他們都是同一位曾祖父的後代,在母系方面,他們都是同一位外祖父的後代。他們在1919年6月2日結婚。1933年,為了逃避納粹德國,他們移民到美國,居住在普林斯頓。兩年後,愛爾莎被診斷出患有心臟與腎臟疾病,必須臥床休息。她的病情迅速惡化,並於1936年過世。:2161935年,他的繼女瑪歌(Margot)將他介紹給瑪格麗塔(Margarita Konenkova),之後兩人墜入戀愛。一位俄國間諜專家指認瑪格麗塔是俄國間諜,但這說法尚未被歷史學者證實。

瑞士專利局

爱因斯坦在1900年毕业,沒能留校擔任助教,接下来两年时间都没能找到教职。1901年獲得瑞士国籍:82,由於健康因素,他沒有被徵召入伍當兵。1902年在大學同學马塞尔·格罗斯曼的父親協助下,成为伯尔尼瑞士专利局的助理鉴定员,从事电磁发明专利申请的技术鉴定工作:63。1903年成为正式职员。:370

愛因斯坦在專利局的工作很多都是與電信號傳遞、機電時間的同步化這類技術問題有關,這兩類技術問題也時常會明顯地出現在愛因斯坦的思想實驗裏,而這些思想實驗最終導致愛因斯坦作出關於光的性質與時空之間的基礎關聯的大膽結論。:377

他利用業餘时间开展科学研究,並且和在伯尔尼遇到的几位朋友组成讨论小组,自嘲地取名为“奥林匹亚学院”。他們時常定期聚集在一起讨论科学和哲学,共同閱讀昂利·庞加莱恩斯特·马赫大卫·休谟的著作,他的科學哲學的發展因此深受影響。:79-84

學術生涯

1921年,爱因斯坦荣获诺贝尔物理学奖之后的官方肖像
1919年11月10日《紐約時報》刊登對於光線被彎曲的新觀察,並且表示這是愛因斯坦理論的大勝利

愛因斯坦最早於1900年已在極具權威性的德國《物理年鑑》发表論文《毛细现象的结论》,由於這篇論文的基本猜測並不正確,其對於日後物理學的發展並沒有給出任何實質貢獻。:57那年,他決定繼續攻讀博士學位,由於苏黎世联邦理工学院並不提供物理博士學位,他必須通過特別安排從苏黎世大学得到博士學位。隔年,他成為苏黎世大学實驗物理學教授阿尔弗雷德·克莱纳的博士學生:21-22。那年11月,他寫完了初版的博士論文,但克萊納並不滿意這論文,特別是愛因斯坦在論文裏對於其它科學權威的攻擊:71。經過努力改善,1905年,他的博士论文《分子大小的新测定法》終獲接受,他可以得到博士學位。同年,他发表了关于光电效应布朗运动狭义相对论、质量和能量关系的四篇论文,在物理学的四个不同领域中取得了历史性成就。该年被后人称为「爱因斯坦奇迹年」

到了1908年,愛因斯坦已被公認為物理學領域的頂尖學者,伯尔尼大学聘請他為讲师,但由於薪俸微薄,他仍需繼續在專利局工作。隔年,蘇黎世大學新設立了一個理論物理學副教授席位,克莱納很想讓愛因斯坦專任這份工作,可是克萊納很不欣賞愛因斯坦的教學風格,他講課時會長時間獨白,並且缺乏條理,愛因斯坦只好提議,在蘇黎世的物理學會開一場講課,請克萊納再評估一次。經過精心準備,愛因斯坦的講課獲得好評,克萊納於是向蘇黎世大學推薦愛因斯坦,「自從他在相對論的成就之後,他已是最重要的理論物理學者之一……愛因斯坦博士會證實他也是一位教師,因為他的才智與良心會在必要時間促使他接受建議」。愛因斯坦成為蘇黎世大學的理論物理學副教授,他辭去了專利局工作。

那時期,布拉格查理大學正在努力招募年輕物理人才,在名望與薪資的雙重吸引下,愛因斯坦1911年轉任這所大學的教授,同時獲准成為奧匈帝國的公民。:164任職期間,他共撰寫了11篇科學論文,其中5篇論述輻射數學與固體量子理論。1912年7月,他又回到母校蘇黎世聯邦理工學院擔任理論物理學教授,主要是教導分析力學與熱力學,在學術研究方面,他專注於引力問題,與數學家朋友馬塞爾·格羅斯曼共同嘗試找到解答,突破似乎在望,但真正嚴格表述還要等待幾年。

马克斯·普朗克瓦尔特·能斯特的邀请,愛因斯坦於1914年回到德国擔任威廉皇家物理研究所的第一任所长(1914-1932)兼柏林洪堡大学教授,而且不需要在課堂擔任教職:253。很快地,他當選為普魯士科學院院士。1916年,又獲選為德國物理學會的會長(1916-1918)。:xix

爱因斯坦於1915年发表了广义相对论。根據這理論,他預言,光线经过太阳引力场時會被弯曲。1919年,這預言由英国天文学家亚瑟·爱丁顿观测1919年5月29日日食的结果所证实。全世界的很多新聞媒體都以頭版報導這驚人的觀測結果,爱因斯坦因此成為家喻户晓的物理學者,同年11月7日,英國泰晤士報的頭條新聞標題宣告,「科學革命,宇宙新理論已將牛頓繪景推翻」。:61

1917年,爱因斯坦在《论辐射的量子性》一文中提出了受激辐射理论,開創了激光學術領域。:15

由於在光电效应方面的研究成果,爱因斯坦獲授予1921年度的诺贝尔物理学奖(延後頒發一年,1922年才獲獎)。瑞典科学院的公告中并未提及相对论,原因是相对论被认为仍舊存在争议。

普林斯頓歲月

愛因斯坦在普林斯頓的居所

1933年1月,纳粹党攫取德国政权,希特勒成為德國總理。那時,愛因斯坦正在美國,由於納粹黨鼓吹反猶太主義,愛因斯坦知道他無法返回德國:659:404。3月,愛因斯坦與妻子愛爾莎坐船來到比利時。途中,愛因斯坦獲知,納粹藉口闖入了他的暑假小屋,又沒收了他的心愛小船。抵達安特衛普後,他立刻到德國大使館繳回護照,並且宣布再度放棄德國國籍,他又向普魯士科學院提出辭呈,他在辭呈裏表示,「就目前情勢來看,他覺得無法忍受倚賴普魯士政府。」:407–410

回到美國後,10月,愛因斯坦成為普林斯顿高等研究院的常駐教授,他此後有生之年,幾乎都在這裡度過,他再也沒有踏上歐洲一步:649, 678。除了愛因斯坦以外,奧斯瓦爾德·維布倫约翰·冯·诺伊曼庫爾特·哥德爾赫爾曼·外爾等等世界級學者也都獲聘來到這裡做研究。愛因斯坦與哥德爾成為忘年之交,他們每天都會一起走路到研究室工作,途中順便討論一些科學問題。愛因斯坦本性幽默,很喜歡開玩笑,而嚴肅的哥德爾則疑心很重,時常憂慮、鬱悶;愛因斯坦極力主張量子力學的不完備性,哥德爾的不完備定理則是現代邏輯學的重要里程碑。在某些方面,他們很像對方,他們都有「打破砂鍋問到底」的習性,想要找到問題的癥結所在。

在這段時期,愛因斯坦嘗試發展出統一場理論,駁斥量子物理哥本哈根詮釋,但都沒有獲得重大突破,他逐漸地與物理研究的主流趨勢脫節。:256

二戰和曼哈頓工程

在1939年,包括利奧·西拉德愛德華·泰勒尤金·維格納在內的一羣流亡物理學者試圖警告美國政府,揭露納粹德國正在進行的原子彈研究;他們把警告美國人民視為己任:德國科學家也許會贏得製造原子彈競賽的勝利;希特勒會毫不猶豫地使用這種武器:vii。為了要讓美國警覺到原子彈的巨大威脅,他們曾拜訪愛因斯坦,告訴他殺傷力超強的原子彈可能在不久的將來被製成。愛因斯坦支持和平主義,他正在專心研究統一場理论,並不清楚核子研究的最新發展,他從未想到這项技术的進展會如此快速:198-200。愛因斯坦被説服借助其崇高聲望和西拉德寫信給美國總統富兰克林·罗斯福。他們還建議美國政府注重並直接介入核武器研究。這封信被認為是,美國在參與二戰前夕,展開大規模核武器研究的關鍵激勵因素。羅斯福不能冒險讓希特勒搶先掌握原子彈技术。由於愛因斯坦的信件,美國加入研製原子彈競賽,依托其巨大的材料、金融、科學資源展開曼哈頓計劃,成為在二戰中唯一成功研製出原子彈的國家。:218

晚年時的愛因斯坦

對愛因斯坦而言,“戰爭是一種疾病……他呼籲抵抗戰爭”。寫給羅斯福的那封信違反了愛因斯坦所支持的和平主義。在過世之前一年,愛因斯坦對老朋友莱纳斯·鲍林說:“我一生之中犯了一個巨大的錯誤:我簽署了那封要求羅斯福總統製造核武器的信。但是犯這錯誤是有原因的:德國人製造核武器的危險是存在的。”:752

離世

愛因斯坦69歲時被診斷出患有腹主動脈瘤,著名腸胃科權威醫生魯道夫·尼森是他的開刀醫生,他用玻璃紙緊緊包住葡萄柚尺寸的瘤,試圖促使血管纖維化,降低破裂的風險。愛因斯坦可能因此手術多活了幾年

1955年4月13日,愛因斯坦的腹主動脈瘤破裂,引起內出血。他正在撰寫的一篇慶祝以色列建國7周年的電視講稿,還沒有寫完,就於18日過世,享壽76歲。在那時代,動手術治療在技術上成功率很高,紐約醫院的醫生法蘭克·格倫(Frank Glenn)建議立刻動手術治療,但愛因斯坦堅決拒絕,他表示:「當我想要離去的時候請讓我離去,一味地延長生命是毫無意義的。我已經完成了我該做的。現在是該離去的時候了,我要優雅地離去。」

在驗屍過程中,病理學家托马斯·哈维醫生,未經愛因斯坦的家人允許,私自取下愛因斯坦的大腦保存,他希望未來神經科學研究能夠發現愛因斯坦那麼聰明的原因。遵照愛因斯坦的遗嘱,他身體的其它部分在過世當天就被火化,包括他的兒子漢斯在內,只有12人在場參與簡單的儀式。火化後,骨灰全都撒在附近的特拉華河裏。:544

早年生活與教育

拍摄于1882年,3岁时的爱因斯坦
攝於1893年,14歲時的愛因斯坦

愛因斯坦于1879年3月14日出生在德意志帝國(德國)之符騰堡王國烏爾姆。父親赫爾曼·愛因斯坦是一名商人。母親寶琳·柯克從小受到良好教育,演奏鋼琴造詣深厚:14。1880年,舉家遷往慕尼黑,愛因斯坦的父親與叔叔在那裏經營一間電器公司,專門設計與製造電器。:248

愛因斯坦一家是不遵循猶太教規的阿什肯納茲猶太人。愛因斯坦學習說話的速度比較緩慢,父母因此很擔心,甚至曾經找過醫生看診。他2歲後才學會使用字詞,並且養成一種奇怪習慣,就是每當他想要說話之前,他都會先小聲的對自己說幾遍,直到覺得滿意,才會大聲說出來。家人都很擔心,怕他以後會有學習障礙。:8

在4歲或5歲時的某天,父親送了一隻指南針給臥病在床的愛因斯坦,他深深地被磁針展現出的奇異行為所迷住,這成為他以後對物理學產生濃厚興趣的原因之一。大約在那時期,他開始學習拉小提琴:13-14。愛因斯坦5歲時進入一所天主教小學就讀。8歲時,他轉學到路特波德文科中學,(後來改名為阿爾伯特·愛因斯坦文科中學),這學校很注重數學、科學、拉丁文與希臘文。在這裏,他獲得7年良好的教育。:248:59–6

愛因斯坦的父親所經營的電器公司,因無法與大公司競爭而被迫於1894年關閉,全家隨後搬至意大利帕維亞,只有愛因斯坦繼續留在慕尼黑完成學業。雖然他住在遠房親戚家裏,但他心裡仍有被丟棄的感覺。嚴格專制的校風與機械式的學習方式令他難以忍受。那年年底,他藉口身體不適,毅然決然地離開學校,搬去帕維亞與家人會合。這樣,他也可以避免從軍。後來,他決然放棄德國國籍,成為無國籍人:249-250。在意大利的時期,年僅16歲的他撰寫了有生以來第一篇理論物理論文,標題為《論在磁場裏乙太狀態的研究》。:5-6:24

年僅16歲的愛因斯坦