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愛因斯坦:從神童到天才,他經曆了什麼?

作者:good理科生
愛因斯坦:從神童到天才,他經曆了什麼?

愛因斯坦

愛因斯坦(A1bert.Einstein,1879.3.14一l955.4.18年)是德國實體學家、數學家生于德國烏爾珊市一個猶太人家庭,父親是經營電器的小業主。出生不久,全家就遷往慕尼黑,愛因斯坦在那裡接受了國小和中學教育。

有關愛因斯坦童年的記載不多,但他顯然稱不上是個神童。據說他幼年時智力發展遲緩,在國小階段成績不算突出,加之天性孤僻,不大為老師和同學們所喜歡。進入中學後,他的不合群的性格,使他很難适應學校的生活。德國的學校素以嚴格的教育而聞名,更由于軍國主義的傳統,崇尚紀律、指令和服從,然而愛因斯坦從小就極端厭惡一切強制,喜歡自由自在。他後來回憶說:“初級學校裡的老師對我來說像是陸軍中士;而大學預科的老師則跟一群中尉一樣。”在學習方面,他喜歡了解和思考,不願意背誦,是以需要死記硬背的文史科目成績平平,唯獨數學是他偏愛的科目,成績優異。晚年他曾回憶自己12歲第一次接觸到平面幾何時的驚奇心情:“這是在一個學年開始時,當我得到一本關于歐幾裡得平面幾何的小書日寸所經曆的。這本書裡有許多斷言,比如,三角形的三個高交于一點,它們本身雖然并不是顯而易見的,但是可以很可靠地加以證明,以緻任何懷疑似乎都不可能。這種明晰性和可靠性給我造成了一種難以形容的印象。……對于第一次經驗到它的人來說,在純粹思維中競能達到如此可靠而又純粹的程度,……是足夠令人驚訝的了。”

愛因斯坦:從神童到天才,他經曆了什麼?

标題愛因斯坦和他的妹妹瑪姬(攝于1886年)

中學時代愛因斯坦最為與衆不同之處,是他在學習上熱衷于自學,并在這方面表現出非凡的能力。前面提到那本“幾何小書”,是一位到他家作客的叫塔爾梅(Talmey)的大學生介紹給他的,他隻用幾個月就自學完了這本書。後來他又自學了塔爾梅介紹給他高等數學著作,而且學得津津有味。晚年他回憶說:“在12—16歲的時候,我熟悉了基礎數學,包括微積分原理。這時,我幸運地接觸到一些書,它們在邏輯嚴密性方面并不太嚴格,但是能夠簡單明了地突出基本思想。總的來說,這個學習确實是令人神往的;它給我的印象之深并不亞于初等幾何,好幾次達到了頂點——解析幾何的基本思想,無窮級數,微分和積分概念。”與此同時,他還自學了一部介紹當時實體科學發展情況的通俗著作,這部書使愛因斯坦對理論實體問題産生了興趣。特别令人驚異的是,當他13歲的時候,還自學了康德的名著《純粹理性批判》,塔爾梅後來回憶說:“康德的著作,一般人都難以了解,而對于他似乎卻是十分明白的。在他讀完《純粹理性批判》和其他哲學家著作之後,康德成了阿爾伯特最喜愛的哲學家。”

1894年,愛因斯坦的父親因經營失敗把家遷到意大利的米蘭重新開業,他把愛因斯坦留下,希望他能完成中學學業。但不久愛因斯坦就感到實在無法再忍受學校苛刻的紀律和舉目無親的生活,他以“神經衰弱”為由要求退學,随即前往米蘭與父母團聚。對于在德國的中學生活,愛因斯坦幾乎終生都是把它作為痛苦的經曆來回憶。

在米蘭渡過的一年,是愛因斯坦一生中最快樂的日子,再也沒有哪所學校來束縛他。他出入博物館、教堂、音樂會,并繼續他喜愛的數理科目的自學。然而這種惬意的生活他沒有享受多久,由于父親經營再度失敗,他必須獨立謀生。1895年愛因斯坦隻身到瑞士蘇黎世投考聯邦工業大學。由于他所受的教育殘缺不全,又不善背誦,入學成績不佳,結果未被錄取。幸虧好心的校長欣賞他的數學才能,推薦他到阿勞州立中學去補習一年,這樣,第二年就可以免試進入聯邦工大。就在補習期間,年僅16歲的愛因斯坦想到了一個“追光”假想實驗,這實際上是狹義相對論思想的萌芽。

愛因斯坦:從神童到天才,他經曆了什麼?

1896年愛因斯坦進入聯邦工大師範系學習。與德國的學校不同,這裡的教學風格寬松自由,4個學年中總共隻考兩次試,除此而外,“人們差不多可以做他們願意做的任何事情”。然而即使在這樣的環境下,一向自由慣了的愛因斯坦,仍然感到難以适應正規的學習生活。不久他就找到了一種奇特的學習方式:隻去聽那些他感興趣的科目,“刷掉”他所不喜歡的課程;而把大部分時間用來自學當時一些理論實體大師們的著作。然而這種學習方式無法應付考試,幸虧他的同班好友格羅斯曼(Grossmann)借給他聽課筆記,幫助他渡過了難關。老師們自然都不喜歡這麼一個自由散漫的學生,他的老師、著名的數學家闵可夫斯基後來得知愛因斯坦創立了狹義相對論時對别人說:“這使我大吃一驚,因為愛因斯坦在學生時代是條懶狗,他一點也不為數學操心。”其實愛因斯坦是一個勤奮的學生。隻是表現方式與其他學生不同。從近年才發現的愛因斯坦在1898—1902年間寫給他的未婚妻瑪麗琦(Marity)的42封信中我們得知,在大學期間,他除了自學之外,還曾付出了艱巨的勞動研究當時熱門的以太理論,研究雖然沒有結果,但無疑為他幾年後創立狹義相對論奠定了基礎。

l900年愛因斯坦從聯邦工大畢業,同班4人,3人留下當助教,隻有他由于教授們的反對未能留校,畢業即告失業。接下來是一段辛酸的歲月,為了謀生,他當過家庭教師、臨時計算工、中學代課老師等,輾轉于蘇黎世、夏夫豪森和伯爾尼等地。還是摯友格羅斯曼伸出了救援之手,1902年,他通過自己父親的關系,推薦愛因斯坦進入設在伯爾尼的瑞士專利局,任試用三級技術員。工薪雖然微薄,卻使愛因斯坦得以結束流浪生活。在逆境中.愛因斯坦保持着對科學的熱烈追求。就在這一年,他發表了第一篇科學論文,還與兩個志同道合的窮學生組織了一個讀書小組.閱讀曆代偉大哲學家、數學家的名著,并進行熱烈的讨論。他們戲稱自己的小組為“奧林比亞科學院”。後來愛因斯坦多次談到,在他創立狹義和廣義相對論的過程中,曾經從他們讀過的休漠和馬赫的哲學著作中得到了重要啟示。

愛因斯坦:從神童到天才,他經曆了什麼?

1905年,年僅26歲的愛因斯坦在這一年德國的《實體雜志》上連續發表了三篇後來公認都應獲得諾貝爾獎的論文.内容分别為布朗運動理論、光量子理論和狹義相對論。第一篇為分子的存在提供了強有力的證據,三年後他的理論為實驗所證明,使原子論取得了決定性的勝利。後兩篇更重要,它們引發了實體學的一項深刻的革命,并被認為是現代實體學的兩大支柱——量子論和相對論的奠基性文獻。這一年,他還以一篇關于測定分子大小的論文,獲得蘇黎世大學的博士學位。

随着狹義相對論的意義逐漸為實體學界所認識,愛因斯坦名聲鵲起。l909年他離開專利局應聘擔任蘇黎世大學理論實體學副教授,後來又相繼擔任布拉格德國大學和他的母校瑞士聯邦工大的理論實體學教授。l913年,由于普朗克(M.Planck,1858—1947)等著名德國科學家的力薦,愛因斯坦被聘為柏林威廉皇帝實體研究所所長兼柏林大學教授,次年10月他遷居柏林正式上任。此後他在德國工作了18年,直到1932年因納粹的迫害才被迫離開。

從1907年起,愛因斯坦轉入廣義相對論的研究,并很快确立了“廣義相對性原理”和“等效原理”,但在數學上碰到的困難使他多年徘徊進展不大。1912年,他請已在聯邦工大任數學教授的格羅斯曼幫忙,後者查閱了文獻,發現他所要尋找的數學工具就是黎曼幾何和張量分析。他們二人合作于l913年發表了廣義相對論的第一篇論文,但是未能找到正确的場方程。經過艱苦的努力,愛因斯坦終于在l915年獨自完成了廣義相對論。1919年英國天文學家通過日全蝕觀測證明了廣義相對論所預言的光線掠過太陽時所發生的偏折,全世界為之轟動。

從20年代初開始,由于愛因斯坦的猶太血統以及他的和平主義的政治态度,不斷遭到德國法西斯勢力的迫害。1933年希特勒通過政變上台,正在美國通路的愛因斯坦發表《不回德國的聲明》以示抗議。同年l0月他應聘擔任美國普林斯頓進階研究院教授.以後他一直在這裡繼續他的研究工作直到l955年4月18日逝世。

愛因斯坦後半生主要緻力于建立能夠把電磁作用和引力作用統一起來的統一場論,他為此付出了極其艱巨的勞動,但直到逝世也未能成功。不少人對這項工作抱懷疑态度,并認為這是愛因斯坦晚年的悲劇性的錯誤;然而70年代弱互相作用與電磁互相作用統一的理論取得了成功,這使人們又以新的眼光重新評價愛因斯坦追求統一的思想。除此以外,愛因斯坦在後半生還十分關心量子理論的基礎問題。他對量子力學本質上的統計特征深感不安;他力圖證明,量子力學是不完備的,在統計規律的背後原則上應存在對單個粒子的非統計描述。他有一句名言,說:“我無論如何深信上帝不是在擲殷子。”圍繞這個問題,他與以玻爾(N.Bohr,1885—1962)為代表的量子力學哥本哈根學派進行了長達20多年的論戰,直到他們相繼去世,争論仍無結果。此後争論在他們的支援者中繼續進行,一直延續到今天。這場論戰涉及的内容被稱為“愛因斯坦——玻爾問題”,它已成為20世紀科學思想的寶貴财富。

愛因斯坦:從神童到天才,他經曆了什麼?

愛因斯坦在實體學的曆史上占有非常突出的地位。楊振甯說:“他是我們這個時代最偉大的實體學家;與牛頓一道,是曆史上兩位最偉大的實體學家。”而朗之萬則認為:“他也許比牛頓更偉大一些,因為他對于科學的貢獻更深入到人類思想基本概念的結構中。”

對于像愛因斯坦這樣的劃時代的偉大科學家,列舉他的獲獎和榮譽稱号是不必要的,這裡隻需要提一下他獲得的諾貝爾獎。按今天的觀點,愛因斯坦一生至少可以拿三個諾貝爾獎,而實際上他隻拿過一次,而且還姗姗來遲。這是因為他的革命性的思想遠遠走在時代的前頭。相對論和光量子理論發表後,很長一段時間科學界仍在争論不休,這使他遲至l922年才獲得諾貝爾獎。授獎詞表彰他“發現了有關光電效應的定律”,這是對光量子理論的不确切描述,而對影響更為深遠的相對論隻字未提。這反映了直到那時,人們對他的理論仍然不大了解。

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