今年是狭义相对论发表100周年，也是联合国确定的世界物理年，主要纪念伟大的物理学家和社会活动家爱因斯坦对人类所作出的多方面的巨大贡献。爱因斯坦是全身心献身科学和主张科学无国界的理想主义者，是强调科学技术应当以人为本的人道主义者，是具有强烈社会责任感、反对法西斯和主持正义的社会活动家。在人类发展史上，爱因斯坦占有光辉的位置。我们纪念爱因斯坦这位伟人，不仅要了解他在科学上所作出的重要贡献，更要学习他在任何困难条件下都一心为科学而献身的精神，学习他为社会公正和反对法西斯战争而无私无畏的奋斗精神。我们还应当通过爱因斯坦成长的道路，分析产生这样杰出人物的条件，努力为中国青年创造良好的学习和成长的环境，使优秀人才能够脱颖而出，使中国科学能够早日跻身世界先进行列。 一、爱因斯坦对物理学的重要贡献 在20世纪初古典物理学出现危机的关键时刻，爱因斯坦是推动物理学革命思想的一面光辉旗帜。他独自发现了狭义相对论和广义相对论，从根本上改变了传统的绝对时空观念，将时空、物质和作用力通过对称性统一起来。从狭义相对论出发，他提出了质量和能量等价的公式，开辟了原子能的时代。从广义相对论和核能出发，他和一批科学家发展了宇宙构造和起源的模式，他提出的宇宙常数预示了产生排斥力的暗能量的存在。他和普兰克及玻尔一起是量子论的主要奠基人，他提出了集波动性和粒子性于一身的光量子学说，解释了光电效应，促进了量子波动力学的发现。他发展了原子论和统计力学，解释了从布朗运动、固体比热到受激辐射等一系列现象，和玻色合作，建立了玻色—爱因斯坦量子统计理论，预见了玻色凝聚态的存在。他质疑量子力学提出的量子纠缠态，开辟了量子信息学的新领域。他在晚年致力于统一场论，虽然没有取得他预期的结果，但他提出的从高维几何局域对称性出发进行统一相互作用力的思想至今仍指导着基本相互作用大统一理论的发展方向，在他逝世后的半个世纪中，已经在弱电和强相互作用的统一中得到体现。 他的科学思想远远超越当时的时代，具有非凡的前瞻性和深刻性，以至他许多重要的理论发表以后，短期内得不到物理界的普遍认同。他的科学发现不是天才的灵机一动，而是通过自学掌握了当时最前沿的科学成就，经过多年艰苦的思索才完成的。他在高中最后一年，就已经学习了当时大学还未讲授的电动力学理论，并对和光一起运动会产生什么现象进行了思考，10年以后才发现了狭义相对论。他在1909年开始认识到加速度和重力的等价关系，经过6年的努力和多次的失败，才建立了正确的广义相对论引力方程。 相对论和量子力学是20世纪最重要的科学发现，不仅为我们提供了从微观夸克到宏观宇宙的物质和运动的图像和规律，丰富了我们的物质观和宇宙观，而且为20世纪技术的发展提供了科学的基础。虽然爱因斯坦从事的是基础研究，他并不知道这些研究有什么实用价值，但是，越是基本的规律，覆盖的现象越广泛，潜在应用的面越广，产生的价值也越大。在微电子、激光、原子能、GPS、传感器、加速器、信息保密等等广泛应用的技术中都可以看到爱因斯坦研究成果的影响。 二、爱因斯坦的人生观和社会活动 爱因斯坦对他自己的人生观曾经说道：“要追究一个人自己或是一切生物生存的意义或目的，从客观的观点看来，我总觉得是愚蠢可笑的。可是每个人都有一定的理想，这种理想决定着他的努力和判断的方向。就在这个意义上，我从来不把安逸和享乐看作是生活目的本身——这种伦理基础，我叫它猪栏的理想。照亮我的道路，并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、美和真。要是没有志同道合者之间的亲切感情，要不是全神贯注于客观世界——那个在艺术和科学工作领域里永远达不到的对象，那么在我看来，生活就会是空虚的。人们所努力追求的庸俗的目标——财产、虚荣、奢侈的生活——我总觉得都是可鄙的。”“当我还是一个相当早熟的少年的时候，我就已经深切地意识到，大多数人终生无休止地追逐的那些希望和努力是毫无价值的。而且，我不久就发现了这种追逐的残酷，这在当年较之今天是更加精心地用伪善和漂亮的字句掩饰着的。每个人只是因为有个胃，就注定要参与这种追逐。而且，由于参与这种追逐，他的胃是有可能得到满足的；但是，一个有思想、有感情的人却不能由此而得到满足。”“我每天上百次地提醒自己，我的精神生活和物质生活都依靠别人(包括活着的人和死去的人)的劳动。我必须尽力以同样的分量来报答我领受了的和至今还在领受的东西，我强烈地向往着简朴的生活，并常常为发现自己占有了同胞过多的劳动而难以忍受。” 他不仅是这样说，也是这样做的。在他创造力最丰富的青年时代，他的生活非常艰苦，经历过歧视和失业，但他从不屈服去追求庸俗的目标，而是全神贯注于科学研究。即使到美国定居以后，他主动要求不要给他很高的薪水，继续过着俭朴的生活。 在他就职柏林科学院不久，第一次世界大战爆发，他从头开始就公开反对这场战争。他说过：“我反对一切形式的战争，除非那个敌人以毁灭人类作为它的唯一目的”。为此，他遭到了当局的迫害和部分报纸的谴责。德国的失败使德国科学家处于孤立的困难境地。爱因斯坦虽有瑞士国籍，被邀请参加国际物理会议和到其它国家就职，但他认为，科学是全人类共同的事业，不应该因政治原因而孤立德国科学家。在德国科学家不被邀请的情况下，他也拒绝出席会议和离开柏林去他地就职。他说：“我曾对普朗克许下诺言，在这里的环境没恶化到普朗克本人承认我的离开是自然而然的和正确的之前，我不离开柏林。如果我不是迫不得已，而是哪怕是部分地出自物质利益便离开我的政治期望正在那里实现的国家，离开用爱和友谊来温暖我的人们，而在开始堕落的时期我的离开对他们来说可能会加倍地难受……那我就是忘恩负义了。”很可惜，他的民主和社会主义的政治期望并未在战后德国实现，法西斯上台后把他视为犹太人的领袖，加大了迫害的手段，迫使他移居美国。此后，他一直以他个人的威望反对法西斯和关心弱小民族的命运。他对中国人民的苦难深表同情，多次支持中国抗日和中国人民争取民主权利的斗争。 爱因斯坦多次告诫科学家要履行自己的社会职责。他说：“任何技术的应用都必须以人为本，关怀人的命运。”“要关心如何安排人的劳动和分配财富，以保证科学的成果用于造福人类，而不是用于破坏的那些尚未解决的大问题。”他还说：“国家是为人而存在，而不是相反，科学也是一样。” 三、爱因斯坦的教育思想 和成长历程 爱因斯坦不是一个通常意义下循规蹈矩的好学生，他厌恶那些不尊重学生主动性和独立人格的灌输式教育，他在中学和大学都不为老师所看重。他在自述中写到：“有时，人们把学校简单地看作是一种工具，靠它来把大量的知识传授给成长中的一代。但这种看法是不正确的。知识是死的；而学校却要为活人服务。它应当发展青年人中那些有益于公共福利的品质和才能。但这并不是意味着个性应当消灭，而个人只变成像一只蜜蜂或蚂蚁那样仅仅是社会的一种工具。因为一个由没有个人独创性和个人志愿的规格、统一的个人所组成的社会，将是一个没有发展可能的不幸的社会。相反地，学校的目标应当是培养有独立行动和独立思考的个人，不过他们要把为社会服务看作是自己人生的最高目的。”他还说：“自由行动和自我负责的教育，比起那种依赖训练、外界权威和追求名利的教育来，是多么的优越呀。真正的民主决不是虚幻的空想。”他从小就需要自由的时空和选择来安排自己的学习，他很少听课，利用同学的笔记对付强制的考试，他说：“尽管摆在我们面前的课程本身都是有意义的，可是我仍要花费很大的力气才能基本上学会这些东西。对于像我这样爱好沉思的人来说，大学教育并不总是有益的。无论多好的食物强迫吃下去，总有一天会把胃口和肚子搞坏的。纯真的好奇心的火花会渐渐地熄灭。幸运的是，对我来说，这种智力的低落在我学习年代的幸福结束之后只持续了一年。”“事实上，现代的教学方法还没有把神圣的求知欲完全扼杀掉，这差不多是一个奇迹；因为这株脆弱的幼苗，除了需要鼓励之外，首先需要自由——没有自由它将不可避免地会夭折”。 给一位教授的求情信这样写到：“亲爱的教授：请原谅一个父亲为了他儿子的事情来打搅您。……我的儿子目前失业，这使他深感难过。他越来越觉得，他的事业已经失败，再也无可挽回。而最使他沮丧的是，他感到自己是我们的负担，因为我们的景况不好……”这位教授是否给过帮助，现在已无从了解，但可以肯定大学的教授们从未认为爱因斯坦是个做学问的人才。 1902年，在同学格罗斯曼的父亲的帮助下，爱因斯坦获得了瑞士专利局职员的工作，才得以靠微薄的收入维持一家的生活，而在1905年发表的改变20世纪物理学面貌的5篇重要论文则是他业余时间的创作。爱因斯坦在专利局工作到1909年，才有大学聘请他为副教授。对这7年的生活，他回顾到：“在我最富于创造性活动的1902～1909年这几年中，我就不用为生活而操心了。即使完全不提这一点，明确规定技术专利权的工作，对我来说也是一种真正的幸福。它迫使你从事多方面的思考，它对物理的思索也有重大的激励作用。总之，对于我这样的人，一种实际工作的职业就是一种绝大的幸福。因为学院生活会把一个年轻人置于这样一种被动的地位：不得不去写大量科学论文——结果是趋于浅薄，这只有那些具有坚强意志的人才能顶得住。然而大多数实际工作却完全不是这样……作为一个平民，他的日常生活并不靠特殊的智慧。如果他对科学深感兴趣，他就可以在本职工作之外埋头研究他所爱好的问题。不必担心他的努力会毫无成果。” 爱因斯坦的一生多姿多彩，光辉伟大。他在艰苦条件下坚持献身科学的理想，他维护正义、反对法西斯和强调以人为本的社会责任感，他不唯上、不唯书、不迷信权威、不惧怕困难、不为世俗名利动心、不受传统制度和观点的束缚，独立自主，自由思考，刨根到底地追求科学真理。所有这些都为中国科学界、教育界提供了极其宝贵的启示。中国要成为科学强国，必须学习爱因斯坦的精神，改革我们的教育方法，创造良好的研究环境，培养和造就一代有理想，有道德，充满社会责任感，掌握、创造和应用最新科技成就，敢想敢干，敢于超越，全身心献身振兴中华的青年英才。让我们为此而努力吧! (标题为编者所加)
愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與特殊相對論(Special Relativity) 愛因斯坦小時候曾讀過 Aron Bernstein 的《自然科學國民手冊》(The People’s Book on Natural Science)，其中有一章，作者伯恩斯坦請讀者想像自己與電流一起滑過電報線路的情形，這個想像一直盤踞在年輕愛因斯坦的心中。愛因斯坦 16 歲時開始思考，假如他能趕上光的速度，那麼光束看起來會像什麼呢？孩童時代的愛因斯坦總認為，如果有人能隨著光一起衝刺的話，光束看起來應該是靜止的，就像靜止的波一樣，但是一直沒有人曾經觀察到靜止的光，所以讓他開始思考其中可能的原因。 自從伽利略和牛頓以來，物理學家就已經觀察到，在實驗室中觀測力學現象時，不管儀器是靜止的，或是沿直線做一等速運動，結果並無差別；物體在等速前進的船隻中，和停泊在港口的船上，其行為也都是相同的，當時的科學家稱其為相對性原理。但是大家都認為此原理不適用於光上面。 19 世紀末時，大家都認為光是一種波。對於科學家來說，既然光是一種波，則它必需透過媒介體才能傳播，如聲波或水波一般。於是，他們相信世界上一定充滿著一種叫做乙太的特殊物質，而這也可以解釋光為什麼能在看起來空蕩的空間中行走。但是，若情況如此的話，那麼光速就不應像馬克斯威爾方程式所預測是不變的，它會受運動的影響而改變。經過無數次的實驗後，大家仍是無法對此假設找到考靠的證據。 1887 年，Albert Michelson 和 Edward Morley 在美國俄亥俄州克里夫蘭所做的實驗是其中最有名的。他們的實驗儀器是一個巨大的石箱，裡面有許多鏡子及交叉的光線，可以精確地測出光速的變化。據此，當地球在太空中快速運動時，Michelson 和 Morley 預測光束應該會改變，可是他們卻無法測出光束任何的變化，這讓他們很驚訝。愛因斯坦是否留意到這個特別的實驗一直為大家所爭論，但是他對時間與空間的嶄新分析倒是給這個意料之外的結果提供了一個解釋。 在 Michelson 和 Morley 所測得的結果(或沒結果)出現後，愛因斯坦決定在他的特殊相對論中完全摒棄乙太的觀念，而從兩個基本假設著手。 第一，任何一個做等速運動的觀察者都會有相同的物理法則；第二，不管光源運動速度的快慢，或是方向有別，光速 $$c$$ 都是一定的。假若這兩個假設都成立的話，那麼我們對於時間的概念一定不正確，尤其是，兩件在同一座標系中同時發生的事情，在另一座標系中就不會同時發生。時間不是絕對的，它是相對的。 因為測量長度時需要決定物體在同一時間前後端的位置，因此，這相同的相對原理必須適用到長度上，也應適用到物質與能量的數量上。因此，時間經過的速率也會因物體(或人)運動的快慢而有所不同，當人運動得越快，則時間經過得越慢；物體運動得越快，距離越短，物體也會越重。事實上，當一個有重量的物體到達光的速度時，時間會慢下來直到停止，沒有距離，而物體的能量則變得無限大。 愛因斯坦並非是唯一一個質疑時間絕對性的科學家或哲學家，在那個時代，許多人都沈浸在探討如何讓不同地點的時間同步化的問題上，原因之一是，這對各鐵路公司時刻表的相互配合很重要，愛因斯坦也對此有他自己的看法。根據 Peter Galison 在他的書《愛因斯坦的時鐘，普因克爾的地圖》(Einstein’s Clocks,Poincare’s Maps)中所述，在愛因斯坦於伯恩的瑞士專利局任職的那個時代，要讓鐵路網中各站的時鐘都能同步是一項要求高度精密的行業，當時有很多的專利申請都是有關以信號來連結時鐘的設計。 1890 年代時，天文學家和工程師都要會算出電的信號從一個地方傳到另一地方所需花費的時間，有些工程師甚至要來回都發送時間的信號，以補救可能發生的錯誤。  Henri Poincare (From: Yerkes Observatory, University of Chicago) 當時在巴黎經度局任職的 Poincare 經常思索「時間傳送」的問題。1898 年 1 月，他寫了一篇有名的哲理性文章《時間的測量》(The Measure of Time)，討論時間同步只不過是兩個時鐘交換信號，再加上考慮到電或光的信號所需的傳送時間如此而已的可能性。Poincare 一直到 1900 年時才將他的想法應用到物理上，當時他受邀參加為了對運動物體的電動力學大師勞倫斯(H. A. Lorentz)致敬所舉辦的集會，他上台演講時表示，他已經可以將勞倫斯純數學上的時間觀念重新詮釋，做為實際上調整時間之用。 然而，Poincare 卻無法揚棄真正時間(在乙太的座標系上)，與在其他座標系上所測出的「表面時間」兩者之間的基本差異，也無法摒棄乙太的觀念。愛因斯坦將兩者皆拋棄，而得到了真正革命性的結果。 能量和質量是等同的〈APS News, 2005 年 4 月〉 1905 年 9 月，愛因斯坦發表了他特殊相對論的一個重要結果：假如一個物體放出能量，那麼那個物體的質量一定會減少，減少的質量和放出的能量成比例。正如他給朋友的信中所解釋的：「和馬克斯威爾方程式有關的相對原理說，質量是物體內所含能量的直接計量；光會傳送質量…。這種想法很迷人，但是我不知道上帝是不是在開我玩笑，讓我誤入歧途。」 愛因斯坦並非提出質量與能量之關係的第一位科學家，早在 1881 年，發現電子的 J. J. Thomson 就提出電磁質量的概念，說明一種特定的能量會增加物體的質量，並提出它們之間的關係。 19 世紀末和 20 世紀初，有不少物理學家都著手研究這個理論，其中最著名的是德國哥廷根的 Max Abraham。Abraham 提出的模型說明電子是一個剛體球，電荷密度均勻。勞倫斯修正 Abraham 的理論，說明球體的長度在運動方向會縮短。Poincare 則證明，若要讓勞倫斯的模型前後都能一致的話，則需要增加一種新的作用力，即是 Poincare 應力。這些研究都希望利用已觀察到的電子能量、質量與速度之間的關係來決定哪一個模型是正確的。 相對論卻將這些全擺在一邊，它告訴我們其正確的關係是， $$E=mc^2g~~~~~~(1)$$ 在此，$$g^{-2}=1-v^2$$ 純只是一個運動性因子，不管內部的動力情況，對任何粒子皆適用。 1905 年 6 月，愛因斯坦提出特殊相對論基本概念的論文，9 月時，他又提出簡短的續文。藉由運動學的簡單理論與已知電磁輻射中能量與動量之間的關係，愛因斯坦得到了一個方程式，此方程式後來和愛因斯坦永遠齊名。在 Julian Schwinger 的書《愛因斯坦不朽的貢獻》(Einstein’s Legacy，93-98 頁， Dover 出版，2002 年)中，作者對愛因斯坦的推理做了很好的詮釋： $$E=mc^2$$ 是方程式 $$(1)$$ 在 $$v = 0$$ 的極限；$$E$$ 是物體在其靜止座標系的能量，$$m$$ 是靜止的質量，$$c^2$$ 是光速的平方。在他 9 月的論文中，愛因斯坦已經知道由放射物質所放出的粒子能量可能會使放射物質的質量減少，因此，他提議要仔細地測量鐳鹽的質量，以做為可以證明他的方程式是正確的方法。然而，因為 $$c$$ 在實驗室中的值很大，以致於質量減少一點點就會產生巨大的能量，結果在此過程中質量減少的數量太小了，所以觀測不到。 這個方程式過了很久，一直到 1933 年時，才得到實驗的證實無誤。當時在巴黎的 Irene 和 Frederic Joliot-Curie(譯者按：居里夫人的女兒與女婿，於 1935 年同獲諾貝爾化學獎。)得到了能量轉變為質量的直接顯相的證據；同時，1932 年時，在英國的劍橋亦反過來觀察到了質量轉變為能量的過程。後來 John Cockcroft 和 E. T. S. Walton 使用他們的儀器，以 $$125~keV$$ 能量的質子來撞擊 $$^7\text{Li}$$ 的原子核，碎裂結果所產生 2 個粒子合起來的質量比原來的 $$^7\text{Li}$$ 加上 $$p$$ 的質量和少了一些，但是它們飛離時，帶有 $$17.2~MeV$$ 的動能。若以已知新產生與已消失的粒子質量來計算，可以清楚地證實愛因斯坦方程式的正確性。 $$E=mc^2$$ 也是核分裂和核融合的基本原理，在核分裂中，一顆原子核分裂成兩個或多個碎片，所有碎片的總質量會比原有原子核的質量少，少掉的質量就是排放出的熱量與輻射。自然界存在的輻射性物質其能量的排放往往太緩慢了，以致於沒有什麼實際的用處。匈牙利的物理學家 Leo Szilard 首先提議，使用足量的鈾會產生連鎖反應，因為鈾的原子核會吸收中子，然後分裂，再產生更多的中子，造成它成指數般地極速衰變。在經過無數次的技術創新與理論突破後，終於製成了第一顆原子彈及核反應爐，可以將物質的質量轉為熱量，然後再轉變成電能。 輕原子的核融合也可以產生熱量，在極高溫下，原子核會融合在一起而形成更重的原子，它的質量會比原來所有原子的總質量少一些，少掉的質量都轉化為動能排放出去，正如 Hans Bethe 和其他物理學家所做的專業分析一般。各種不同的核融合反應使我們了解到太陽和其他的星球如何會發光，Bethe 也因此成就於 1967 年榮獲諾貝爾物理獎。$$E=mc^2$$ 是愛因斯坦最著名的貢獻，但並不是最偉大的成就。我們以後將會介紹他最超凡的理論—廣義相對論。 參考資料：
譯者按： 每月出刊的「美國物理學會新聞」(APS News)自 2000 年3 月起，開闢了一個專欄「本月物理史」，內容有趣，深具啟發性。因此，在徵得美國物理學會的同意後，我們決定將其翻譯出來，從 2006 年開始，定期刊登於「物理雙月刊」中，與大家分享。 2005 年為「世界物理年」，「本月物理史」專欄特別刊出一系列的文章，記錄愛因斯坦的貢獻與其相關的歷史，以紀念這位科學界的巨人。我們趕在 2005 年結束之前，翻譯出其中的四篇，報導愛因斯坦在 100 前(1905 年)所提出的光電效應、布朗運動與特殊相對論三個劃時代革命性理論的相關歷史，以表達我們對一代偉人崇高的敬意，也做為我們明年開始一系列翻譯的先聲。 爱因斯坦出名什么？他在科学哲学领域颇具影响力。 因为“对理论物理的贡献，特别是发现了光电效应的原理”，他荣获1921年度的诺贝尔物理学奖（1922年颁发）。 这一发现为量子理论的建立踏出了关键性的一步。 爱因斯坦在职业生涯早期就发觉经典力学与电磁场无法相互共存，因而发展出狭义相对论。
阿尔伯特·爱因斯坦 对人类有什么贡献？ˈalbɛʁt ˈʔaɪnʃtaɪn 帮助·信息，1879年3月14日－1955年4月18日），是出生于德国、拥有瑞士和美国国籍的犹太裔理论物理学家，他创立了现代物理学的两大支柱的相对论及量子力学 :274，也是质能等价公式（E = mc2）的发现者。 他在科学哲学领域颇具影响力。
爱因斯坦擅长什么？爱因斯坦从小就擅长数学和物理，比同龄人早几年达到数学水平。 十二岁的爱因斯坦在一个夏天自学了代数和欧几里得几何。 同时爱因斯坦在12岁时也独立地发现了毕达哥拉斯定理的原始证明。 在给了12岁的爱因斯坦一本几何教科书后，家庭教师马克斯·塔木德说：“爱因斯坦在短时间内就完成了整本书。
爱因斯坦因为什么理论贡献获得了诺贝奖？另一方面，给光电效应的工作颁发诺奖，又比爱因斯坦对统计力学的贡献更合适，因为1919年诺贝尔奖委员会曾提出，后者不如相对论和量子论重要。 所以最终在1922年，爱因斯坦因为对光电效应的理论解释获得1921年的诺贝尔物理学奖。
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爱因斯坦的贡献
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