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誰是愛因斯坦?

2015/11/28 — 15:28

愛因斯坦正式成為美國公民 / Wikimedia

愛因斯坦正式成為美國公民 / Wikimedia

我們都聽過愛因斯坦的名字。他為何這樣有名?他的生平是怎樣的?他改變世界只在於物理學嗎?趁著他的廣義相對論發表 100 週年,讓我們回顧他的生平,看看他是如何改變人類對宇宙的認識,他的貢獻又是如何繼續影響著今天世界的發展。

愛因斯坦出生地——烏爾姆 (Ulm) Candidus / Wikimedia

愛因斯坦出生地——烏爾姆 (Ulm) Candidus / Wikimedia

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阿爾伯特.愛因斯坦 (Albert Einstein) 在 1879 年 3 月 14 號出生於德國一個名叫烏爾姆 (Ulm) 的城鎮,位於慕尼黑以西大約 80 公里。愛因斯坦的父母都是猶太人,母親 Pauline Koch 自小受良好教育,擅長鋼琴演奏,在當時社會是比較難得的知識女性;父親 Hermann Einstein 是工程師和商人,與愛因斯坦的叔叔合資經營電器公司。愛因斯坦有一個妹妹,叫做 Maja Einstein。

愛因斯坦小時候不愛說話。父母曾以為他有說話問題,帶過他去看醫生。小愛因斯坦習慣先把想講的話輕聲重複幾次,直到覺得滿意才大聲講出來。現在看來,這應該是愛因斯坦的性格,並非學習障礙。

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兒時的愛因斯坦和他的妹妹 Maja Einstein / Wikimedia

兒時的愛因斯坦和他的妹妹 Maja Einstein / Wikimedia

愛因斯坦是一個理論物理學家,他發現的相對論和量子力學是現今所有科技和科學的基礎。根據他本人回憶,他對物理的好奇心始於小時候,大約四、五歲左右。父親有時候會帶他到公司工作,把他安置在一個房間內自己玩耍。由於怕他悶,所以父親送給他一個指南針。愛因斯坦回憶道:

「當我父親在我大約四、五歲的時候給我看一個指南針,使我對大自然感到驚嘆。這支針堅決的行為並不符合事件的本質,而是處於一個關於概念的無意識世界(一個關係著『接觸』的結果)。我仍舊記得 —或者我相信我仍舊記得 — 這經歷帶給我深刻和恆久的印象。有一些事情深深隱藏在物件背後。一個人在幼兒時期看到的事物不會引起這反應;他不會為物件落下感到驚訝、不會思考風風雨雨、不會思考月球或者為何月球不會掉下來、不會思考有生命與無生命的不同之處。」

"Autobiographical Notes" (1949), Published in Albert Einstein : Philosopher-Scientist (1949) edited by Paul A. Schilpp. Reprinted in A Stubbornly Persistent Illusion: The Essential Scientific Works of Albert Einstein (2009) edited by Stephen Hawking, p. 339.

愛因斯坦就讀的是一間天主教小學。中學時,他在慕尼黑的 Luitpold-Gymnasium 讀書。這學校數理與文學教育並重,令愛因斯坦得到很好的教育。這學校現改名為 Albert-Einstein-Gymnasium。

由於父親經營的公司生意不景在 1894 年關閉,愛因斯坦家庭搬至意大利,只留下愛因斯坦在慕尼黑繼續學業。愛因斯坦住在遠房親戚家中,遠離家人令他感覺很不開心。另一方面,他也很不喜歡慕尼黑學校機械式的教育。同年年底他以身體不適為理由離開慕尼黑到意大利與家人會合,亦避免了從軍。他在 1896 年放棄德國國籍,成為無國籍人士。

1895 年,愛因斯坦比一般考生小兩歲、年僅 16 歲就以高分通過了瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zürich) 的數理入學考試。不過由於他的文科考試比較差,理工學院的院長建議他首先完成中學課程。所以愛因斯坦就在瑞士一間中學完成中學學業,期間住在 Jost Winteler 教授家中,並與教授的女兒 Mary Winteler 談戀愛。1896 年,愛因斯坦以優異成績通過瑞士高中考試,數學和物理都取得最高分的 6 分。

愛因斯坦並沒有如他父親所期望的入讀電機工程學系。他進入了蘇黎世聯邦理工學院師範系學習數理科學。愛因斯坦於 1900 年取得教學文憑,而他的同學兼女友與第一任妻子 Mileva Marić 需要留級一年。根據他倆早期的書信來往,他們在婚前生有一女,名叫 Lieserl。但在 1903 年的最後一封信後,愛因斯坦從此沒有再提起過她。一些歷史學家認為 Lieserl 可能被收養或死於猩紅熱,愛因斯坦從來沒有見過她。

愛因斯坦自小喜愛彈奏小提琴。這也成為他一生的嗜好,當他有解決不到的物理或數學問題時,他喜歡邊彈小提琴邊找靈感。他曾說過:

「如果我並非物理學家,我很可能會成為音樂家。我通常以音樂思考。我做關於音樂的白日夢。我認為我的生命是以音樂來寫的。...... 我不能告訴你我能否做出原創性的、重要的音樂,但我知道我一生大部分的快樂都來自音樂。」

- “What Life Means to Einstein: An Interview by George Sylvester Viereck" The Saturday Evening Post (26 October 1929), 

愛因斯坦拉奏小提琴 / Wikimedia

愛因斯坦拉奏小提琴 / Wikimedia

愛因斯坦於 1901 年取得瑞士國籍,他保留這國籍直至他於 1955 年過世。大學畢業後,愛因斯坦找不到校內助教工作,因為系上的教授都不喜歡他,認為他不聽話,甚至寫信要求歐洲其他大學的教授都不要聘請愛因斯坦。愛因斯坦在 1900 年至 1902 年間寫了許多求職信,全部石沉大海。愛因斯坦極度沮喪,以致他父親也私下寫信給大學教授們,請求他們聘請愛因斯坦。愛因斯坦不受老師們喜愛也不是第一次,他的小學老師認為他是智障的、他的中學老師曾經罵他沒有出息,因為「愛因斯坦令班上同學都不尊敬老師」。

愛因斯坦得不到大學研究所的職位,因此他與幾位好友組織了一個「奧林匹亞學院」,定期討論科學和哲學。其中一位朋友曾經是他的私人補習學生,後來愛因斯坦不收他學費,與他一起討論學問。這顯示了愛因斯坦對學問的熱愛,以及他以平等身份與學生交流的性格,實為後世榜樣。

後來,愛因斯坦的同班同學 Grossmann Marcell 的父親幫助他在瑞士專利局找到一份助理專利員的工作。這暫時解決了愛因斯坦的財政問題,他與 Mileva 所生的大子 Hans Albert Einstein 於 1904 年出生、二子 Eduard Einstein 於 1910 年出生。

愛因斯坦在專利局負責電磁發明專利的技術鑑定工作。他經常在早上就完成了當天所有工作,然後在自己的辦公桌上做物理研究。他的上司也知道這事,不過沒有拆穿他,事實證明這上司的做法是明智的。他在瑞士專利局裡思考電磁現象的相對性和光的性質,在 1905 年發表了狹義相對論 (Special Theory of Relativity),從此改變人類自牛頓以來 400 年的時空觀,成為現代物理學的基礎。

愛因斯坦發表的光電效應論文 / 論文截圖

愛因斯坦發表的光電效應論文 / 論文截圖

愛因斯坦在 1900 年決定攻讀物理學博士學位,但由於蘇黎世聯邦理工學院並沒開設博士課程,他要以特別安排從蘇黎世大學 (Universität Zürich) 取得學位。他的博士論文指導教授是 Alfred Kleiner,而 Kleiner 教授並不滿意愛因斯坦的博士畢業論文初稿,特別因為愛因斯坦在論文中攻擊其他科學權威。最後在 1905 年,愛因斯坦的博士論文《分子大小的新測定法》通過博士考試,得到博士學位。同年,愛因斯坦發表了 4 篇歷史性的研究論文,後世稱 1905 年為愛因斯坦的奇蹟年。這 4 篇論文分別為

  1. 6 月 9 號發表的《論關於光的產生和轉變的啟發性觀點》即中學物理學到的光電效應 (Photoelectric Effect),是光電池的基礎、光量子理論的奠基論文;
  2. 7 月 18 號發表的《論由份子熱動力學要求的細小粒子在靜止液體中的運動》即初中科學堂都會講的布朗運動 (Brownian Motion),證明原子真實存在;
  3. 9 月 26 號發表的《論運動物體的電動力學》即狹義相對論,㒹覆人類對時間和空間的認識;
  4. 11 月 21 號發表的《物質的慣性視其能量而定嗎?》即家傳戶曉的質能等價公式 E = mc2,統一質量和能量這兩個概念,也導致後來二戰原子彈的研發。

上述 4 篇論文之中,愛因斯坦因為其光電效應之論文獲頒 1921 年諾貝爾物理學獎。不過這些論文對世界的貢獻,已超越任何獎項所能代表。

愛因斯坦原本預期他的論文會立即引起物理學界的關注,可是結果卻正正相反。在論文發表後,物理學界一片寂靜。愛因斯坦以為會有很多教授來信與他討論,結果只有一位教授明白並支持他的相對論。這一位,就是物理學大名鼎鼎的馬克斯.普朗克 (Max Planck),量子假說的始創人、1918 年諾貝爾物理學獎得主。

其實物理學界私下討論相對論非常熱烈,但太多人怕愛因斯坦的理論是錯誤的,所以很少人公開表態。只有普朗克認為愛因斯坦的理論是完全合理和正確的,只有他敢公開支持愛因斯坦。這也無可厚非,畢竟愛因斯坦推翻的是牛頓運動定律!試想像 400 年來的物理學支柱突然破碎消失,就算是科學家也難以一時之間完全接受。而相對論把時間與空間結合的摡念,數學上雖然簡單直接,很多人仍然質疑其物理真實性。

普朗克相信愛因斯坦的理論是正確的。他想與愛因斯坦討論,於是就寫信給「愛因斯坦教授」。他以為能夠提出這樣厲害的理論的人,想必是大學教授吧?為什麼這愛因斯坦教授的聯絡地址,竟然是一間專利局?在幾個月後,愛因斯坦終於收到了第一封來自學術界、柏林洪堡大學 (Humboldt-Universität zu Berlin) 的普朗克教授寫給他的信,請愛因斯坦闡明幾點狹義相對論論文中不清楚之處。

一天,愛因斯坦如常在專利局上班,一位來自柏林洪堡大學的人來到專利局,問專利局的人「愛因斯坦教授在哪裡?」專利局就請他坐在會客室等待,然後叫愛因斯坦出來。愛因斯坦來到會客室,看到這個來找他的人,可是卻害羞得不敢自我介紹。那人也以為他只是一個小職員。然後愛因斯坦走了又回來,那人覺得奇怪,愛因斯坦教授呢?最後他驚訝的發現,「愛因斯坦教授」竟然就是眼前這個不起眼的年輕人。

原來這個來找愛因斯坦的人,是普朗克派來的學生馬克斯.馮.勞厄 (Max von Laue),他後來在 1914 年得到諾貝爾物理學獎,也是用實驗證明愛因斯坦狹義相對論速度疊加公式正確無誤的人。愛因斯坦和他一邊談物理,一邊走路回去愛因斯坦的家。路上,愛因斯坦給馮.勞厄一支雪茄。馮.勞厄後來回憶說,愛因斯坦抽的這牌子的雪茄太差了,所以他當時扮作將這雪茄「不小心」丟掉了。

愛因斯坦在 1906 年獲得博士學位,並升職為二級專利員。1908 年,伯尼爾大學 (Universität Bern) 聘請愛因斯坦做講師,可是由於薪金太少,愛因斯坦仍然需要在專利局工作。愛因斯坦的論文指導教授 Kleiner 本來打算聘請他在蘇黎世大學當副教授,可是因為愛因斯坦教學風評不佳,學生投訴他上課時會自言自語,而且講書內容沒有條理,所以 Kleiner 沒有聘請他。因此愛因斯坦精心準備了一堂課,請 Kleiner 再評估一次。這次愛因斯坦講得很好,最後愛因斯坦終於受聘為蘇黎世大學理論物理學副教授,並辭去了專利局的工作。

愛因斯坦在他的辦公室 / Wikimedia

愛因斯坦在他的辦公室 / Wikimedia

這個時候,愛因斯坦已經是物理學界的著名新星,各間大學開始爭相聘請他。期間,愛因斯坦當過布拉格查理大學 (Univerzita Karlova v Praze) 和母校蘇黎世聯邦理工學院的副教授。在 1914 年,因為普朗克和瓦爾特.能斯特(Walther Nernst,熱力學第三定律的發現者,1920 年諾貝爾化學獎得主)的邀請,回到德國擔任威廉皇家物理研究所 (Kaiser Wilhelm Institute of Physics) 首任所長兼柏林洪堡大學教授,而且沒有教學職責。不久後,愛因斯坦又當選為普魯士科學院 (Preußische Akademie der Wissenschaften) 院士和德國物理學會 (Deutsche Physikalische Gesellschaft) 會長。愛因斯坦已經成為科學界最有名的科學家。

愛因斯坦在 1905 年發表狹義相對論之後,開始思考如何將重力納入相對論。這也是為什麼狹義相對論會叫做「狹義」,因為它並不能解釋重力和加速度。經過十年的時間,愛因斯坦在 1915 年 11 月的一場演講之中首次發表了一套完整包含重力和加速度的時空理論,完完全全拋棄了牛頓物理學體系,稱之為廣義相對論 (General Theory of Relativity)。廣義相對論說時間和空間不單止是一體的時空,而且質量和能量可以扭曲時空,被扭曲了的時空就是我們經歷的所謂重力。重力,或者萬有引力,在廣義相對論之中不被描述為一種力,而是時空扭曲的結果。

亞瑟.愛丁頓其中一幅拍下日全食時,太陽附近的星光 / Wikimedia

亞瑟.愛丁頓其中一幅拍下日全食時,太陽附近的星光 / Wikimedia

1919 年 5 月 29 號,天文學家亞瑟.愛丁頓 (Arthur Eddington) 在西非日全食時觀察太陽附近的星光,計算出星光的偏折角度與廣義相對論的預測吻合,漂亮地證明了廣義相對論。當愛丁頓的電報傳回歐洲,愛因斯坦的學生就告訴愛因斯坦,愛丁頓證實了你的理論了。愛因斯坦就說,我早就知道我的理論是正確的。學生就問他,那麼,如果愛丁頓的觀測發現你的理論是錯的呢?愛因斯坦的回答,顯示了他對自己理論的信心和自傲:「若然如此,我會為上帝感到可惜。我的理論是正確的。」

有傳普朗克當晚徹夜未眠,等待愛丁頓的報告。愛因斯坦知道後,就說:「如果普朗克相信我的理論是正確的話,他就會跟我一樣,一早上床睡覺了。」

這就是愛因斯坦由不受歡迎的頑劣學生和名不見經傳的專利局員,成為世界上無人不識的科學家的故事。那麼,究竟他的理論是如何影響世界的呢?下一篇文章,我們就來討論愛因斯坦的物理學。

 

《廣義相對論 100 周年》系列:

第二章/《與光同行 — 愛因斯坦

第三章/《愛因斯坦:廣義相對論

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