科学家故事：爱因斯坦

一点小事中受到启发
爱因斯坦是当代伟大的物理学家。他遇事爱思考、研究，常常从一点小事中受到启发。
有一次，他要把墙上的一幅旧画换下来。就搬来一架梯子，一步一步爬上去。突然，他又想起一个问题，沉思起来，忘记自己做什么了，猛地从梯子上摔下来。摔到地上以后，他顾不得疼痛，马上想到：人为什么会笔直地掉下来呢？看来物体总是沿着引力最小的线路运动的。爱因斯坦想到这里马上站立起来，一瘸一拐地走到桌边，提笔把自己的这个想法记了下来。这对他正在研究的问题——相对论有很大的启发。
爱因斯坦在物理学上取得伟大成就以后，在世界上获得了很高的荣誉，但是他从来不图虚名，生活一直艰苦简朴。有一年，比利时王后邀请他访问比利时，为了迎接他，比利时特别组织了一个欢迎委员会，到火车站迎接。等着等着，旅客都走了，他们也没有迎到爱因斯坦，只好立即向王后报告情况。
“什么？你们没接到贵宾？”王后着急地问。
“我们在火车到站之前就等着，直到人都走光了也没有看见爱因斯坦。”欢迎委员会的人说。
“你们马上分头去寻找贵宾，一定要把他接到王宫来。”王后吩咐道。
于是，欢迎委员会的人马上分散行动，到各处寻找。最后，在大街上熙熙攘攘的人群中发现了一位头发灰白又蓬乱的老人——爱因斯坦。他们只得和他一起步行到王宫。比利时王后奇怪地问他：“您为什么不乘我派去接您的车子呢？”
“我觉得这样步行要比乘车愉快得多。”爱因斯坦微笑着回答。

低调的人
爱因斯坦十六岁时报考瑞士苏黎世的联邦工业大学工程系，可是入学考试却告以失败。看过他的数学和物理考卷的该校物理学家韦伯先生却慧眼识英才，称赞他：“你是个很聪明的孩子，爱因斯坦，一个非常聪明的孩子，但是你有一个很大的缺点：就是你不想表现自己。”
　　韦伯先生是讲对了，爱因斯坦在数学方面可以说是有“天才”，他在12岁到16岁时就已经自学学会了解析几何和微积分。而对于不想表现自己这个“缺点”，他也是“死不悔改”。他晚年写给朋友的信中说：“我年青时对生活的需要和期望是能在一个角落安静地做我的研究，公众人士不会对我完全注意，可是现在却不能了。”
　　著名的电影演员查理．卓别林在他的影片《城市之光》于好莱坞首映之日，邀请爱因斯坦夫妇去看。爱因斯坦和卓别林走出汽车时，许多人发现爱因斯坦来看戏，大家围拢欢呼，注意力都集中在他身上而不是卓别林。爱因斯坦不喜欢这样的场面，问卓别林：“这是什么意思？”卓别林马上安慰他：“这没有什么。”
“相对论”妙解
有一次，群众包围了从德国移居美国的科学家爱因斯坦的住宅，要他用“最简单的话”解释清楚他的“相对论”。当时，据说全世界只有几个高明的科学家看得懂他关于“相对论”的著**因斯坦走出住宅，对大家说：“比方这么说——你同你最亲的人坐在火炉边，一个钟头过去了，你觉得好像只过了5分钟！反过来，你一个人孤孤单单地坐在热气逼人的火炉边，只过了5分钟，但你却像坐了一个小时。——唔，这就是相对论！”
大纸篓
爱因斯坦被带到普林斯顿大学他的办公室那天，有人问他需要什么工具。“我看，一张书桌或台子，一把椅子和一些纸张铅笔就行了。啊，对了，还要一个大废纸篓。”他说。
“为什么要大的？”
“好让我把所有的错误都扔进去。”

意识
爱因斯坦的二儿子爱德华问：“爸爸，你究竟为什么成了著名人物呢？”
爱因斯坦听后，先是哈哈大笑，然后意味深长地说：“你瞧，甲壳虫在一个球面上爬行，可它意识不到它所走的路是弯的，而我却能意识到。”
理论的成败与国籍
20世纪30年代，爱因斯坦有一次在巴黎大学演讲时说：“如果我的相对论证实了，德国会宣布我是个德国人，法国会称我是世界公民。但是，如果我的理论被证明是错的，那么，法国会强调我是个德国人，而德国会说我是个犹太人。”
干吗要这么些人？
1930年，德国出版了一本批判相对论的书，书名叫做《一百位教授出面证明爱因斯坦错了》。
爱因斯坦闻讯后，仅仅耸耸肩道：“100位？干吗要这么些人？只要能证明我真的错了，哪怕是一个人出面也足够了。”
尚未凝固的水泥路面
　 1899年爱因斯坦在瑞士苏黎世联邦工业大学就读时，他的导师是数学家明可夫斯基。
　　有一次，爱因斯坦问明可夫斯基：“一个人，比如我吧，究竟怎样才能在科学领域、在人生道路上，留下自己的闪光足迹、做出自己的杰出贡献呢？”这是一个“尖端”的问题，明可夫斯基表示要好好想一想日后予以解答。三天后，明可夫斯基告诉爱因斯坦答案来了！他拉起爱因斯坦就朝一处建筑工地走去，而且径直踏上了建筑工人们刚刚铺平的水泥地面。在建筑工人们的呵斥声中，爱因斯坦被弄得一头雾水，不解地问明可夫斯基：“老师，您这不是领我误入‘歧途’吗？”“对、对，正是这样！”明可夫斯基说：“看到了吧？只有尚未凝固的水泥路面，才能留下深深的脚印。那些凝固很久的老路面，那些被无数人、无数脚步走过的地方，你别想再踩出脚印来……”听到这里，爱因斯坦沉思良久，意味深长地点了点头。
　　从此，一种非常强烈的创新和开拓意识，开始主导着爱因斯坦的思维和行动。用他自己的话说就是，“我从来不记忆和思考词典、手册里的东西，我的脑袋只用来记忆和思考那些还没载入书本的东西。”于是，就在爱因斯坦走出校园，初涉世事的几年里，他作为伯尔尼专利局里默默无闻的小职员，利用业余时间进行科学研究，为人类做出了卓越的贡献，在科学史册上留下了深深的闪光的足迹。;

爱因斯坦与歌德尔的故事
爱因斯坦和歌德尔相识于1933年，当时歌德尔只有27岁，而爱因斯坦已54岁。作为第三帝国(1933年至1945年纳粹统治的德国)的难民，在第二次世界大战期间来到美国，他们都讲德语。从20世纪40年代起，他们就是普林斯顿高等研究院的教授，他们的办公室离的很近，每天一起步行上班，两人之间有着深厚的友谊。
　　尽管爱因斯坦是物理学家，歌德尔是数学家，但是，他们都具有超越其学科领域的智慧。他们在科学上的密切关系源于两人深刻的性格差异。爱因斯坦是一个自信而坚定不移的人，而歌德尔往往在争论之前就退却了。歌德尔两次罹患神经衰弱。在最好的情况下，歌德尔是一个体弱的人，最糟糕的时候，他则深受忧郁症的困扰。1948年，歌德尔开始研究广义相对论，他成功地建立了一个新的宇宙模型。通过构造理论的精确解——能够计算重力场之力的场方程——歌德尔获得了上述原创性和逻辑上首尾一致的结果。论证的出发点十分简单，但具有完全令人信服的权威。
歌德尔一生勤奋治学，只发表过几篇逻辑学论文，但都是鸿篇巨著。发表于1931年的论文《论数学原理和有关系统的形式不可判定命题》就是其中的一篇。该文论证了后来以他的名字命名的不完全性定理。
公理化的方法带给数学的影响，犹如数学方法对物理学的影响：数学如何将物理学的内容统一在一个架构之内，公理化方法也就如何将数学的内容整合在一个框架之下。正如物理学家急切地寻找一切物理现象的最终理论，数学家也梦想着将其理论建立在一个稳固的基础上。而公理化就是其中最成功的方法——找出所有数学体系的最根本的元素 (比如运算方法，运算元素)之后，用纯逻辑的方法一步一步地推导，将过去所有通过直觉发现的数学定理一个接一个地“证明”出来。这样，所有的数学内容就用必真的逻辑保证了其正确性。
　　公理化方法的威力是如此的巨大，以至于20世纪最伟大的数学家希尔伯特将其后半生的精力投入到寻找使全部数学首尾一贯的公理之中。然后，数学家们便可以无忧无虑地在这个基础上建立自己的体系了。材料都已经准备好了，剩下的由数学家去玩吧!然而，这个欲将全部数学公理化的梦想被歌德尔的不完全性定理彻底粉碎了。
歌德尔的不完全性定理是20世纪数学的里程碑，它开创了现代逻辑发展的新时期，同时，它还意味着计算机绝不可能按程序化的方式来解决所有的数学问题。为表彰歌德尔的功绩，1951年在授予歌德尔爱因斯坦勋章时，大数学家冯·诺伊曼说：“库尔特·歌德尔在现代逻辑方面的成就是无与伦比的、不朽的——确实，它们不只是一座纪念碑，而且是一座其意义由于受时间、空间限制还未显现的里程碑。” 广义相对论的主要思想——空间与时间的融合——并不难理解。毕竟，在日常生活中空间和时间是融合的。人们通过确定事件是在何时何地发生的来确定事件本身。在三维地图上，三个数字足以指定某地的空间位置：经度、纬度和高度。如果再加上时间，就可以在时空中精确地确定事件。进一步，如果一个事件可以用4个数字来定义，那么一系列事件就可以用一系列这样的4个数字来定义。在广义相对论中，这样的系列称为世界线。 这样，广义相对论在时空几何与时空中运动物体的行为之间建立起深刻的联系。想像在垫子上放一块大理石，轻轻推动大理石，它将沿直线运动。如果再在垫子上放置一个滚木球，对滚木球上的大理石施以同样的推动，它将沿下陷的表面滚动，其运动轨迹由直线变成了曲线。该木球的重量使垫子这个介质变形了，而变形的介质影响了大理石的运动。

李政道追忆：我与爱因斯坦交往的故事
——李政道院士2005年4月15日在中国科协“世界物理年纪念大会”上的演讲
　　爱因斯坦一生对中国关怀很深，1922年两次来上海，他在来上海的船上收到瑞典方面通知他获得诺贝尔物理学奖的电报。中国学者和青年对相对论有高度的兴趣和了解，中国人民对爱因斯坦也怀着崇敬之情。
　　我手头有一张爱因斯坦与卓别林在一起的照片，有人根据这张照片，虚构了一场爱因斯坦与卓别林的对话，爱因斯坦说：“我们两人都是名人，你在舞台上有胡子，在生活中没有胡子。”卓别林说：“是啊，我们是名人，可是大家既认识我，又知道我在做什么，他们可能知道你的名字，却可能不认识你，更不知道你在做的是什么。”实际上，现在全世界都知道爱因斯坦在做什么，而且知道他的工作对世界产生了多么重大的影响。在我看来，爱因斯坦的科学成就，对新世纪人类文化可能会产生与上世纪同样或更大的影响。
　　理由是什么？这得从爱因斯坦的一篇文章谈起。科学家已经知道，在构成宇宙的物质和能量中，约占宇宙总能量的5%是已知物质的能量，约25％是暗物质的能量，约70％是暗能量。
　　可什么是暗物质？什么是暗能量？我们至今还没有搞清楚。已知物质是由电子、质子、中子……和极少量的正电子、反质子……构成。从引力场，我们知道暗物质的存在，但暗物质的构成方式与已知物质的方式不同。已知物质的能量约为暗物质的能量的五分之一。
　　暗能量更是奇怪，它有几个特点：一、它是一种负的压力；二、在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量有少量的差异。按照爱因斯坦的著名质能公式E=mc2，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量；三、暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量！爱因斯坦在二十世纪早期就曾假设过负压力（暗能量）的存在。他在一篇物理学文章中提出了这个观点的相关公式。后来，因为没有实验的支持，爱因斯坦就放弃了这一方向。最近几年，通过哈勃太空望远镜（Hubble SpaceTelescope）,我们发现，我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在“加速地”膨胀。从宇宙膨胀的加速度可以推算出，已知物质的能量约为暗能量的十四分之一。
我前不久写了一篇《暗能量的可能来源》的文章，探讨暗物质的存在，我的观点是“天外有天”：因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙。我最近还写了另一篇文章，试探和解释最近美国高能核物理的新发现和暗能量的关系。我的观念是“核天相连”：核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连。
　　暗能量在我们的宇宙中占据了如此重要的位置，而爱因斯坦是最早提出这一观念的，所以爱因斯坦对二十一世纪的科学发展的影响，很可能比对二十世纪的更大！
　　一百年前，爱因斯坦解决了许多理论物理学方面的难题，同时，他又给我们提出了许多新的难题，比如“统一场论”，虽然至今还未成功，但它一直是理论物理学的目标之一。由于爱因斯坦和全球无数的物理学家的工作，理论物理“遭遇了更多的难题”。在这些难题中，了解暗物质和暗能量是二十一世纪科学的大挑战，我相信我们会胜利的。
　　1952年，我和杨振宁合作写了两篇统计力学的文章。爱因斯坦看过之后，请他的助手考夫曼(Bruria Kaufman)来找我们询问，是否可以和他讨论。我们立刻说，当然可以。
　　我们走到爱因斯坦的办公室。他的桌子上就放着我们的文章，爱因斯坦说，他看了这两篇文章觉得很有意思。同时，我看到他面前的纸上写有很密的算式，原来，他在重复我们的一些计算。爱因斯坦先问关于文章中所用巨正则系统(Grand Canonkal Ensemble)的基础。显然，他并不熟悉这一观念。这很出乎我的意料之外，因为我以为巨正则系统是为了他1925年玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensation)的工作而创造的。爱因斯坦又问了我们文章中的格气(Lattice gas)的细则。他的问题都着重于物理的基本概念。我的回答使他很满意。他说的英语带有相当重的德国口音，他讲得很慢。我们讨论的范围十分广泛，也谈了很长时间，约一个多小时。最后，他站起来，和我握手并且说：“Wish you future Success in physics．”(祝你未来在物理学中获得成功)。我记得他的手很大、很温暖。对我来说，这实在是一次最难忘的经历。他的祝福使我深深感动。
　　3年后，爱因斯坦过世了。爱因斯坦死于1955年4月18日，今天是4月15日，再过3天就是爱因斯坦逝世50周年纪念日。
　　我们纪念100年前1905年爱因斯坦对物理学的贡献，我们也纪念爱因斯坦一生为人类做出的贡献和为科学献身。
　　我们的地球在太阳系是一个不大的行星，我们的太阳在整个银河星云系4000亿颗恒星中也好像是不怎么出奇的星，我们整个银河星云系在整个宇宙中也是非常渺小的。可是，因为爱因斯坦在我们小小的地球上生活过，我们这颗蓝色的地球就比宇宙的其他部分有特色、有智慧、有人的道德。

成功的秘诀
　　有一次，一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘决。他回答：“早在1901年，我还是二十二岁的青年时，我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你，那就是A=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！这公式对我有用，我想对许多人也是一样有用。”
“相对论”就是这样被发现的
　　爱因斯坦太太曾对查理·卓别林讲述爱因斯坦发现相对论时工作的情形。后来卓别林把这事记在他的自传里。这故事倒是可以看出爱因斯坦在这历史性发现的时刻是怎么样子工作的：
　　“博士像往常那样穿着睡袍下楼吃早餐，可是那一天却什么也没动。我想一定有什么问题发生，我问他什么事使他魂不守舍？
　　他回答：“亲爱的！我得到一个巧妙的想法。”
　　喝完咖啡后，他就走到钢琴前开始弹奏起来。几次停下来在纸上记录一些东西，然后重复地说：“我得到一个巧妙的想法，非常美妙的想法。”
　　他说：“这是很困难的，我仍需要进行工作。”
　　他继续玩钢琴，并且写下一些东西，这样半小时之久，然后走上楼去他的研究室，并且告诉我不要打扰他，他就一直留在房子里两星期。每天我上楼把食物送给他，傍晚时他就散一会儿步当作运动，然后回来继续他的工作。
　　最后他走下楼来，脸色显得苍白。“这里就是我的发现！”他把两张纸放在桌上，这就是他的“相对论”。”

爱因斯坦的镜子
爱因斯坦小时候是个十分贪玩的孩子，他常常和一群孩子混在一块玩。他的母亲为此忧心忡忡，但所有的告诫对小爱因斯坦来讲都如同耳边风。他常这样回答母亲：“别的孩子都在玩，我为什么要学习？而且我不比他们差。”直到他16岁那年的一天上午，父亲将正要去河边钓鱼的他拦住，并给他讲了一个故事，正是这个故事改变了爱因斯坦的一生。
“昨天，”爱因斯坦的父亲说，“我和咱们的邻居杰克大叔清扫完南边工厂的那个大烟囱，从里面钻出来时，出现了一件奇怪的事情：你杰克大叔的后背、脸上全被烟囱里的烟灰蹭黑了，而我身上竟连一点烟灰也没有。”
爱因斯坦的父亲继续微笑着说：“我看见你杰克大叔的模样，心想，我肯定和他一样，脸脏得像个小丑，于是我就到附近的小河里去洗了洗。而你杰克大叔呢，他看见我钻出烟囱时干干净净的，就以为他也和我一样干净呢，于是只草草洗了洗手就大模大样地上街了。结果，街上的人都笑痛了肚子，还以为你杰克大叔是个疯子呢。”
爱因斯坦听罢，忍不住和父亲一起笑起来。
父亲笑完了，郑重地对他说：“其实，别人谁也不能做你的镜子，只有自己才是自己的镜子。拿别人做镜子，白痴或许也会把自己照成天才的。”
爱因斯坦听了，脸色一点点凝重起来。不久，他就离开了那群顽皮的孩子。

旧大衣
　 一天，爱因斯坦在纽约大街遇见一位朋友。
　　“爱因斯坦先生，”这位朋友说，“你应该添一件大衣了。瞧，你身上的大衣太旧了！”
　　“这有什么关系，在纽约谁也不认识我。”爱因斯坦回答说。
　　几年以后，爱因斯坦已成为一个著名的科学家了，可他仍然穿着那件旧大衣。
　　那位朋友见到他，又劝他去买一件新大衣。
　　“何必呢？”爱因斯坦说：“这里每一个人都认识我了。”
“第三只小板凳”
爱因斯坦在劳作课上交上了一粗陋的小板凳，令老师很不满意。而爱因斯坦却举着另两只小板凳说：“这两只是我前两次做的，刚才交的是我第三次做的。虽然它不令人满意，但总比这两只强些。”
“死亡意味著什么”
有人问爱因斯坦“死亡意味著什么”，爱因斯坦说“死亡意味著再也听不到莫扎特的音乐了”。

广义相对论的建立
　　1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。
　　1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人开始为他鸣不平，1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并在第二年当上了副教授。1912年，爱因斯坦当上了教授，1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。
　　在此期间，爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广，对于他来说，有两个问题使他不安。第一个是引力问题，狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题，狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说，一切自然规律不应该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生了佯谬，该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时，爱因斯坦正在接受完成广义相对论。
1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。
　　广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。