科學(xué)是人類智慧的結(jié)晶，那些最偉大的科學(xué)家做出了尤為重大的貢獻不過，即使他們作為個人從未存在過，他們所引領(lǐng)的每一項偉大的科學(xué)進步最終都會發(fā)生如果讓普通人說出自己腦海中印象最深刻的一位科學(xué)家，你可能最常聽到的一個名字就是阿爾伯特middot，愛因斯坦

1925年，尼爾斯middot，玻爾和阿爾伯特middot，愛因斯坦在保羅middot，埃倫費斯特家中討論了很多話題玻爾—愛因斯坦之爭是量子力學(xué)發(fā)展中最有影響的事件之一今天，玻爾最具影響力的是他的量子貢獻，但愛因斯坦更出名的是他對相對論和質(zhì)能等效的貢獻

這位物理學(xué)家已經(jīng)成為20世紀(jì)標(biāo)志性的人物之一，在眾多科學(xué)事件發(fā)揮了舉足輕重的作用，也許正是他親手顛覆了主宰科學(xué)思想200多年的牛頓物理學(xué)他最著名的方程，E = mc，是如此有知名度，以至于連不知其含義的人都耳熟能詳他因在量子物理學(xué)方面的建樹而獲得諾貝爾獎，而他最成功的理論mdash，mdash，廣義相對論，即我們現(xiàn)在所用的引力理論mdash，mdash，在首次提出100多年后，經(jīng)受住了所有的檢驗

那么，如果愛因斯坦從未存在過，世界會有什么不同會不會有其他同樣偉大的物理學(xué)家出現(xiàn)，并取得完全相同的成就這些科學(xué)成就會很快實現(xiàn)，還是要花更長時間，甚至于有些可能至今都未發(fā)生難道我們需要一個同等份量的天才，才能實現(xiàn)他的偉大成就嗎

或者，我們是否嚴(yán)重高估了愛因斯坦的罕見性和獨特性，僅僅因為他只是在正確的時間出現(xiàn)在正確的地點，并擁有正確的能力，就把他提升到了我們心目中不應(yīng)該的至高位置這是一個非常值得探索的有趣問題就讓我們來一探究竟吧

1919年，亞瑟middot，愛丁頓的觀測實驗結(jié)果表明，廣義相對論可以用于描述大質(zhì)量物體周圍的星光彎曲，從而推翻了牛頓的理論這是愛因斯坦引力理論的第一次觀測實證

愛因斯坦之前的物理學(xué)

1905年被稱為愛因斯坦的奇跡年，當(dāng)時他發(fā)表了一系列論文，而這些論文后來為物理學(xué)的諸多領(lǐng)域帶來了革命性的突破。

不過，在那之前的很短時間內(nèi)，物理學(xué)取得了大量的進展，使許多長期以來關(guān)于宇宙的假說受到了極大的挑戰(zhàn)兩百多年來，艾薩克middot，牛頓在力學(xué)領(lǐng)域里堪稱無人能敵，他的萬有引力定律既適用于太陽系中的天體，也適用于從地球某座山上滾下來的球，或是從大炮中射出的炮彈

在深信牛頓學(xué)說的物理學(xué)家眼中，宇宙有著莫大的確定性如果你能寫下宇宙中每一個物體的位置，動量和質(zhì)量，你就能以任意精度計算出它們在任何時刻的演變此外，空間和時間是絕對的實體，引力以無限的速度運動，具有瞬時效應(yīng)

整個19世紀(jì)，電磁學(xué)也發(fā)展迅速，揭示了電荷，電流，電場與磁場甚至光本身之間的復(fù)雜關(guān)系有賴于牛頓，麥克斯韋和其他許多科學(xué)家的成功，物理學(xué)的很多問題似乎都已經(jīng)解決了

可是，后來的事實卻并不如人意有些謎題似乎暗示了許多不同方向的新事物關(guān)于放射性的最初發(fā)現(xiàn)使人們意識到，當(dāng)某些原子衰變時，其質(zhì)量實際上會有所損失衰變粒子的動量似乎與原初粒子的動量不匹配，這表明，要么某些過程并不守恒，要么存在某些不可見的東西原子不一定是最基本的粒子，而是由帶正電的原子核和離散的帶負(fù)電的電子組成

較重且不穩(wěn)定的元素會發(fā)生放射性衰變，通常是以發(fā)射一個alpha，粒子或經(jīng)歷beta，衰變的形式，一個中子轉(zhuǎn)換成質(zhì)子，電子和反電子中微子這兩種類型的衰變都改變了元素的原子序數(shù)，產(chǎn)生了與原先元素不同的新元素，并導(dǎo)致產(chǎn)物的質(zhì)量低于反應(yīng)物的質(zhì)量

不過，牛頓學(xué)說面臨的兩個挑戰(zhàn)似乎比其他的都加重要。

第一個挑戰(zhàn)是令人困惑的水星軌道觀測結(jié)果其他所有行星都遵循牛頓定律，達(dá)到了測量精度的極限，而水星卻沒有盡管考慮到最近幾天點進動與其他行星的影響，水星的軌道仍與預(yù)測的結(jié)果存在很大偏差水星每世紀(jì)的最近幾天點進動差值為43角秒，這使得許多人猜測水星內(nèi)側(cè)還存在一顆行星，即祝融星，但后來的研究者并未發(fā)現(xiàn)這顆行星

第二個挑戰(zhàn)可能更令人費解:當(dāng)物體接近光速時，它們就不再服從牛頓的運動方程如果你在一列時速100公里的火車上以每小時100公里的速度向前扔出一個棒球，球的速度就將達(dá)到每小時200公里在直覺上，這一結(jié)果很符合你的預(yù)期，而且也得到了實驗的驗證

但如果你在一輛向前行駛的火車上，向前，向后，或任何方向打出一束光，它都會以光速移動，不管火車運動的速度如何事實上，無論觀察者眼中光線移動的速度有多快，光速都是不變的

此外，如果你在一輛行駛中的火車上扔一個球，但火車和球的速度都接近光速，那我們一貫認(rèn)為的加法就不大適用了如果火車的速度是光速的60%，而你以60%的光速將球扔出去，那它的速度不會是光速的120%，而是光速的大約88%盡管我們能夠描述這一過程，但無法做出解釋這個時候，愛因斯坦出現(xiàn)了

祝融星的假設(shè)位置這顆假想的行星被認(rèn)為是19世紀(jì)觀測到的水星異常進動的原因事實證明，祝融星并不存在，這一結(jié)果也為愛因斯坦的廣義相對論鋪平了道路

愛因斯坦的研究突破

我們很難將愛因斯坦的全部成就濃縮在一篇文章中，但他最重要的發(fā)現(xiàn)和理論有如下幾個。

這份54頁的文件是愛因斯坦和他的同事兼知己，瑞士工程師米歇爾·貝索于1913年至1914年期間在瑞士手寫的。

質(zhì)能方程E = mc當(dāng)原子衰變時，它們會失去質(zhì)量如果不守恒的話，這些質(zhì)量會去哪里愛因斯坦給出的答案是:質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為了能量此外，愛因斯坦還給出了最終的答案:質(zhì)量與能量的轉(zhuǎn)化比例就如這個著名方程E = mc所描述的那樣，反之亦然從那時起，我們就基于這個方程，以物質(zhì)—反物質(zhì)對的形式，從純粹的能量中創(chuàng)造了質(zhì)量在任何情況下，E = mc都是正確的

狹義相對論當(dāng)物體接近光速時，它們會出現(xiàn)什么樣的行為盡管它們以各種違背直覺的方式運動，但都可以用狹義相對論來描述宇宙具有一個速度極限:真空中的光速，在真空中，所有無質(zhì)量的實體都以光速進行精確的運動如果是具有質(zhì)量的實體，就永遠(yuǎn)無法達(dá)到光速，只能接近光速狹義相對論規(guī)定了接近光速的物體將如何加速，如何提高或降低速度，以及時間尺度會如何膨脹和收縮

光電效應(yīng)當(dāng)你把光線直射到一塊導(dǎo)電金屬上時，它會將金屬上最松散的電子踢出去如果增加光線的強度，會有更多的電子被踢出，而如果降低光線強度，則踢出的電子會更少但奇怪的是，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)并不是基于光的總強度，而是基于超過某個能量閾值的光強度紫外線只會引起電離，可見光和紅外線則不會這樣，無論其強度如何愛因斯坦證明了光的能量可以被量子化為單個光子，電離光子的數(shù)量決定了多少電子被踢開，沒有別的方式能夠做到這一點

廣義相對論這是愛因斯坦所有革命性突破中最偉大和最艱苦的一項:一種全新的引力理論，適用于整個宇宙空間和時間不是絕對的，而是構(gòu)成了一種結(jié)構(gòu)，其中的所有物體，包括所有形式的物質(zhì)和能量，都在這種結(jié)構(gòu)中穿行

物質(zhì)和能量的存在和分布，導(dǎo)致了時空的扭曲和演變，反過來，扭曲的時空也決定了物質(zhì)和能量將如何運動在牛頓學(xué)說失敗的地方，愛因斯坦的相對論經(jīng)受住了考研，它解釋了水星的軌道，并預(yù)測了星光在日食期間將如何偏轉(zhuǎn)從廣義相對論第一次被提出以來，還沒有任何實驗或觀測能將其推翻

除了以上這些，愛因斯坦還在其他許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。他發(fā)現(xiàn)了布朗運動，他與其他研究者共同發(fā)現(xiàn)了玻色子運行的統(tǒng)計規(guī)律，他通過愛因斯坦—波多爾斯基—羅森悖論為量子力學(xué)的建立做出了重大貢獻，

此外，他還提出了通過蟲洞進行時空旅行的概念可以說，愛因斯坦在科學(xué)領(lǐng)域的貢獻是絕對的傳奇

在這張1934年的照片中，愛因斯坦站在黑板前，為一群學(xué)生和旁觀者推導(dǎo)狹義相對論盡管狹義相對論現(xiàn)在被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，但該理論第一次被提出時無疑具有革命性的意義

如果沒有愛因斯坦，物理學(xué)能否取得同樣的進步。愛因斯坦于1955年去世，享年76歲，被認(rèn)為是有史以來最偉大的物理學(xué)家之一，其“相對論”對物理領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

盡管愛因斯坦的科研生涯舉世無雙，但我們有許多理由相信，如果沒有他，其他研究者也會在很短的時間內(nèi)取得同樣的成就當(dāng)然，我們無法確認(rèn)這一點我們贊美愛因斯坦式的天才，他作為獨一無二的例子，展示了無與倫比，足以改變我們對宇宙認(rèn)知的能力mdash，mdash，他確實這么做到了可是，即使沒有愛因斯坦，他幾乎一切的成就很可能都會實現(xiàn)

在愛因斯坦之前，早在19世紀(jì)80年代，電子的發(fā)現(xiàn)者，英國物理學(xué)家約瑟夫middot，湯姆孫便開始認(rèn)為具有移動帶電粒子的電場和磁場一定攜帶著能量他試圖量化這種能量這很復(fù)雜，但自學(xué)成才的英國物理學(xué)家奧利弗middot，亥維賽通過一組簡化的假設(shè)，對此進行了計算:他確定帶電粒子攜帶的有效質(zhì)量與電場能量除以光速的平方成一定比例

亥維賽提出的比例常數(shù)是4/3，與他在1889年計算的真值1不同，弗里茨middot，哈澤內(nèi)爾在1904年和1905年也計算出了同樣的結(jié)果亨利middot，龐加萊在1900年獨立推導(dǎo)出了E = mc，但他還未完全理解這一推導(dǎo)結(jié)果的含義

在沒有愛因斯坦的情況下，已經(jīng)有物理學(xué)家接近完成他這個最著名的方程，不難想象，即使沒有愛因斯坦，其他的物理學(xué)家也很有可能在短時間內(nèi)完成余下的任務(wù)，這是有現(xiàn)實依據(jù)的。

這張光子鐘的插圖顯示，當(dāng)你處于靜止?fàn)顟B(tài)時，一個光子如何以光速在兩個鏡子之間上下移動當(dāng)你向前推進時，光子也以光速移動，但需要更長的時間在底部和頂部鏡子之間振蕩因此，相對運動的物體與靜止物體相比，時間發(fā)生了膨脹

同樣，其他物理學(xué)家也已經(jīng)非常接近狹義相對論了邁克爾遜—莫雷實驗證明了光總是以恒定的速度移動，推翻了最流行的以太模型亨德里克middot，洛倫茲發(fā)現(xiàn)了決定速度如何增加以及時間如何膨脹的變換方程，并與喬治middot，菲茨杰拉德各自確定了長度在運動方向上是如何收縮的

在很大程度上，這些都是引導(dǎo)愛因斯坦發(fā)展出狹義相對論的基礎(chǔ)當(dāng)然，的確是愛因斯坦將這一切綜合了起來同樣，很難想象洛倫茲，龐加萊和其他研究電磁學(xué)和光速相互作用的人不會取得類似的突破即使沒有愛因斯坦，這些研究者也已經(jīng)非常接近狹義相對論了

邁克耳孫干涉儀顯示，如果伽利略相對論是正確的，則光干涉圖樣的變化可以忽略不計。無論干涉儀的方向是什么，包括與地球在太空中的運動方向一致，垂直或相反，光速都是一樣的

馬克斯middot，普朗克對光的研究為光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，無論有沒有愛因斯坦，光電效應(yīng)都肯定會被發(fā)現(xiàn)。

在量子力學(xué)中，粒子可以分為玻色子與費米子費米和狄拉克對費米子進行了統(tǒng)計，而統(tǒng)計玻色子的人則是印度物理學(xué)者薩特延德拉middot，玻色mdash，mdash，保羅middot，狄拉克為紀(jì)念他而給出了這一命名mdash，mdash，愛因斯坦只是玻色信件的收信人

這張銀河系中心附近恒星的20年延時圖像是由歐洲南方天文臺于2018年發(fā)布的。可以看到，這些特征的分辨率在接近尾聲時逐漸變得銳利，靈敏度也逐漸提升，與此同時，中心恒星一直在圍繞一個看不見的點mdash，mdash，銀河系的中心黑洞mdash，mdash，運行，這些都與愛因斯坦廣義相對論的預(yù)測相符

可以說，如果沒有愛因斯坦，量子力學(xué)一樣也會發(fā)展得很好。

當(dāng)然，廣義相對論是最重要的愛因斯坦已經(jīng)掌握了狹義相對論，開始著手研究引力1907年，愛因斯坦提出了著名的等效原理mdash，mdash，加速運動所受到的慣性力與引力在本質(zhì)上是等價的，觀察者無法對二者進行區(qū)分愛因斯坦本人將這一原理稱為他最感快樂的思想，甚至讓他三天都沒睡好覺

middot，龐加萊將狹義相對論應(yīng)用到水星軌道上，發(fā)現(xiàn)可以解釋觀測到的大約20%的額外最近幾天點進動，

無論是在一枚加速的火箭當(dāng)中，還是在地球上，球落地的方式都是相同的，這是愛因斯坦等效原理的一個例證在局部區(qū)域測量加速度的結(jié)果表明，重力加速度和其他形式的加速度之間沒有區(qū)別，除非你能以某種方式觀察或獲取外部世界的信息，否則這兩種情況將產(chǎn)生相同的實驗結(jié)果

middot，愛因斯坦的老師赫爾曼middot，閔可夫斯基提出了思維時空的概念mdash，mdash，稱為閔可夫斯基空間，將空間和時間編織成無法分割的時空結(jié)構(gòu)，

middot，西蒙middot，紐康和阿薩夫middot，霍爾改進了牛頓的萬有引力定律，以解釋水星的進動，暗示一種新的萬有引力理論將解決這一難題，

middot，也許最令人信服的是，數(shù)學(xué)家大衛(wèi)middot，希爾伯特也在研究非歐幾何，并提出了一個作用量，與愛因斯坦為引力背景下的運動所提出的作用量實際上是等同的，之后該作用量又引出了愛因斯坦引力場方程盡管希爾伯特并沒有完全正確地理解其中的物理含義，但我們今天仍然稱之為愛因斯坦—希爾伯特作用量

在愛因斯坦取得的所有科學(xué)成就中，廣義相對論尤為超前當(dāng)愛因斯坦提出該理論時，其他同輩科學(xué)家還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于他不過，盡管可能落后幾年甚至幾十年，但毋庸置疑的是，有一些科學(xué)家已經(jīng)非常接近愛因斯坦的思維，并且正沿著相同的路線展開思考這讓我們相信，即使沒有愛因斯坦，廣義相對論最終也會出現(xiàn)在人類的知識領(lǐng)域中

對于科學(xué)的發(fā)展，人們往往習(xí)慣于這樣一種敘述:某個人憑借天才般的靈光一現(xiàn)，就發(fā)現(xiàn)了其他所有人都忽略的關(guān)鍵突破或思維方式，如果沒有這樣一個人，人類就永遠(yuǎn)無法積累起非凡的知識成就。。

這個動畫顯示了當(dāng)一個質(zhì)量實體穿過時空時，時空會如何反應(yīng)，從定性的角度來看，時空不僅僅是一個結(jié)構(gòu)整體，而是整個空間本身會因宇宙中物質(zhì)和能量的存在及其屬性而發(fā)生扭曲。

請注意，在描述時空結(jié)構(gòu)的時候，我們不僅需要知道大質(zhì)量物體的位置，還必須知道該質(zhì)量在整個時間中的位置瞬時位置和過往位置決定了物體在宇宙中運動時所受到的力，這使得廣義相對論的微分方程比牛頓的理論還要復(fù)雜

可是，當(dāng)我們更細(xì)致地審視這些科學(xué)研究時，就會發(fā)現(xiàn)，許多科學(xué)成就在出現(xiàn)之前，就已經(jīng)包含了眾多研究者的貢獻事實上，當(dāng)我們回顧歷史時，會發(fā)現(xiàn)同一時期已經(jīng)有很多人取得了相似的認(rèn)識

阿列克謝middot，斯塔羅賓斯基在阿蘭middot，古斯之前，就已經(jīng)把許多關(guān)于宇宙暴脹的理論成果綜合在一起，在哈勃之前，喬治斯middot，勒梅特和霍華德middot，羅伯遜就構(gòu)建了宇宙膨脹的理論宇宙，還有朝永振一郎，他在朱利安middot，施溫格和理查德middot，費曼之前就完成了量子電動力學(xué)的計算。

在許多引人注目的物理學(xué)前沿問題上，愛因斯坦是第一個跨越終點線的人但如果他從來沒有來到這個世界上，也會有其他研究者走完他走過的路在許多人看來，愛因斯坦擁有一種獨屬于他的耀眼天才，但幾乎可以肯定的是:天才并不像我們通常認(rèn)為的那樣獨特和罕見通過大量的努力和一點點運氣，幾乎任何受過適當(dāng)訓(xùn)練的科學(xué)家，只要在正確的時間找到正確的方法，就能取得革命性的突破

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