物理人教版高中选修3-4物理学家爱因斯坦

物理学家爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) １８７９年３月１４日出生在德国巴登－符腾堡州乌尔姆市一个中产阶级犹太人家庭。次年，全家迁往慕尼黑。爱因斯坦幼年并未表现出过人的才华。５岁时，父亲给了他一个指南针，指针在磁力的无形作用下转动的情景让他惊讶。像牛顿看到掉落的苹果一样，爱因斯坦产生了一种奇怪的感觉，认为自己看到的现象是具有深远意义的。他先在慕尼黑读高中，未毕业就退学，后转入瑞士阿劳市的州立中学。１８９６年，爱因斯坦进入瑞士苏黎世联邦工业学院学习数学和物理学，毕业后成为一名老师。爱因斯坦喜爱教书育人，但成为一名物理学家却是他无法放弃的梦想。

由于不认同权威，爱因斯坦一

度被人认为注定一事无成，１９０２年

大学毕业后无法进入学术机构，只在瑞士伯尔尼专利局找到一份做审查员的临时工作。但在那里，爱因斯坦被正规教育扼杀的科学激情终于重新迸发出来，轻松的工作让爱因斯坦得以继续致力于科学研究。１９０５年，年仅２６岁的爱因斯坦发表了三篇论文，在物理学三个不同领域取得了历史性成就，特别是狭义相对论的提出，使人类对于空间、时间和物质运动的认识发生了革命性变化，标志着物理学新纪元的到来。

１９１４年，爱因斯坦返回德国，进入普鲁士科学研究所从事科学研究，兼任柏林大学教授。１９１５年，爱因斯坦发表广义相对论。这是继狭义相对论之后，近代科学的又一个重大成就。１９１９年，英国天文学家爱丁顿的日全食观测结果证实了爱因斯坦所作的光线经过太阳引力场会弯曲的预言。爱因斯坦由此声名鹊起，相对论成为人们家喻户晓的名词。

１９２１年，爱因斯坦因在光电效应方面的研究而被授予诺贝尔物理学奖。１９３３年由于纳粹德国反犹太主义狂潮，爱因斯坦被迫移居美国，同年１０月开始在普林斯1999年12月26日， 爱因斯坦被美国 《时代》周刊评选为“世纪伟人”。

顿高等研究院任教。１９４０年获得美国国籍。１９５５年４月１８日，爱因斯坦因主动脉瘤破裂在美国普林斯顿逝世。

爱因斯坦除在光电效应、相对论等方面作出举世皆知的杰出贡献外，他关于布朗运动的研究成果，由于对大量无序因子的规律性把握，成为当今最热门的金融数学的基础；他提出的激光受激辐射的概念，在几十年后的今天得到了广泛的应用；他与玻尔进行的论战中提出的EPR佯谬，至今仍是理论物理学和科学哲学界不断探讨的话题……

爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家，还是一位和平主义者。他目睹了两次世界大战中对人类文明的摧残，认为和平是人类的首要问题。１９５５年４月，弥留之际的爱因斯坦签署了《罗素─爱因斯坦宣言》，呼吁人们团结起来，防止新的世界大战爆发。

爱因斯坦的遗产

英国《焦点》月刊1月号发表罗伯特·马修斯撰写的文章，介绍爱因斯坦的生涯和他留给世界的遗产：

在美国，两位科学家完成了光

的实验，结果与物理学理论相悖。在巴

黎，似乎有无尽能量的矿物令科学家们

困惑不已。与此同时，天文学家和地质

学家因为太阳能不能永远发光而争论

不休。这些正是100年前困扰科学家们

的问题。也正是在100年前，这些问题的答案以一系列论文的形式出现在德国学术刊物《物理学年报》上。这些论文以不到70页的篇幅解答了这些谜题，也因此颠覆了人类几个世纪以来关于自然的公认理论。而它们的作者只是一位名不见经传的年轻人————年仅26岁的爱因斯坦。

1879年，爱因斯坦出生在德国乌尔姆一个中产阶级家庭，小时候就表现出了与17世纪的天才牛顿相同的一些特点：他沉默寡言，性格内向，脾气坏得吓人。但5岁时，爱因斯坦就对自然产生了异乎寻常的兴趣。父亲给了他一个指南针，指针在磁力的无形作用下转动的情景让他惊讶。像牛顿看到掉落的苹果一样，爱因斯坦产生了一种奇怪的感觉，认为自己看到的现象是具有深远意义的。

渐渐长大的爱因斯坦也像牛顿一样开始怀疑权威。因为对学校生活感到厌倦，加上不尊重老师，他在16岁时退了学，老师给爱因斯坦下的结论是他将一事无成。他们不知道，当时他已经完成了第一篇科学论文（内容是建议用实验来研究电磁现象）。

然而在外人看来，爱因斯坦注定一事无成。在苏黎世联邦工业学院学习时，老师们认为他懒散而傲慢，最后以全班倒数第二名的成绩毕业。由于无法进学术机构，爱因斯坦以当私人教员为生，两年后才在伯尔尼专利局找到一份临时工作。

在那里，爱因斯坦被正规教育扼杀的科学激情终于重新迸发出来。他与一些志趣相投的朋友开始思考科学家们面临的科学难题和谜题。

当时，最令人困惑的是1900年德国物理学家普朗克的假设：光和热的能量来自于“量子”。普朗克本人也不喜欢这种假说，但它似乎是解释物体在受热时辐射能量的唯一办法。爱因斯坦决定探究其中的联系，这成了他1905年第一篇重要论文的基础。爱因斯坦证明，量子理论同样适用于其他现象。他更利用该理论解释了“光电效应”，即某些金属在适当频率的光作用下会释放电子。

爱因斯坦的论文给了量子理论很大的支持———普朗克也开始注意这位当时默默无闻的年轻人。几周后，爱因斯坦在物质的布朗运动方面取得了另一个重大突破。爱因斯坦证明，布朗运动表明了原子的存在。当时，许多著名的科学家认为原子是想象出来的，目的只是使计算更加简便。爱因斯坦认为，布朗运动是原本肉眼看不见的大量原子碰撞的结果，通过测量能得知其大小。

实验很快证明了爱因斯坦的观点，这奠定了现代物理学的另一个支柱：物质的原子特性。然而与爱因斯坦1905年6月和9月发表的两篇论文相比，就连这一突破也显得黯然失色了。后两篇论文提出了关于时间和空间的全新概念，具有改变历史进程的深远意义。

令人难以置信的成就

当时，人们普遍认为时间和空间是固定的、永恒不变的，但已有的一些证据对此提出质疑。理论物理学家们注意到，在磁体相对于电导体运动或电导体相对于磁体运动时，电磁定律会产生不同的结果，而按常识来说结果应该是一样的。1887 年，美国物理学家艾伯特·米切尔森和爱德华·莫利发现了更异常的现象：不管试图测量光速的人的速度如何，测量到的光速是恒定的。这显然与当时盛行的观点相悖。

爱因斯坦在论文中以引人注目的自信指出了这些异常

现象，并提出两个基本观点：一是物理学原理适用于任何物体，不管其如何运动；二是在真空中光速不受观察者速度的影响。接着，他利用简单的数学运算证明，在这两个原则下，光速是极限速度，接近光速的物体会变小变平。爱因斯坦认为，甚至时间也会受影响，移动的钟走得比静止的钟慢。

对于“相对论”的一个结果，就连爱因斯坦也觉得令人费解，这个结果是在他把相对论与能量守恒定律结合起来时出现的。其结果意味着任何物质（M）都是不可思议的能量（E）来源，他后来总结的等式是E＝Mc2，其中c代表光速。

面对学术界以外一个无名小卒的这么多惊人的论断，科学界在一段时间以后才作出回应。先是普朗克等理论

家、后是从事科学实验的人都开始认真对待他的预测，当预测一个个得到证实以后，爱因斯坦声名鹊起。到1909年，他终于辞去专利局的工作，成为苏黎世大学的副教授。第二年，他获得了诺贝尔物理学奖的提名————但直到1922年，也就是获得10次提名以后，这顶桂冠才戴在他头上。

这次获奖名义上是奖励爱因斯坦在光电定律方面的贡献，但他的其他创造性理论同样堪当此誉。E＝Mc2解释了“神奇”矿物的神秘能量来源：它们的原子经过放射性衰变，一小部分物质转化成大量能量。这个等式还解释了为什么恒星可以通过把很少的氢燃料团转化成巨大的光和热，从而永恒地发光。

E＝Mc2等式在核电站中得到应用，为全世界提供了16％的电力，而核武器迄今仍对国际形势具有重大影响。从GPS 导航系统到防盗报警器，从医用扫描器到太阳能计算器，爱因斯坦的理论同样是当今许多技术的基础

得益于爱因斯坦理论的重大发明

1．太阳能电池、防盗报警器和照相机的测光表都是以光电效应为基础的。

2．核能利用了这样一个物理现象：当铀原子发生裂变时，总质量的微量损失可以转变成能量，其依据正是爱

因斯坦的著名等式E＝Mc2。如今，核能为英国提供了25％的电力。

3．全球定位系统之所以能将物体的位置精确到米，正是根据爱因斯坦的相对论对地球卫星发出的信号进行了

修正。

4．狭义相对论与量子理论相结合，指出了反物质的存在。科学家们利用正电子，即反物质“电子”，通过X 射线层析照相术研究大脑活动。

5．亚原子粒子的特性是相对论的直接结果，其存在可以解释从化学元素的特性到磁铁作用的多种现象。

6．爱因斯坦1916至1917年对光子的研究为人类40年后发现激光奠定了基础。目前激光广泛应用于从DVD到激光打印机的多种产品。