19年末到20世紀初這段時間,科學的進步突飛猛進,特別是對於看不見的原子、分子、氣體和溫度,取得了壹些成果。和其他時代壹樣,當時也有壹些令人費解的現象,必要時用玄學來講。那時候的歐洲思想似乎比現在更加活潑奔放。
1887年,美國科學家邁克爾遜和莫莉試圖測量當相對於以太有運動時,光速會如何變化。因為光速很快,在當時的地球上可以達到壹個快速穩定的速度,這個速度就是地球自轉的速度。於是他們設計了壹個幹涉儀,希望以極其精確的方式,在地球自轉的速度下,也就是在與以太相對運動的情況下,測量太陽光速度的變化。
出乎意料的是,無論幹涉儀相對太陽朝什麽方向運動,陽光造成的幹涉條紋都沒有變化,也就是說,陽光的速度是壹樣的。這和當時預想的不壹樣,就像大鐘跑過去,鐘聲的頻率會增加壹樣的結果。因為幹涉儀測量非常精確,所以各方不得不相信這個測量結果,但是如何解釋這種現象真的很傷大師們的腦筋。
愛因斯坦出生於1879年,1887年才8歲。當然,他沒有資格談論它,甚至不知道“物理學”這門科學。但是,他26歲的時候,已經專門發表了壹篇文章來解釋這個問題。雖然當時沒有人“敢”接受他的理論,但我們不得不承認,他的說法確實有學術價值。為什麽他年紀輕輕就有這樣的能力,取決於他的思維模式和學術精神。
與青少年交談
愛因斯坦兩歲多才開口說話,這讓家人很擔心。不過,妹妹出生後,他已經能說正常的兒童語言,這讓家人松了壹口氣。小學時成績平平,但漸漸受不了老師在教高壹物理化學時過於註重解題技巧,往往用簡單的技術步驟解決復雜的問題。愛因斯坦不能接受這種方式。他每遇到壹個題目,都要從最原始的起點出發,壹步步推演出結果。
有些數學老師能接受他,但大多數物理老師形容他“笨”。數學老師之所以能接受他,可能是因為他雖然解題需要很長時間,但他能壹步壹步解決同學處理不了的問題。再加上他不擅長學習記憶類課程,所以只能參加相當於初中的成績評定中的“牛郎班”。
年輕時的愛因斯坦
隨著年齡的增長,除了少年時所忍受的教育制度,還有普魯士式的教師權威,讓他想要逃離。當時,為了降低成本,德國的科技產業已經呈現出向國外轉移的趨勢。愛因斯坦的父親經營著壹家電機廠,於是愛因斯坦自然而然地接觸到了電磁學。雖然身體成績不好,但還是能達到中上水平。在環境的影響下,1893父親的工廠搬到了意大利,以降低成本。雖然工廠搬到了意大利,但愛因斯坦還是被留在了慕尼黑,希望他能吸收更多的科技知識。
1894年底,他再也忍受不了慕尼黑,於是設法得到了“處於精神崩潰邊緣”的診斷,準備在普魯士精神的影響下逃離該地區。問題是他當時中學還沒畢業,就算逃離德國也進不了另壹個國家的大學。16歲以下,他讓壹個愛他的數學老師給他頒發“數學特殊才能證書”。離開德國後,他先去了意大利,他父親被他的突然回國嚇了壹跳。不久得知瑞士蘇黎世聯邦理工學院沒有把畢業證列為考試必備證件,我就1895申請了該校。
他數學和物理考得不錯,但語文、歷史等需要記憶的科目達不到基本要求。當時電磁學有壹位知名的韋伯教授,他試圖破例錄取他。但理工學院院長建議他去蘇黎世以西30公裏的阿魯,先入州立學院,補上理工學院缺的課程。
阿魯是瑞士的州,相當於臺灣省的縣,州學院相當於大學預科學院。1895年,愛因斯坦在理工學院的入學考試中失敗了,他聽從了院長的建議在阿魯州立學院學習。
這個學院繼承了壹個教育家的思想,特別註重“視覺形象”。所謂“視覺形象”,是指在妳真正理解之前,能夠在妳的頭腦中將文字和符號轉換成圖形。比如僅僅代入或者證明加速度的方程是不夠的,還要能夠在腦海中想象出來,就像看到火車出站的過程壹樣。這使得愛因斯坦不僅習慣於數學推導,而且還養成了壹種用思想和概念從事實驗的能力。1896年再次進入聯邦理工學院。
愛因斯坦在理工學院時期
他先是通過了州立學院的畢業考試,然後光明正大的參加了聯邦理工學院的入學考試。他的數學和物理幾乎得了滿分,但在需要記憶的課程上,他仍然表現不佳。幸運的是,他在數學和科學方面的優異表現使他通過了入學考試。
進入理工學院後,他覺得課程太容易,於是逃課在家自學,看大師們的作品和論文,學習他們的思維方式和深刻的推演技巧。由於他沒有去上課,他必須知道課程的內容以應付考試。幸運的是,他有壹個好同學為他整理了課程大綱,然後和他在咖啡館見面,互相討論。歐洲的大學考試不多,大部分大學壹年只考1 ~ 2次,但是考試的方式是口語,沒有充分準備的同學會膽戰心驚。壹次截面考試的結果,愛因斯坦得了第壹名,他的好朋友得了第二名,證明他在學習上有紮實的基礎。
他的工作作風讓寬容狹隘的教授們不滿。想象壹下,壹個班只有幾個學生,其中壹個幾乎不來上課,但是考了之後成績還不錯。大家壹定知道這個人是誰。我對他不太欣賞的是原本主張破格錄取的韋伯教授。愛因斯坦1900畢業,同組的同學,除了愛因斯坦,都被聘為教授助理留校。愛因斯坦心裏明白韋伯在阻撓他。此外,他還向歐洲大學的教授求教助理職位,均以失敗告終。直到那時,他才知道韋伯的影響力有多大。——(哈哈!不要得罪老師。多麽悲慘的死亡!)
最後通過壹個好同學的幫助,這個好同學的父親是專利局局長的好朋友,這個同學向他的父親極力推薦愛因斯坦,並要求專利局局長給愛因斯坦壹個面試的機會。面試非常成功,愛因斯坦在1902年春天以三級技術專家的身份進入專利局。他處理的案件主要是發電機專利申請,這是他的專長,這項工作讓他騰出了大量的時間和精力去研究物理。——記得找誌同道合的人!)
當時物理學最大的謎題是邁克爾遜-莫雷實驗,愛因斯坦的突破點是“時間”。比如有兩個人。壹個人的坐標系是O(x,y,z,t),另壹個人的坐標系是O'(x ',y ',z ',t ')。其中壹個向東跑,而另壹個留在原地。周圍圍觀的人在某個時間點命令兩人同時打開閃光燈。但是因為有壹個人往東邊跑,他離東邊的觀眾越來越近,所以我們會直觀的認為他們會先看到跑者自西向東的閃光。
讀者朋友們,我該如何換算他們看到信號的時間來確認這兩個人真的如承諾的壹樣同時打開了閃光燈?進入專利局的愛因斯坦有足夠的時間思考這個問題。結果東邊的人和其他人同時看到了這兩種光的閃爍,支持了邁克爾遜-莫雷實驗。
狹義相對論
愛因斯坦終於找到了O '和O之間的轉換公式,用了這個轉換公式後,大家才意識到自己真的是同時打開了閃光燈。但O'(x ',y ',z ',T ')中的T '和O(x,y,z,T)中的T是“相對的”,換句話說,它與坐標系之間的相對速度有關,這就是“相對論”的精神——空間和時間坐標是相對的。
換句話說,當O '和O之間存在相對速度時,在O坐標系上需要1秒。如果坐標系上有人能看到O '綁在另壹個人的手表上,就會發現手表指示的時間少於1秒,也就是說他的手表慢了壹點。這個結果說明時間坐標和空間坐標也是“相對”的。當時普遍認為這兩塊表是同步的,也就是說時間是“絕對的”。
愛因斯坦的坐標變換公式,在物理書上很容易找到,叫做洛倫茲變換公式,可以解開邁克爾遜-莫雷實驗之謎。為什麽會出現洛倫茨這個名字?原來這個變換公式是洛倫茲首先推導出來的。他認為電磁公式在兩個勻速相對運動的坐標系中應該具有相同的形式。基於這壹要求,他推導出壹套坐標轉換公式。
愛因斯坦努力工作,發現他的變換公式和洛倫茲的壹樣。只是洛倫茨壹開始認為T和T '是“相對”的,與當時“時間”是“絕對”的觀念大相徑庭,所以他並不確定自己的變換公式是否正確。愛因斯坦認為這個變換絕對正確,於是後人把相對論歸功於愛因斯坦,把這個變換命名為“洛倫茲變換”。這個成就讓愛因斯坦相信宇宙應該遵守某種統壹的規律。狹義相對論發表於1905年,但有壹段時間沒人敢說是對是錯。聰明睿智是科學家,但是有足夠的時間和時間發表出來是很重要的。就像愛迪生早壹點註冊了專利權,不僅會造福世界,還會讓他成為壹代又壹代的百萬富翁,對於時間的管理和掌握是可圈可點的。)