爱因斯坦诞辰140周年|创造性从何而来,为什么他与众不同

方在庆

2019-03-22 16:36 来源:澎湃新闻

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【编者按】
2019年3月14日,是爱因斯坦诞辰140周年,中国科学院自然科学史研究所研究员、爱因斯坦研究专家、著作译者方在庆老师在上海交通大学钱学森图书馆举办的纪念活动中作了主题演讲,为在场的观众解读了爱因斯坦一些甚少为大众所知的面向。以下内容,整理摘编自方老师的现场演讲,由澎湃新闻经活动主办方中信出版集团授权发布。

爱因斯坦在做出最重要的发现之前并没有在学术界任职,26岁时还处在学术边缘,而他后来的成就却改变了整个世界:关于时间和空间、物质和能量,这些传统的看法都因爱因斯坦的观点而改变了。纵观历史,这种事情的发生是极小的概率,而这个极小的概率之所以能够发生是很值得我们探讨的事情,比如说:爱因斯坦的创造性从哪来,他为什么与众不同?
1905年3月到6月,爱因斯坦发表了四篇重要论文,其中一篇使他获得了诺贝尔奖,还有一篇是大家都知道的质量和能量关系(E=mc²),另外一个是布朗运动,还有一篇是关于原子大小的测定,我们从这些成果可以看出,爱因斯坦在20世纪最重要的两个物理学学术贡献中占了一半,除了相对论之外,量子力学、光电效应都从爱因斯坦开始。
1905年是所谓的“奇迹年”,我们从这张论文发表的时间表可以非常清楚地看出爱因斯坦的紧张工作状态。
那么,爱因斯坦的这种创造性从何来?我试着总结了这几点:
第一,我们经常讲“我们的成就是站在巨人的肩上”得以实现的,而爱因斯坦不光站在巨人的肩上,也站在侏儒的身上,他不仅向最伟大的人学习,也同时向很多在我们看来很平常、很一般的人请教,比如爱因斯坦的很多朋友,在科学上的成就没有人能比得过他,可是往往正是这些朋友对爱因斯坦的学术发现做出了重要的贡献。
第二,科普著作对他产生了很大的影响。
第三,是他非常注重非理性的因素,比如直觉,还有突发奇想。他认为真正的科学贡献不是靠积累、归纳得出来的,而是一种跳跃式的。
第四,爱因斯坦生活在一个被技术包围的环境中,一般人认为爱因斯坦是理论物理学家,理论物理学家就是一张纸、一支笔就可以了,完全靠大脑或者是数学工具,现在甚至纸笔都不需要了,一台电脑就可以了。但爱因斯坦完全不一样,在他整个一生当中,包括他小时候以及在大学受到的教育当中,技术都起了很重要的作用,比如,在大学期间爱因斯坦有一半时间是在实验室里度过的,这跟大家以为的完全不一样。
第五,一般认为广义相对论没有爱因斯坦可能会推迟很多年,甚至是完全不可能。但现在的看法不是这样的,爱因斯坦不是孤军作战,在他周围还有很多人和他一起为了广义相对论而奋斗。还有爱因斯坦爱好音乐、喜欢航行,爱好音乐和航行在他研究当中也起到了有趣的启发作用。
第六,爱因斯坦是一个凡夫俗子,他有他的喜怒哀乐,他小时候讲话不讲情面,往往让人很难堪。同时他又非常幽默,他出生在德国巴伐利亚,小时候在慕尼黑长大,德国南部的人都比较风趣、幽默,这一点在爱因斯坦身上有明显的体现。
下面,我就以上这几点作一些具体展开。
这是一副很有名的画,就是所谓“站在巨人的肩上”,站在巨人的肩上在科学史上是一个“笑话”,这个话是牛顿说的,是说他和胡克的关系,他说他站在巨人的肩上,但是胡克本人很矮,某种程度来讲不是很厚道的说法。但是广义来说,站在巨人的肩上确实是人类文明发展的一般途径,如果所有东西都纯粹靠个人独创的话,人类文明是没有办法继承的,但仅仅依赖巨人这跟历史发展途径是不相符的,我们是同时站在巨人和侏儒的身上、同时利用伟人和一般人的思想的,所以不能忽略当时所处的社会背景。
狭义相对论出来之前实际上已经有物理学家在思考狭义相对论的问题,十九世纪末物理学被认为已经发展得非常完善了,但是大部分人都知道这里面有两个非常重要的问题,就是牛顿力学那种机械的世界观解释,比如用力的办法解释,把所有东西都看成是力的相互作用,这一套思维模式已经达到了顶峰,甚至在生命科学里我们也用力的概念,比如我们用生命力,但是这个生命力跟我们平常讲作用力和反作用力有很大区别,实际上是我们把力的思维方式和概念借鉴到了所有领域之中。可是十九世纪前叶就已经发现的电和磁的问题用机械观的处理方法是有很大困难的,电和磁是另外一套思维方式,即所谓的场。
爱因斯坦发现了一个很重要的问题,就是牛顿力学和电磁力学背后假定不一样。牛顿力学后面有一个万有引力定理,就是瞬间发生的,传输不需要时间,只要有两个东西就有相互之间的相互吸引力,可是电磁理论有一个更加重要的发现,即电磁传播是有速度的,这样就造成了这两个理论的矛盾冲突,关于这个矛盾,当时所有的物理学家都注意到了,但是他们当中很多人都没有彻底解决它,而是在里面做修订,庞加莱等人发现了这个问题,就是绝对时间和绝对空间这件事情是不存在的,但是他们都没有往前迈进一步。
亨利·庞加莱(Jules Henri Poincaré),法国数学家、天体力学家、数学物理学家、科学哲学家
再来说爱因斯坦在成长过程当中科普著作对他的影响。这个事情跟当时德国的大环境有很大关系,我们知道德国1871年成为政治上的实体国家,在此之前德国其实是一个由普鲁士、巴伐利亚、萨克森、符腾堡几大王国和众多的大公国、公国、亲王国和自由市等组成的松散的政治实体,所以政治上成熟得比较晚,英法成为非常成熟的国家实体时德国是四分五裂的。但是德国统一了之后,有识之士很快意识到他们和英法之间的差距,他们认为经济实力和军事实力都可以通过以后的努力来奋起直追,但是德国人的文化、文化创造力,特别是在科学上的创造力应该跟英美有很大的不同。
我们如果了解西方科学思想史,或者一般的观念史就知道,德国人的文化和文明的概念与英法正好反过来,在英法文化语境中,文明是比文化高的一个概念,但是在德国人看来文化比文明要高,他们认为文明是一些比较浅层的东西,可以通过外在的学习得到。比如刷牙,德国人认为不刷牙的人不文明,但是通过学习刷牙就会变文明,但是文化不能这样,文化和一个民族的特质有很大的关系,这一点恰恰是德国人在他们统一了以后强调得非常多的一点,这些德国知识分子为了摆脱英法的同化而在德国与英法之间的区别上做了很多努力,他们希望在文化上能够有些新的创新,这当中的表现就是科学普及。所以在德国统一之后,在德国国内出现了一种科学普及风潮,这种科学普及的风潮包括很多方面,知名教授给工人普及科学知识,往往坐着三等车厢去,他们不计报酬的,又比如办大量博物馆,向大家讲解科学知识的原理,最著名的就是慕尼黑的德意志博物馆,直接把一个矿山的模型搬过来,让大家参观之后知道矿山运作过程,为大众普及知识。整个社会兴起了科学知识的普及、让所有人都受惠的风潮,爱因斯坦正好在他成长过程当中赶上了这个风潮,他是1879年出生,德国刚刚统一了8年。那个时候,受这样的社会思潮的影响,有一批科普作家涌现出来,其中最有名的就是伯恩斯坦,他是犹太拉比,受此风潮的感染,自学各种科学知识之后将它们用非常优美的语言写出来。比如,谈到光,他写到:假如人随着光速前进,这样的情形会怎样?这些话对小朋友产生了很大影响,爱因斯坦读这个书就思考这个问题,当然大学毕业时还在想这个问题,大部分人读了就忘记了,但是这个问题给爱因斯坦留下了很深刻的印象,这是非常难得的事情。
伯恩斯坦的科普著作《通俗科学大众读本》
再比如,他十几岁读欧几里得的几何原本,这个对他产生很大的影响。我们现在都知道,三角形的三角之和等于180度,这个结果不是通过量出来的而是证明出来的,这个证明是通过基本的假定原理,这些原理没有办法再进行深入追究,这是基本假定。当然后来就有人问这个问题了,但是那个时候这件事情对爱因斯坦产生很大的影响。
康德
另外他在十几岁也读过康德著作,康德虽然跟欧几里得的情况不一样,但是康德跟他们是一条思路的,就是要给我们整个知识寻找一个比较稳定的基础。我们的地基在哪?这才是康德要回答的问题,他发现欧洲的思想家并没有回答这个问题。比如英国的经验论和法国的唯理论都没有解决这个问题,经验论很重要的问题,就是遇到一条反例就不成立;唯理论也不行,如果1+1=2,这个放在哪里都是正确,但是不能产生新东西,所有新东西要通过实验和经验得出来。康德想把经验论和唯理论综合起来,寻找一个把这两个都解决的方法,把这个知识放在他所谓的先天综合的基础上,这套方式对爱因斯坦有影响,但是爱因斯坦读康德时也有怀疑,因为康德整个哲学基础是牛顿力学,是建立在绝对时间和绝对空间这个基础上的,但是这套思维方式就是给知识寻找一个非常坚固的根基,把整个人类知识大厦建立在非常牢固的基础上,这样的思维方式对他有很大影响,他后面跟量子力学这些人的争论,某种程度上可以追到这里,他不相信机率解释、概率解释是整个人类最终的基础。
另外,爱因斯坦是生长在技术环境下的,这个大家可能了解的不太多,因为爱因斯坦一岁的时候,他家就从一个很小城市搬到了德国南部最大的城市慕尼黑,当时慕尼黑发展得非常快,他的叔叔和父亲非常有野心,把家族工厂搬过去,他们家专门开电器工厂,做比如路灯、发电机,在西门子公司没有南下的时候,在慕尼黑是他们家称霸,大家都知道啤酒节,啤酒节的第一盏路灯点的就是他们家的。
爱因斯坦家的工厂
所以爱因斯坦在小的时候对这些实际运作的东西是比较了解的,他叔叔一旦有什么涉及到理论或者是实践问题工人解决不了的时候就跑去叫爱因斯坦,让爱因斯坦去解决。所以跟大家想象的完全不一样,爱因斯坦非常善于处理实际问题,这跟我们想象的理论家完全不一样。
爱因斯坦联合申请了三十多个专利,这是大家很少知道的,这是他曾经和别人合作申请的电冰箱专利:
当然我们现在用的冰箱不是他这个类型,但我们可以知道爱因斯坦对实际问题的关注。这次我在编《我的世界观》时就把他谈实际问题的两篇文章专门收进来了,这两篇文章不是谈理论问题的,以前人们不怎么收录他的这两篇文章,认为它们有损爱因斯坦的形象,他是专门在讨论河道弯曲问题,河道弯曲,这是水力学家的事情,不是理论物理学家的范畴,但是可见爱因斯坦对现实问题是非常敏感的。
然后,我们来讲爱因斯坦不是孤军奋战的事情,孤军奋战在某种程度上好像我们认为他是天才,所有的思想都是从他那里来的,实际上天才也需要朋友,天才也需要催化剂。之所以这么说,是因为,我们都知道爱因斯坦在大学毕业以后失业了两年,他没有找到工作,这两年过程当中爱因斯坦给人打零工、代课,甚至还想过去卖保险,因为当时他的生活已经非常拮据,而且家里生意也破产了,很难从家里得到经济支持,整个情况就是很窘迫了。这段时期他非常需要钱,他认为可以做任何工作,但这并不会影响他的尊严。
他的同学帮他找到了在瑞士联邦专利局的工作以后,他在还没有就任之前就搬到了伯尔尼,可是这时候还没有到任没有工资,爱因斯坦需要贴补家用,所以在伯尔尼城市报上登了一个广告,他说“我是一个师范生”(他读的学校现在很有名,但是当时就是培养人出来到中学教科学课的师范学校),他说“我有很好的基础,你们谁的物理知识需要补可以来,而且第一堂课免费”。结果有两个人就报名了,听完了之后感觉不错,大家谈得很好也不收费了,后来这个班没有办下去,但是他们彼此成为了朋友,整天在一起讨论学问。
我们现在培养学生或者是自己的孩子,好像目的非常明确,就是你必须知道这条路就是这样走,你按照这条路走下去。凡属于规划好的东西,我觉得都不会有太大的意义,一般来讲很多东西是没有办法规划出来,你必须把你的心态放松,而且不要那么功利,按照自己的兴趣走。爱因斯坦他们在生活非常窘迫地情况下还能够探讨学问,这是非常难得的。
贝索(Michele Besso )与妻子
这位贝索是对爱因斯坦影响非常大的人,是他在科学论文中唯一感谢过的人,这个人在科学上没有任何的成就,而且如果不是爱因斯坦他连工作也没有,他是爱因斯坦的大学同学,比爱因斯坦高几届,兴趣广泛得不得了,他当时没有工作,后来爱因斯坦到专利局,就把他也招过去了,后来爱因斯坦成名之后专利局也不想要他了。这个人在专利局长看来是一个一无是处的人,因为他不会写报告,但是爱因斯坦后来说情让专利局长留下了他,他说,能写报告的人很多,但是有像他这种判断能力的人太少了,而专利局最需要有判断能力的人。
格罗斯曼
格罗斯曼也是他的同学,爱因斯坦大学不爱听课,也不是他不爱听,而是因为他自己通过自学了解到了很多东西,老师讲的没有新意他就不想听,到了考试的时候没有办法,爱因斯坦就借格罗斯曼的笔记来复习。格罗斯曼这个人很严谨,数学方面的笔记记得非常有条理,大学时爱因斯坦靠格罗斯曼的笔记通过考试,后来也是格罗斯曼的父亲帮爱因斯坦找到了在专利局的工作。爱因斯坦狭义相对论提出两年之后格罗斯曼发现狭义相对论有一个天然缺陷,即狭义相对论是解释匀速直线运动的体系,对于加速度的体系并没有涉及,还有就是没有把引力问题包括进来。1907年,爱因斯坦通过一个名为“电梯实验”的思想实验,发现了引力和加速度等效的关系,之后在论证中,他数学上遇到很大困难,因为这涉及到非欧几何,是格罗斯曼把他引进到非欧几何的领域。所以他的广义相对论其中一篇文章分两部分,物理内容是爱因斯坦写的,数学内容是格罗斯曼写的,是这样合作产生的。
这是爱因斯坦拉小提琴时候的照片,当然,专业音乐人士认为他五音不全,拉得不沾调。爱因斯坦的母亲是非常有音乐素养的人,比他的父亲家庭背景好,是一个很好的钢琴演奏者,所以从小教他学钢琴、小提琴,但是爱因斯坦5岁左右学小提琴时跟老师闹翻了,据说把椅子扔过去把老师赶跑了,然后小提琴就不学了。后来他自己发现了音乐的重要性,十几岁时通过自学把小提琴捡起来了,小提琴自学到这样的程度相当了不起了,后来他成名之后经常被邀请伴奏。很多人认为音乐刺激了爱因斯坦的科学灵感,但我认为不是这么简单的关系,音乐对他来讲是一种逃避,在他非常紧张工作需要休息的时候,他在音乐里面找到能够放松的地方,这跟他喜欢航行一样,在航行过程当中能够彻底放松。
爱因斯坦是不会游泳的,他在柏林生活这不是什么重要的问题,但是后来搬到美国长岛附近,他朋友给他一条帆船,有时候他掉到海里,邻居就会帮忙把不会游泳的爱因斯坦给救上来,但是爱因斯坦对于自己不会游泳这件事好像不怎么在意,还是继续扬帆出海。因为航行和音乐是可以让他彻底放松的活动,爱因斯坦从巴赫、莫扎特、亨德尔这些音乐家的音乐里面发现了非常完美的结构,其实从心底里爱因斯坦是相信世界是可以理解的、可以描述的,尤其可以用数学语言描述,他认为西方音乐和他的想法是相通的。去了日本之后,他发现其他国家的音乐没有他需要的结构,所以对东方音乐的评价比较低。
爱因斯坦还是一个非常幽默的人,他很喜欢讲笑话,尤其是犹太笑话。爱因斯坦在德国南部的环境长大,生活到15岁,这段时期恰恰是性格形成的时候。整个德国的文化氛围对爱因斯坦影响至深,比如歌德的东西爱因斯坦就非常喜欢,他到美国以后跟人家都是讲德语,他常常在讲话的时候来一句歌德的东西,让别人莫名其妙。他的英语非常糟糕,有人说他可能只会300多个单词,我们再听一下他的发音,还有他念英语文章,可以说没有一个念对了,这不是贬低爱因斯坦,他英语的TH不会发,他都是按照德语的发音规则发T。比如,他有一个奇怪的表达方式,做什么研究做不出来的时候,他说我想一想,他就说I vill a little tink(我需要思考一下),可think中的这个TH爱因斯坦总是不会发,直接说成tink,但是这一点也不影响他的表达,他交流没有任何问题,他可以看书、看报,他也可以将别人寄给他的英语论文翻译成德文发表,比如说我们知道的“波色-爱因斯坦凝聚”就属于这一类例子,所以爱因斯坦用英语交流是没有问题的。这对我们现在教育来说就需要反思一下,我们现在一定要学英语伦敦腔,学标准的美语,这当然很好,但是语言更加重要的是交流。爱因斯坦99%的东西都是用德语写的,很少有英语,就连很多用英语首次发表的文章也是用德语写了以后让他的秘书翻译成英语的。他外语最好的是法语,但是我们看他的中学成绩单法语是最低分,所有科目里面最低,可是他法语相当好,他可以用法语发表演讲、进行讨论,当然这里面依然有很多错误,但完全不影响交流,他在日本访问时见到日本的皇后时,他和皇后是用法语交流的,因为皇后不会英语、德语。我们不必把伟人刻板化,好像他是完美无缺的。
爱因斯坦当然是一个天才,他有很多点子。曾经有人问他,你的点子、思想从哪来?他说点子和思想这个太难得了,99%的人都在重复别人做的东西,可能有1%不到的人在做有创新的东西。像爱因斯坦这样级别的人很少,所以到现在为止,像他这种级别的点子、新的思想也是很少见的,但是我们不能说因为这些东西少就不去做了,我们要有新的东西就要去做。
爱因斯坦从学科矛盾开始,牛顿力学和电磁学之间的矛盾,大部分人都忽略了,或是想出了一些修修补补的办法,而他认识到这个矛盾以后就认为这两个理论里面肯定有一个是错的,所以他就把光速原理作为狭义相对论两条假定中否认一条,这个很了不起的!从学科矛盾入手提出了一个理论,这个理论可以解释这两个矛盾的理论,甚至还能预测一些新的东西,这是思维方式上的进步。
另外,相信直觉的问题我前面也讲了,我们千万不要觉得我们刻苦、勤奋就会出成果,中国人讲“书山有路勤为径”。爱因斯坦写的《物理学的进化》这个书名其实是一个错误的标题,因为他本人很不满意,当时他是为了解决生存问题写的,是为了满足出版商的要求,而在他看来物理学不是进化,进化没有概括物理学的本质,物理学新的概念往往是从无到有,是一种新的产生。这些东西很可能都是直觉得来的,是一些非理性的东西,你要跳出你的框架来思考问题,他认为知识是一种冒险的行为,如果大家看《物理学的进化》,他就像讲侦探故事一样。要知道,你了解的很多其实只是有限的东西,而你却想用有限的东西验证你的想法。
责任编辑:方晓燕
校对:栾梦
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 爱因斯坦,科学

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