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颠覆我们世界观的人物——爱因斯坦(2)

2020-10-10 11:04浏览数:2 

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(接上期)

3.顺利的科学之路

小小的绿芽想要长成参天大树,除了自身的努力发育,还需要充足的阳光、肥沃的土壤……外部的环境也非常重要。幸运的是,爱因斯坦所处的时代给他提供了充足的科学发展条件,因此,爱因斯坦的科学之路也更加顺畅。他不同于牛顿不幸处于人民都比较愚昧的时代,爱因斯坦出生于一个科学氛围浓厚的时期。


01“讨论组”对他的影响意义非凡

在青年时期,爱因斯坦为了更加深刻的探索物理知识,曾与伯尔尼大学的莫里斯和康拉德三人组成了一个定期研究讨论组,他们把这个讨论组称为“奥林匹亚科学院”。他们在一起讨论物理学、哲学等知识,这些讨论最后都影响了爱因斯坦对世界的看法以及对物理现象的思考。


02“五步验证法”满足不了他的思考

当时的时代还兴起了一股探索科学未知的热潮,是自然科学鼎盛的时代,在这个时期还形成了一套探究问题的论证方法,这就是“五步验证法”。

这“五步”包括:一、确定疑难的情境;二、确定疑难所在;三、提出解决问题的假设;四、推断哪个假设能够解决这个疑难;五、验证假设。运用这一套方法,爱因斯坦解决了不少问题。


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但是即使再好用的方法,遇到一些疑难的问题,也是无法解决的。

比如爱因斯坦提出的一个问题:如果我的速度和光一样快会发生什么呢?这个疑问直到今天也是没有办法做实验研究的。按照当时的“五步验证法”更是无法得到准确的答案。那么爱因斯坦如何研究这个问题呢?他使用了和当时人们都不同的方式:他完全靠自己的想象力,想象自己和光一样快。

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03独特的“思想实验”——想象出了“相对论”

人们大概都难以想象,光如果能够像小汽车一样载着我们前进,该是什么感觉呢?要知道,我们看到的一切都是依靠光传到我们的眼睛里,然后形成图像的。那么当你追着光一起前进的时候,还能有光能把图像传递给你吗?爱因斯坦就是以这个想象为基础,想象出了“相对论”。而他想象的结果在现在也被陆续证明是正确的。这就是爱因斯坦独特的“思想实验”。对于刚刚提及的相对论,其实根据研究对象的不同,相对论分为两类,一类是“狭义相对论”,一类是“广义相对论”。在1905年,爱因斯坦首先提出了“狭义相对论”。这个理论说明了光速不变的现象,其中的质能方程E=mc2。

这个理论第一次将质量和能量统一了起来。

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而在这之前,质量和能量只能分开进行分析,比如加热一个物体,物体吸收了热量,但是物体的重量并不会有任何变化,而两个物体放在一起,比如将酒和水兑在一起,也不会影响他们之间的能量,而爱因斯坦的研究结果表明,这一切并不是我们看到的样子,他们是互相可以影响的。

随着科学研究条件的进步,爱因斯坦提出的这些理论也被逐渐的验证其正确性,这些理论的创造改变了人类对世界的认知。


04独特的“思想实验”——想象出了“相对论”

在1905年,爱因斯坦还解释了光电效应。也就是我们现在制作摄像机和太阳能、电池板的原理。光电效应是指物体被特定的光照射时,会产生电流。

这个特定的光很奇怪,当光照射在物体上时,只有特定的光才可以将物体原子中的电子打出来,产生电流,而使用别的光就不可以。这就像我们敲鼓的时候,只有某一种特定大小的力敲鼓才会有声音,而力气大一些或者小一些都是不能发出声音的。对于这个奇怪的现象,爱因斯坦用“电子具有自己特定的轨道”来解释。就像只有“敲鼓”的力道刚好敲到了电子的轨道,才能激发电流。

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而10年后,也就是1916年,爱因斯坦又提出了新的理论——广义相对论。这个新的理论证实了光是可以被弯曲的,在大质量的物体附近,本来沿着直线传播的光就会被弯曲。

让我们假设光是一个个小颗粒,沿着直线传播,就像一堆弹珠在沙发上直线滚动,如果这时候有一个保龄球放在沙发上,那么保龄球附近的沙发平面就会凹陷下去,当弹珠滚动经过保龄球附近时,弹珠的滚动方向就会因为这个凹陷发生偏斜,不再沿着原来的方向传播,而过了这个凹陷附近以后,弹珠又恢复了直走,弹珠的路径就发生了偏移。现在,如果我们把沙发垫想象成空间,把保龄球想象成太阳,弹珠的路径想象成光线的路径,那么太空中的现象就比较容易解释了。爱因斯坦还发现,由于太阳的存在而造成了空间弯曲,恰好就等价于把一切物体拉向太阳的万有引力。

然而他这个想法在当时实在是太超前了,以至于这个理论在1919年才得到了实验的验证。刚才我们说到在广义相对论中,爱因斯坦认为光在受到质量很大的星球吸引时会被弯曲,不再是沿着直线走,而会拐个弯。当从一个本应该被太阳遮挡的星球上发出的光经过质量很大的太阳时,应当由于太阳的吸引而弯曲,从而被地球上的人所观察到。

根据爱因斯坦计算,位置偏转应该是1.75秒。因此他建议,在下一次日全食时,通过天文望远镜观测来验证这个理论。1919年5月,英国皇家学院首席科学家爱丁顿率领两个天文考察队,在日全食时分别在巴西和西非摄影,以验证爱因斯坦推出的这一重要结论。在当年的11月,英国伦敦皇家学会和天文学会联席会议正式公布了观测结果。测得的光线偏转和爱因斯坦计算的一模一样。

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随着爱因斯坦相对论被验证,他的其他理论也得到了人们的重视。而爱因斯坦关于光电效应的研究,使他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。       

(待续)