科学全知道 爱因斯坦的探索之旅

他，奠定了现代物理的基础。

他，引领着未来数百年的文明走向。

他被称为“*接近神”的人类。

相对论、光电效应、黑洞、虫洞、引力波……这些惊世骇俗却又一一被证实的科学发现和理论皆由他提出。

他就是阿尔伯特·爱因斯坦。

那么，这位可称为“*伟大物理学家”的男子究竟有着怎样的人生？他那些让人目瞪口呆的科学猜想又是怎样从他的脑袋里迸出的？

这一次，英国著名科普作家罗伯特·斯奈登用显微镜似的解读，将我们带入爱因斯坦的一个个人生细节中。

《科学全知道：爱因斯坦的探索之旅》曾入围国际科普图书大奖“万安特”奖，以妙趣横生的讲述和严谨负责的态度解读20世纪科学巨匠爱因斯坦探索真理的历程。现在，它来到了中国！

罗伯特·斯奈登

英国著名作家、出版人，拥有30多年出版业经验。尤其擅长科普题材的创作，其作品涉及涉及医德、栖息地、进化、空间探索、工程学、遗传药理学以及古文明中的科技等多个主题。在英国，他的作品深受各年龄段读者喜爱，无论成人还是孩童均从中受益。

关越 毕业于山东大学（威海）翻译学院英语笔译专业，硕士学位，中国翻译协会会员。翻译作品有《绝望的婚姻：步入理想婚姻，治愈两性关系》《利用直觉去工作》。

第一章

001 / 宇宙运行有规律吗？

第二章

014 / 光是什么？

第三章

027 / 光波如何在空间中传播？

第四章

033 / 爱因斯坦是如何探索量子的？

第五章

041 / 爱因斯坦的光电效应理论是什么？

第六章

049 / 爱因斯坦是如何证明原子与分子的存在的？

第七章

058 / 爱因斯坦的狭义相对论是什么？

第八章

071 / 爱因斯坦是如何认识时间的？

第九章

081 / 爱因斯坦是如何解释洛伦兹-费斯杰拉德收缩的？

第十章

089 / 什么是时空？

第十一章

101 / 为什么能量等于质量乘以光速的平方？

第十二章

113 / 爱因斯坦是如何用相对论解释引力的？

第十三章

127 / 有关引力的本质，爱因斯坦怎么说？

第十四章

138 / 日食如何证实了爱因斯坦的理论？

第十五章

149 / 如果爱因斯坦是对的，那么牛顿就错了吗？

第十六章

157 / 为什么相对论没有为爱因斯坦赢得诺贝尔奖？

第十七章

169 / 爱因斯坦最大的失误是什么？

第十八章

183 / 爱因斯坦相对论中的哪些观点是错误的？

第十九章

195 / 相对论是如何推导出宇宙大爆炸理论的？

第二十章

210 / 上帝会掷骰子吗？

第二十一章

231 / 爱因斯坦与玻尔，谁赢了？

第二十二章

246 / 爱因斯坦是“原子弹之父”吗？

第二十三章

259 / 我们能否找到万有理论？

1905年5月，《物理年鉴》收到了爱因斯坦的另一篇论文，这次的主题是气体分子运动论。这篇论文虽然属于经典物理学范畴，但爱因斯坦却通过它首次证明原子与分子均为物理现实。

未来去哪里？

前面我们探讨了牛顿运动定律。通过该定律，我们可以得出宇宙中彗星探测器的运动轨迹，或者板球击中捕手手套的飞行过程。同时，如果我们知道某物体现在的运动情况，我们可以以此推算出该物体过去和将来的运动情况。

有意思的是，牛顿运动定律与时间并不相关。比如，观看彗星在空间中飞行的影片时，我们无法通过牛顿定律判断短片的播放方向，因为时间逆转在牛顿定律中成立。利用这个定律，我们向前能够计算出将来的运动，往后可以得出过去的运动。

当然，常识和经验可以告诉我们某件事是发生在过去还是在未来。比如，我给你看一个片子，片中那没摊在地上的破鸡蛋慢慢复原，从地上弹起，回到手中，你一看便知道这片子是倒着播的。虽然你十分确定你不会在现实中看到这种事情发生，但这在牛顿定律中是成立的。

可逆性悖论

气体分子运动论认为，热度是原子运动的衡量标准。原子越躁动，热度越高。路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）利用分子运动论解决了物理学上所谓的可逆性悖论。这个悖论起源于热力学第二定律，它认为物理体系越来越无序，而大部分的自然过程是不可逆的。宇宙正不可逆转地由低熵（有序）状态转为高熵（无序）状态，这与牛顿力学的时间可逆属性矛盾。天文学家亚瑟·爱丁顿爵士首次引入了“时间流向”的概念，指代时间从过去走向未来。他在爱因斯坦的故事中也扮演了非常重要的角色，后面我们会详细讲到他。

玻尔兹曼确定第二定律是关于概率的定律，由此解决了这个悖论。不论是那枚破碎的鸡蛋还是世间万物都是由原子和分子构成，这些分子和原子永远处于无序运动状态。要想使鸡蛋复原，所有分子都必须朝同一个方向，而且是正确的方向运动，这个可能性不是没有，但几乎小到可以忽略不计，因此鸡蛋破碎这个过程不可逆。

玻尔兹曼认为气体是无数分子的集合，这些分子总是在随意跳动。阿尔伯特·爱因斯坦看过后，认为这个理论“十分重要”。1902年到1904年间，爱因斯坦也在研究热力学第二定律，他利用统计学和力学理论，得出了“热的一般分子理论”。爱因斯坦认为，这个理论可以“填补空白”，将玻尔兹曼对气体的研究成果延伸至其他物质。他将统计分子理论写入了他在苏黎世大学的博士论文。在这篇论文中，爱因斯坦描述了计算分子大小及阿伏伽德罗常量的新方法。阿伏伽德罗常量是某物质所含原子或分子数与物质总量的比值。

在另一篇发表于1905年5月的论文中，爱因斯坦将热的分子理论引入液体状态，最终解决了“布朗运动”的难题。

布朗运动

1827年，苏格兰植物学家罗伯特·布朗（RobertBrown）发现花粉散落在水面后会做无序运动，好似受到某种看不见的力驱使。其他研究人员也曾经注意到过这个奇怪的现象，但布朗是第一个研究该现象的人。起初，布朗认为这与花粉有生命有关，但实验显示不仅仅是花粉会这样运动，任何相同大小的微粒，无论是花岗岩碎屑还是烟灰微粒，当它们悬浮在液体中时都会出现类似的运动，后来这种运动被命名为“布朗运动”。

爱因斯坦想找到原子和分子存在的证据，他想让人们用肉眼看到分子的运动，没想到恰好解释了布朗运动，他当时甚至不知道布朗运动已经是一个非常有名的现象。爱因斯坦推测如果液体中的分子也和气体一样做无序运动，它们在运动时会撞击花粉，如果分子量足够多，就会让花粉呈无序运动状态。通过前期撰写论文，爱因斯坦已经能够熟练使用统计工具，再加上自己积累的理论知识和实验数据，爱因斯坦对布朗运动进行了详细解释，并准确地预测出粒子在做这种不规律、无序运动时的最远距离。

爱因斯坦这篇有关布朗运动的论文首次刊发于1905年，那时其他科学家还在探讨原子和分子是否存在的问题。物理学家恩斯特·马赫（Ernst Mach，音速单位以其命名）、物理化学家威廉·奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald）等主张原子不存在。他们认为热动力现象源于物体之间的能量转换，没有必要臆想出那些运动无规律又看不见的原子来解释这个现象。

马赫的观点从某种意义上也启发了爱因斯坦，他认为牛顿提出的“绝对时空”是一种“概念畸形”，根本无法界定。后来，爱因斯坦一并推翻了这些观点。

爱因斯坦论文发表后几个月后便有实验证明了他的预测。法国物理学家让·巴蒂斯特·佩兰（Jean Baptiste Perrin）使用新发明的超显微镜证实了爱因斯坦的观点，并以此获得了1926年的诺贝尔物理学奖。佩兰的证据充足，人们不得不接受原子和分子确实存在的事实。物理学家马克斯·玻恩写道：“我认为，那些针对爱因斯坦观点的调查比其他著作更能让大家相信原子和分子的真实性。”

就在证明原子存在的同时，爱因斯坦还得出了光速运动的结果，这些发现让他成为了天才的代表。分子运动论文发表后几天，爱因斯坦告诉朋友，他要修订“时空论”。