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1、1第第 5 5 课课 2020 世纪的科学伟人爱因斯坦世纪的科学伟人爱因斯坦提出狭义相对论提出狭义相对论1 1早年岁月早年岁月材料一材料一当我还是一个四五岁的小孩，在父亲给我看一个罗盘的时候，就经历过这种惊奇。 这只指南针以如此确定的方式行动，根本不符合那些在无意识的概念世界中能找到位置的事物的本 性的(同直接“接触”梦有关的作用)。我现在还记得，至少相信我还记得，这种经验给我一个深刻 而持久的印象。我想一定有什么东西深深地隐藏在事情后面。凡是人从小就看到的事情，不会引起 这种反应;他对于物体下落，对于风和雨，对于月亮或者对于月亮不会掉下来，对于生物和非生物 之间的区别等都不感到惊奇在 12
2、岁时，我经历了另一种性质完全不同的惊奇:这是在一个学年开始时，当我得到一本关于 欧几里得平面几何的小书时所经历的。这本书里有许多断言，比如，三角形的三个高交于一点，它 们本身虽然并不是显而易见的，但是可以很可靠地加以证明，以至任何怀疑似乎都不可能。这种明 晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象。至于不用证明就得承认公理，这件事并没有使我不 安。如果我能依据一些其有效性在我看来是毋庸置疑的命题来加以证明，那么我就完全心满意足了。爱因斯坦爱因斯坦文集第一卷材料二材料二这种强制使我如此畏缩不前，以致我在通过最后的考试以后整整一年对科学问题的 任何思考都感到扫兴。不过我应当指出，我们在瑞士苦于这种窒
3、息真正科学工作的强制，比其他许 多地方的大学生要少得多。一共只有两次考试，除此之外，你或多或少可以做你想做的事。谁要是 像我这样有一个朋友认真地去听全部课程并仔细地整理讲课的内容，那就更好了。直到考试前几个 月，这种情况都给了我选择干事的自由我大大地利用了这种自由；我把与此伴随而来的内疚看 做是不可避免的，并且其害处是微不足道的。事实上，现代的教学方法还没有把神圣的求知欲完全 扼杀掉，这差不多是一个奇迹；因为这株脆弱的幼苗，除了需要鼓励外，首先需要自由没有自 由它将不可避免地会夭折。爱因斯坦爱因斯坦文集第一卷材料三材料三1898 年 9 月，德国物理学家在杜塞尔多夫讨论的特别议题“运动介质中以
4、太及其 行为”，就被刚刚读大学三年级的爱因斯坦注意到了。在这次会议上，从亚琛高等技术学院来 的维恩在会上的发言道出了物理学家面临的困境和艰难的抉择。尽管参加杜塞尔多夫会议的人 很多，地位也不低，但是却没有一种意见能让大家接受，也没有任何一个物理学家敢于想到干脆抛 弃千疮百孔的以太，另起炉灶。但这次会议后一年，将要读大学四年级的爱因斯坦居然敢于提出一 种全然不同的意向：干脆抛弃这个“烫手”的以太。杨建邺爱因斯坦传2材料四材料四当我昨天接到你的信时，我真正为你的真挚和亲切关怀所感动，并且看到你并没有 忘记你的老朋友和这只不祥之鸟我简直没有必要告诉你，要是我能够留在这样一个愉快的小圈 子里，我该是非
5、常幸福的；为了不辱没你们的推荐，我会尽一切努力至于科学，我在脑子里已经得到几个奇妙的想法，必须及时地把它们写出来。我现在几乎可以 确信，我的关于原子吸引力的理论能够推广到气体，而差不多所有元素的特征常数都能够不太困难 地确定下来。到那时，分子力同牛顿的超距作用力之间的内在关系问题也会取得一个决定性的前进 步骤。也许指向不同目标的别人的研究工作会最后证明这一理论。从那些看来同直接可见的真 理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。请代我向你父亲致以最亲切的问候，并感谢他为我而费神以及他在推荐中所显示的对我的信任。爱因斯坦爱因斯坦文集第三卷材料五材料五每个人都有一定的理想
6、，这种理想决定着他的努力和判断的方向。在这个意义上， 我从来不把安逸和享乐看做是生活目的本身这种伦理基础，我叫它“猪栏的理想”。照亮我的 道路，并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、美和真人们所努力追求的庸 俗的目标财产、虚荣、奢侈的生活我总觉得都是可鄙的。爱因斯坦爱因斯坦文集第三卷【解读解读】由科技史专家许良英等编译的爱因斯坦文集主要包括爱因斯坦的文章、讲稿和通 信，也包括别人写的爱因斯坦的谈话记录或报道，是研究爱因斯坦的珍贵史料。科学史专家杨建邺 所著爱因斯坦传是关于爱因斯坦这位科学巨人追求、探索的一生的真实记录。爱因斯坦小时候很少讲话，却十分善于思考，对自然现象，总要寻根究
7、底地问原因。爱因斯坦 有不同一般的好奇心，正是因为始终有好奇心驱动着他，使他无法宁静或心安理得地满足于自己已 经取得的成绩。此外，爱因斯坦从小就喜欢根据自己的爱好来自学，他最厌恶的就是被强迫去学习。 他从来就不愿意像机械人一样任人驱使、驾驭。在求学期间，他的成绩并不优异。因为他往往对考 试准备不足，而把更多时间用来学习他更感兴趣的各种知识，尤其是理论物理学。早在大学期间他 就开始关注最前沿的物理学难题，并确立了今后的努力方向。材料一表明爱因斯坦从小就具备两种优秀品质：喜欢自由学习，有强烈的好奇心，这为他以后 从事科学研究埋下了伏笔。材料二是爱因斯坦晚年自述中的一段话，反映了爱因斯坦对强制性学习
8、 的厌恶，指出自由对科学研究是至关重要的。材料三表明刚刚 20 岁的爱因斯坦已经初步具备驾驭 困扰研究前沿的纷繁局面的能力，善于在千头万绪的诸多意见中，分析和看出问题的症结所在。这 是一种在科学研究中最不可缺少的和最可贵的能力。材料四是 1901 年 4 月 14 日爱因斯坦写给朋友 格罗斯曼的信，反映爱因斯坦大学毕业后失业的痛苦以及探索自然界统一性的乐趣，这表明爱因斯 坦作为科学研究者有一种极不平凡的品格，那就是他能在极不理想的条件下，不受干扰地思考和研 究。材料五则是爱因斯坦在我的世界观一文中表达的自己的信仰，反映了他追求真善美的崇高 理想。32 2伯尔尼时期伯尔尼时期材料一材料一对于如何
9、审阅专利，哈勒作了如下训示：“你们着手审查时，你们要设想，发明 者所说的全是假话。如果你们不这样想，顺着发明者的思路走去，你们就会受束缚。你们始终要有 批判的眼光，要警惕。”从批判的、反驳的立场去审查各种专利申请，这种思考问题的方法对年轻 的爱因斯坦实在太有好处了，因为这可以使他思想敏锐起来，不落窠臼。而且这种批判的方法也给 爱因斯坦带来许多乐趣。爱因斯坦很喜欢这种工作，也很适应这种批判的氛围。转引自杨建邺爱因斯坦传材料二材料二爱因斯坦在逝世前一个月的自述片段中写道：“鉴定专利权的工作，对于我来说是 一件幸事。它迫使你从物理学上多方面地思考，以便为鉴定提供依据。此外，实践性的职业对于像 我这样
10、的人来说简直是一种拯救：因为学院式的环境迫使青年人不断提供科学作品，只有坚强的性 格才能在这种情况下不流于浅薄。”爱因斯坦爱因斯坦文集第一卷材料三材料三奥林匹亚科学院颂词：在你的生气勃勃的短暂生涯中，你曾以孩子般的喜悦，在一切明朗而有理性的东西中寻找乐趣。 你的成员把你创立起来，目的是要同你的那些傲慢的老大姐们开玩笑。他们这么做是多么正确，我 通过多年的细心观察，懂得了对此作出充分的评价。我们三个成员至少都表现得是坚忍不拔的。虽然他们都已经有点老态龙钟，可是你所闪耀的明 亮耀眼的光辉依然照耀着我们孤寂的人生道路；因为你并没有同他们一起衰老，而却像蓬勃生长的 莴苣那样盛发繁茂。我永远忠诚于你，热
11、爱你，直到学术生命的最后一刻!爱因斯坦爱因斯坦文集第一卷【解读解读】爱因斯坦大学毕业后，在朋友的帮助下，到瑞士的伯尔尼专利局工作。1902 年至 1909 年在伯尔尼专利局的七年，是他最富于创造性的科学活动时期之一。从事技术专利权的工作 使得爱因斯坦必须多方面思考问题，这对物理的思索有重大的激励作用。这时他生活安定，有大量 业余时间可以从事科学研究。在伯尔尼时期，“奥林匹亚科学院”的业余科学活动，对爱因斯坦的 脱颖而出也起了重要的作用。对于处在成长期的人来说，争论其实就是一种激励和解放。“奥林匹 亚科学院”的三个成员，除了一起学习科学和哲学的名著以外，他们还读了一些文学作品，如拉辛、 狄更斯和
12、塞万提斯的作品。在学习以外，他们常常各抒己见和彼此批评。伴随着学习的是长时间的4激烈争论。这些“长时间的激烈争论”对爱因斯坦思想的发展确实产生了深刻的影响。一旦他有什 么新的想法，他就会向朋友们提出来讨论。J材料一、材料二表明伯尔尼专利局的工作既为爱因斯坦解决了后顾之忧，又训练了他的批判思 维能力。材料三是爱因斯坦于 1953 年 4 月 3 日给他在伯尔尼时期的两位擎友索洛文和哈比希特的 回信，反映了爱因斯坦早年和几个志趣相投的朋友组成奥林匹亚科学院，从事业余科学活动的情况。【注释注释】哈勒（18441936）：伯尔尼专利局局长，机械工程师出身。奥林匹亚科学院： 爱因斯坦和他的两个朋友索洛文
13、和哈比希特组成的业余科学研究团体，得名于他们经常在一家名为 奥林匹亚的咖啡馆探讨物理和哲学问题。推动量子力学的发展推动量子力学的发展3 3奇迹的奇迹的 19051905 年年材料一材料一19 世纪末，经典物理学获得了全面的发展，形成了以经典力学、电磁场理论和经 典统计力学为三大支柱的理论体系。然而，随着一系列实验中的新发现，一场激烈的科学革命迅速 爆发，并以极快的速度渗透到物理学各种最基本的思想和原理之中。一系列的发现严重地冲击着经典物理学传统的物理思想。物理学面临严重的危机，连素以保守 著称的英国著名科学界元老开尔文，也不得不在 1900 年 4 月 27 日在英国皇家学会的演讲中承认： “
14、动力学理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。”第一朵“乌云”涉及的 是力学、电磁理论中最基本的物理思想问题；第二朵“乌云”涉及的则是气体分子运动理论。1905 年，两朵乌云开始消散，这与爱因斯坦在这一年发表的 4 篇论文有很大的关系。正如德 布罗意所说：“他的论文（在 1905 年的 4 篇）可以比做光彩夺目的火箭，它们在黑暗的夜空突然 划出一道道短促的但又十分强烈的光辉，照耀着广阔的未知领域。”杨建邺爱因斯坦传材料二材料二英国著名物理学家彭罗斯说：“在 20 世纪，我们极其幸运地目睹了我们世界的物理图像的两次重大革命。第一次革命推翻 了我们的空间和时间观，把两者结合为我们现在称之为
15、时空的东西，人们发现这种时空以一种微妙 的方式弯曲着，从而引起人们早就熟悉的、无处不在而又神秘的引力现象。第二次革命完全改变了 我们理解物质和辐射本性的方式，给了我们一种实在的图像，其中粒子的行为像是波，而波的行为 像是粒子，我们通常的物理学描述变得具有本质上的不确定性，而一个物体可以同时在几个地方呈 现其自己。我们用相对论一词概括第一次革命，而用量子论概括第二次革命。两者现在都 已通过观测得到确认，其达到的精确度在科学史上是空前的。”转引自杨建邺爱因斯坦传5材料三材料三所谓光电效应是指光照射金属激发电子的现象。该效应的一个特征是，单位时间内 激发电子的数量与光的强度有关，而射出电子的速度则与
16、照射光的频率有关。经典电磁理论认为， 随着光强的增加，射出电子的速度也应该增加，而这与实验不符。爱因斯坦的光量子理论很好地解 释了这一现象。只有能量足够大的光子才能使电子获得射出所需能量，因此频率低于一定值的光即 使光强很大也不能激发出电子。而电子射出的速度也是由光子的能量或者说由光的频率决定的。大 多数物理学家，包括普朗克和洛伦兹在内，都认为他的观点是没有根据的。方在庆主编一个真实的爱因斯坦材料四材料四1900 年前后，物理学家们还在争论原子是否真实存在，或者它只是一个辅助的理 论模型。悬浮于液体中用显微镜才能看见的微小粒子的无序运动，即“布朗运动”未能真正得到解 释。爱因斯坦指出，这一运动可以用统计方法来描述，借助热的分子运动论，人们可以推测出分子 的大小。这样就为原子假说的成立提
