画解科学图景:100位科学人物的探索创新
上QQ阅读APP看书,第一时间看更新

08
爱因斯坦
热爱方能寻得“宇宙能量”

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)

爱因斯坦这位科学伟人的成就有很多,其中,有一种贯穿他思想并不断发展、值得大书特书的东西,那就是“能量”。牛顿对“力”的概念的发展延伸至整个宇宙,与之相仿,爱因斯坦对能量的发展也达到了“宇宙能级”,甚至超过了自然宇宙的能级。

大众对爱因斯坦在“能量”方面贡献中最熟悉的,莫过于他早年基于狭义相对论推导出的“质能关系式”:E=mc2[1](见题图下方太阳中标注的方程)。20世纪上半叶,他的个人思想,对世界的科学进步、和平事业与社会事务的影响,像核能一样影响巨大。

人到中年,爱因斯坦将基于广义相对论推导出的引力场方程[2](见题图下方自行车尾迹所示方程)运用于宇宙整体模型的创建,得到的“静态宇宙”需要一个“Λ[3]”来平衡(见题图肖像之签名下方的黄色字母),而这个被称为“宇宙常数”的常数项与后来宇宙学家发展起来的“暗能量”概念有着异曲同工之妙——据科学家们的测算,这种能量已占到整个宇宙成分的70%,你说够不够大?

更有甚者,爱因斯坦晚年与其继女有数量众多的通信往来,他在信中提出宇宙间最大的能量形态竟然是“爱”——这是高过一切自然力量的精神能量。因为,自小到大,是爱引导着爱因斯坦的一路前行;如果没有爱给予的精神支撑,他就不能够创作出宇宙中巨大科学能量概念的思想图景——这是因为没有人的存在,宇宙中再大的能量也无法被感知。爱因斯坦的那句关于热爱的名言——“热爱是最好的老师”——也间接证明了他对爱这一无与伦比能量形式的肯定。

毋庸置疑,爱因斯坦是20世纪乃至有史以来最伟大的科学思想家之一,在他思考并用实验证明后,自牛顿时代以来的时间、空间都变了形,整个宇宙中目前已知的四种基本物理元素(能量、质量、空间、时间)都产生了联系。

爱因斯坦引力论优于牛顿引力论的地方表现在它的精确性等方面,支持广义相对论的现象有:光线在巨大引力场天体周围通过时会发生偏折(引力透镜效应)和引力红移、水星进动等。对于这些现象,无法用牛顿引力论的精确计算来解释。爱因斯坦曾将大球置于橡皮膜上,让周边的小球绕行,以此来比喻时空弯曲的图景:如果将太阳放置于橡皮膜上,那地球绕行就相当于一颗小球的运动。他骑自行车绕圈行驶倾向内侧的情景也是一样的道理。他一贯奉行采用形象思维的“理想实验”方法。

在广义相对论的创立过程中,“引力质量和惯性质量相等”这一点是爱因斯坦在伯尔尼专利局当小职员期间顿悟的。而当他将广义相对论运用于静态宇宙模型时,又衍生出了一个能量四散的斥力形式Λ——这是一个无可比拟的宇宙间强大的能量形态。心中有热爱,方能寻得“宇宙能量”。

创作感言

在题图中,晚年的爱因斯坦目光深邃、直向远方,额头上皱纹形同五线谱一般,推导引力场方程式过程留下的数字与符号就像跳跃的音符——它们仿佛是伴随其爱好一生的小提琴奏出的科学旋律,其中隐含着能量元素。他依据其独创的广义相对论场方程,并在其中添加了一个代表斥力的宇宙项。画中,老年的他正回首一生——最大的幸福莫过于创立了自己的引力论,而遗憾的则是在静态宇宙模型中加入了“Λ”斥力——殊不知,如今Λ又被宇宙学家重新拾起,因为必须要有一个与引力相对峙的力才行,否则便不会有宇宙如今的格局……


[1]E=mc2(质能关系式),其中,E为能量,m为质量,c为光速。这个方程表述的是:能量等于质量乘以光速的平方。表现形式有两种:核裂变与核聚变。比如,原子弹爆炸属于核裂变反应,太阳能量生成属于核聚变反应。

[2](引力场方程)表述的是:时空决定物质如何运动,物质决定时空如何弯曲。

[3]Λ(宇宙常数)是爱因斯坦在其场方程中引入的表征某种“宇宙斥力”的常数。