1.天才之路: 阿尔伯特·爱因斯坦的学业
生活对阿尔伯特·爱因斯坦不算友好,这位狭义相对论和广义相对论的发现者,在他的青年时代,一直在经历着频繁的变动。
童年生活
1879年3月14日,阿尔伯特·爱因斯坦诞生于德国乌尔姆的一个犹太家庭。乌尔姆是当时德意志帝国符腾堡王国的一座城市,位于美丽的多瑙河畔。在他诞生一年后,全家即迁往了东南部的大城市,距离乌尔姆130千米的慕尼黑。慕尼黑是当时巴伐利亚王国的首都,也是德国南部最为繁华的城市。
爱因斯坦的阅读爱好
爱因斯坦并非人们口中称赞的神童。如果说他有什么不同之处,或许要算从很小时候便开始的阅读爱好。
爱因斯坦的父亲赫曼和叔父雅各伯在慕尼黑合作成立了一家小型电器公司,负责设计和制造电器。公司发展虽不算成功,但也为爱因斯坦全家提供了稳定的生活。爱因斯坦因此在慕尼黑生活了14年,度过了他的童年和早期学生时代。
迁居米兰
虽然阿尔伯特·爱因斯坦取得了举世瞩目的成就,但他的父亲则显得平庸了许多。1894年,他父亲赫曼的电器公司因经营不善而倒闭,全家决定搬离德国,迁往意大利的米兰。
爱因斯坦的迁居路线
身为犹太人的父母,对孩子的教育非常重视,因此决定让爱因斯坦在慕尼黑继续他的中学学业,等毕业后再到米兰和家人团聚,只有爱因斯坦继续留在慕尼黑完成学业。虽然他住在远房亲戚家里,但他心里仍有被丢弃的感觉。严格专制的校风与机械式的学习方式令他难以忍受。那年年底,他借口身体不适,毅然决然地离开学校,搬去米兰与家人会合。这样,他也可以避免从军。后来,他决然放弃德国国籍,成为无国籍人。在意大利的时候,年仅16岁的他撰写了有生以来第一篇理论物理论文,标题为《论在磁场里以太状态的研究》。
从未停止过的自学和思考
阿尔伯特·爱因斯坦虽然经历了搬家、转学等变动的生活,不能像大多数人一样接受稳定的学校教育,但他却一直在坚持自学,这已经成为了他的兴趣和爱好。
年仅16岁的爱因斯坦参加了瑞士苏黎世联邦理工学院的1895年入学考试,这时的他比大多数考生至少要小两岁。虽然他在数理科部分得到高分,但没有通过考试的文科部分。理工学院院长建议他先完成高中学业,因此他进入瑞士阿劳的阿劳州立中学读书。隔年9月,他成功通过瑞士高中毕业考试,大部分学科都获得优良成绩,特别是在物理与数学两个学科,都得到了最高分6分。
大学时光
爱因斯坦的父亲很希望爱因斯坦能够继承他的电机工程事业,但爱因斯坦对这不感兴趣,他认为对他而言这是大材小用。1896年,年仅17岁的爱因斯坦获准进入苏黎世联邦理工学院师范系数理科学习物理。他在那里遇到未来妻子米列娃·马利奇。同班六名学生中,米列娃是唯一女性,她比爱因斯坦大三岁。爱因斯坦与米列娃在物理方面有共同的兴趣与目标,久而久之渐渐擦出爱情火花。
苏黎世联邦理工学院
苏黎世联邦理工学院享有“欧陆第一名校”美誉,以其极高的教学淘汰率和极低的录取率闻名。截至2018年,学院的校友、教授和研究人员中,共产生了32位诺贝尔奖得主。其中最为著名的就是爱因斯坦。
爱因斯坦在1900年毕业,没能留校担任助教,接下来两年时间都没能找到教职。
1901年获得瑞士国籍,由于健康因素,他没有被征召入伍当兵。1902年在大学同学马塞尔·格罗斯曼的父亲协助下,成为伯尔尼瑞士专利局的助理鉴定员,从事电磁发明专利申请的技术鉴定工作。1903年成为正式职员。
爱因斯坦在专利局的工作很多都是与电信号传递、机电时间的同步化这类技术问题有关,这两类技术问题也时常会明显地出现在爱因斯坦的思想实验里,而这些思想实验最终导致爱因斯坦做出关于光的性质与时空之间的基础关联的大胆结论。
他利用业余时间开展科学研究,并且和在伯尔尼遇到的几位朋友组成讨论小组,自嘲地取名为“奥林匹亚学院”。他们时常定期聚集在一起讨论科学和哲学,共同阅读昂利·庞加莱、恩斯特·马赫和大卫·休谟的著作,他的科学哲学的发展因此深受影响。
学术生涯
爱因斯坦最早于1900年已在极具权威性的德国《物理年鉴》发表论文《毛细现象的结论》,由于这篇论文的基本猜测并不正确,其对于日后物理学的发展并没有给出任何实质贡献。那年,他决定继续攻读博士学位,由于苏黎世联邦理工学院并不提供物理博士学位,他必须通过特别安排从苏黎世大学得到博士学位。隔年,他成为苏黎世大学实验物理学教授阿尔弗雷德·克莱纳的博士学生。那年11月,他写完了初版的博士论文,但克莱纳并不满意这论文,特别是爱因斯坦在论文里对于其他科学权威的攻击。
爱因斯坦和他的第一任妻子
爱因斯坦和米列娃于1903年1月结婚,婚后生了两个儿子。由于婚后生活不和谐,爱因斯坦将更多的时间用在了科学研究上。这也许成为了爱因斯坦这一时期科学上多产的一个原因。
爱因斯坦奇迹年
1905年被誉为“爱因斯坦奇迹年”,在这一年里,他发表了多篇划时代的物理学论文,创造了科学史上的一大奇迹。
经过努力改善,1905年,他的博士论文《分子大小的新测定法》终获接受,他可以得到博士学位。同年,他发表了关于光电效应、布朗运动、狭义相对论、质量和能量关系的四篇论文,在物理学的四个不同领域中取得了历史性成就。该年被后人称为“爱因斯坦奇迹年”。
这四篇论文不仅奠定了爱因斯坦作为世界最顶尖科学家的地位,而且开启了两项观念革命。正是这场科学革命,改变了我们对时间、空间的理解。
在正式进入相对论之前,我们有必要先简单了解一下19世纪末的科学界,那个被“以太”介质所诠释的宇宙观。