20世紀最偉大的科學巨匠

朱安遠，等：20世紀最偉大的科學巨匠——阿爾伯特·愛因斯坦（上）

[摘要]理論物理學家、思想家和哲學家阿爾伯特·愛因斯坦是20世紀最偉大的天才科學家和世界級最知名的顯赫人物之一，他是一位追求自由和民主、獻身科學事業、熱愛世界和平、反對戰爭的科學勇士，介紹其生平事跡和成就的文獻資料甚多，他創立的相對論在全世界享譽盛名，本文嘗試從一些新穎而獨特的視角（愛因斯坦的國籍、愛因斯坦與原配米列娃、愛因斯坦奇跡年、愛因斯坦與諾貝爾物理學獎、愛因斯坦在中國、愛因斯坦與世界和平、愛因斯坦的大腦、愛因斯坦所獲得的主要榮銜以及愛因斯坦的雅稱等諸多方面）挖掘信息來全面展示其個人魅力和特質。

[關鍵詞]阿爾伯特·愛因斯坦；愛因斯坦奇跡年；狹義相對論；廣義相對論；光電效應定律；相對論宇宙學；EPR悖論；經典統一場論；諾貝爾物理學獎；《羅素—愛因斯坦宣言》

[中圖分類號]G3219[文獻標識碼]A[文章編號]1005-6432（2013）42-0180-09

[BT1]1愛因斯坦的生平與家庭成員 阿爾伯特·愛因斯坦

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein，18790314 11：30am—1955041801：15am）出生于德意志帝國符騰堡王國多瑙河畔烏爾姆市（Ulm，現為德國南部巴登—符騰堡州蒂賓根行政區山地—多瑙縣首府）班霍夫大街135號（135 Bahnhofstrasse）一個經營電器作坊的已被同化的中產階級猶太人家庭（愛因斯坦本人是無神論者，他不信奉包括猶太教在內的任何宗教），他幼時有些語言障礙（口吃），性格內向甚至有些孤僻。父親赫爾曼（Hermann Einstein，18470830—19021010）是一位小業主（商人）；母親波琳（Pauline Einstein，née Koch，18580208—19200220，1876年結婚）出生于富裕家庭，素養較高，多才多藝且愛好鋼琴等音樂；胞妹是瑪麗亞·溫特勒-愛因斯坦（Maria"Maja"Winteler–Einstein，18811118—19510625，昵稱瑪雅）。1880年6月全家遷居巴伐利亞王國都城慕尼黑[現為拜恩自由州（Freistaat Bayern，又稱巴伐利亞州Bavaria）首府][1]。

愛因斯坦的主要學習經歷：1884—1886年在家中接受一位女教師的教育并開始學習小提琴；1886—1888年在慕尼黑天主教會主辦的公立彼得小學（Peter Schule）讀3～4年級；1888—1894年在慕尼黑路易博德文理中學（Luitpold Gymnasium，校址幾番變遷，1965年起更名為阿爾伯特·愛因斯坦文理中學）學習（因中學課程未全部修完而肄業），1894年6月全家移居意大利米蘭（愛因斯坦被留在慕尼黑讀書至當年年底，1895年他家遷居帕維亞，一年后又搬回到米蘭），1895年秋報考蘇黎世工業大學失敗，1894—1895年愛因斯坦完成其第一個科學工作——磁場中以太狀態的研究；1895—1896年就讀于瑞士德語區阿爾高州（Aargau，阿勞現為其首府）阿勞州立中學（Staatsarchiv Kanton，Aarau，它是蘇黎世工業大學的預科學校，拿到其高中畢業文憑就可直接進入該大學就讀）；1896年10月進入蘇黎世工業大學（德文原名Eidgenssische Polytechnische Schule，1911年起更名為Eidgenssische Technische Hochschule Zürich，縮寫為ETH Zürich；英文名Swiss Federal Institute of Technology Zurich，英文名譯稱瑞士聯邦理工學院。1854年2月7日通過創建大學的法案，1855年10月16日正式成立）數理師范系（六系，主要培養大學和中學的數學和物理教師）A組（主要科目包括數學、物理和天文學，B組則包括其他各門自然科學）學習，1900年7月28日畢業獲數學和物理學學士學位；1905年7月24日以論文《分子大小的新測定法》（初稿完成于1901年，修定稿完成于1905年4月30日，同年7月20日提交）[2]獲得蘇黎世大學（Zurich University，德文Universitt Zürich，縮寫為UZH，創建于1833年4月29日）物理學哲學博士學位，其博士導師是哲學學院二部主任、瑞士實驗物理學家克萊納（Alfred Kleiner，18490424—19160703）教授。1906年愛因斯坦的博士論文正式發表于《物理學年鑒》雜志（1905年8月19日收到）并在伯爾尼出版單行本，1911年他還對此文予以補充和完善[3]。愛因斯坦在博士論文中將流體動力學的技巧與擴散理論相結合創造出一種測定阿伏伽德羅常數和分子半徑大小的新的理論方法，并推導出計算擴散速度的數學公式，對證實分子的實在性作出重要貢獻。文中所闡述的方法在膠體化學、建筑工業、乳制品產業和生態學等領域都有著廣泛的實際應用，故它在愛因斯坦所有論文中的引用次數名列前茅[4]：全球引用次數GCS（Global Citation Score）名列第四（文獻[41]名列第二），本地引用次數LCS（Local Citation Score）名列第二（文獻[41]名列第一）。

愛因斯坦的主要工作經歷和職銜：1901年5～7月任瑞士溫特圖爾職業技術學校臨時代課教師，同年10～12月在沙夫豪森任家庭教師；1902年6月—1909年10月先后任伯爾尼瑞士聯邦專利局（Swiss Federal Patent Office）試用人員、三級（1904年9月轉正）、二級（1906年4月晉升）和一級專利審查員（1907年晉升），1908—1909年兼任伯爾尼大學物理學編外講師；1909—1911年任蘇黎世大學理論物理學特聘教授（副教授）；經普朗克等人推薦，1911年3月—1912年8月任布拉格[時屬奧匈帝國（1867—1918）]德意志大學[Karl Ferdinands University，Prague，布拉格查理大學1348年由神圣羅馬帝國皇帝查理四世（英文Charles IV，德文Karl IV，1316—1378）創建，1882年分為德意志大學和捷克大學兩部分，1945年融為一體]理論物理學教授兼物理系主任；1912—1913年任蘇黎世工業大學理論物理學教授；經普朗克等人推薦，1913年7月10日愛因斯坦以44票對2票當選為普魯士皇家科學院院士（12月7日在柏林接受院士稱號），1913—1933年先后任柏林大學[Universitt zu Berlin，原名Friedrich Wilhelms Universitt，1809年8月16日普魯士國王腓特烈·威廉三世決定采納教育改革家和語言學家威廉·馮·洪堡（Friedrich Wilhelm Christian Karl Ferdinand von Humboldt，17670622—18350408）的建議籌建大學，1810年10月10日正式開學，1949年起東柏林原校址部分稱柏林洪堡大學，1948年12月4日在西柏林析置出柏林自由大學。1990年兩德統一后，兩所大學逐漸開始合作與合并。國內外現普遍將柏林洪堡大學作為老柏林大學的繼承者，它被譽為“現代大學之母”]理論物理學教授（并無實際講課任務）和威廉皇帝物理研究所[Kaiser Wilhelm Institut für Physik，1917年10月成立于柏林，1946年遷往哥廷根，1948年更名為馬克斯·普朗克物理研究所（隸屬于1911年成立的馬普學會MPG），1958年遷至慕尼黑并更名為馬克斯·普朗克物理和天體物理研究所，1941—1970年海森堡任該研究所所長，1991年析置為普朗克物理研究所（又稱海森堡研究所）、普朗克天體物理研究所和普朗克太空物理研究所]首任所長（1933年3月28日愛因斯坦宣布辭職，同年4月1日被開除院士資格，9月初納粹政府以2萬德國馬克懸賞殺死他），1916—1918年接替普朗克兼任德國物理學會會長，1921年首次訪問美國為耶路撒冷希伯來大學的創建籌措資金；1920—1930年受邀擔任荷蘭萊頓大學特邀訪問教授，1921年當選為英國皇家學會會員，1924年當選為美國藝術與科學院外籍榮譽院士，1926年當選為前蘇聯科學院院士，1927年當選為愛丁堡皇家學會會員，1922—1932年加入國際聯盟知識界合作委員會（中途曾退出過）；1930—1932年作為美國加利福尼亞理工學院（Caltech）的特邀教授，每年冬季去那里做訪問研究，1930年當選為美國哲學學會會員；1933—1945年任美國普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study，Princeton，成立于1930年，與普林斯頓大學沒有隸屬關系）理論物理學研究員（教授），1945年退休后仍繼續從事理論物理學研究，家住默瑟街112號樓（112 Mercer Street，愛因斯坦逝世后此房被留給其私人秘書杜卡斯小姐居住），1948年曾做過一次腹部外科手術。愛因斯坦是一位音樂愛好者，在小提琴演奏方面造詣頗深，還熱衷于航海，平時常隨身攜帶煙斗吸煙或雪茄。

1903年1月6日愛因斯坦與大學同班同學、塞爾維亞姑娘米列娃在伯爾尼注冊正式結婚，此前米列娃已于1902年2月4日在娘家生下與愛因斯坦的未婚私生女麗瑟爾（Lieserl，生父從未見過她，私生女下落不明是愛因斯坦生平的未解之謎。傳說她被人收養并在貝爾格萊德長大，還傳說1903年9月15日她因猩紅熱夭折于匈牙利王國），他們婚后還生有兩子：長子漢斯（Hans Albert Einstein，19040514—19730726，擁有瑞士和美國雙重國籍）是加利福尼亞大學伯克利分校（UCB）水利工程系教授，自1988年起美國土木工程協會（American Society of Civil Engineers）設有漢斯·愛因斯坦獎（Hans Albert Einstein Award）；次子愛德華（Edward"Tete"Einstein，19100728—19651025）是一位精神分裂癥患者（受母親家族的遺傳影響），后與母親相依為命，逝世于蘇黎世的一家精神病院。愛因斯坦與前妻米列娃于1914年6月起分居，1919年2月14日在柏林正式離婚[5]。1912年起其姨表姐和遠房堂姐（他們有雙層親戚關系：愛因斯坦和艾爾莎的母親是親姐妹，他們的父親是共祖父的堂兄弟，猶太教是禁止近親結婚的）艾爾莎（Elsa Einstein–Lwenthal，18760118—19361220）成為其情婦，1919年6月2日愛因斯坦與艾爾莎在柏林注冊正式結婚（此前愛因斯坦曾考慮過迎娶艾爾莎的長女伊爾莎，但被她本人所拒絕），他們婚后未生育子女，但艾爾莎與前夫、德國紡織品商人洛溫瑟爾（Rudolf Max Lwenthal，1864—1914，1896年在柏林結婚，1908年離婚）育有2個女兒：伊爾莎（Ilse，1897—19340610）和雕刻家瑪戈特（Margot，1899—19860708）。1951年愛因斯坦胞妹（1939年她逃離法西斯統治下的意大利來到美國，一直定居于哥哥家中）逝世后，其晚年生活主要由繼女瑪戈特和猶太人杜卡斯（Helen Dukas，18961017—19820210，1928年起獲得愛因斯坦私人秘書職位，終生未嫁）小姐照料。

1955年愛因斯坦因腹部主動脈瘤破裂導致失血性休克而逝世于美國新澤西州的普林斯頓醫院，享年76歲，當天16時其遺體在新澤西州首府特倫頓火化（其頭顱被人私自留下供醫學研究用）。遵照其生前遺囑，不發訃告，火化時免除所有公共集會，免除所有宗教儀式，免除所有花卉布置及所有音樂典禮，骨灰撒放在不為人知的秘密地點，不筑墳墓，不立紀念碑。愛因斯坦在遺囑中，除分給自己后輩和情人的一些遺產之外，剩余的全部財產（包括各種學術研究成果、手稿和私人信件等）一律贈給耶路撒冷希伯來大學。

美國籍荷蘭裔猶太理論物理學家和物理史學家派斯（Abraham Pais，19180519—20000728，1956年加入美國籍）是世界上最著名的愛因斯坦傳記作家，他著有《上帝是不可捉摸的：愛因斯坦的科學與生平》（Subtle is the Lord：The science and the life of Albert Einstein，1982）及其續篇《愛因斯坦當年寓此》 （Einstein Lived Here，1994），兩書均由英國牛津大學出版社出版。

[BT1]2愛因斯坦的國籍

一個人的國籍狀況一般來說是清晰而明確的，但對于某些歐美人士來說，一則因為各國國籍法的規定不同且跨國人員流動較大，二則國籍狀況屬個人隱私，因此有些人的國籍問題就顯得比較復雜，愛因斯坦的國籍問題就屬于這種情況：1879—1896年愛因斯坦是符騰堡王國籍[1806年符騰堡升為王國，1806—1813年加入萊茵聯盟（又稱萊茵邦聯，不同于1254—1450年間的萊茵同盟），1815—1871年是德意志邦聯成員國，1871—1918年則是德意志帝國的一個邦國]，為了逃避服兵役[根據當時的德國兵役法，男性公民年滿20周歲（18歲的說法是臆想的）即開始服兵役。若為了規避服兵役，男性公民只有在年滿16周歲以前移居國外才行]，經父親同意他申請（具體日期已不可考）放棄符騰堡王國公民資格并于1896年1月28日得到批準而成為無國籍人士。1899年10月19日愛因斯坦正式申請瑞士公民權，1901年2月21日獲得瑞士國籍（蘇黎世市民），他保留瑞士國籍直至逝世。19110401—19120930愛因斯坦短時獲得過奧地利帝國（時為奧匈帝國的一部分）國籍，1914年4月他重新獲得德意志帝國國籍，納粹執政后他于1933年3月28日再次放棄德國籍，同年9月9日夜離開避居的比利時到英國，10月7日離英于17日抵達美國定居，1940年10月1日加入美國籍[6]。

綜上所述，愛因斯坦的國籍按其擁有時間長短排序，依次是：瑞士54年（1901—1955）、德國36年（1879—1896和1914—1933）、美國15年（1940—1955）、無國籍5年（1896—1901）和奧地利15年（19110401—19120930）。顯然，愛因斯坦1922年榮獲1921年度諾貝爾物理學獎時擁有德國和瑞士雙重國籍。文獻[7]第972頁只將他列為“德國”國籍是不準確的。文獻[8]統計了諾貝爾物理學獎得主的國籍（截至1994年年底），其中德國籍18人（據筆者核實，若不考慮愛因斯坦，此數是準確無誤的），瑞士籍4人（若愛因斯坦按05人計算，迄今瑞士籍得主也只有35人），顯然瑞士籍中包括了愛因斯坦，其他3位瑞士籍得主依次是：①1920年獲獎的冶金學家、實驗物理學家和計量學家紀堯姆（Charles douard Guillaume，18610215—19380613）。②1986年獲獎的凝聚態物理學家羅雷爾（Heinrich Rohrer，19330606—20130516），在時任清華大學理學院院長薛其坤院士的陪同下，2011年4月26日15時他在筆者的母?！獌让晒趴萍即髮WIMUST（其前身是包頭鋼鐵學院，2003年11月起更為現名）學校會堂發表了題為《從愛因斯坦到納米技術》（From Einstein to nanotechnology）的公眾講座，此講座是“愛因斯坦展”中國巡展中“對話科學家”的系列講座之一。③1987年獲獎的超導物理學家穆勒（Karl Alexander Müller，19270420—）。這種只將愛因斯坦統計為“瑞士”國籍諾獎得主也有失偏頗[9]。文獻[10]單純地將愛因斯坦列為“美籍德國人”是不準確的，準確地說：晚年愛因斯坦是擁有美國和瑞士雙重國籍的德國裔科學家。

[BT1]3愛因斯坦與原配米列娃

愛因斯坦的初戀發生在1896年年初，當時在阿勞中學就讀的愛因斯坦與房東的女兒、鄉村小學教師瑪麗·溫特勒（Marie Winteler，1877—1958，她父親是阿勞中學的希臘語和歷史學教授，1911年她嫁給一個工廠經理，1938年離婚）相愛。愛因斯坦進入大學讀書以后，其注意力逐漸轉移到同班同學、塞爾維亞姑娘米列娃身上，他和瑪麗的初戀無疾而終，1897年5月起雙方正式中斷戀愛關系。不過，1910年愛因斯坦唯一的胞妹瑪麗亞嫁給了瑪麗的弟弟保羅（Paul Winteler，1882—1952），兩家總算成就了一樁美滿姻緣。

米列娃（Mileva Einstein–Maric，18751219—19480804）出生于今塞爾維亞（時屬奧匈帝國的匈牙利王國）伏伊伏丁那自治省南巴奇卡地區（諾維薩德是伏伊伏丁那自治省首府和南巴奇卡地區的行政中心）蒂泰爾鎮（Titel）的一個富裕家庭（她父親是一位擁有土地的公務員），因幼時膝關節結核而留下腿部微瘸的后遺癥。

1896—1900年與愛因斯坦同在蘇黎世工業大學六系A組學習的同班同學只有6人，其他5人是：塞爾維亞姑娘米列娃（剛到蘇黎世時她準備學醫，當時的女大學生實屬鳳毛麟角。1901年她準備補考時因發現懷孕而放棄，故未取得大學畢業文憑）、瑞士的格羅斯曼（Marcel Grossmann，18780409布達佩斯—19360907蘇黎世，1902年愛因斯坦在瑞士專利局的工作由其父親幫忙推薦并協助解決）和杜巴斯吉耶（Louis–Gustave du Pasquier，1876—1957）、德國的埃拉特（Jakob Ehrat，1876—1960）和科爾羅斯（Louis Kollros，1878—1959）。愛因斯坦與米列娃主修物理學，其他4人則主修數學，其中格羅斯曼以數學能力見長，米列娃具有很高的數學天賦，其數學功底也很扎實。

米列娃與愛因斯坦在大學期間相識、相知、相戀以至相愛，1903年她與愛因斯坦結婚后，協助丈夫完成了一些非常重要的研究工作，狹義相對論中就滲浸著她無數的心血。有些人士甚至稱米列娃為“相對論之母”[11]，因為在當時的歐洲，男人占有女人的研究成果是正?，F象。從人們所掌握的現有史料來看，愛因斯坦本人對米列娃的才能和功績從不隱諱[12]。他們在離婚協議書中約定日后愛因斯坦獲得的諾獎獎金將作為離婚贍養費全部歸米列娃和2個兒子所有。米列娃極為忠誠和依賴于愛因斯坦，婚后她毅然放棄了自己的學術追求，作為全職太太謙卑地照顧著家庭，離婚后她身心遭受重創。早在1914年6月她就帶著2個兒子離開柏林隱居于蘇黎世，為了給小兒子愛德華治病，她幾乎花光了全部積蓄，只能依靠教數學和物理學（另說：教鋼琴，筆者認為此說疑問很大）來維持生計，1948年纏綿病榻的她因腦卒中孤獨地在蘇黎世一家醫院離開塵世，安葬于當地的Nordheim Friedhof公墓。

1923年7月愛因斯坦領取到121573萬瑞典克朗（1921年的諾獎獎金，當時約合32萬美元。歷史上諾獎獎金絕對數最少的一屆是1923年的114935萬瑞典克朗）的諾貝爾獎金以后，履行承諾將獎金交給米列娃（可能只是其中的一部分獎金，具體數額迄今仍是一個謎），她用這筆錢在蘇黎世購置了3套公寓，其中2套用于投資（1930年代后期被迫出售），自己則住在胡騰街62號（62 Huttenstrasse）一棟5層樓的公寓里直至逝世。

[BT1]4愛因斯坦奇跡年與國際物理年

1884年5歲的愛因斯坦在一次生病躺在床上時，父親給他展示了一個簡易的袖珍羅盤（指南針），其指針總是指向南北極，由此他對它十分著迷并將他引向了探究科學的道路。愛因斯坦的叔叔雅各布（Jakob，18501125—19120908）是一位電氣工程師且喜愛數學等自然科學，叔叔獨特的啟蒙教育方法激發了小愛因斯坦對數學難題的興趣并把他引入科學和哲學殿堂的大門。愛因斯坦的一生共發表過320篇（部）科學著述（由四部分組成：期刊論文、書籍章節、書籍專著和授權譯作）和130余篇非科學作品（大部分是關于人道主義或政治主題）[13]，他正式發表的第1篇科學論文是1901年的《由毛細管現象所得出的結論》[14]（1900年12月13日完稿，1907年愛因斯坦評價自己的第1～2篇論文為“毫無價值”），1901—1907年愛因斯坦正式發表的前20篇科學論文均刊載于德國萊比錫出版的《物理學年鑒》（德文Annalen der Physik，英文Annals of Physics，創刊于1799年，1895—1907年普朗克任該雜志編輯，1907—1943年他任該雜志副主編），它是當時世界物理學界最權威的雜志。愛因斯坦利用業余時間進行理論物理學的研究，1905年先后在《物理學年鑒》發表4篇（編號為第7～10篇）具有劃時代意義的重要論文[詳見下表，當年他還完成博士論文（編號為第6篇）和《關于布朗運動理論》（1905年12月19日完成，編號為第12篇）[15]，文獻[3]的編號分別是第11篇和第40篇]，它們分別在量子論、氣體動理論（屬于早期的統計物理學理論，舊稱氣體分子運動論，為走入迷宮的該理論開辟了新的研究方向）和相對論三個重要的物理學未知領域作出重大理論突破（即愛因斯坦在三大領域作出四大貢獻），奠定了現代物理學的基礎，故1905年被后人仿效“牛頓奇跡年（1666年）”而稱之為“愛因斯坦奇跡年”[16-19]。

前文的補充性論文。作為狹義相對論的推論首先推導出著名的質能關系式E=mc2（它是愛因斯坦的標志性貢獻）[20]，它闡明了核能的來源，奠定了原子能理論的基礎，開辟了原子能時代注3。

注1：早期的量子論主要由三部分組成：①1900年普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，18580423—19471004，1918年度諾貝爾物理學獎得主，被譽為“量子物理學之父（量子論之父、量子力學之父）”）首創的量子假說（引入普朗克常數h）。②1905年愛因斯坦首創的光量子假說（首倡光子概念用于闡明光電效應定律）。美國實驗物理學家密立根（Robert Andrews Millikan，18680322—19531219，1923年諾貝爾物理獎得主）原本不相信光量子論，企圖通過實驗來否定光量子的存在，但他1912—1915年通過高難度的精密實驗（1916年發表全面實驗結果）卻驗證了愛因斯坦光電效應方程的有效性，同時測得當時最好的普朗克常數，證實了光量子的存在，密立根實驗遂成為光量子論的“無歧義實驗驗證”。美國實驗物理學家康普頓（Arthur Holly Compton，18920910—19620315，1927年諾貝爾物理學獎得主）原本也是光量子論的懷疑者，1922年10月他通過實驗發現了康普頓效應，經典電磁理論無法解釋，次年5月他不得不利用光量子論才得以科學闡釋，康普頓效應也就成為光量子論（包括光子的波粒二象性）的判決性實驗。③1913年尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr，18851007—19621118，1922年諾貝爾物理學獎得主，被譽為“原子物理學之父”，與愛因斯坦并稱為20世紀物理學的雙峰）首創的氫原子結構模型（又稱定態躍遷原子軌道模型，引入定態量子躍遷和軌道量子化的嶄新思想）。它們是量子力學的前身，故普朗克、愛因斯坦和玻爾被尊稱為量子力學的三個教父（又稱量子論三元老）。在量子論的發展研究過程中出現過三個不同的學派：索末菲領導的慕尼黑學派、尼爾斯·玻爾領導的哥本哈根學派和玻恩（Max Born，18821211—19700105，1954年諾貝爾物理學獎得主，被譽為“晶格動力學之父”）領導的哥廷根學派，索末菲、尼爾斯·玻爾和玻恩分別被譽為量子工程師、量子哲學家和量子數學家。

注2：布朗運動是指液體中懸浮粒子不停地做無規則運動。1827年首先由蘇格蘭植物學家布朗（Robert Brown，17731221—18580610）利用光學顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉時發現。1908—1909年法國物理學家佩蘭（Jean–Baptiste Perrin，18700930—19420417）利用與大氣分子垂直分布相類似的膠態粒子在液體中懸浮進行顯微觀察，直接證實了分子和原子的存在，并用多種方法測定出阿伏伽德羅常數，檢驗了愛因斯坦對布朗運動理論解釋的正確性，他因對布朗運動實驗研究的貢獻而榮獲1926年諾貝爾物理學獎。

注3：英國實驗物理學家科克羅夫特（Sir John Douglas Cockcroft，18970527—19670918）和愛爾蘭實驗物理學家沃爾頓（Ernest Thomas Sinton Walton，19031006—19950625）因1929年共同發明科克羅夫特─沃爾頓加速器（即高壓倍加器），1932年合作首先用人工加速原子粒子實現原子核的衰變并驗證了愛因斯坦的質能關系式而榮獲1951年諾貝爾物理學獎。

為了紀念“愛因斯坦奇跡年”100周年，在歐洲物理學會EPS（European Physical Society，1968年9月26日成立于日內瓦，其秘書處現設在法國阿爾薩斯上萊茵省的米盧斯市Mulhouse）的倡議下，2002年國際純粹與應用物理學聯合會（IUPAP）決定2005年為“世界物理年（World Year of Physics）”；2004年6月10日聯合國大會通過A/RES/58/293號決議，將2005年定為“國際物理年（International Year of Physics）”，又稱愛因斯坦年。

英國物理學家、數學家和天文學家牛頓（Sir Isaac Newton，16430104—17270331）在科學上的主要貢獻有：發現牛頓三大運動定律、萬有引力定律、光的色散原理和二項式定理（1665年）；發明微積分[科學界現公認牛頓和德國哲學家、數學家萊布尼茲（Gottfried Wilhelm von Leibniz，16460701—17161114）同為微積分的獨立發明者]和反射式望遠鏡（1668年）。其代表作是《自然哲學的數學原理》（Philosophi Naturalis Principia Mathematica，1687年7月5日）和《光學》（Opticks，1704年）。牛頓是遺腹子且終身未娶，1665年8月至1667年4月他為了躲避倫敦大瘟疫（淋巴腺鼠疫）而回到故鄉英格蘭林肯郡烏爾索普（Woolsthorpe）莊園，這段時間成為他科學生涯中的黃金歲月：獨立發明流數術（fluxion，即微積分）、用三棱鏡完成光的分解實驗分析（發現日光七色光譜并由此提出光的色散原理）和發現萬有引力定律，奠定了經典物理學的基礎，故1666年被歷史學家們稱之為“牛頓奇跡年”。

[BT1]5愛因斯坦的主要貢獻和成就

愛因斯坦認為現代科學的發展依靠兩個基礎：（歐幾里得幾何學中的）形式邏輯體系和實證方法。1609年意大利科學家伽利略（Galileo Galilei，15640215—16420108）第一次用天文望遠鏡（屬折射式望遠鏡）觀察天體，開創了以觀測和實驗的方法追尋宇宙起源的時代，它標志著現代科學的興起。

相對論和量子力學的結合構成了現代物理學[與經典物理學相對應，經典物理學的三大支柱是牛頓力學（經典力學）、麥克斯韋電磁理論（經典電動力學）、經典熱力學（宏觀熱力學）和統計力學（現稱統計物理學）]，其三大分支是理論物理學[theoretical physics，它不同于數學物理學（mathematical physics），但著名的理論物理學家大多也是優秀的數學大師，數學物理學的研究方法統稱為數學物理方法]、實驗物理學（experimental physics）和計算物理學（computational physics）。相對論（尤指狹義相對論）和量子力學（量子場論和規范場論是量子力學向縱深發展的結果）是現代物理學的兩大理論支柱（兩大理論基礎），相對論以相對時空觀取代源于經驗的絕對時空觀，量子力學則以概率世界取代確定性世界。狹義相對論、廣義相對論和量子力學（早期的量子力學又稱波動力學或矩陣力學，波動力學和矩陣力學是完全等價的，量子力學的三種有效表達形式分別是薛定諤方程、狄拉克矩陣和費曼的路徑積分[21]）引發了20世紀早期物理學的三次革命性突破。量子物理學的主要分支學科有量子力學（包括量子場論）、原子物理學、原子核物理學（簡稱核物理學）和粒子物理學（又稱高能物理學）等。

愛因斯坦在理論物理學的多個重要領域都作出過卓越貢獻[22-24]：①1905年首創光量子假說：對于時間平均值（即統計的平均現象），光表現為波動；而對于瞬時值（即漲落現象），則光表現為粒子，首次完整地揭示出光子的波粒二象性（后來的物理學發展表明波粒二象性是整個微觀世界的最基本特征），同時用量子理論解釋了光電效應現象[1887年由德國猶太物理學家海因里?！ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz，18570222—18940101）首先發現，1887—1888年他通過實驗驗證了電磁波（即電磁輻射）的存在。國際單位制中的頻率單位以其名字赫茲（Hz）命名]。1906年他把能量量子化觀念擴展到物體內部的振動上，推導出固體比熱容公式，基本上說明了低溫條件下固體比熱容與溫度之間的關系，解決了比熱容佯謬問題。②1905年創立狹義相對論（special relativity）并在此基礎上推廣為廣義相對論（general relativity）。1913年與大學同班同學、猶太數學家格羅斯曼（時任ETH Zürich數理系主任）合著重要論文《廣義相對論綱要和引力理論》[25]，把黎曼幾何和張量分析加以改善后引入廣義相對論，把平直空間的張量分析擴展到彎曲的黎曼空間，在物理學中首次應用非歐幾何，建立了引力的度規場理論。1915年11月25日愛因斯坦完成的論文《引力場方程》[26]標志著廣義相對論的誕生，翌年3月20日他完成總結性論文《廣義相對論基礎》（又譯為《廣義相對論原理》）[27]。廣義相對論的兩條基本原理是廣義相對性原理（又稱廣義協變原理）和等效原理（又稱等價原理）。據此他做出著名的三大天文學預言（統稱愛因斯坦效應）：（i）水星近日點的反常進動（此問題牛頓經典引力理論長期得不到合理的科學解釋）；（ii）光線在太陽引力場中發生彎曲（即光線引力偏折，1919年得到初步驗證）；（iii）引力場中的光譜線紅移（或稱較強引力場中的時鐘延緩，1960年得到初步驗證）。這些預言與后來觀測到的結果基本相符，但人類至今仍未直接觀測到1916年愛因斯坦根據廣義相對論所預言的“引力波”（1978年只是被間接地證實，該成果獲1993年諾貝爾物理學獎）。將廣義相對論延伸以正確處理自旋角動量的理論稱為愛因斯坦—嘉當理論（Einstein–Cartan theory），后發展為Einstein–Cartan（1922）–Sciama（1964）–Kibble（1961）理論，為該理論作出貢獻的另三位科學家是法國數學家嘉當（lie Joseph Cartan，18690409—19510506）、英國物理學家夏默（Dennis William Siahou Sciama，19261118—19991218）和基布爾（Thomas “Tom” Walter Bannerman Kibble，19321223—）。相對論的觀念和方法對理論物理學的發展有著極為深刻的影響。③在闡明布朗運動方面成就卓著，1908—1909年法國物理學家佩蘭以其精密的實驗證實了愛因斯坦關于布朗運動的理論預言，從而解決了半個多世紀以來科學界和哲學界爭論不休的原子和分子是否存在的問題，成為原子分子學說的里程碑。不久以后他還建立起漲落與耗散之間的聯系。④1912年把光量子概念應用于光化學現象并建立起光化學第二定律（又稱愛因斯坦光化學當量定律）[28]。愛因斯坦在光化學上的地位相當于法拉第在電化學上的地位。光化學中量子流密度（單位時間到達或通過單位面積的摩爾量子數）的物理量單位稱愛因斯坦（代號：E）。⑤1917年發表關于愛因斯坦—布里淵—凱勒方法[Einstein–Brillouin（1926）–Keller（1958） method，簡稱EBK方法]的開創性論文[29]，它是量子力學中計算量子系統本征值的一種半經典近似方法，借此可構造出一個經典系統的量子力學版本，推動了量子力學的發展。為EBK方法做出貢獻的另兩位科學家是法國物理學家萊昂·布里淵（Léon Nicolas Brillouin，18890807—19691004）和美國數學家約瑟夫·凱勒（Joseph Bishop Keller，19230731—，1996—1997年度沃爾夫數學獎得主）。⑥1917年發表開創性論文《根據廣義相對論對宇宙學所作的考察》[30]，首次利用廣義相對論引力場方程（又稱愛因斯坦場方程或愛因斯坦方程）研究宇宙的時空結構，得到一個靜態閉合有限無界的、自洽的動力學宇宙模型，其中宇宙學常數 （1929年發現哈勃紅移后，1931年愛因斯坦曾放棄宇宙學常數并認為這是他“一生中最大的錯誤”，但1998年觀測到的宇宙加速膨脹讓宇宙學常數死而復生，其值雖小，但可能不為零，宇宙學常數項的貢獻被認為可能與暗能量有關）產生一種抵抗宇宙引力坍縮的真空膨脹力，為現代宇宙學奠定了理論框架，標志著現代宇宙學[建立在宇宙學原理（宇宙在大尺度上是均勻的和各向同性的）和廣義相對論基礎之上]的誕生。弗里德曼方程（1922年）是廣義相對論框架下描述空間上均勻且各向同性的非靜態膨脹宇宙模型，1929年河外天體光譜線紅移（哈勃定律）的發現使宇宙膨脹理論得到有力支持并成為現代宇宙學的基礎。1948年美籍俄裔理論物理學家和宇宙學家伽莫夫（George Gamow，19040304—19680820，1940年加入美國籍）提出（熱）大爆炸宇宙模型（big–bang model），它先后得到三個觀測事實（河外天體光譜線紅移、宇宙氦豐度的測定結果和微波背景輻射）的強有力支持而被大多數天文學家和物理學家所接受，其宇宙形成演化理論現被稱為宇宙學標準模型。2003年威爾金森（David Todd Wilkinson，19350513—20020905，宇宙微波背景輻射研究的先驅）微波背景各向異性探測器（WMAP）和斯?。ˋlfred Pritchard Sloan，Jr，18750523—19660217，長期擔任通用汽車公司高層領導職務）數字化巡天（SDSS）項目的天文觀測結果進一步強有力地支持了大爆炸宇宙模型，并計算出宇宙中普通可見物質只占4 %，暗物質占23 %，暗能量卻占73 %。黑洞是相對論宇宙學所預言的一種暗天體，天鵝座X-1現被認為可能是一個黑洞。美國物理學家惠勒（John Archibald Wheeler，19110709—20080413）曾試圖完成愛因斯坦的統一場論，1967年12月29日他在紐約的一次演講中首先使用“黑洞（black hole）”一詞，故被譽為“黑洞之父”。1972年中國天體物理學家方勵之（19360212—20120406）前院士[31]發表的《關于標量——張量理論中含物質及黑體輻射的宇宙解》一文[32]是新中國相對論宇宙學研究領域的開山之作。⑦1924—1925年建立玻色子（玻色子是指自旋角動量為h/2偶數倍或零倍的、波函數完全對稱的全同性粒子，它們不服從泡利不相容原理；費米子則是指自旋角動量為h/2奇數倍的、波函數完全反對稱的全同性粒子，它們服從泡利不相容原理，且適用于費米─狄拉克統計法）所適用的玻色─愛因斯坦統計法，并預言玻色─愛因斯坦凝聚態BEC（Bose–Einstein condensates）的存在，近似實現BEC是2001年諾貝爾物理學獎的獲獎成果[33]。玻色─愛因斯坦統計法和費米─狄拉克統計法（1926年）是兩種重要的量子統計法。已知物質的6種形態是固態、液態、氣態、等離子體態（1879年）、玻色─愛因斯坦凝聚態（1995年6月得以在實驗室中近似地實現）[34]和費米子凝聚態（2003年12月得以在實驗室中近似地實現）[35]。⑧1936年開始與兩位助手和同事[波蘭猶太物理學家英費爾德（Leopold Infeld，18980820—19680115）、英國數學家和物理學家霍夫曼（Banesh Hoffmann，19060906—19860805）]合作研究廣義相對論的運動問題，1938年合作發表重要論文《引力方程和運動問題》[36]，從廣義相對論的引力場方程推導出物體的運動方程（即Einstein–Infeld–Hoffmann方程），進一步揭示了時空、物質、運動和引力之間的統一性，這是愛因斯坦科學生涯中所取得的最后一個重大科研成果。⑨1922—1950年致力于經典統一場論的建立，企圖把電磁場和引力場統一起來，但以失敗而告終。有文稿和著述集《愛因斯坦全集》傳世。

1915年愛因斯坦與洛倫茲（1902年諾貝爾物理學獎得主）的長女婿、荷蘭物理學家和數學家德哈斯（Wander Johannes de Haas，18780302—19600426）合作完成了一項重要的物理實驗（這是愛因斯坦一生完成的唯一物理實驗），發現磁化是由電子的自旋造成的，即回轉磁性效應（gyromagnetic effect，又稱愛因斯坦─德哈斯效應）。為了紀念英國物理學家理查森（Sir Owen Willans Richardson，18790426—19590215，1928年度諾貝爾物理學獎得主）在回轉磁性效應方面的貢獻，該效應又被命名為理查森效應。

1925—1926年愛因斯坦和匈牙利裔猶太物理學家西拉德（Leó Szilrd，18980211—19640530）合作設計了三款（吸收式、擴散式和電磁式）新型環保冰箱并獲得技術專利，但從未投入過商業生產。

1917年愛因斯坦發表論文《關于輻射的量子理論》[37]，總結量子論的發展，還根據玻爾1913年提出的量子躍遷概念首次提出自發輻射和受激輻射概念，推導出黑體輻射譜，建立起一套描述原子輻射和吸收電磁波過程的普適統計理論（即愛因斯坦AB系數，又稱量子躍遷幾率理論），給量子電動力學的發展提供了向導（經典電動力學和量子力學結合而發展起來的量子電動力學是光量子論的嚴密形式）。愛因斯坦將光和物質的相互作用歸結為自發輻射、受激輻射和受激吸收三個基本過程。有人將文中提出的受激輻射理論說成是奠定了現代激光理論的基礎甚至將愛因斯坦贊譽為“激光之父”，這些說法有些言過其實[38]。光磁共振是指使原子和分子光學頻率的共振與射頻或微波頻率的磁共振同時發生的一種雙共振現象。光磁共振法是法國物理學家卡斯特勒（Alfred Kastler，19020503—19840107，1966年諾貝爾物理學獎得主）等人首先提出并實現的，由于該方法最早實現了粒子數反轉，成了發明激光器的先導，故卡斯特勒常被譽為“激光之祖（激光之父）”。以下4人因從事脈塞Maser（microwave amplification by stimulated emission of radiation，現譯為微波激射器）和萊塞Laser（light amplification by stimulated emission of radiation，現譯為激光）的先驅性工作而同被譽為“激光之父”：美國物理學家湯斯（Charles Hard Townes，19150728—）和肖洛（Arthur Leonard Schawlow，19210505—19990428）、前蘇聯物理學家巴索夫（Nikolay Gennadiyevich Basov，19221214—20010701）和普洛霍羅夫（Alexander Mikhaylovich Prokhorov，19160711—20020108），肖洛（1957—1958年與湯斯合作研究脈塞并提出完備的激光原理）是1981年諾貝爾物理學獎得主，其余3人共同榮獲1964年諾貝爾物理學獎。1952年巴索夫及其博士導師普洛霍羅夫研制成功世界上第一臺微波激射器，1955年他們合作提出激光原理及其設計方案。1960年5月16日美國加利福尼亞州休斯研究實驗室（Hughes Research Laboratories）的物理學家梅曼（Theodore Harold"Ted"Maiman，19270711—20070505）實現了世界上的第一束激光，同年7月7日他宣布研制成功世界上第一臺激光器——紅寶石激光器（屬固體激光器）。

經典物理學研究領域的“兩朵烏云”：1900年4月27日以保守著稱的英國物理學元老威廉·湯姆森（即開爾文勛爵，Sir William Thomson=Lord Kelvin=1st Baron Kelvin，18240626—19071217，1890—1895年出任英國皇家學會會長）在英國皇家學會（成立于1660年11月28日）發表了著名的演講《懸浮在熱和光動力理論上空的19世紀的烏云》，此演講稿經修改補充后公開發表于1901年7月的《哲學雜志》和《科學雜志》合刊[39]，1904年被收錄在開爾文的一本演講集中。開爾文勛爵所指的“兩朵烏云”原指“以太和有質體的相對運動”以及“麥克斯韋和玻耳茲曼關于能量均分的學說”，后被人們引申為在解釋邁克耳孫─莫雷實驗（1887年，Michelson–Morley experiment，又稱以太漂移實驗）時的困難以及黑體輻射實驗和理論的不一致（即黑體輻射的紫外災難，1900年），它們分別導致了相對論革命和量子論革命的爆發[40]。

EPR悖論（EPR paradox，又譯為EPR佯謬）起源于以玻爾和愛因斯坦為首，圍繞關于量子力學理論基礎的解釋問題而展開的長期而激烈的爭論。這場爭論始于1927年第5屆索爾維物理會議（布魯塞爾），當時玻爾以成功捍衛哥本哈根學派詮釋的邏輯的無矛盾性（即自洽性）而勝出。在1930年第6屆索爾維物理會議（布魯塞爾）上，愛因斯坦提出著名的“光子盒”理想實驗（即光子盒佯謬），試圖從能量和時間這一對正則變量的測量上來否定測不準原理，豈料被玻爾發現一個致命漏洞（忽視了廣義相對論的紅移效應）而再次敗北。在此之前，愛因斯坦的挑戰主要是針對量子力學的自洽性，即找出其邏輯上的內在矛盾，此后他改變策略，想從更普遍、更原則的角度來探討量子力學的完備性問題。1935年3月15日愛因斯坦及其兩位美國猶太同事波多爾斯基（Boris Yakovlevich Podolsky，18960629—19661128）和羅森（Nathan Rosen，19090322—19951218）合作在美國《物理評論》雜志發表著名論文《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎》[41]，提出一個十分重要的概念——量子糾纏態（quantum entanglement，量子糾纏態涉及實在性、定域性、隱變量以及測量理論等量子力學的基本問題，在量子計算和量子信息學領域的研究中起著重要作用），這就是著名的非定域性量子力學“EPR悖論”（為此愛因斯坦說出“上帝不會擲骰子”的名言），有人稱其為物理學界的“第三朵烏云”（現也有人稱暗物質和暗能量為物理學界新的“兩朵烏云”），其震動余波至今仍未平息。在EPR的推論中隱含著兩項假設：①物理實在是獨立于觀測者而客觀存在的；②兩粒子間傳遞信息的速度不能超過光速，不存在超距作用。此假設后被稱為愛因斯坦定域性原理。玻爾從EPR悖論的兩大前提（完備性判據和實在性判據）進行反駁的同名論文同年10月15日發表于同一雜志[42]。1951年美國普林斯頓大學猶太量子物理學家玻姆（David Joseph Bohm，19171220—19921027）利用一對單態費米子提出了幾率現象只是統計平均結果的隱變量理論，這是一個新版本的EPR悖論[43]。1964年歐洲核子研究組織（CERN）的英國北愛爾蘭物理學家貝爾（John Stewart Bell，19280628—19901001）發表論文《論EPR悖論》[44]，指出任何企圖保持愛因斯坦定域性原理的隱變量理論都將不能和量子力學相容，這就是著名的貝爾定理。他利用玻姆的單態粒子對理想實驗，完全基于愛因斯坦的定域性原理推導出貝爾（量子）不等式（Bells inequalities，指一組防止相距遙遠的量子粒子在瞬間互相影響的數學關系式。其后繼者曾改進和推廣過此不等式，故貝爾不等式是指這一類不等式的通稱），說明定域性隱變量理論的相關性和量子力學是不同的。他提出的這個判決性實驗使原本屬于哲學的命題轉化為一個科學的命題。已進行過的相關實驗絕大多數支持哥本哈根學派關于量子力學的觀點。量子論哥本哈根學派解釋的三大核心（又稱量子物理學三大支柱或三大基石）是玻恩的波函數統計解釋（1926年6月）、海森堡的測不準原理（1927年3月，現已改稱為更具普遍意義的不確定性原理）和玻爾的互補原理（1927年9月，又稱并協原理）。

曾有一位愛講空話且不用功的年輕人向愛因斯坦討教關于成功的秘訣，他寫下了這樣一個勵志公式：A=X+Y+Z，并解釋說A代表成功，X表示努力工作，Y表示正確方法，而Z表示少說廢話。這個公式指明了個人事業成功的三要素。

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[40]李醒民開爾文勛爵的“兩朵烏云”[J].物理，1984，13（11）：699-700

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[作者簡介]朱安遠（1964—），男，湖南邵東縣人，工學學士（工業電氣自動化專業），高級工程師，高級銷售經理，現任北京金自天正智能控制股份有限公司市場營銷中心副部長兼華東區區域經理，主要從事工業自動化（尤其是冶金自動化三電系統）領域的市場營銷和應用工作。興趣和涉獵領域廣泛，近期四大研究主題：①低壓變流器電流過載能力指標：關注此事起始于1999年。基于低壓交直流變流器，筆者首創電流過載能力指標的四要素原則、等效電流系數學說和缺陷理論，首開系統性定量分析研究電流過載能力指標之先河，開辟變流器電流過載能力指標研究這一新領域。②諾貝爾獎獲獎者：喜好此事起源于1981年，自稱諾迷（類似于球迷、郵迷、歌迷或影迷），酷愛研究諾貝爾獎得主且樂此不疲，倡議在國際上創建諾學（The Study of Nobel Prizes，類似于中國的紅學）。③總體標準差的統計估計方法：研究興趣發端于筆者1987年對概率論與數理統計的系統性歸納和總結。④陸家羲及組合數學：熱心于此事肇始于陸家羲悲喜交加年和陸老師的忌年——1983年。業余愛好：數學、百科知識、集郵和燈謎等。E-mail：1461877797@qqcom。朱婧姝（1996—），女，北京市豐臺區人，北京師范大學附屬實驗中學高三 （8）班（理科實驗班）學生，對經濟學、生物學和化學學科感興趣。郭華珍（1964—），女，湖南冷水江市人，臨床醫學碩士（康復醫學與理療學專業），副主任醫師，主要研究方向：腦損傷患者的認知障礙評定與康復。