無處不在的愛因斯坦

提到愛因斯坦，你會想到什么？

E=mc2、相對論、量子力學、黑洞……收，想得越來越遠了！其實，愛因斯坦可以說是我們“最陌生的熟人”，根據他的科學理論衍生出的創造與發明，幾乎覆蓋到現代文明的每個角落，我們衣食住行里的許多細節都閃現著愛因斯坦的影子。不信你看，這些物品是不是都與你的生活息息相關——

1 數碼相機

當你用數碼相機拍下一個個精彩瞬間時，或許首先要感謝愛因斯坦。從鏡頭里飛進來的光子會把半導體里的電子擠走，這便是利用了與愛因斯坦有關的光電效應。

專家解讀

王新鵬（中國科學院物理研究所）：

電荷耦合器件（CCD）傳感器廣泛應用于如今許多先進的數碼相機和成像系統。CCD最初是由維拉·波義耳和喬治·史密斯兩位物理學家于1969年開發的。CCD的基本原理就是光電效應，即光照可以從物體表面或內部激發出電子，愛因斯坦首次成功地解釋了它。CCD傳感器采集并放大了這些光電子的信號來形成像素點，使我們能夠以圖像的方式讀取它們。

畫重點

18世紀，科學家認為光是一種波，波的強度就代表了光的能量。這個觀點貌似非常符合常理。可以想象，冬天陽光不強，曬在身上有暖洋洋的感覺；而夏日陽光刺眼，如果不注意防護皮膚，有可能被曬傷。因此，在經典物理學觀點里，光電效應能否發生，取決于光的強度的大小。然而，這一理論與當時的一系列實驗結果相悖。研究表明，同一種物質，有些顏色的光無論強度多高，都無法發生光電效應，有些顏色的光雖然強度很低，也能產生電流。這讓當時的科學家們非常困惑，直到20多歲的愛因斯坦打破常規，想出了一個不一樣的解決思路：他將光描述為不連續的粒子（現稱為光子），而不是連續的波。愛因斯坦認為，光在時間平均值下表現為波，對時間瞬時值表現為粒子，因此光可以既是波又是粒子，即存在波粒二象性。光子的能量只與其頻率有關，光強只決定了光子的多少。當一束光照在金屬上，只要光子的頻率足夠高，無論光強如何，都能激發出光電子，形成光電效應。愛因斯坦的光量子理論完美地解釋了光電效應，而且推廣了普朗克的量子理論，打開了量子世界的大門。

2 煙霧探測器、核電站和原子彈

煙霧探測器內部有放射性物質镅-241，它在裂變中會產生一小束帶電粒子，形成穩定的電流。一旦發生火災，煙霧的干擾就會改變這個電流，觸動警報器。镅的原子核并不穩定，在裂變過程會釋放能量，反應后的總質量小于镅的質量，質量似乎消失了一些，但其實，镅原子的質量只是以能量的形式“溜走”了。這是愛因斯坦著名的質能方程式告訴我們的。

專家解讀

王新鵬

在愛因斯坦之前，人們知道物質不滅、能量守恒，但兩者并沒有被聯系起來，直到愛因斯坦從狹義相對論的基本假設直接推出了E=mc2，也就是大名鼎鼎的質能方程。這個式子告訴我們：質量和能量其實是同一種東西的不同表現形式，二者是統一的，物質不滅、能量守恒，合稱質能守恒。所以，如果一個物體的能量增加了，其質量也會相應增加，并不存在“質量被轉化為能量”的說法。而如果一個物體的質量減少了，那就說明它失去了能量，核電站、原子彈等都利用了這一點，只是前者可控，而后者不可控。它們的原理都是核裂變，即熱中子撞擊重原子核，使原子核裂變為兩個或多個較小的原子核。鈾核裂變會發生質量虧損，在釋放出大量能量的同時放出更多中子，這些中子又能引發更多核裂變，從而引發鏈式反應。

畫重點

在愛因斯坦提出狹義相對論前，當時的科學界還未發現原子核內部的準確結構，甚至還沒有發現中子的存在，直到1932年，英國物理學家查德威克通過α粒子轟擊方法首次探測到原子核中的中子。1938年，德國化學家哈恩和斯特拉斯曼應用中子轟擊鈾原子，首次發現了重元素的核裂變反應，并在此過程中發現有大量能量的釋放。不過，當時的科學家在重復做該實驗時，發現了一個非常重要的現象，那就是鈾原子在核裂變時，反應前后的總質量是不一樣的。對此，有些科學家開始思考，在反應的過程中肯定發生了某種現象，使其帶走了一部分的質量。在這種猜測的基礎上，人們想到了愛因斯坦提出的質能方程，應用“虧損的質量以能量形式釋放出去”這樣的結論，合理地解釋了大量能量的釋放以及質量虧損這兩個問題。在愛因斯坦質能方程的指導下，科學家們又進一步研究了重核裂變的產生機理，從此，原子核內部的秘密仿佛一下子被揭開了，現代核物理學得以飛速發展。

3 激光掃描

每次到超市購物時，我們購買的每一件商品，其條形碼都需要在收銀臺經過激光掃描儀的掃描。或許你還不知道，這項激光技術也得益于愛因斯坦的激光理論。

專家解讀

孫正凡（天體物理學博士）：

“激光”這個詞來自“受激輻射”（stimulated emission），指原子里處于高能級的一群電子受到外部經過的光子的影響回落到低能級，此時其所釋放的能量以光子的形式放出，形成一道相干光束。這個理論其實早在1917年就出現了，它是愛因斯坦在普朗克量子理論的基礎上拓展到物質與輻射影響而提出的。但實現這個想法，卻是在30多年之后了。

1951年的一個早晨，美國物理學家查爾斯·湯斯突然想到用氨分子產生微波束的方式，并把這個想法記錄在一個舊信封的背面（愛因斯坦也有這個習慣）。同年12月，湯斯和他的學生終于制成了按上述原理工作的一個裝置，稱其為“受激輻射微波放大”，縮寫成Maser（脈澤）。1960年，美國物理學家西奧多·梅曼用紅寶石棒建造出了第一個激光器。

從櫥柜里的激光唱片、辦公室里的激光打印機，到建筑裝修用的激光測距、工業用的激光切割，再到愛美人士祛斑美膚用的激光美容，可以說，這些發明都直接受惠于愛因斯坦的科學遠見。

4 GPS全球定位系統

每一次點外賣，每一次出行，只要用到GPS，就不能忽視愛因斯坦的功勞。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，在引力場的不同位置，時間和空間的性質會發生變化。因此，GPS衛星導航系統里需要安裝精確的原子鐘來配合時間序列發射，否則GPS給出的位置誤差每天幾乎能達到11公里左右。我們在使用導航軟件時，可能一不小心就被帶到溝里去了。

專家解讀

孫正凡：

1971年，在美國的一架飛機上，科學家們測量發現，原子鐘在高空飛行時，走得會比地面鐘表的時間略慢一點點。2010年，科學家們又測量出垂直高度僅1米的時間膨脹效應——每40年會差1秒！GPS衛星的核心就是原子鐘，把原子鐘的時頻信號用微波發射出去后，接收器通過時頻信號和光速得出相對幾個衛星的位置，從而完成定位。但原子鐘的時頻在衛星不同軌道不同速度飛行時，會受到狹義相對論多普勒頻移和廣義相對論引力紅移的影響，因此需要修正這些影響，才能準確地定位。

畫重點

愛因斯坦在狹義相對論中提出了時間膨脹理論，又稱“鐘慢效應”，即運動時鐘的“指針”行走的速率比時鐘靜止時的速率慢。這個理論看似違背了我們的常規認識，但是在1971年的飛機飛行實驗中得到了驗證。另外，愛因斯坦廣義相對論提出了“引力時間膨脹效應”：兩只一模一樣的鐘，一只擺放在引力較強的地方，另一只擺放在引力較弱的地方，會發現放在引力較強處的鐘走得要比放在引力較弱處的鐘慢。這就是在宇宙中高速運動的衛星進行導航時會產生誤差的原因。

5 穿越時空

電影《星際穿越》里的男主人公駕駛飛船來到“卡岡圖雅”的黑洞，進入神秘的四維空間；電影《黑洞表面》用“人造蟲洞”把海王星附近的空城和一個未知的恐怖世界連接在一起，以電波控制人類的思想；電影《雷神》里的“阿薩神域”自由地通過“彩虹橋”（即蟲洞）統治“九大國度”……如何進行星際穿越？靠的正是愛因斯坦的理論。

專家解讀

李淼（南方科技大學物理系教授）：

穿越時空的方法有——

①利用“蟲洞”。愛因斯坦在廣義相對論中提出，任何有質量的物體都會造成時空的扭曲，扭曲的程度跟物體的質量成正比。1935年，愛因斯坦和物理學家納森·羅森一起提出了“蟲洞”的概念。根據愛因斯坦的廣義相對論，蟲洞可以充當穿越時空的橋梁，通過一條捷徑將兩個時空連接起來，并且可以允許兩個方向都能實現時空穿梭。但根據愛因斯坦的“鐘慢效應”，國際空間站的時鐘會比地面上的時鐘慢一點。比如你穿越蟲洞后，可以看到1分鐘前的自己。

②利用“黑洞”。根據愛因斯坦的廣義相對論，天體的質量越大，其造成的時空扭曲程度就越大。黑洞就是由一個時空彎曲無限大、密度無限大、體積無限小的中心和周圍空空如也的天區組成。據相對論解釋，當一顆恒星死亡后，其核心會在引力的作用下迅速塌陷，并發生強力爆炸，當這顆恒星的質量達到無限大時，便會出現無止境的下墜和塌陷，就連星球核心的中子也會在自身引力的吸引下變成粉末，而任何靠近黑洞的物體都會被吸進去。2019年9月6日，事件視界望遠鏡（EHT）發布了人類史上首張黑洞照片，黑洞質量幾乎達到太陽質量的65億倍。這似乎讓穿越到未來有了可能性，但黑洞確實既遙遠又太危險了。

6 電視、電腦顯示器

多年前，大多數電視和電腦都長著一個“大腦袋”——帶有陰極射線管的顯示屏。陰極射線管的工作原理是在熒光體表面用磁場或電場改變電子束軌跡，使每一個電子擊中屏幕的背面時都會產生一個發光的像素。此時，陰極射線管的電子的發射速度非常快，而在電子高速運動的情況下，就需要運用愛因斯坦的狹義相對論來計算其運行軌跡了，否則工程師就不知道該如何調節磁場強度使電子正確發射，從而容易導致成像不清晰。