淺議：愛因斯坦是怎么做創(chuàng)新的

1905年，愛因斯坦發(fā)表了四篇論文，徹底顛覆了物理學(xué)的核心原理。他的論文對世界運(yùn)行方式進(jìn)行了全新的解釋，在此基礎(chǔ)上催生出的現(xiàn)代科技改變了我們的日常生活，也加深了我們對探索宇宙的渴望。

在愛因斯坦發(fā)表論文最多的一年，他取得的突破催生出了物理學(xué)中三個不同的新領(lǐng)域，這一年通常被稱作他的“奇跡年”。他從理論上解釋說明了光電效應(yīng)，即光既是粒子（從技術(shù)上講是量子）又是波，從而推動了量子力學(xué)這一新領(lǐng)域的發(fā)展。

就像一首兒歌里唱的那樣：“髖骨連接著大腿骨，大腿骨連接著膝蓋骨……”量子力學(xué)又催生出半導(dǎo)體；半導(dǎo)體是晶體管的組成部分；晶體管構(gòu)成了計算機(jī)；計算機(jī)創(chuàng)造了互聯(lián)網(wǎng)；而由此產(chǎn)生的應(yīng)用程序，從谷歌到臉書，已經(jīng)重塑了社會。

愛因斯坦在他的“奇跡年”中發(fā)表的另一篇論文里，從統(tǒng)計學(xué)角度論證了分子（或原子）的存在。物理學(xué)家和化學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為原子只是一個理論的或虛擬的概念，而他的這篇論文將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛袑?shí)際大小的實(shí)體。此篇論文既開創(chuàng)了統(tǒng)計物理學(xué)領(lǐng)域，又為探索和計算原子提供了一種切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方法。也許與普通人更相關(guān)的是，愛因斯坦的見解（在物理學(xué)家開始對原子的概念喪失興趣的時候提出的）將科學(xué)帶進(jìn)了原子時代。隨著科學(xué)新時代的到來，太空旅行、核能等應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)然其中也包括核武器。

愛因斯坦在第三篇論文中提出了他最著名的方程：E = mc 2，描述了物質(zhì)和能量的等效性。最后，在第四篇論文中，他提出了狹義相對論（為E = mc 2 提供了理論基礎(chǔ)）。這也許是最令人難以置信的突破，卻不是他獲得1921年諾貝爾獎的原因，他是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)才獲獎。不過，狹義相對論確實(shí)是物理學(xué)上的一次重大變革，它指出，在光速限制下，距離和空間都會被壓縮，這預(yù)示著時空中有一個新的維度，同時它也預(yù)測了宇宙時空是彎曲的，這些對其他人來說都是難以想象的。愛因斯坦的這些理論既給我們帶來了有用的東西（如GPS），也帶來了令人困惑的東西（如黑洞）。

盡管愛因斯坦做出了巨大的貢獻(xiàn)，但根據(jù)他自述中對自己思維方式的深入剖析可以證明，**他所用的都是為人所熟知的方法，并沒有那么的神秘莫測。**愛因斯坦提出了最大膽、最“放肆”的問題，但他運(yùn)用正常的創(chuàng)新工具回答了這些問題。

愛因斯坦不在乎他的問題有沒有答案，以及有沒有辦法回答。他只關(guān)心它們是不是足夠宏大和有助于從根本上去理解宇宙的本質(zhì)。電磁和光的本質(zhì)是什么？原子存在嗎？它們是如何運(yùn)動的？牛頓斷言運(yùn)動是相對的，但當(dāng)我們知道真空中的光速總是恒定的時候，我們又怎么能繼續(xù)執(zhí)著地相信他呢？

除了能提出大膽的問題之外，愛因斯坦還有一種天賦，就是他能通過搜集一堆雜亂的、不一致的證據(jù)并剖析其共同本質(zhì)來回答這些問題。

也就是說，他可以將以前觀點(diǎn)中最好的那部分重新排列組合為一個新的合適替代方案。盡管這樣說似乎有些褻瀆的味道，但這些重新排列所參考的許多基本思想和所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確實(shí)不是都來源于愛因斯坦。

（圖源：veer）

他的天才之處在于將現(xiàn)有的證據(jù)融合起來，并且做一些改變。愛因斯坦在解決問題時加入了一些新元素，它們可能是來自另一個領(lǐng)域的現(xiàn)有觀點(diǎn)，但它們通常都會打破認(rèn)知框架，因?yàn)閻垡蛩固箷鎿Q問題中的固有假設(shè)。不管怎樣，重新排列組合加上愛因斯坦的新觀念使得那些現(xiàn)有的想法和證據(jù)得以共存。

如何證明原子的存在

20世紀(jì)初的物理學(xué)處于一種混亂的狀態(tài)。自牛頓和伽利略時代以來公認(rèn)的觀點(diǎn)與關(guān)于原子行為的新理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)生了激烈碰撞，換句話說，牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律似乎與更加現(xiàn)代的熱力學(xué)和電磁學(xué)定律相沖突，從而產(chǎn)生了一系列悖論。

**熱力學(xué)是在19世紀(jì)發(fā)展起來的一門描述機(jī)器中能量流動并將其最大程度加以利用的學(xué)科。**大約就在那個時候，越來越多的工業(yè)生產(chǎn)過程燃起了人們制造永動機(jī)的愿望，這一愿望點(diǎn)燃了熱力學(xué)領(lǐng)域，最終卻因熱力學(xué)新定律的發(fā)現(xiàn)而破滅。熱力學(xué)第二定律指出，如果沒有新的能量輸入，就不可能無限地將熱能轉(zhuǎn)化為功。這是因?yàn)槟睦镉心芰?，哪里就有熵?/p>

**熵總是增加的，原子就會自然地由于熵增而失去能量，總是從一個較熱的狀態(tài)變?yōu)橐粋€較冷的狀態(tài)。**融化的冰塊在沒有能量（比如來自冰箱）輸入的情況下不會再次凍結(jié)，這一過程是單向不可逆的。

而經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，由于熱能只是影響原子的動能，那么原子A撞擊原子B，或者原子B撞擊原子A是一樣的，即相互作用都是可逆的。所以，根據(jù)熱力學(xué)，顯然需要冰箱來制作冰塊。相反，牛頓力學(xué)預(yù)測，冰塊中的原子應(yīng)該完全能夠凍結(jié)，就像它們在室溫下能夠融化一樣。

**物理學(xué)走到了一個十字路口。**大多數(shù)專家都拒絕拋棄熱力學(xué)中那些非常吸引人的原理。人們紛紛反問，經(jīng)典力學(xué)有可能是錯的嗎？或者原子并不是真實(shí)存在的，只是一個理論概念？如何解決這一悖論引起了人們極大的興趣。原子真的存在嗎？它能解釋熱力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)之間的矛盾嗎？愛因斯坦這一問題可謂占盡天時地利。

事實(shí)上，愛因斯坦不知道的是，物理學(xué)家路德維?！げ柶澛蚃.威拉德·吉布斯已經(jīng)找到了一個解決方案—熱力學(xué)第二定律可以通過分子四處跳動的事實(shí)來理解。

在不知情的情況下，愛因斯坦在一系列論文中重復(fù)了他們的工作（他的文獻(xiàn)庫有限），并最終在1905年發(fā)表了一篇影響力巨大的論文。但愛因斯坦也擴(kuò)展了他們的研究成果，因?yàn)樵谀瞧撐闹?，愛因斯坦大膽地用統(tǒng)計學(xué)重新包裝了他們的觀點(diǎn)。

路德維希·玻爾茲曼和J.威拉德·吉布斯

路德維?！げ柶澛蚃.威拉德·吉布斯

原子存在的證據(jù)來自生物學(xué)上的一個類比。布朗運(yùn)動是小的有機(jī)體的不規(guī)則運(yùn)動。它最初由英國植物學(xué)家羅伯特·布朗發(fā)現(xiàn)，用來描述漂浮在池塘頂部的那些微粒的運(yùn)動。

布朗曾將它們不停歇的、無規(guī)則的運(yùn)動描述為“群游現(xiàn)象”。愛因斯坦假設(shè)原子也會表現(xiàn)出群游現(xiàn)象，他的原子間隨機(jī)相互作用的統(tǒng)計模型使他能夠在不違反經(jīng)典力學(xué)的情況下解釋熱力學(xué)第二定律。而且，愛因斯坦計算出了原子的大小，他提出如果使用顯微鏡的技術(shù)人員有足夠強(qiáng)大的工具，就可以輕易地看見原子。

因此，**愛因斯坦不是通過發(fā)現(xiàn)新的物理定律或定理來證明原子存在的。**他也沒有試圖在對立陣營之間做出判斷。相反，他將現(xiàn)有認(rèn)知框架與一條新信息（原子的運(yùn)動）和一種新方法（統(tǒng)計物理學(xué)）結(jié)合了起來，后者本身就是兩個現(xiàn)有學(xué)科的結(jié)合。這是一個運(yùn)用創(chuàng)新工具的精彩例子，涉及三種截然不同的創(chuàng)新工具：提出正確的問題、類比和重新組合排列。

狹義相對論是這樣誕生的

在愛因斯坦1905年發(fā)表的所有論文中，關(guān)于狹義相對論的那一篇極具變革性。構(gòu)成愛因斯坦狹義相對論的兩個假設(shè)是：（1）物體的運(yùn)動相對于觀察者的參照系而存在；（2）與參照系無關(guān)，光速在真空中是恒定的。

但可以肯定的是，這兩個假設(shè)是相互矛盾的。運(yùn)動怎么可能同時既是相對的又是恒定的呢？愛因斯坦再一次將一些前所未聞的東西納入了討論，使問題得以解決。在這種情況下，“前所未聞”的元素與原本的認(rèn)知框架相差如此之大，似乎是對我們基本假設(shè)的一個幾乎難以想象的挑戰(zhàn)，也是將相對性假設(shè)與光速恒定性聯(lián)系起來所需要的線索。

相對性假設(shè)是指（使用愛因斯坦在他的《相對論：狹義與廣義相對論》一書中自己的解釋），如果一塊石頭掉到地上，它的軌跡并不會是某種固定的、真實(shí)的路徑。事實(shí)上，不同的觀察者可能會看到不同的軌跡。換句話說，軌跡是相對于觀察者的參照位置而言的。

愛因斯坦舉了一個例子，一名乘客在行駛的火車上扔了塊石頭到鐵軌上。這名乘客看到石頭筆直地掉了下來。然而，站在鐵軌旁邊的路人會看到石頭的下落軌跡為拋物線。誰是正確的？他們都正確。

**運(yùn)動是相對于在任何慣性（非加速）坐標(biāo)系中移動的觀察者的視角而言的。**這個假設(shè)一點(diǎn)也不新鮮，它是經(jīng)典力學(xué)的一個一般性特征，由牛頓和伽利略提出，并為地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)這一觀點(diǎn)提供了根據(jù)。

第二個光速恒定的假設(shè)似乎簡單易懂—大多數(shù)小學(xué)生都知道光速是3億米/秒。但如果你思考一下光速恒定的含義，會發(fā)現(xiàn)其實(shí)它的含義很奇怪。

詹姆斯·卡卡里奧斯的《迷人又有趣的量子力學(xué)》一書提供了一個例子：想象一下，你正駕駛著一輛汽車，旁邊有輛卡車行駛得比你快一點(diǎn)，并且正慢慢地靠近你。你把腳踩在剎車上，但卡車并沒有從你身邊飛馳而過，而是繼續(xù)慢慢開過來。你加速，卡車還是慢慢開過來。這是獨(dú)立于運(yùn)動參照系的恒速運(yùn)動。

高速行駛的卡車與小汽車 （圖源：veer）

**但同樣，這并不是愛因斯坦提出的新想法。1676年，丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默首次提出了光的恒常性。**根據(jù)對木星及其衛(wèi)星的觀察，他指出，由于日食光線到達(dá)地球所需的時間恒定，當(dāng)它的衛(wèi)星距離地球最遠(yuǎn)和距離地球最近時，這兩種日食會有所不同。后來，詹姆斯·麥克斯韋從理論上證實(shí)了光速恒定，他在1862年左右提出光是電磁波的一種形式。

整個19世紀(jì)末，物理學(xué)界都在為能夠找到一個可以同時解釋相對性（經(jīng)典力學(xué)）和光的恒常性（電磁學(xué)）的答案而爭先恐后。但出現(xiàn)的所有解釋都是一些特例。愛因斯坦并沒有試圖尋找另外的解釋，他回到了第一性原理—事實(shí)上，他支持的假設(shè)在第一性原理之前就已經(jīng)存在。

**我們測量運(yùn)動，本質(zhì)上是在測量時間。**愛因斯坦直接推翻了時間不變的觀念，并用相反的理論取而代之：時間是相對的（就像那塊從火車上扔出的石頭的軌跡一樣）。

他要求我們重新考慮一些我們認(rèn)為是理所當(dāng)然的東西，即速度被定義為在一段特定時間內(nèi)移動的距離。**速度會改變，但時間不會，當(dāng)你的車以60英里/時的速度行駛時，車在移動，它所花的時間雖然可以測量，但并不隨著車速的變化而變化。**愛因斯坦的理論突破是，他指出了時間的恒定不變不是靠觀察確定的—它只是一種假設(shè)。

假設(shè)（正如愛因斯坦所解釋的那樣）閃電擊中了火車沿線的兩個地方（A點(diǎn)和B點(diǎn)）。你站在兩個擊中點(diǎn)的中間（M點(diǎn)），通過巧妙地利用鏡子，你可以同時看到A和B。為了證明這兩個地方是同時被擊中的，你提議在鏡子中進(jìn)行簡單的觀察，看兩道閃電是否同時出現(xiàn)。

但愛因斯坦指出：“只要你知道……光線沿A→M傳播的速度與沿B→M傳播的速度是相同的，你的假設(shè)就會是正確的。

但是，只有當(dāng)我們已經(jīng)有了測量時間的方法時，才有可能對這一假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)。”換句話說，愛因斯坦不愿意假定每個向量的時間都是相同的，他要求測量兩個向量的時間。

最終（需通過一個數(shù)學(xué)證明，因過于復(fù)雜無法在這里再現(xiàn)），愛因斯坦證明了時間確實(shí)不是恒定不變的。像運(yùn)動一樣，它是相對于觀察者的參考點(diǎn)而言的。**同樣地，愛因斯坦證明了距離也是相對于參照物的。**因此，測量一列火車的長度時，從另一列正在行駛的火車上測得的結(jié)果可能與站著的路人測得的結(jié)果不同。

最初，愛因斯坦使用洛倫茲變換方程進(jìn)行了數(shù)學(xué)上的論證。隨后，愛因斯坦的狹義相對論被其他人通過實(shí)驗(yàn)和觀察實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)性證明。通過演繹和歸納推理，當(dāng)速度接近光速時，時間和距離都不是不變的。

**愛因斯坦通過質(zhì)疑基本假設(shè)，再一次打破了現(xiàn)有的認(rèn)知框架。**他推斷，如果當(dāng)時流行的觀念是不正確的，時間和距離都是相對的，那么運(yùn)動的相對性原理和光速不變原理就可以協(xié)調(diào)一致。如果有人質(zhì)疑并闡明更基本的假設(shè)，那就沒有必要拋棄早已存在的觀察結(jié)果或理論。

但是，愛因斯坦認(rèn)知框架轉(zhuǎn)換的結(jié)果令人難以置信?，F(xiàn)實(shí)世界中，物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)比光速慢，所以我們沒有覺察到時間和距離的相對性，但當(dāng)物體的速度接近光速時，時間和距離會收縮。對我們來說，時鐘會變慢，尺子會變短。愛因斯坦已經(jīng)接受了這些“怪事”，他無所畏懼。