这些发明离不开爱因斯坦!

作者:Mitch Waldrop来源:国家地理中文网发布时间:2017-07-21

这些日用品的发明,有爱因斯坦的一份功劳哦。

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1920年代,照片拍摄于爱因斯坦访问华盛顿期间。

  摄影:HARRIS & EWING, LIBRARY OF CONGRESS(国家地理中文网)

  阿尔伯特•爱因斯坦因为提出相对论而闻名于世,相对论让我们对时空、引力和宇宙的认知有了革命性突破。相对论还告诉我们,物质和能量是同一事物的两种不同形式——爱因斯坦用 E=mc2 这个史上最著名的质能方程阐明了二者关系。

  然而,相对论仅仅是爱因斯坦为人类留下的丰硕遗产之一。他在原子、分子和光学等物理研究领域同样建树颇丰。如今,我们日常生活中随处可见他在技术方面的宝贵遗赠。

  下面,就让我们来通过几个简单的日常用品,来看看爱因斯坦在科学领域除了相对论以外的其他硕果。

  纸巾

  宾夕法尼亚州的斯科特纸业公司因发明纸巾而为世人所知,该公司于1907年生产出这种相较于布毛巾更卫生的一次性用品。然而,爱因斯坦早在他最初发表的论文中就已经分析过毛细作用:该现象能让纸巾克服引力吸收液体。

  毛细作用使蜡烛烛芯能将热的液态烛油吸上来,也是树液在树木中上升和墨水在钢笔中流动的原因所在。爱因斯坦的论文发表于1901年,试图阐明该现象的工作原理。这篇论文的阐述有问题,他后来也承认了这一点。他当时主张,管壁中的水分子彼此吸引是由于类似引力的一种力,这种观点并不正确。

  不管怎样,这篇早期论文表明爱因斯坦已经接受了分子和原子的概念——这类理论当时还是非常有争议性的。由于这些理论上的微观物质在那时难以观看或测量,许多资深物理学家声称它们不是严格意义上的科学。

  爱因斯坦站在了更年轻也更激进的物理学家一边,他们相信毛细作用只是可以用分子和原子相互作用来解释的众多现象之一。

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资料图(来源:网络)

  股市预测

  华尔街的贸易公司雇佣了大量数学家,利用最高端的工具来分析每日股票价格波动。倘若这些数学专家能够稍微准确预测到价格走向,他们的雇主便能赚个钵满。

  然而,股市遵循着数学家称之为随机漫步的机制:除非有大事件发生,否则每天收盘时股价上涨和下跌的概率将相差无几。如果确实能找出某种模式的话,那也将是极为微妙和难以发现的——这正是金融数学家薪酬高昂的原因所在。

  关于这类微妙的股市分析,我们甚至可以回溯到爱因斯坦身上。

  他曾试图解释英国植物学家罗伯特•布朗在1827年首先注意到的一个奇怪事实。布朗通过显微镜看到一滴水中的尘埃颗粒会杂乱抖动,这便是布朗运动。这些尘埃颗粒当然不可能是活物,那是什么让它们一直运动呢?

  关于这一点的完整解释,直到1905年才由爱因斯坦的论文完成。爱因斯坦当时仍在琢磨原子和分子的事情,他意识到这些显微镜下的尘埃颗粒其实是被看不见的水分子所推动。他推断道,这种影响平均而言会让颗粒在每个方向上受到的推动力相等。但在任何特定例子下,总会有某一侧的水分子推力强于另一侧,导致颗粒被迅速推向随机的某个方向。

  爱因斯坦将他的这一见解通过数学方程的形式来阐明布朗运动。他的这篇论文作为首个确凿无疑证明原子和分子存在的证据而广为人知——并且时至今日仍是某些股市预测的基础。

股市预测

资料图(来源:网络)

  太阳能

  1958年3月,美国海军将葡萄柚大小的卫星“先锋1号”发送至地球轨道。人们对其抱以关注,部分是由于它首次采用了太阳能电池这个在当时看来颇具未来感的技术——闪亮的半导体板可以将太阳能转化为电能。

  如今,太阳能电池在为环绕地球飞行的几乎所有人造卫星提供能量,此外还包括众多被发送至木星等遥远行星的探测器。在地面,太阳能电池板遍铺在郊区房顶,快速下降的价格使其竞争力几乎媲美于电能。

  爱因斯坦当然不是太阳能电池的发明人,该技术的最原始版本可以追溯到1839年。不过他在1905年概述了太阳能电池的基本工作原理。他在论文开头用了一个简单的类比:如果物质是由粒子组成的——也就是说宇宙中所有物质都是由原子和分子所组成,那么显然光也应该是由粒子所组成。

  爱因斯坦声称,物理学家当时已经发现,固体只有在发生能级离散波动时才会吸收或是反射光。他表示,要理解这种诡异事实最简单的办法,就是假设光本身是一系列离散的能量包——他提出的光粒子后来被命名为光子。

  据爱因斯坦称,光能与频率成正比,并提出了一个简单的试验办法:将一束光照射到金属表面。如果光的频率足够高,就会将金属表面的电子击飞出来,实验者便能检测到它们。从本质上来说,太阳能电池的工作原理也正是如此:太阳光会提高电池板上的电子能级,从而产生电流。

  在爱因斯坦之前,从未有人能完全解释这种现象。他在这方面的建树是如此重要,以至于当他在1921年获得诺贝尔奖时,竟然是由于光电效应而不是众所周知的相对论。

  激光指示棒

  如果你有参加过展会或是与猫咪玩耍过,就可能见识过激光指示棒。自从物理学家于1960年代展示实验室原型版的激光以来,这些激光设备已经占据了你能想象到的每个角落,包括条形码读取器和脱毛系统。

  所有这一切都源于爱因斯坦在1917年的一个想法,他当时试图更进一步了解光与物质之间的相互作用方式。

  他开始想象一堆“沐浴”在光照下的原子。根据他之前的研究,爱因斯坦知道位于低能级的原子会吸收光子并跃迁到较高的能级。类似的,较高能级的原子会自发放射光子并跌落回较低能级。在时间充足的情况下,一切都会倾向于平衡状态。

  这种假设使爱因斯坦得出了一个方程,并用于计算出这种系统的辐射会是怎样一种状况。不幸的是,他的计算与物理学家在实验室中看到的不符。肯定是遗漏了什么东西。

  于是,爱因斯坦做出了更大胆的猜想:或许光子有“步调一致”的特性,这样的话受到一束光照射的高能级原子就会有高概率发射出同样传播方向的光子。他将这种过程称之为受激发射,当他将其代入自己的方程后,计算结果与实验观察结果完美匹配。

  激光只是上述现象众多应用工具里的一种。它通过光能或电能激发原子,然后使受激发射出的光子如同军队般精准指向同一个方向。“激光”(laser)这个词其实是对爱因斯坦的致敬,因为这个词是英文“受激发射的光放大效应”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的简称。

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