提到愛(ài)因斯坦，你會(huì)想到什么？

E=mc2、相對(duì)論、量子力學(xué)、黑洞……收，想得越來(lái)越遠(yuǎn)了！其實(shí)，愛(ài)因斯坦可以說(shuō)是我們“最陌生的熟人”，根據(jù)他的科學(xué)理論衍生出的創(chuàng)造與發(fā)明，幾乎覆蓋到現(xiàn)代文明的每個(gè)角落，我們衣食住行里的許多細(xì)節(jié)都閃現(xiàn)著愛(ài)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(guān)——

1 數(shù)碼相機(jī)

當(dāng)你用數(shù)碼相機(jī)拍下一個(gè)個(gè)精彩瞬間時(shí)，或許首先要感謝愛(ài)因斯坦。從鏡頭里飛進(jìn)來(lái)的光子會(huì)把半導(dǎo)體里的電子擠走，這便是利用了與愛(ài)因斯坦有關(guān)的光電效應(yīng)。

專(zhuān)家解讀

王新鵬（中國(guó)科學(xué)院物理研究所）：

電荷耦合器件（CCD）傳感器廣泛應(yīng)用于如今許多先進(jìn)的數(shù)碼相機(jī)和成像系統(tǒng)。CCD最初是由維拉·波義耳和喬治·史密斯兩位物理學(xué)家于1969年開(kāi)發(fā)的。CCD的基本原理就是光電效應(yīng)，即光照可以從物體表面或內(nèi)部激發(fā)出電子，愛(ài)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(hào)來(lái)形成像素點(diǎn)，使我們能夠以圖像的方式讀取它們。

畫(huà)重點(diǎn)

18世紀(jì)，科學(xué)家認(rèn)為光是一種波，波的強(qiáng)度就代表了光的能量。這個(gè)觀點(diǎn)貌似非常符合常理?？梢韵胂?，冬天陽(yáng)光不強(qiáng)，曬在身上有暖洋洋的感覺(jué)；而夏日陽(yáng)光刺眼，如果不注意防護(hù)皮膚，有可能被曬傷。因此，在經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)里，光電效應(yīng)能否發(fā)生，取決于光的強(qiáng)度的大小。然而，這一理論與當(dāng)時(shí)的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果相悖。研究表明，同一種物質(zhì)，有些顏色的光無(wú)論強(qiáng)度多高，都無(wú)法發(fā)生光電效應(yīng)，有些顏色的光雖然強(qiáng)度很低，也能產(chǎn)生電流。這讓當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們非常困惑，直到20多歲的愛(ài)因斯坦打破常規(guī)，想出了一個(gè)不一樣的解決思路：他將光描述為不連續(xù)的粒子（現(xiàn)稱(chēng)為光子），而不是連續(xù)的波。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，光在時(shí)間平均值下表現(xiàn)為波，對(duì)時(shí)間瞬時(shí)值表現(xiàn)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(guān)，光強(qiáng)只決定了光子的多少。當(dāng)一束光照在金屬上，只要光子的頻率足夠高，無(wú)論光強(qiáng)如何，都能激發(fā)出光電子，形成光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦的光量子理論完美地解釋了光電效應(yīng)，而且推廣了普朗克的量子理論，打開(kāi)了量子世界的大門(mén)。

2 煙霧探測(cè)器、核電站和原子彈

煙霧探測(cè)器內(nèi)部有放射性物質(zhì)镅-241，它在裂變中會(huì)產(chǎn)生一小束帶電粒子，形成穩(wěn)定的電流。一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧的干擾就會(huì)改變這個(gè)電流，觸動(dòng)警報(bào)器。镅的原子核并不穩(wěn)定，在裂變過(guò)程會(huì)釋放能量，反應(yīng)后的總質(zhì)量小于镅的質(zhì)量，質(zhì)量似乎消失了一些，但其實(shí)，镅原子的質(zhì)量只是以能量的形式“溜走”了。這是愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程式告訴我們的。

專(zhuān)家解讀

王新鵬

在愛(ài)因斯坦之前，人們知道物質(zhì)不滅、能量守恒，但兩者并沒(méi)有被聯(lián)系起來(lái)，直到愛(ài)因斯坦從狹義相對(duì)論的基本假設(shè)直接推出了E=mc2，也就是大名鼎鼎的質(zhì)能方程。這個(gè)式子告訴我們：質(zhì)量和能量其實(shí)是同一種東西的不同表現(xiàn)形式，二者是統(tǒng)一的，物質(zhì)不滅、能量守恒，合稱(chēng)質(zhì)能守恒。所以，如果一個(gè)物體的能量增加了，其質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)增加，并不存在“質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為能量”的說(shuō)法。而如果一個(gè)物體的質(zhì)量減少了，那就說(shuō)明它失去了能量，核電站、原子彈等都利用了這一點(diǎn)，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?yōu)閮蓚€(gè)或多個(gè)較小的原子核。鈾核裂變會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，在釋放出大量能量的同時(shí)放出更多中子，這些中子又能引發(fā)更多核裂變，從而引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

畫(huà)重點(diǎn)

在愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論前，當(dāng)時(shí)的科學(xué)界還未發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)部的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)，甚至還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)中子的存在，直到1932年，英國(guó)物理學(xué)家查德威克通過(guò)α粒子轟擊方法首次探測(cè)到原子核中的中子。1938年，德國(guó)化學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼應(yīng)用中子轟擊鈾原子，首次發(fā)現(xiàn)了重元素的核裂變反應(yīng)，并在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有大量能量的釋放。不過(guò)，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家在重復(fù)做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常重要的現(xiàn)象，那就是鈾原子在核裂變時(shí)，反應(yīng)前后的總質(zhì)量是不一樣的。對(duì)此，有些科學(xué)家開(kāi)始思考，在反應(yīng)的過(guò)程中肯定發(fā)生了某種現(xiàn)象，使其帶走了一部分的質(zhì)量。在這種猜測(cè)的基礎(chǔ)上，人們想到了愛(ài)因斯坦提出的質(zhì)能方程，應(yīng)用“虧損的質(zhì)量以能量形式釋放出去”這樣的結(jié)論，合理地解釋了大量能量的釋放以及質(zhì)量虧損這兩個(gè)問(wèn)題。在愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程的指導(dǎo)下，科學(xué)家們又進(jìn)一步研究了重核裂變的產(chǎn)生機(jī)理，從此，原子核內(nèi)部的秘密仿佛一下子被揭開(kāi)了，現(xiàn)代核物理學(xué)得以飛速發(fā)展。

3 激光掃描

每次到超市購(gòu)物時(shí)，我們購(gòu)買(mǎi)的每一件商品，其條形碼都需要在收銀臺(tái)經(jīng)過(guò)激光掃描儀的掃描?；蛟S你還不知道，這項(xiàng)激光技術(shù)也得益于愛(ài)因斯坦的激光理論。

專(zhuān)家解讀

孫正凡（天體物理學(xué)博士）：

“激光”這個(gè)詞來(lái)自“受激輻射”（stimulated emission），指原子里處于高能級(jí)的一群電子受到外部經(jīng)過(guò)的光子的影響回落到低能級(jí)，此時(shí)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(gè)理論其實(shí)早在1917年就出現(xiàn)了，它是愛(ài)因斯坦在普朗克量子理論的基礎(chǔ)上拓展到物質(zhì)與輻射影響而提出的。但實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法，卻是在30多年之后了。

1951年的一個(gè)早晨，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·湯斯突然想到用氨分子產(chǎn)生微波束的方式，并把這個(gè)想法記錄在一個(gè)舊信封的背面（愛(ài)因斯坦也有這個(gè)習(xí)慣）。同年12月，湯斯和他的學(xué)生終于制成了按上述原理工作的一個(gè)裝置，稱(chēng)其為“受激輻射微波放大”，縮寫(xiě)成Maser（脈澤）。1960年，美國(guó)物理學(xué)家西奧多·梅曼用紅寶石棒建造出了第一個(gè)激光器。

從櫥柜里的激光唱片、辦公室里的激光打印機(jī)，到建筑裝修用的激光測(cè)距、工業(yè)用的激光切割，再到愛(ài)美人士祛斑美膚用的激光美容，可以說(shuō)，這些發(fā)明都直接受惠于愛(ài)因斯坦的科學(xué)遠(yuǎn)見(jiàn)。

4 GPS全球定位系統(tǒng)

每一次點(diǎn)外賣(mài)，每一次出行，只要用到GPS，就不能忽視愛(ài)因斯坦的功勞。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論告訴我們，在引力場(chǎng)的不同位置，時(shí)間和空間的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。因此，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)里需要安裝精確的原子鐘來(lái)配合時(shí)間序列發(fā)射，否則GPS給出的位置誤差每天幾乎能達(dá)到11公里左右。我們?cè)谑褂脤?dǎo)航軟件時(shí)，可能一不小心就被帶到溝里去了。

專(zhuān)家解讀

孫正凡：

1971年，在美國(guó)的一架飛機(jī)上，科學(xué)家們測(cè)量發(fā)現(xiàn)，原子鐘在高空飛行時(shí)，走得會(huì)比地面鐘表的時(shí)間略慢一點(diǎn)點(diǎn)。2010年，科學(xué)家們又測(cè)量出垂直高度僅1米的時(shí)間膨脹效應(yīng)——每40年會(huì)差1秒！GPS衛(wèi)星的核心就是原子鐘，把原子鐘的時(shí)頻信號(hào)用微波發(fā)射出去后，接收器通過(guò)時(shí)頻信號(hào)和光速得出相對(duì)幾個(gè)衛(wèi)星的位置，從而完成定位。但原子鐘的時(shí)頻在衛(wèi)星不同軌道不同速度飛行時(shí)，會(huì)受到狹義相對(duì)論多普勒頻移和廣義相對(duì)論引力紅移的影響，因此需要修正這些影響，才能準(zhǔn)確地定位。

畫(huà)重點(diǎn)

愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中提出了時(shí)間膨脹理論，又稱(chēng)“鐘慢效應(yīng)”，即運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的“指針”行走的速率比時(shí)鐘靜止時(shí)的速率慢。這個(gè)理論看似違背了我們的常規(guī)認(rèn)識(shí)，但是在1971年的飛機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。另外，愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論提出了“引力時(shí)間膨脹效應(yīng)”：兩只一模一樣的鐘，一只擺放在引力較強(qiáng)的地方，另一只擺放在引力較弱的地方，會(huì)發(fā)現(xiàn)放在引力較強(qiáng)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(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差的原因。

5 穿越時(shí)空

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

專(zhuān)家解讀

李淼（南方科技大學(xué)物理系教授）：

穿越時(shí)空的方法有——

①利用“蟲(chóng)洞”。愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中提出，任何有質(zhì)量的物體都會(huì)造成時(shí)空的扭曲，扭曲的程度跟物體的質(zhì)量成正比。1935年，愛(ài)因斯坦和物理學(xué)家納森·羅森一起提出了“蟲(chóng)洞”的概念。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，蟲(chóng)洞可以充當(dāng)穿越時(shí)空的橋梁，通過(guò)一條捷徑將兩個(gè)時(shí)空連接起來(lái)，并且可以允許兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿梭。但根據(jù)愛(ài)因斯坦的“鐘慢效應(yīng)”，國(guó)際空間站的時(shí)鐘會(huì)比地面上的時(shí)鐘慢一點(diǎn)。比如你穿越蟲(chóng)洞后，可以看到1分鐘前的自己。

②利用“黑洞”。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，天體的質(zhì)量越大，其造成的時(shí)空扭曲程度就越大。黑洞就是由一個(gè)時(shí)空彎曲無(wú)限大、密度無(wú)限大、體積無(wú)限小的中心和周?chē)湛杖缫驳奶靺^(qū)組成。據(jù)相對(duì)論解釋?zhuān)?dāng)一顆恒星死亡后，其核心會(huì)在引力的作用下迅速塌陷，并發(fā)生強(qiáng)力爆炸，當(dāng)這顆恒星的質(zhì)量達(dá)到無(wú)限大時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)無(wú)止境的下墜和塌陷，就連星球核心的中子也會(huì)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(huì)被吸進(jìn)去。2019年9月6日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）發(fā)布了人類(lèi)史上首張黑洞照片，黑洞質(zhì)量幾乎達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍。這似乎讓穿越到未來(lái)有了可能性，但黑洞確實(shí)既遙遠(yuǎn)又太危險(xiǎn)了。

6 電視、電腦顯示器

多年前，大多數(shù)電視和電腦都長(zhǎng)著一個(gè)“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(chǎng)或電場(chǎng)改變電子束軌跡，使每一個(gè)電子擊中屏幕的背面時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光的像素。此時(shí)，陰極射線管的電子的發(fā)射速度非?？?，而在電子高速運(yùn)動(dòng)的情況下，就需要運(yùn)用愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論來(lái)計(jì)算其運(yùn)行軌跡了，否則工程師就不知道該如何調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度使電子正確發(fā)射，從而容易導(dǎo)致成像不清晰。