第 13 章 · 声望与遗产

逝世、大脑与遗产

大多数科学家只被其他科学家记住。爱因斯坦却被所有人记住。他的名字就意味着天才;他的面孔是全球性的符号;他的思想支撑着他从未设想过的技术。而在一个离奇的最后篇章里,连他的大脑也踏上了自己的旅程。

爱因斯坦大脑的离奇故事

晚年阿尔伯特·爱因斯坦的标志性肖像
那张成了「天才」代名词的面孔。爱因斯坦把自己肖像的权利遗赠给了耶路撒冷希伯来大学。图片: Orren Jack Turner, Princeton, N.J.. 公有领域, 通过维基共享资源 (来源)

爱因斯坦希望被安静地火化,不张扬、不立祠。他的遗体在数小时内火化,骨灰撒在一个未公开的地点。但出现了一个转折:在尸检过程中,病理学家托马斯·哈维取走了爱因斯坦的大脑——看来并未得到爱因斯坦本人或家属的明确许可(关于家属事后是否同意,说法不一)——他坚信其中藏着他天才的秘密。

哈维把这颗被切成数百片的大脑保存了数十年,偶尔把样本寄给研究者。一些研究提示出轻微的解剖学特异之处,但从没有哪项研究真正「解释」了他的天才。如今,这段插曲既是一桩传记奇谈,更是一则科学伦理的警示。

一个世纪后,依然鲜活的物理学

爱因斯坦的理论不是博物馆藏品。它们是实用的工具——而且不断地被惊人地证实。

GPS

卫星导航之所以能用,正是因为它同时修正了狭义与广义相对论。如果不做这些修正,卫星上的时钟每天会快大约 38 微秒。

激光与太阳能电池

他 1916 年关于受激辐射的想法是每一台激光器的基础;他用光量子对光电效应的解释,则是太阳能电池和数码图像传感器的基础。

引力波

1916 年预言,2015 年探测到。LIGO 天文台如今能「听见」整个宇宙中黑洞的相撞。

黑洞照片

2019 年,事件视界望远镜给出了一个黑洞阴影的图像——与广义相对论的预言相符。

玻色-爱因斯坦凝聚态

他在 1924 年共同预言的这种奇异物态,终于在 1995 年被制造出来,开辟了超冷物理学的新领域。

量子技术

他曾反对的「鬼魅般的」纠缠,如今支撑着量子计算研究和量子密码学。

算一算:没有爱因斯坦的 GPS

GPS 卫星在约 20,200 公里的高度绕地球运行,大约每 11 小时 58 分钟转一圈,速度约为每秒 3.9 公里。有两种效应让卫星上的原子钟与地面时钟走得不一致。狭义相对论:由于卫星飞得很快,从地球上看,它们的时钟每天慢约 7.2 微秒。广义相对论:高空的引力较弱,时钟走得更快,每天快约 45.8 微秒。两者合计,卫星时钟每天比地面时钟快约 38.6 微秒。因此,卫星的频率基准在发射前就被调得稍慢一些:10.22999999543 MHz,而不是 10.23 MHz。

你的预测

不做修正时,GPS 卫星上的钟每天都会走偏一点。一周后,这个钟差对应的光程有多远?也就是光在累积的时间里走过的距离:

互动 · GPS

不做相对论修正的 GPS

– µs
卫星时钟比地面时钟快(+)或慢(−)
– km
光程 c · Δt——每一次到卫星的距离测量都会偏差这么多

地图只是示意:网格和圆环只表示比例尺。

答案

B约 81 公里。

速度使卫星上的钟每天慢约 7.2 微秒(狭义相对论),较弱的引力使它们每天快约 45.8 微秒(广义相对论)。合起来每天 38.6 µs,一周后约 270 µs。在这段时间里,光能走约 81 公里。所以卫星上的钟在发射前就被调得稍微慢一点。

给好奇的你:计算过程

−7.2 µs + 45.8 µs = 每天 +38.6 µs。7 天后:7 × 38.6 µs ≈ 270 µs。光程:270 µs × 0.2998 km/µs ≈ 81 公里。

来源: Wikipedia (en): Error analysis for the Global Positioning System

任务已完成 0/2

  • 只保留速度效应,关掉引力效应:现在钟走慢了。未完成
  • 两种效应都打开:多少天后,钟差对应的光程第一次超过 100 公里?把天数正好调到这个值。未完成

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人们常说,如果不做这项修正,GPS 一天后就会偏差约 11 公里(英文维基百科给出的是 11.4 公里;c · 38.6 µs 约为 11.6 公里)。这是时钟误差对应的光程 c · Δt——也就是每一次到卫星的距离测量会短出来的量。真实的位置误差要复杂得多:由于这个误差对所有卫星都一样,接收机会把它连同自身时钟的偏差一起消化掉。据 GPS 专家普拉塔普·米斯拉(Pratap Misra)的说法,定位结果不会因此受影响——但授时一天后就会差 38 微秒,而人们要求的精度是 100 纳秒,这是致命的。

来源:
  1. 维基百科(英文):Error analysis for the GPS – Relativity——每天 −7.2 µs、+45.8 µs、合计 38.6 µs,每天 11.4 公里,10.22999999543 MHz,3874 米/秒。
  2. 维基百科(英文):Global Positioning System——轨道高度约 20,200 公里,周期约 11 小时 58 分。
  3. N. Ashby,「Relativity in the Global Positioning System」,Living Reviews in Relativity 6, 1(2003)——相对频率偏移 4.4647 × 10⁻¹⁰(约合每天 38.6 µs)。
  4. P. Misra,「Inside the box: GPS and relativity」,GPS World,2023 年 10 月 9 日。

一个超越了本人的名字

1999 年,《时代》杂志把阿尔伯特·爱因斯坦评为「世纪人物」。99 号元素叫锿(einsteinium)。他的生日 3 月 14 日恰逢圆周率日。他的形象什么都能卖,从海报到毛绒玩具。每当我们想说「房间里最聪明的人」,便会脱口而出「爱因斯坦」。

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篇科学论文(另有约 150 部其他著作)
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锿——以他命名的元素
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《时代》「世纪人物」
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年的相对论,至今未被超越
重要的是不要停止发问。好奇心自有其存在的理由。阿尔伯特·爱因斯坦访谈,1955 年

或许这才是他最真切的遗产。不是一个公式或一个奖项,而是一种存在于世的方式:永不停歇的好奇、欢快的不拘礼法、不肯承认有任何事物超出理解之外。爱因斯坦教会了整整一个世纪:宇宙是可以被认识的——而对它心怀惊奇,是人类所能做的最美好的事情之一。

来源:
  1. 维基百科:阿尔伯特·爱因斯坦 — 「Legacy」。
  2. 锿;Time,「Person of the Century」(1999)。