最伟大的科学家爱因斯坦

我要新鲜事2017-12-05 12:30:023阅

我们熟悉的爱因斯坦

我们熟悉的爱因斯坦是这样的，他是人类最伟大的科学家之一，他提出了相对论，发现了质能等价公式E =MC2(平方)。

看他不修边幅的须发，自信的手势，深邃的目光45°斜视远方，手把手教你如何拍照才能表现的很有智慧。爱因斯坦俨然是这个时代“天才”的代名词，现在，当我们在搜索“天才”图片时，大部分的图片竟然都是爱因斯坦的肖像。

1955年爱因斯坦去世后，他的医生盗取了爱因斯坦的大脑，后来做成了240个切片，供全世界科学家探索爱因斯坦的天才之谜。然而，至今依然没有一个有说服力的答案。也许，爱因斯坦的大脑和我们并没有什么不同。

从小爱音乐的爱因斯坦

科学家没有从爱因斯坦的大脑中找到的答案，传记作家沃尔特·艾萨克森在编写《爱因斯坦传》时找到了新的解答。

爱因斯坦3岁的时候，一天，母亲波林坐在钢琴旁演奏。忽然，她觉得背后有人，她回头一看，小爱因斯坦正歪着脑袋，全神贯注地倾听美妙的乐声。年轻的母亲高兴了，她说：“瞧你一本正经的，像个大教授!”琴声又响了，是贝多芬的奏鸣曲。小爱因斯坦迈着摇晃的步子，无声地扑向一个新的世界，那里只有美丽、和谐和崇高。不爱说话的小爱因斯坦对音乐入迷了，6岁起练习拉小提琴。几年后，爱因斯坦唯一的消遣就是音乐。

琴不离手的科学家

爱因斯坦称音乐是他的第二职业，不管到哪里，他总是随身带着琴盒。

在紧张思索光量子假说或广义相对论的日子里，爱因斯坦一旦遇到困难，思索陷入困顿时，他就会不由自主地放下笔，拿起琴弓来一发找找乐子。美妙的旋律经常让爱因斯坦开心起来，茅塞顿开，找到问题答案。

爱因斯坦的科学家朋友们很多都是音乐的爱好者。他们开心时一起演奏庆祝，爆发激烈的争论，一言不合就飚琴，让美妙的音乐平息冲突，带给他们新的启发。

在柏林科学院，爱因斯坦同普朗克一起演奏贝多芬的作品，是被人们广为流传的美谈。弹钢琴者是量子论创始人普朗克，演奏小提琴者，则是相对论创始人爱因斯坦。量子论和相对论共同构成了本世纪物理科学两大支柱。在科学上，他们共同描绘了物理学的一幅优美和壮丽的图景，在音乐艺术上，他们同样能奏出扣人心弦的乐曲。

爱因斯坦对音乐的理解

“想象力比知识更重要，正是音乐赋予我无边的想象力。”

“如果我不是物理学家，可能会是音乐家。我整天沉浸在音乐之中，把我的生命当成乐章。我生命中大部分欢乐都来自音乐。”

“音乐和物理学领域中的研究工作在起源上是不同的，可是被共同的目标联系着，这就是对表达未知的东西的企求。”

“这个世界可以由音乐的音符组成，也可以由数据的公式组成。我们试图创造合理的世界图像，使我们在那里面就像感到在家里一样，并且可以获得我们在日常生活中不能达到的安定。”

“死亡意味着再也听不到莫扎特的音乐了。”

天才的答案，音乐影响一生

艾萨克森认为是：从童年就钟情于音乐的爱因斯坦早就视音乐为灵魂的安息地，它就是和谐，就是完美。和谐、完美是真实的基础，是人生的目的。令人难以置信的是，爱因斯坦在物理学领域中的划时代发现，竟建立在一个古亦有之的美学原则之上。

如果光变成和水一样的液体，它会发生什么?这并不是一个脑洞。近日，科学家们首次在室温下制造出液态光，让光像水一样在某个物体周围流动、弯曲和环绕。

图 | 艺术家对液态光的想象动画

此次突破由意大利CNR纳米技术研究所和加拿大蒙特利尔理工学院的科研人员共同完成，相关论文发表在 6 月 5 日的《自然·物理》上。该研究的成功实施为量子流体力学的进一步发展铺平了道路，也可能为室温超导的实现方法以及新型电子元件提供灵感。

图丨上图为一般液体碰到障碍的反应;下图为液态光碰到障碍的反应

其实，在某些特定情况下，光的确可以变成液体，成为一种超流体，但是，要实现这种效应需要非常苛刻的条件，因为液态光属于玻色-爱因斯坦凝聚态——这种凝聚态的又称为“物质的第五态”(共有六种物态，其他五个分别为气态、液态、固态、等离子态、和费米子凝聚态)。一般情况下，类似的物态只能在接近绝对零度(零下摄氏273度)的低温下出现。

团队首席科学家、来自意大利 CNR 纳米技术研究所的 Daniele Sanvitto说：“此次工作中最不同寻常的是，我们证明了超流体现象也可以在室温的环境条件下实现”。

图丨该项目的两位负责人Daniele Sanvitto 和 Stéphane Kéna-Cohen

研究团队的另一名负责人 Stéphane Kéna-Cohen 则描述了液态光一个更为戏剧化的效果：不同于一般液体，液态光遇到障碍只会平滑地绕过去，不会产生任何波纹和漩涡，表现出零摩擦和零粘性这两个特性。

图丨随着能量的增加，流体在经过物质时逐渐有了超流体的性质。四组对比图分别描述的是电磁极化子的分布、强度、动量、和密度

不难看出，液态光的制备方法与金属超导的实现方法有相似之处：两者都只能在极其低温的条件下才能被观察到，而且持续的时间非常短。

图丨该实验的光学设置，两个镜片之间存在一层极薄的有机分子片

那么，这一次科学家是如何在室温条件下制造出液态光的?据Stéphane Kéna-Cohen介绍，为了达到这个目的，他们把一个 130 纳米厚的有机分子切片放在了两个反射率极高的镜片之间，形成一种类似三明治的结构。

然后，研究人员用周期为 35 飞秒的激光脉冲轰击这个系统，使得光子在镜片间来回弹射。在这个过程中，光子与中间的有机分子急速交错，从而形成了一种具备光-物质二元属性的液态光。简而言之，光子和有机分子中的电子相耦合便形成了液态光。

图丨极化激元

该实验中的这种耦合体叫做极化激元，是一种准粒子。它是由电磁波之间的强烈耦合以及带有电偶极子或磁偶极子的激发作用中诞生。简单来说，极化激元的形成也可看为一颗受激的光子。

极化激元-超流体的概念最早于2007年就被提出，当时的研究者就提出了假设，这类超流体的最大特点之一就是有可能在室温下被实现。

图丨低能和高能的其他测量成像对比，体现了超流体物态的形成

这次的突破将对未来的学术研究和实际应用产生巨大影响。在学术研究上，除了可以让科学家在常温下研究与玻色-爱因斯坦凝聚态相关的基本现象，液态光还可以为量子流体力学提供更好的研究对象。

至于其实际效用，Stéphane Kéna-Cohen说：“这次成果不但展现了有关玻色-爱因斯坦凝聚态的基础性质，还能启发我们设计未来的光子超流体设备，这些设备很可能实现能量上的零损耗”。

此前，在与该实验原理相似的超导体研究中，制造接近零电阻的材料往往需要进行严格的极度冷冻处理。如果利用本次的液态光制备方法，工程师可以在室温条件下生产出更高效的超导材料设备，例如激光器、发光二极管、太阳能电池板和光伏电池等，而且这些装置可以在很大程度上避免光子跟障碍物接触带来的能量损失。

- 延伸阅读：

玻色-爱因斯坦凝聚态

近几年来，科学家制造出来的新型物质种类越来越多，制备方法也正不断走向常规化。无论是此前的金属氢、时间晶体、负质量超流体，还是这次的液态光，这些充满想象力的发现都利用了物质在极端情况下的奇异状态。

其中，上文提到的玻色-爱因斯坦凝聚态便是其中之一，这种凝聚态的又称为“物质的第五态”(共有六种物态，其他5个分别为气态、液态、固态、等离子态、和费米子凝聚态)，遵从量子力学而非经典物理，也是本此研究中最重要的理论支柱。

图丨1953年，萨特延德拉·纳特·玻色盯着一张爱因斯坦的照片

80 年前，爱因斯坦和印度物理学家玻色就基于量子力学预言了这一物态的存在，爱因斯坦甚至因为其太过奇特的性质而对自己的理论产生了怀疑。

该物态在试验中出现是在 1938 年，科学家在2.17K的温度条件下发现氦的同位素，氦-4突然从正常流体突然转变为粘性为零的超流体。然而，当时人们还未把超流现象和爱因斯坦的理论联系起来。

直到 1995 年，科罗拉多大学的Eric Cornell和Carl Wieman才制造出来真正的玻色-爱因斯坦凝聚态物质——约两千个铷原子的聚合体。

为了冷却这堆原子，这两位科学家也是够拼的，首先用激光技术强行降温，然后在用磁场把较热的原子一点一点削掉，最后才降到了100nK(百万分之一度)的温度，不过研究成果最终还是为他们赢得了2001年的诺贝尔奖。

图丨1995年试验：用激光(红色箭头)和磁场(蓝色箭头)对铷原子(绿色区域)降温，最终波色-爱因斯坦凝聚体在绿色区域出现

由此可见，这一回的常温液态光简直6到飞起!在不远的未来，我们期待这种物态会呈现出更多神奇的物理特性，继续为人类带来意想不到的新发现。

神奇的超流体现象

零粘性、零摩擦、遇到障碍物不会产生皱纹……为什么液态光会有这些不可思议的特质?这得从一种叫超流体的特殊现象说起。

超流体现象是液体或气体极端条件下表现出粘性为零的现象。因为流动时不对周围产生摩擦力，其机械能损失也为零，如果我们将超流体放置于环状容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。而表现出该性质的物质被称为超流体，此次制造出的液态光就是超流体状态下的光。

图丨如你所见，超流体流经障碍物时不产生任何波纹

超流体一般只存在于接近绝对零度的极端环境中，因为多数超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的体现——当粒子聚合物冷却至一定程度时，就会以最低能态凝聚，此时它们处于一种基于波粒二象性形成的半量子态，故费米子可以像玻色子一样在狭小的空间内凝聚。

为了方便大家理解，就是一团粒子在很冷很冷的时候抱在一起了。他们抱团之后彼此重合、不分你我，仿佛许多粒小水滴聚合成大水潭一样。如此一来，因为其高度相干的量子性质，流动时摩擦力和粘性消失也不足为奇了。

超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的一种体现，但不是所有超流体都处于玻色-爱因斯坦凝聚态。与之相对应的还有费米子凝聚态，适用于对超导体的理论描述。

说起麦卡锡主义，是发生在1950年到1954年之间的美国国内反共、极右的典型代表，相当于美国的文革。所以麦卡锡死了多少科学家一直都是人们十分好奇的，因为据说在麦卡锡主义中迫害了两千万人，那么麦卡锡死了多少科学家也是可想而知的。

一、什么是麦卡锡主义

要说这麦卡锡死了多少科学家的话，首先还是要看看什么是麦卡锡主义。麦卡锡主义是1950—1954年间肇因于美国参议员麦卡锡的美国国内反共、反民主的典型代表，它恶意诽谤、肆意迫害共产党和民主进步人士甚至有不同意见的人。从1950年初麦卡锡主义开始泛滥，到1954年底彻底破产的前后五年里，它的影响波及美国政治、外交和社会生活的方方面面。

二、麦卡锡死了多少科学家

那么在这场美国版的文革中，麦卡锡死了多少科学家呢?据说在1950年，41岁的麦卡锡已经当了四年参议员。华盛顿的记者们认为，他是最糟糕的参议员。麦卡锡希望能找到一个议题博取眼球，赢得连任。他找到了。冷战伊始，对共产主义扩张的恐惧，演变为美国政界对潜伏在政府内部的间谍的调查，可这种以爱国名义的调查，很快被扩大化。与恐惧的对抗沦为政党攻讦和政客投机的工具，成为新的恐惧制造者。

麦卡锡死了多少科学家呢，据粗略数据统计，大概有1500名科学家丧生，1950年初，麦卡锡主义一词首次见报，意指无根据地中伤诽谤;到1954年底，麦卡锡在参议院遭到谴责，共五年时间。但以反共之名实施审查、迫害的行为，却可上溯至1940年代。在那人人自危的黑暗年代，美国两百万联邦政府雇员下至邮递员、上至部长遭到逐一背景审查。

洛杉矶加利福尼亚大学157名教授因为拒绝忠诚宣誓而遭到解聘;原子能之父奥本海默遭到叛国指控和审查;科学家罗森堡夫妇被以向苏联泄露原子弹机密的罪名执行死刑，可想而知的是麦卡锡死了多少科学家。再加上好莱坞几百名编剧、演员因为上了黑名单而丢掉工作;卓别林为此移居欧洲;美国小姐选美也要陈述她们对马克思的看法。但依然有玛格丽特蔡斯史密斯、爱德华莫罗、约瑟夫韦尔奇、拉尔夫弗兰德斯等人，勇敢地站起来，说出真相，发出反对的声音，但是依旧没有任何的作用。

科学家称人类的大脑是有着惊人的860亿个神经元的家园，每个细胞织带在每个可能的方向都有几个连接，形成了一个超级巨大的蜂窝网络，这就使我们有了思想和意识。

根据计算神经科学前沿杂志发表的研究报告，一个围绕蓝脑项目聚集的国际科学小组已经获得了神经科学领域从未达到的成果。这个团队设法在大脑中找到呈现多维宇宙的结构，揭示神经连接的第一个几何设计以及它们如何响应刺激。

科学家利用深入的计算机建模技术来了解人类脑细胞如何组织起来，以便进行复杂的任务。研究人员使用代数拓扑的数学模型来描述脑网络中的结构和多维几何空间。在研究中，发现所有结构是在同一时间形成的，它们以一个“联合”交织在一起，产生精确的几何结构。

瑞士洛桑的蓝脑项目神经科学家和导演亨利·马克兰(Henry Markram)：“我们找到了一个我们从未想象过的世界。即使在大脑的小斑点中也有数千万的这些物体，起码有七个维度。在某些网络中，我们甚至发现了多达11个维度的结构。

如科学家所指出的，我们大脑内的每个神经元都能够以特定的方式与相邻的神经元互连，以形成具有复杂连接的对象。有趣的是，越多的神经元与集团联系在一起，那么更多的维度就被添加到对象中。使用代数拓扑，科学家们能够在虚拟大脑中建模，在计算机的帮助下产生多维宇宙的效果。

提到聪明人，爱因斯坦无疑是一个典型的代表。

在爱因斯坦现存的遗产中，除了那些著名的理论和几乎改变世界的公式，最珍贵的就是他的大脑了。很多人好奇：这样一位做出了无法估量的科学成就的科学巨匠，究竟拥有怎样与众不同的大脑呢?

爱因斯坦

1955年4月18日凌晨，76岁的理论物理学家爱因斯坦在美国普林斯顿大学医院去世。爱因斯坦的脑被进行尸检的病理学家哈维带回了家。他想深入研究探索分析这个世界上最强大的意识的载体，以发现这伟大的头脑和平凡头脑的不同之处。

为了完好地保存研究对象，哈维一回到家，就从不同角度对爱因斯坦的大脑进行拍照留存。最后，他把大脑切成240个小块，分开贮存。

研究者和爱因斯坦的大脑

我们往往存在这样一个想当然的观念，那就是，聪明人的大脑重量应该比一般人的要大。不过，科学终究还是要靠真实的数据作支撑。经过测量，哈维发现爱因斯坦的大脑只有1230克重，而普通人的大脑重量平均有1400多克。看来大脑越重越聪明这个观点不成立，科学家必须从其他方面找原因。

当时，美国神经科学家戴安蒙在对老鼠的实验中发现，那些生存在复杂环境中的老鼠，其大脑中胶质细胞所占的比例比那些悠闲老鼠的比例要高。而人们一般也认为，前一种老鼠比后一种老鼠聪明得多。那么，爱因斯坦这样聪明的大脑是不是也有这样的特点呢?为了解开这个疑问，戴安蒙从哈维那里取来了爱因斯坦的四块脑片，开始统计其中的神经细胞和胶质细胞的数量。

此外，研究小组又另外找了11名平均年龄为64岁的男子的相应脑片做研究。我们以神经细胞和胶质细胞的数量的比值为标准，比值约小，说明胶质细胞越多。

研究结果显示，爱因斯坦四块脑片中的胶质细胞比另外11名实验者的脑片中的都要多。支持神经细胞的代谢活动是胶质细胞的主要作用之一，因此戴安蒙推断，这也许是爱因斯坦思考能力超强的原因之一。

不过，这也不足以说服众人。因为这11名实验者的平均年龄比爱因斯坦小12岁。我们知道，胶质细胞是不停分裂的，等这些人到了和爱因斯坦同样的年龄，也许大脑中的胶质细胞数目与他并无区别。另外，这些被拿来作对照的人的智力情况我们一无所知。第三，研究小组只取来爱因斯坦的其中四块脑片作为研究对象，其他聪明科学家的大脑是不是也和他的一样有类似特点呢?