愛因斯坦的數學造詣與他的物理成就是否有必然的關係

2020-12-03 科技小麋鹿

最近出了一件新聞,說是愛因斯坦用相對論證明勾股定理,這個確實是非常離譜,這也讓我想起了愛因斯坦的一些故事。許多人曾說愛因斯坦小時候數學不好,還有的人說愛因斯坦的物理學領域的成就未能繼續向前一步是因為他的數學方面的造詣不高。這都是以訛傳訛罷了,其實並非是這樣的。

我曾讀過許多關於愛因斯坦的科普書,像什麼《上帝難以捉摸》,《愛因斯坦傳》、《量子物理史話》等等,這些科普書其實是比較的通俗易懂,沒有複雜的數學公式和物理阻礙,讀起來還是比較順暢。當然這也讓我知道了很多物理史上的一些趣事和人物關係。

愛因斯坦給現代人的第一感覺就是他很聰明,而許多人被他的偉大成就廣義相對論吸引,似乎都忘記了他的另外一面,比如生活,還有他的信仰,這些很少被人提及。

《我的信仰》是愛因斯坦在諾貝爾獲獎時候的感言,我覺得寫的是非常之好的。它講出了愛因斯坦的另外一面與他的人生感悟,大家可能不是十分了解,有興趣的可以去看看。這裡引用一段:

我完全不相信人類會有那種在哲學意義上的自由。每一個人的行為,不僅受著外界的強迫,而且還要適應內心的必然。叔本華(Schopenhauer)說,「人能夠做他想做的,但不能要他所想要的。」這句話從我青年時代起,就對我是一個非常真實的啟示;在自己和別人生活面臨困難的時候,它總是使我得到安慰,並且永遠是寬容的源泉。這種體會可以寬大為懷地減輕那種容易使人氣餒的責任感,也可以防止我們過於嚴肅地對待自己和別人;它還導致一種特別給幽默以應有地位的人生觀。——《我的信仰》(愛因斯坦)

愛因斯坦的小時候數學其實很優秀,並非人們傳言的那麼差

事實上愛因斯坦從小就擅長數學和物理,他14歲就已經掌握了微積分。上學時候並沒有傳言中說的他數學非常差,反而是很優秀的,他的數學和物理基本都是從小自學的。在那個年代,信息還不發達,很多資料和著名論文的獲取都非常困難。不像今天,你只要打開網絡,就能查到你想要的各種資料論文,可見愛因斯坦也是非常努力的。其實他的物理成就已經是二十世紀的個人巔峰了,未能繼續向前一步的原因,待我慢慢說來

其實在初期,愛因斯坦的一系列理論都不太需要很深厚的數學功底,他的數學能力完全夠用。《論動體的電動力學》是愛因斯坦於1905年6月30日投稿在德國《物理年鑑》的一篇論文,它就是提出了狹義相對論思想的論文,現在來看,這篇論文如今的好一點的大學生也可以看懂個大概,只需要一些物理知識和微積分。

1905的《物理年鑑》

再來看其他幾篇論文,之前赫茲於1887年發現光電效應,愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應(金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應,發射出來的電子叫做光電子)。

而且這一年他非常高產,分別於1905年3月、4月在《物理年鑑》投稿了「光電效應」和關於「布朗運動」的論文。在當時乃至數十年後,在人們看來他的這三篇論文,每一篇幾乎都可以拿諾貝爾物理學獎。而這些論文的主要靈感,都是來自於愛因斯坦的生活和歷史上物理學前輩的實驗結論。而愛因斯坦用他超乎常人的思維構想出了這些現象的物理解釋,並用數學公式寫成了論文,可見數學在愛因斯坦那裡只是一個解釋工具。僅僅從對光的思考,不同參考系的同時性的矛盾,就引出了兩篇物理學界的大作。

其實,我們知道,許多理論公式都是靠物理學家敏銳的直覺猜出來的,當然也包括廣義相對論中的公式,但是這其實是需要強大的物理解釋做支撐。系統化、公式化、普適化是物理科學的基本原則。如果說,這之前的幾篇論文只是愛因斯坦在物理學界的小打小鬧,那麼廣義相對論絕對是愛因斯坦在物理學界投下的重磅炸彈,這完全就是他在二十世紀物理學界個人的巔峰秀。

廣義相對論下的愛因斯坦,數學造詣堪稱"大家"

在研究廣義相對論的時候,其實愛因斯坦的數學就開始捉襟見肘了,他有了許多關於引力和時空上的見解,卻一時找不到合適的嚴格的數學工具來描述。於是他不得不求助於他的同學格羅斯曼,格羅斯曼正好是黎曼幾何和張量分析這方面的專家,而黎曼幾何和張量分析就是為廣義相對論量身定做的工具。愛因斯坦當時學起來非常吃力,這套數學工具,在今天看來都是非常難學的,非常抽象。實際上,黎曼的黎曼幾何在當時發展比較緩慢,廣義相對論的出現讓大家重新意識到黎曼幾何學的偉大之處。

在如今,我們都知道量子理論和相對論都不是終極理論,他們解釋不了更微觀的物理世界的運行本質,也無法做到融合統一,量子力學玩的是概率,有太多不確定性的原理,而這些正是愛因斯坦拒絕接受的原因,而相對論也只是更為精確的描述了時空和引力現象,但這些理論都無法解釋為什麼存在,為什麼如此等一系列的問題,只能為了解釋現象而存在。廣義相對論認為時空即是穩定平滑的又是會彎曲的,而量子力學則認為空間是劇烈漲落的,二者在更微觀的層次還需要一個統一理論

窺探宇宙本質,追求統一場論是他的心願

愛因斯坦晚年追求的「統一場論」,也是目前物理學界奮鬥的目標,它是從相互作用是由場(或場的量子)來傳遞的觀念出發,統一地描述和揭示基本相互作用的共同本質和內在聯繫的物理理論。迄今人類所知的各種物理現象的相互作用,都可歸結為四種基本相互作用,即強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。統一場論就是解釋自然一切現象的單一理論。

愛因斯坦在研究「統一場論」的時候,量子論早已經在蓬勃發展了,與此同時,世界各地的各類微觀實驗也都逐漸展開了。在這兩大世紀理論鋪開之後,物理學家從宏觀的觀察周圍生活的一切改為了向微觀世界進發,這些也是阻礙理論物理學家發展的重要因素,因為微觀你必須要從實驗和精密高能儀器入手,許多本質都是隱藏在微觀世界之下的。宏觀世界只是微觀世界展示給我們的一副迷霧之景,這其中當然包括你所有的自然感受與精神思考。再回過頭來看愛因斯坦,在他那個時代,他的認知已經是學界的巔峰了,想再有突破,也不僅僅是需要更高超的數學工具和他本人的數學能力了,還需要更多的微觀現象用於思考和聯繫,也需要更多的實驗數據,精密高能儀器做科研,應該說是當時整個人類科技發展的限制帶來的禁錮。以至於到了今天,我們在大力發展高能粒子設備也沒有找到更為本質的理論。所以,愛因斯坦在當時的年代做出的成就與貢獻,絕對是理論物理學家在思維上探討物理理論的天花板。這也就是為什麼他難以再進一步的原因。

最後,附上一段我個人還很喜歡的他說過的兩句話,我認為這可能是愛因斯坦從青年時期開始就一直堅持物理研究的原因吧。

「我每天上百次地提醒自己:我的精神生活和物質生活都依靠別人(包括活著的人和死去的人)的勞動,我必須盡力以同樣的分量來報償我所領受了的和至今還在領受的東西。」——阿爾伯特·愛因斯坦「讓每一個人都作為個人而受到尊重,而不讓任何人成為崇拜的偶像。我自己受到了人們過分的讚揚和尊敬,這不是由於我自己的過錯,也不是由於我自己的功勞,而實在是一種命運的嘲弄。」——阿爾伯特·愛因斯坦

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  • 聰明跟成就成正比嗎?他智商碾壓愛因斯坦,為何成就一般?聊泡利
    ,尤其是在數學物理這些理科,更是出類拔萃。理科成績很能體現一個人的智商,從這份成績單以及日後的成就推算,愛因斯坦的智商必定很高。但是,愛因斯坦的智商,絕對沒有高到什麼智商兩百,古往今來排第六啊之類那麼誇張的地步。在真實的科學史中,就有這麼一個物理學家,他的智商完全碾壓愛因斯坦,讓愛因斯坦因為他的質疑而惴惴不安。然而,他在物理上的成就,卻遠不如愛因斯坦。他,就是美籍奧地利物理學家,沃爾夫岡·泡利。
  • 智商跟成就成正比嗎?他們都比愛因斯坦聰明,為何成就卻不如他?
    ,比起朗道,馮諾依曼研究的領域更加廣泛,已經超出了物理,涉及到數學,計算機,博弈論,堪稱科學全才。反觀愛因斯坦,他也是極為聰明的人,但是他並沒有把精力分散,而是把時間精力才華,全部都集中在物理學最根本最關鍵的問題——運動,時空,引力,質量,這四者究竟有何關係?他花了足足十年時間,只研究這一個問題,中間經歷了婚姻失敗,一戰爆發,病痛折磨,跟大數學家希爾伯特比賽,他都一一挺了過來,這才構建起完整的廣義相對論,支撐起現代物理。
  • 他是愛因斯坦的恩師,他提出一個數學問題難倒了全世界的數學家
    相對論的成就如此偉大,以至於大家都沒有注意到,在愛因斯坦的身後,還站著一位「神一般」的數學家,沒有他的貢獻,愛因斯坦的相對論到現在都只是理論,這個人就是德國著名數學家——黎曼。
  • 愛因斯坦真的有傳說中那麼偉大嗎?他的成就有多重要呢?
    愛因斯坦究竟是多麼偉大的科學家呢?他有哪些成就?為什麼那麼多人都認為愛因斯坦是人類史上最偉大的科學家,今天就在這裡好好的說下愛因斯坦有哪些重量級成就。合影1927大家都聽說過愛因斯坦的「奇蹟年」吧,那是1905年,當時26歲的愛因斯坦只是伯爾尼專利局中的一位普通職員,悠閒的工作給了他更多的研究空間,在1905年,愛因斯坦完成了5篇論文,這5篇論文(包含一篇他的博士論文)個個都是諾獎級別或是次諾獎級別的成果,分別是在數學上證明布朗運動,也間接地證明了原子的存在、狹義相對論
  • 愛因斯坦的巨大成就,是和他的大腦有關還是後天努力有關?
    大學時代多項成就1895年,愛因斯坦從慕尼黑的盧伊波爾德大學輟學後,在義大利米蘭的父母身邊悠閒地生活了一年。之後,他來到瑞士蘇黎世,參加了蘇黎世聯邦工業大學的入學考試,結果因為語言和生物的成績不佳而落榜。但他尤為出色的數學和物理成績引起了該校韋伯教授的關注,便同意他來學校旁聽物理課。
  • 物理大師們運用數學揭示大自然最深的奧秘
    《自然》科學雜誌評價道: 「(物理)是數學方法的輝煌成就,而這本書融合了當代風格和科學洞察力,嫻熟地引導我們明白這個道理」。這本書詳盡地描述了科學史上最著名的物理大師們,如牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦、狄拉克、楊振寧等,他們是如何具體地通過數學揭示大自然最深沉的物理奧秘的故事。極為豐富的數學抽象與極其精湛的數學造詣,是這些著名物理大師們探索自然最深的奧秘中所具有的非凡素質。
  • 愛因斯坦被稱為天才,不幸的是,他的兩個孩子患有精神疾病
    在世界上,愛因斯坦可以說是一個非常優秀的人,小學的教科書和一些大學裡的愛因斯坦雕塑都曾參與其中,對後世影響很大。在他死後,科學家解剖了他的大腦來研究為什麼他的大腦如此聰明,人們也在想,他的孩子們是否像他一樣聰明?
  • 愛因斯坦的高智商很被人熟知,他有哪些具體成就呢?
    愛因斯坦的高智商很被人熟知,他有哪些具體成就呢?一旦有個人表現得特別聰明,智商方面有超過別人很多的地方,就會有人把他稱作小愛因斯坦。這個名字成為了高智商的代名詞,現實中愛因斯坦也確實非常有思維能力,他是經過被科學證明,這個世界上智商最高的人之一。這是一個非常實用的天賦,愛因斯坦自己也憑藉這一點優勢,達到了很多人無法想像的科學成就。他的理性思維能力十分突出,小編就不是一個擅長數學的人,對於能夠快速計算,並且能夠把各種數列代碼之類的東西,在短時間搞清楚的人都十分佩服。
  • 愛因斯坦作為絕世天才,為啥他的子女卻都患精神病?真是悲劇!
    從古代到現代,科學家為人類的發展作出了貢獻,大家也許對一個科學家的故事並不陌生的,他的事跡可以說是沒有人不知道的。愛因斯坦是一位天才,現在我們不談他的輝煌成就,來談一下他的後代吧!。愛因斯坦是擁有著一個女兒一個兒子,但是他的子女似乎沒有那麼出眾,而且還是瘋子,這其中的緣由是什麼呢?
  • 諾貝爾官方公布愛因斯坦成績,數學成績不好,是對他最大的誤解!
    上學的時候,老師為了激勵我們學習,經常會舉一些天才科學家的例子,就比如愛迪生曾經說過的天才是99%的汗水加1%的靈感,以及愛因斯坦在小時候數學成績是非常差的,正是由於他靠後天的努力才成為了聞名於世界的科學家,因而獲得了諾獎。那麼事實上,愛因斯坦真的是傳聞當中的學渣嗎?
  • 他雖不出眾,卻三度出手助愛因斯坦登頂,最終也成就了自己
    馬塞爾·格羅斯曼,瑞士數學家,愛因斯坦大學時的同窗好友。他一生在學術上並沒有多大建樹,但他曾經三次出手,幫助愛因斯坦,成就了他不朽的科研事業。也正是因為對愛因斯坦的幫助,他也得以在科學史上留下大名,為後人所傳頌。
  • 愛因斯坦成就曠古絕今,未來會有人超越他嗎?有沒有可能是中國?
    局限於時代的限制,愛因斯坦作為一個理論物理的科學家,他的很多結論其實都是基於合理存在下做出的猜想。愛因斯坦的存在,是否也是限定了未來科學發展的一個重要原因呢?我們人類在後來百年多的時間裡面,一直無法避免繞開這個圈子,毫不誇張的說,愛因斯坦為科學界樹立了一座高峰,而我們後世的科學家就只能沿著這個高峰向上攀爬,股卻不論愛因斯坦的成就,那麼在未來,人類是否還有可能擁有超越愛因斯坦,替後世科學家另立一座高峰的人呢?
  • 我們怎麼知道愛因斯坦智商是多少,他的智商高嗎,和成就有關係嗎
    阿爾伯特愛因斯坦是這個星球上最偉大的物理學家之一,他的智商是多少呢?老實說沒人知道,因為他成為科學家的時候,智商還是個新興的名詞。不過據說後來有人幫他測過,當然是在他去世後。普林斯頓醫院的醫生哈維將愛因斯坦的大腦偷偷帶回家,用樹脂固化,然後進行分析。他們發現愛因斯坦的大腦與其他老人相比有些不同,比如表面的「溝壑」少,比如頂下葉區域比常人大等等。
  • 父子矛盾,失業窘迫,同事冷落,愛因斯坦如何一一克服成就偉業?
    在許多人心目中,愛因斯坦是科學巨匠,世紀偉人,他必然有超高的智商,必然從小就是學霸,然後靠高智商一路平推碾壓,讀碩讀博,拿諾獎,成為大科學家。就必然有七情六慾,有成長的煩惱,面臨過親人同事的不理解,有失業落魄交不上房租的時候。
  • 父子矛盾,失業窘迫,同事冷落,愛因斯坦如何一一克服成就偉業?
    在許多人心目中,愛因斯坦是科學巨匠,世紀偉人,他必然有超高的智商,必然從小就是學霸,然後靠高智商一路平推碾壓,讀碩讀博,拿諾獎,成為大科學家。世紀偉人愛因斯坦然而,事實並非如此,愛因斯坦確實有超高的智商,然而他也是人,只要是人,就必然有七情六慾,有成長的煩惱,面臨過親人同事的不理解,有失業落魄交不上房租的時候。
  • 瑪雅人在數學方面的高深造詣則,他們發明了一種叫做籌算法的計數
    我們想要了解瑪雅人的數學成就,只能從這幾本典籍當中略尋一二了。瑪雅人在數學方面造詣非常深。他們在沒有分數這個概念的前提下,能夠精確地計算出地球圍繞太陽運行一年的時間,也能將金星的轉動周期精確到每6000年才差1天的程度,實在令人不可思議。接下來,小編繼續帶大家一起了解一下吧!一般來說,古代文明的天文、曆法、農時這三者都跟數學密不可分,因為它們的基礎都需要運算。
  • 楊振寧直言:李政道非常聰明卻有個缺陷,後來才沒有更大成就
    試想,如果兩人能夠一直合作下去,後續是不是會有更多可能呢?對此,奧本海默非常失望,他之前一直對二人抱以非常高的期望,最後實在難以理解兩人會為此而決裂。他最後毫不客氣地說:李政道應該不要再做高能物理,而楊振寧應該去看看精神醫生。04當大家還在為兩人決裂感到遺憾的時候,沒想到這次「分手」卻是兩人後來事業的分水嶺。
  • 為什麼牛頓、愛因斯坦和霍金之後,楊振寧就是最偉大的物理學家?
    與其說評比哪一位物理學家更偉大,不如就當作是來了他們的卓越成就。比如,牛頓、愛因斯坦、霍金和楊振寧這幾位,前三位都已先後辭世,而最後一位則堪稱當世最偉大的科學家。 怎麼說呢?愛因斯坦的成就的確舉世矚目,但他依然無法和艾薩克·牛頓相比。
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    愛因斯坦的二兒子名字叫漢斯·愛因斯坦,他後來取得的成就很不錯,在美國加州大學伯克利分校擔任水利工程學教授,並且獲得了許多水利工程學領域的著名獎項,其實,在漢斯·愛因斯坦的擇業上,他與他的父親愛因斯坦是有很大爭執的,愛因斯坦堅持讓他的二兒子與他一樣從事理論物理方面的研究,但最終他的兒子也沒有聽取他的意見。
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