提到愛因斯坦，你會想到什么？

E=mc2、相對論、量子力學(xué)、黑洞……收，想得越來越遠(yuǎn)了！其實(shí)，愛因斯坦可以說是我們“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)，或許首先要感謝愛因斯坦。從鏡頭里飛進(jìn)來的光子會把半導(dǎo)體里的電子擠走，這便是利用了與愛因斯坦有關(guān)的光電效應(yīng)。

專家解讀

王新鵬（中國科學(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來形成像素點(diǎn)，使我們能夠以圖像的方式讀取它們。

畫重點(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?，冬天陽光不強(qiáng)，曬在身上有暖洋洋的感覺；而夏日陽光刺眼，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)，有些顏色的光無論強(qiáng)度多高，都無法發(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)稱為光子），而不是連續(xù)的波。愛因斯坦認(rèn)為，光在時(shí)間平均值下表現(xiàn)為波，對時(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，無論光強(qiáng)如何，都能激發(fā)出光電子，形成光電效應(yīng)。愛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，打開了量子世界的大門。

2 煙霧探測器、核電站和原子彈

煙霧探測器內(nèi)部有放射性物質(zhì)镅-241，它在裂變中會產(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)，煙霧的干擾就會改變這個(gè)電流，觸動警報(bào)器。镅的原子核并不穩(wěn)定，在裂變過程會釋放能量，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。這是愛因斯坦著名的質(zhì)能方程式告訴我們的。

專家解讀

王新鵬

在愛因斯坦之前，人們知道物質(zhì)不滅、能量守恒，但兩者并沒有被聯(lián)系起來，直到愛因斯坦從狹義相對論的基本假設(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)量也會相應(yīng)增加，并不存在“質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為能量”的說法。而如果一個(gè)物體的質(zhì)量減少了，那就說明它失去了能量，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)。

畫重點(diǎn)

在愛因斯坦提出狹義相對論前，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)，甚至還沒有發(fā)現(xiàn)中子的存在，直到1932年，英國物理學(xué)家查德威克通過α粒子轟擊方法首次探測到原子核中的中子。1938年，德國化學(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)，并在此過程中發(fā)現(xiàn)有大量能量的釋放。不過，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。對此，有些科學(xué)家開始思考，在反應(yīng)的過程中肯定發(fā)生了某種現(xiàn)象，使其帶走了一部分的質(zhì)量。在這種猜測的基礎(chǔ)上，人們想到了愛因斯坦提出的質(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)問題。在愛因斯坦質(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

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

專家解讀

孫正凡（天體物理學(xué)博士）：

“激光”這個(gè)詞來自“受激輻射”（stimulated emission），指原子里處于高能級的一群電子受到外部經(jīng)過的光子的影響回落到低能級，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，稱其為“受激輻射微波放大”，縮寫成Maser（脈澤）。1960年，美國物理學(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距、工業(yè)用的激光切割，再到愛美人士祛斑美膚用的激光美容，可以說，這些發(fā)明都直接受惠于愛因斯坦的科學(xué)遠(yuǎn)見。

4 GPS全球定位系統(tǒng)

每一次點(diǎn)外賣，每一次出行，只要用到GPS，就不能忽視愛因斯坦的功勞。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，在引力場的不同位置，時(shí)間和空間的性質(zhì)會發(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。我們在使用導(dǎo)航軟件時(shí)，可能一不小心就被帶到溝里去了。

專家解讀

孫正凡：

1971年，在美國的一架飛機(jī)上，科學(xué)家們測量發(fā)現(xiàn)，原子鐘在高空飛行時(shí)，走得會比地面鐘表的時(shí)間略慢一點(diǎn)點(diǎn)。2010年，科學(xué)家們又測量出垂直高度僅1米的時(shí)間膨脹效應(yīng)——每40年會差1秒！GPS衛(wèi)星的核心就是原子鐘，把原子鐘的時(shí)頻信號用微波發(fā)射出去后，接收器通過時(shí)頻信號和光速得出相對幾個(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)，會受到狹義相對論多普勒頻移和廣義相對論引力紅移的影響，因此需要修正這些影響，才能準(zhǔn)確地定位。

畫重點(diǎn)

愛因斯坦在狹義相對論中提出了時(shí)間膨脹理論，又稱“鐘慢效應(yīng)”，即運(yùn)動時(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，但是在1971年的飛機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。另外，愛因斯坦廣義相對論提出了“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)動的衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)會產(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，以電波控制人類的思想；電影《雷神》里的“阿薩神域”自由地通過“彩虹橋”（即蟲洞）統(tǒng)治“九大國度”……如何進(jìn)行星際穿越？靠的正是愛因斯坦的理論。

專家解讀

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“蟲洞”。愛因斯坦在廣義相對論中提出，任何有質(zhì)量的物體都會造成時(shí)空的扭曲，扭曲的程度跟物體的質(zhì)量成正比。1935年，愛因斯坦和物理學(xué)家納森·羅森一起提出了“蟲洞”的概念。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，蟲洞可以充當(dāng)穿越時(shí)空的橋梁，通過一條捷徑將兩個(gè)時(shí)空連接起來，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)愛因斯坦的“鐘慢效應(yīng)”，國際空間站的時(shí)鐘會比地面上的時(shí)鐘慢一點(diǎn)。比如你穿越蟲洞后，可以看到1分鐘前的自己。

②利用“黑洞”。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，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)空彎曲無限大、密度無限大、體積無限小的中心和周圍空空如也的天區(qū)組成。據(jù)相對論解釋，當(dāng)一顆恒星死亡后，其核心會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)到無限大時(shí)，便會出現(xiàn)無止境的下墜和塌陷，就連星球核心的中子也會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)布了人類史上首張黑洞照片，黑洞質(zhì)量幾乎達(dá)到太陽質(zhì)量的65億倍。這似乎讓穿越到未來有了可能性，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或電場改變電子束軌跡，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)動的情況下，就需要運(yùn)用愛因斯坦的狹義相對論來計(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)磁場強(qiáng)度使電子正確發(fā)射，從而容易導(dǎo)致成像不清晰。