§5．5　核能应用

第5章　献身科学与社会的爱因斯坦

美国普林斯顿高级研究院，爱因斯坦被聘为研究院教授，他在此开展研究工作，自1933年一直到1955年去世

一个人对社会的价值，首先取决于他的感情、思想和行动对增进人类利益有多大作用。

爱因斯坦（《爱因斯坦全集（第三卷）》，p38）

2004年6月，联合国大会通过决议，宣告2005年为“国际物理年”。这是因为2005年是爱因斯坦（Albert Einstein）1905年在物理学史上创造奇迹的100周年纪念。在这一年中，他在物理学的3个领域做出了重大的历史性贡献。2005年也恰好是他逝世的50周年。为了纪念这个奇迹年，欧洲物理学会和国际纯粹与应用物理联合会也宣告这一年为“世界物理年”。

1999年英国著名杂志《物理学世界》在100位著名物理学家中评选出10位最伟大的科学家，其中爱因斯坦排名第一。在当年英国广播公司（BBC）通过网上评选出的1　000年来10位最伟大思想家中爱因斯坦在马克思之后排名第二。这充分表明爱因斯坦不仅由于在科学上做出了杰出贡献而受到世人的敬仰和崇拜，而且他的探索精神、富有哲理的科学思维，尤其是他献身社会的高度社会责任感和他的高尚道德都深入人心，为世人留下了一份珍贵的精神财富。

§5．1　好奇心、爱读书、爱思考（童年和少年时期）

一、神圣的好奇心

爱因斯坦于1879年3月14日出生在德国南部乌尔姆镇的一个并不富裕、但过着小康生活的犹太人家庭，一年后搬到慕尼黑这座欧洲的艺术和文化中心城市。父亲赫尔曼聪明、智慧、友善，但由于经济条件限制，他仅念完高中未能到大学深造，成为一个商人。母亲是一位商人的女儿，受过良好的家庭教育，她祥和、贤淑，喜欢弹钢琴。爱因斯坦讲“自己对音乐的热情则遗传自母亲”。比其父小3岁的叔叔雅可布有幸接受了高等教育，成为一名工程师，他对爱因斯坦的成长起着重要作用。爱因斯坦确实不是一个神童，童年时的智力和发育都比常人慢，甚至表达也有困难。但良好的家庭教育和知识的熏陶，使他的智力获得了较好发展，1884年10月（5岁半）时他就进入小学读二年级。大学毕业的叔叔雅可布很长一段时间与他们住在一起，他对科学，尤其是对数学的热爱对小爱因斯坦的影响很大。正是从叔叔那儿，他得到了最初的数学启蒙，使他少年时期对数学特别钟爱。爱因斯坦自小喜欢自学，读他喜欢的书籍，喜欢观察周围世界，喜欢对所经历的各种“惊奇”进行深思，去寻找“谜底”。正如在他年老时所写的回忆录《爱因斯坦自述》（简称《自述》）中所讲，在他相当早熟的少年时代经常思考的问题是：“在我们之外有一个巨大的世界，它离开我们人类而独立存在，它在我们面前就像一个伟大而永恒的谜，然而至少部分地是我们观察和思维所能及的。对这个世界的凝视深思，就像得到解放一样吸引着我们，而且我不久就注意到，许多我所尊敬和钦佩的人，在专心从事这项事业中，找到了内心的自由和安宁。在向我们提供的一切可能范围里，从思想上掌握这个在个人以外的世界，总是作为一个最高目标而有意无意地浮现在我的心目中。”（［1］，p2）可见少年的爱因斯坦像他所尊敬的前辈一样，已在脑海中初步树立了一个最高目标，那就是要了解和认识世界，投身到寻求科学真理、解开世界之谜的伟大事业中去。

知识是一种快乐，而好奇则是知识的萌芽。

英国哲学家、思想家弗兰西斯·培根（1561—1626）（［11］，p80）

心语　求知离不开“好奇”，不要让“好奇”的火花在你的心中熄灭，正是这种持久不熄的火焰，给了我们获取知识的热情和动力。

图5－1　爱因斯坦和他的妹妹

爱因斯坦在《自述》中特别强调了有两件使他感到“惊奇”的事，对他思维发展有重大影响。其中第一件是在他四岁左右时，父亲给他的一个小小指南针（罗盘）不受任何人“指挥”，总是自动地指向南北，这使幼小的爱因斯坦十分惊讶和好奇。正是这种好奇心引导他去思考，不停地向他父亲刨根究底、追问原因，常常令父亲难以招架。在他看来“一定有什么东西深深地隐藏在事物后面。”

第二件使他惊奇的事是在12岁时的中学阶段，他的叔叔给了他一本关于欧几里德平面几何的小书。爱因斯坦认为，正是阅读了这本书，使他“经历了另一种性质完全不同的惊奇”。他说：“这本书里有许多断言，比如，三角形的3条高交于一点，它们本身虽然并不是显而易见的，但是可以很可靠地加以证明，以至于任何怀疑似乎都不可能。这种明晰性和可靠性给我们造成了一种难以形容的印象。”（［1］，p4）他把这本书称为“神圣的几何学小书。”这本书使他着了迷，忘了玩，开始研究其中一些使他惊讶的定理。他不满足于书上的证明，他会试着自己去证明它们。例如：他经过艰苦努力，根据三角形的相似性，用一种新方法成功地证明了毕达哥拉斯定理（即勾股弦定理）。他的努力，深得他叔叔的赞赏。

爱因斯坦的这种对周围事物的好奇心，正是他科学创造的出发点和推动力。爱因斯坦认为：“重要的是不停地追问。好奇心有它自己存在的理由。一个人当他惊奇地看到永恒之谜、生命之谜、实在的奇妙结构之谜时，他不能不从心底感到敬畏。如果人们能够每天设法理解这个秘密的一点点，那就足够了。永远不要失去神圣的好奇心。”（［2］，p176）

二、书本打开科学之窗

1888年夏季9岁半的爱因斯坦学完了小学课程，考上了在慕尼黑很有名气的一所名叫卢伊特波尔德的高级文法中学。但从爱因斯坦的回忆中，可以知晓他并不喜欢德国学校，也包括这所中学。因为学校像军营，老师像军官，强调服从，不准学生发表不同看法，学生的学习动力被窒息。他的学习成绩还很不错，其中数学成绩也总是高分，不像有些传言所说爱因斯坦成绩很差。（［3］，p9）

在中学期间，除了这本对他一生产生重大影响的“神圣的几何学小书”外，他还非常幸运地得到一位医科大学的波兰籍学生塔穆德的热情帮助，从塔穆德那里同样得到一些对他走上科学道路有很大影响的科学读物。塔穆德也是一位犹太人，家庭十分贫困，同是犹太人的赫尔曼每周会让他在自己家里吃一顿免费午餐。塔穆德很喜欢比自己小11岁的聪明好学的爱因斯坦，经常借给他一些著名的科学读物，其中有比希纳的《物质与力》、洪堡的《宇宙》、伯恩斯坦（A．Bernstein）的多卷本《自然科学通俗读本》和有关《微积分》的书籍。并且塔穆德经常与他一起讨论其中的数学和物理问题，对爱因斯坦的影响和帮助很大，甚至比学校中只注重知识灌输的老师更为重要。阅读、讨论和思考，使爱因斯坦的数学和物理水平提高很快，不久就赶上了塔穆德的水平，并且使爱因斯坦的科学兴趣更加广泛，他不只对数学，对其他自然科学，尤其是物理的兴趣越来越浓。正如他在回忆时所讲：“在12岁至16岁的时候，我熟悉了基础数学，包括微积分原理。这时，我幸运地接触到一些书，它们在逻辑严密性方面并不太严格，但是能够简单明了地突出基本思想。总的说来，这个学习确实是令人神往的，……我还幸运地从一部卓越的通俗读物中知道了整个自然科学领域的主要成果和方法，这部著作（伯恩斯坦的《自然科学通俗读本》是一部多卷本的著作）几乎完全局限于定性的叙述，这是一部我聚精会神阅读了的著作。当我17岁那年作为学数学和物理学的学生进入苏黎世工业大学时，我已经学过一些理论物理学了。”（［1］，p10）

图5－2　少年爱因斯坦

在爱因斯坦13岁时，塔穆德还推荐他看了德国著名哲学家康德（I．Kant，1724—1804）的《纯粹理性批判》。原以为他对这本难懂的书不一定有兴趣，结果是爱因斯坦并没有感到康德的书难于理解。

正当爱因斯坦在智力和思想上越来越成熟时，父亲与叔叔合营的电子技术工厂由于经营不善而关闭，家庭经济发生很大的变化，全家于1894年夏季从德国的慕尼黑搬到意大利的米兰。为了完成高中学业，爱因斯坦一人留在慕尼黑，由亲戚照顾。可是由于爱因斯坦极其厌恶德国中学的那种军事化管理、那种枯燥无味的注入式教学，他认为这是对学生心中“神圣好奇心”的一种扼杀，所以于1894年12月爱因斯坦擅自做主办了退学手续，回到米兰的家中，这让其父母大吃一惊，并为其前途而担忧。

早有思想准备的爱因斯坦，拿出一张在他离开学校时请数学老师为他所写的证明，证明他的数学水平已达到中学毕业考试的水平，足够进入高等学校继续学习相关的课程。同时，他还告诉父母，他打算再通过一阶段自学，报考欧洲一所很有声誉的大学——瑞士苏黎世联邦技术大学。他的自信和能力使他父母逐渐放下心来。

在自学阶段，他买了一套《物理学》教程，通过刻苦学习、思考和研究，在1895年夏天他撰写了生平第一篇论文“关于磁场中以太状态的研究”^[1]寄给了他在比利时的舅舅。虽然这篇文章并未投稿发表，但这表明他对物理的兴趣越来越浓，他已开始思考与光的传播有关的问题，物理学研究的大门正在他面前打开。

三、理想实验带来科学灵感

16周岁的爱因斯坦于1895年秋天，经人推荐破格允许参加联邦技术大学的入学考试（参加高等学校入学考试的学生一般要年满18周岁）。但是考试没有通过，爱因斯坦的科学专业知识（数学、物理、化学等）考得不错，但是其他知识（文学史、政治史等文科）的考试成绩不好。具有自知之明的爱因斯坦醒悟到自己的基础教育确实不全面，考试失败完全合理，所以他听从联邦技术大学校长赫尔措格教授的劝告，去离苏黎世50千米以外的阿劳镇的一所瑞士有名的州立中学修完高中课程。在阿劳他寄宿在这所学校教历史学的温特勒教授家中，温特勒不仅在学习上亲切关怀，而且温特勒的赞赏自由和民主、反对德国扩张主义等政治观点对爱因斯坦也有很大影响。温特勒本人深得爱因斯坦的尊敬和爱戴，在他给妹妹的信中称温特勒为“爸爸温特勒”。

另外，阿劳中学自由、民主的良好办学风气，使他在学校里学习快乐、如鱼得水。在德国学校中他所表现出的孤独、不合群的性格在阿劳中学的环境中也有了改变，他在同学面前变得活泼、幽默，也喜欢与别人讨论。周日他会和温特勒一家出去散步，一路上与温特勒谈论哲学或是发表他在物理方面的种种想法。在老年，爱因斯坦回忆起阿劳中学的一年生活：“这个学校给我留下了难忘的印象，学校崇尚自由精神，教师们淳朴热情，不会为外界权威而动摇。而德国的中学则不同，那里一直受权威指导，没有自己的个性。”（［4］p10）正是在阿劳中学，他还进一步了解到，自己真正的爱好和专长并不是在慕尼黑所一直钟爱的数学，开始转向物理学。

在阿劳中学，他可以有时间自由地思考在物理学领域中能导致深邃知识、抓住问题本质的一些东西，抛开次要的东西不管。“追光实验”就是这样一种问题，正是对这个问题的思考，关系到10年后轰动世界的狭义相对论的建立。

在当时爱因斯坦已经从科普读物中知道了光是以高速（c＝30万千米／秒）前进的电磁波，于是他应用伽利略所开创的“理想实验”的科学研究方法（参见本书§1．2）。他提出了一个理想的实验，即“追光实验”。人们绝对追不上光，但可以假想如果我们追上了，那会出现一种什么样的场景呢？正如爱因斯坦在《自述》中所讲：“在阿劳这一年中，我想到这样一个问题，倘使一个人以光速跟着光波跑，那么他就处在一个不随时间而改变的波场之中。但看来不会有这种事情！这是同狭义相对论有关的第一个朴素的理想实验。”（［1］，p16）在本书§3．3中，我们已经知道，电磁波实际是交变电磁场从振源以光速c向外的传播。从牛顿力学来看，若人与光波一起运动的话，则看到的光波就是静止的，不再以c的速度运动，即没有了电场与磁场的相互交变，是一个不随时间改变的波场。这相当于当你乘坐的列车与另一列相邻的列车以同样速度运动时，你看到对方列车中的人静止不动一样。但爱因斯坦认为，“无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”（［9］，p24）这个以光速运动的人看到的仍是以光速c运动的光波，而不是相对静止的波。也就是说，对不同惯性参考系中的观察者，光速c保持不变。这一科学思想在10年后爱因斯坦创建狭义相对论的过程中起了关键性作用。

§5．2　敢于挑战、勇于探索、创造奇迹（大学和专利局工作时期）

一、广博的科学知识和深邃的哲学思考

1896年10月，爱因斯坦通过了入学考试，进入了他期盼的苏黎世联邦技术大学（1911年后，学校改名为联邦技术大学，简称EHT）的数学与自然科学教师进修学院的数学系，该系除设有数学专业外，还有物理学和天文学专业。在这所大学有相当自由的学习环境，听不听课没硬性规定，只要能通过必修课的考试，而且大学4年仅中期和最后毕业考试两次，若通过就可获得毕业证书。除此以外，学生几乎可做他们愿做的任何事情。这种学习环境正好合乎爱因斯坦的心意，他以极大的兴趣去听某些能满足他求知欲的课，每讲必到；但“刷掉”了很多他不喜欢听的课程。同时，他非常不满足大学的物理学习内容，花了大量时间在宿舍里自学理论物理，包括著名理论物理学家基尔霍夫、亥姆霍兹、赫兹、麦克斯韦、洛伦兹、玻尔兹曼等人的著作。爱因斯坦并不只热衷于学习理论物理，对物理实验也很重视，花了他不少时间的毕业论文就是在物理专业中韦伯教授指导下以实验为主的关于“热传导”的研究。在大学期间，他对物理学的兴趣完全超过了对数学的兴趣。这些学习对培养爱因斯坦丰富的科学想象力以及后来创建相对论有重大作用。在他老年的回忆中，他感到在瑞士这所大学中，他研究问题的“神圣好奇心”不仅没有被扼杀，而且这种自由学习的风气对他的学习、研究、探索很有帮助。

在大学期间通过大量阅读、思考，爱因斯坦对理论物理的基础和方法有了深刻认识，尤其是他认识到：在19世纪所有的物理学家眼中，经典力学是全部物理学的这种想法值得怀疑。事实上，法拉第和麦克斯韦的工作已从根本上动摇了力学是一切物理学基础的观念。在本书§3．3中已经介绍过，牛顿的经典力学在对大量的电磁现象的解释时已经无能为力。

在大学期间，爱因斯坦也很重视阅读哲学书籍，其中19世纪的奥地利物理学家和哲学家马赫（E．Mach，1838—1916）在1883年发表的重要著作《力学发展史》对其产生了深刻的影响。马赫是历史上最早对牛顿的绝对时空观表示怀疑并提出批判的人。在牛顿看来，存在绝对时间和绝对空间，它们的特点是空间和时间相对独立，时空与物质运动状态无关。从日常经验出发，人们一般不会怀疑牛顿的绝对时空观念。但在《力学发展史》中，马赫明确指出：谈论绝对时空是错误的，一切都是相互联系的，一切运动都是相对的。爱因斯坦很赞赏马赫的这种怀疑精神和批判精神，“我认为马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。”（［1］，p12）爱因斯坦本人也像马赫那样，富有怀疑精神，敢于挑战权威、挑战传统观念。

深邃的哲学思考，对爱因斯坦做出划时代贡献具有重要作用。对哲学与科学的关系，爱因斯坦的精辟论述如下：“哲学的推广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并广泛地被人们接受以后，它们又常常促使科学思想的进一步发展，指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路。”（［5］，p39）对爱因斯坦科学思想有重要影响的另一位哲学家是17世纪荷兰的斯宾诺沙。一次有一位犹太教堂的牧师问了他一个问题：“你信仰上帝吗？”他的回答是：“我信仰斯宾诺沙的那个存在于事物的有秩序的和谐中显示出来的上帝，而不信仰那个同人类的命运和行为有牵累的上帝。”（［1］，p33）这个上帝实质上是指自然界。爱因斯坦一再表示他信奉斯宾诺沙关于自然界是有秩序的，和谐、统一的思想。正是这种追求“统一性”的信念，推动并使他坚定地要创建相对论。

不管自然科学家采取什么样的态度，他们还是得受哲学的支配。问题在于：他们是愿意受某种坏的时髦哲学的支配，还是愿意受一种建立在通晓思维的历史和成就基础上的理论思想的支配。

德国政治家、思想家恩格斯（1820—1895）（［12］，p187）

心语　物理学的发展离不开哲学的指导。牛顿发现万有引力，法拉第发现电磁感应，爱因斯坦发现相对论……无不是受到了哲学思想的指导。哲学思维给人以智慧，指引你方向。

二、科学研究道路上的知音和“奥林比亚科学院”

在大学时代，爱因斯坦班上仅5个人。4年学习期间他结交了3个朋友，其中有两个男友成为他终生的挚友，一个是同年级数学专业的格罗斯曼，另一个是他进校时在该校刚毕业、学习机械工程专业的贝索，他俩相识在一次音乐晚会，由于志趣相投成为好友。另一位是女友米列娃，后来成为爱因斯坦的第一任妻子，婚后生下了两个儿子。

格罗斯曼性格不同于爱因斯坦，安心各门课学习，从不逃课，听课认真，笔记整齐。爱因斯坦能够通过没听过课程的考试，完全是靠了格罗斯曼笔记的帮助。这两位挚友在他科学研究道路上给予了他很大的帮助。在1905年完成的博士论文“分子大小的新测定法”中，爱因斯坦就特地写上“献给我的朋友格罗斯曼博士”。在1916年所发表的关于广义相对论的第一篇完整的论文中，他在前言部分又特地写道：“我在这里要感谢我的朋友——数学家格罗斯曼博士，他不仅代替我研究了有关的数学文献，而且在探索引力场方程方面也给我以大力支持。”（［3］，p50）好友贝索同样对爱因斯坦科学创见的形成给予了许多热诚的帮助。爱因斯坦在1905年发表的划时代的创建狭义相对论的“论动体的电动力学”一文中，没有列出一篇参考资料，但在该文最后专门写上：“最后，我要声明，在研究这篇文章所讨论的问题时，我曾得到我的朋友和同事贝索的热诚帮助，我要感谢他一些有价值的建议。”（［3］，p52）

在1900年8月获得联邦技术大学毕业证书后，爱因斯坦没有被留校当助教，所以他失业了一段时间。为了生活他做过代课教师、在私立寄宿学校教书。在失业期间值得介绍的一段经历是在1902年2月初，爱因斯坦登出一个“私人授课广告”：“愿为大学生和中小学生提供最全面透彻的数学和物理钟点补习。”很幸运，他先后招来两位学生，这两人对他后来创造奇迹起了重要的作用。一位是正在伯尔尼大学学习数学的学生哈比希特，一位是伯尔尼大学哲学系的学生索洛文，他们都是来听爱因斯坦讲物理的。这两位学生生活也较为贫困。爱因斯坦不只是讲课，更多的时间是与他们开展讨论、甚至激烈的争论。爱因斯坦洞察和精通物理问题的非凡能力使两位学生很惊讶，把他们完全吸引住了。很快，共同的爱好和对知识的渴求使3个贫困的年轻人成为好朋友，他们经常利用晚上的时间共同学习和研讨物理大师和哲学大师们的著作。他们还为这种“学术聚会”取名为“奥林比亚科学院”。在“科学院”的活动中，爱因斯坦常会提出一些新的想法进行讨论。共同的讨论、激烈的争论，对爱因斯坦的科学思想的发展产生了深刻的影响。对于激烈争论的状况，在索洛文的回忆中作了生动描写：“有时我们念一页或半页，有时只念了一句话，立刻就会引起强烈的争论，而当问题比较重要时，争论可以延长数日之久。”“科学院”的活动一直持续到1905年11月索洛文到法国里昂大学学习为止。这段经历对爱因斯坦1905年的一系列科学创造，有重大的启发和推动作用。

1902年6月爱因斯坦结束了失业窘境，在好友格罗斯曼父亲（他是伯尔尼水利局局长的好友）的推荐下，被伯尔尼的瑞士联邦专利局聘为试用三级技术员。由于从小受到精通技术的叔叔雅可布的影响，爱因斯坦对技术也很有兴趣，也喜欢专利局的工作，在工作中做到了尽心尽力。在1904年9月他被正式录用，于1906年4月还因工作有成绩晋升为二级技术员。在专利局工作期间，他感到非常愉快，尤其是在生活安定的情况下，使他有更多的时间专心于物理学的研究，在1902年至1909年的这几年当中取得了震惊世界的丰硕成果。他认为这段时间是他“最富于创造性活动”的日子。

就在伯尔尼专利局工作期间，1903年1月6日爱因斯坦与米列娃结婚，证婚人正是“奥林比亚科学院”的好友哈比希特和索洛文。

三、创造科学史上奇迹的1905年

在专利局工作的7年多时间中，爱因斯坦共发表了30篇科学论文。特别是在1905年这一年中发表了4篇极其重要的论文，在3个不同的物理学领域做出了划时代的贡献，在科学史上创造了一个史无先例的奇迹。这3个领域分别是量子论、分子运动论和相对论。

1．在量子论领域——提出“光量子假设”

1900年德国物理学家普朗克（Max K．E．L．Planck，1858—1947）在解释黑体^[2]的热辐射实验规律时，首先提出了一个前所未有的“能量量子化”假设：光在吸收和发射时，能量不按经典物理所规定的那样必须是连续可变的，而是不连续（即量子化）的，只能是一个最小的、不可分的能量单元（又称“能量子”）ε0的整数倍，即E＝nε0。其中n为正整数，ε0＝hν，ν是光的频率，h＝6．626×10－34焦耳·秒，是著名的普朗克常数，它是微观世界的一个有代表性的特征量。在这个假设下，他得到了历史上著名的“普朗克公式”，成功解释了黑体辐射的规律。但是普朗克所开创的量子理论在发表后的近10年内，几乎没人理会，甚至他本人也不相信自己的“量子化”观念的正确性，并为自己违反了经典的连续性概念而烦恼和后悔。

图5－3　爱因斯坦在伯尔尼专利局

就在量子论的诞生遭到极大困难时，为了解释10多年来利用经典电磁波理论无法解释的“光电效应”^[3]实验，爱因斯坦在1905年3月发表了“光的产生和转化的一个启发性观点”一文，文中进一步发展了普朗克的量子论观点，提出了光不只是在吸收和发射时能量不连续，而在空间传播时能量也是不连续的“光量子假设”：光是由光量子（后称为“光子”）组成，每个光子带有一定的不可分割的能量ε＝hν，即普朗克的能量子。可见光子能量完全由频率决定，而与光的强度（或亮度）无关。一束光的强度则由它所包含光子的密度大小决定，密度大，光强大。当光与物质相互作用时，完全显示出粒子性。当一个具有足够能量的光子完全被电子吸收时，可将电子击出。爱因斯坦的“光量子假设”不仅成功地解释了“光电效应”实验，而且进一步为一系列实验所证实。为表彰他在量子论领域所做出的杰出贡献，他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。他本人也成为了量子论的创始人之一。对“光量子假设”有兴趣的读者，可见参考资料［6］中的§4．4。

2．在分子运动论领域——论证原子和分子的实在性

1827年英国植物学家布朗（R．Brown，1773—1858）在显微镜下，首先观察到水中花粉或其他微小粒子在不停地作无规则的运动，于是这种运动被称为“布朗运动”，但人们长期以来并不了解其产生原因。有人曾提出：这是由于这些微粒受到周围分子无规则的碰撞而引起的，因为这些布朗粒子非常小，在周围分子碰撞下足以发生运动。但对这种解释长期来争论不休，这涉及分子和原子是否真正存在的实质问题。

1905年4月爱因斯坦发表了一篇向苏黎世大学申请博士学位的论文“分子大小的新测定法”，并取得了博士学位。爱因斯坦利用分子运动论不仅推算出分子的大小（约10－8厘米数量级），还推导出在分子碰撞作用下悬浮粒子位移平方的平均值公式。这一公式在1908年由法国物理学家佩兰（J．B．Perrin，1870—1942）在一架高分辨率显微镜的实验观察下，被证明完全正确。从此，科学界对原子和分子的实在性已没有怀疑的余地，一场争论也逐渐平息。

3．创建相对论——一场时空观的革命

1905年6月，爱因斯坦发表了经10年酝酿而完成的长达30页的论文“论动体的电动力学”，这更是一篇划时代的、开创物理学新纪元的经典文献。文中论述了“狭义相对论”的基本内容，提出了崭新的时空观念，对牛顿的绝对时空观进行了革命性的变革，揭示了牛顿力学不能适用于对高速运动物体的描述，但当物体运动速度远小于光速时，狭义相对论和牛顿力学可得到同样结论。1905年9月在狭义相对论基础上，爱因斯坦又发表了一篇划时代的短文“物体的惯性同它所含的能量有关吗？”，文中给出了狭义相对论的一个重要推论——质能关系式E＝mc2，给出了质量和能量的相当性，为原子能的应用奠定了物理基础。在本书§5．3和§5．5中，我们将分别对狭义相对论和质能关系式，以及对原子能应用作简要介绍。

狭义相对论的讨论都是局限在相互作匀速运动的惯性参考系中。实际上，地球也不是严格的惯性系，它在太阳引力作用下有向心加速度。为了更普遍起见，爱因斯坦要把相对论进一步扩展到受外力作用的有加速度的非惯性参考系中去。包含巨大质量天体的、具有强大引力场的参考系就是爱因斯坦研究的典型的非惯性参考系。为此，从1907年到1915年，爱因斯坦花了整整8年时间创建了广义相对论。显然有关广义相对论的知识已远远超过本书范围，只能从略。

§5．3　时空观的革命和创造奇迹的源泉

爱因斯坦最突出的划时代贡献是相对论，对传统的绝对时空观进行了革命性的变革。本节将对狭义相对论的创建及狭义相对论的一些重要结论作简要的定性介绍。

一、狭义相对论的创建

在本书§5．1中已介绍过，爱因斯坦在阿劳中学时，就已经对当时人们习以为常的空间—时间概念（指绝对时空概念）表示怀疑。依据他的“追光实验”，他认为在不同惯性系中，以不同速度运动的任一个观察者观测到的光速应是不变的。也就是说，观察者观测到的光速与光源本身是否运动是无关的。这显然与经典力学中速度相加规则发生尖锐矛盾。根据经典力学，当一个拿手电的人在速度为v的火车上，向火车前进方向发射出一束光，则相对火车上的人光速为c，而相对站台上的人（在另一个惯性系）而言，光速应为c＋v。但根据爱因斯坦“光速不变”假设，站台上的人看到的光速也为c。也就是说，光速与光源（手电）是否运动无关。两个结果完全矛盾。从后面的介绍可知，这是因为经典力学中的速度相加定律对高速运动物体已不再适用。

在关于自然界是和谐、统一的哲学思想的指导下，以及对“追光实验”的思考基础上，爱因斯坦把狭义相对论建立在如下两个基本原理之上。所谓基本原理是指它至今无法从更基本的观念把它导出，它的正确与否，则要看由它作为基本出发点推演出的物理规律是否得到实验的证实。

（1）光速不变原理——在任何惯性参考系内真空中的光速是不变的，各向同性的、与光源的速度无关，等于3×108米／秒。在这里爱因斯坦将“光速不变假设”作为一个基本原理提出来。

（2）相对性原理——物理学的规律在任何惯性参考系内都是一样的，反映运动规律的方程形式保持不变。在本书§1．2节中讲到伽利略已经提出一个力学相对性原理，即在任何惯性参考系中力学运动规律都相同，运动方程形式不变。这里爱因斯坦在上述哲学思想指导下，将它推广到了所有物理学规律。

由这两条基本原理出发，爱因斯坦很快就得到了不同惯性系之间时空的变换关系，爱因斯坦称此关系为洛伦兹变换，它完全不同于经典力学中所给出的变换关系——伽利略变换关系。下面来比较这两种关系，从中看出爱因斯坦的新的时空观念。

要成为最优秀的人，就要向最优秀的人学习。

全球著名投资商沃伦·巴菲特（1930—　）（［11］，p51）

心语　没有人生来就优秀，即使有天赋，但更多靠的还是后天的努力和奋斗。向前辈学习，向身边的优秀人士学习，“站在巨人肩上”将在成功道路上看得更远，走得更快。

设有两个惯性参考系S和S′，S相应于站台，S′相应于相对站台以速度v作匀速直线运动的火车（见图5－4）。在只考虑一维运动的情况下，在S系上取坐标轴Ox，在运动的S′系上取坐标轴O′x′。开始S和S′系都静止时，O和O′重合，时间t＝t′＝0。当S′相对S以速度v运动时，则在S′上有一事件发生在地点x′处，发生时间为t′，则在S系上的相应地点为x，时间为t。两者之间满足经典力学中的伽利略变换关系（5－1）式。

图5－4　惯性系S′（火车）相对S（站台）沿x方向以速度v作匀速运动

由上式变换可见，在经典力学中，两个惯性系中的时间t和t′一样地均匀地流逝，与参考系无关，即时间的绝对性；空间是与物质及其运动无关的框架，即绝对空间；时间被认为是与空间无关地独立存在着，互相没联系。

在狭义相对论下，可推得如下的洛伦兹变换关系^[4]：

可见，在洛伦兹变换中，充分体现了爱因斯坦的时空观革命，一个崭新的时空观出现在人们面前。由（5－2）式可见，在不同惯性系中时间t≠t′，即它们不再是一样地均匀流逝；时间变换式还包含了坐标项，体现了时间和空间不再相对独立，而是有了联系；且时空与两惯性系的相对运动速度v（即与物质运动状态）有关，式中出现了一个特殊的因子，称为洛伦兹因子，它是在狭义相对论许多公式中经常遇到的一个因子。由（5－2）式明确看出，当相对运动速度v＜c时，（5－2）式就变为（5－1）式。可见伽利略变换是v＜c时洛伦兹变换的很好近似。由这个洛伦兹变换关系可推算出一系列重要的结论，其中主要包括：①运动的钟变慢；②运动的尺缩短；③一个新的适用于高速运动物体的相对论速度相加定律；④质能关系式和相对论质量公式。

具体如何推算，这里从略。下面简单介绍上述的③和④两点，有关狭义相对论的详细介绍可见参考资料［6］中§8．2。

二、相对论速度相加定律和质能关系式

1．相对论速度相加定律

假定有一个运动员在一列相对站台以速度v运动的火车顶上，以速度（相对火车）u′朝火车运动方向奔跑，如图5－5所示。按照经典力学，在站台上的观察者所看到的此运动员的速度为u′＋v。但是根据洛伦兹变换（见参考资料［6］，p255）可得此运动员相对站台上观察者的速度为

这就是相对论的速度相加定律。当u′和v都远小于c时，此式就回到了经典力学中的速度相加定律u＝u′＋v。当物体运动速度很大，甚至接近光速时，经典力学中的速度相加计算就完全不适用了。例如：假定u＝0．9c，v＝0．9c，则根据经典力学得出u＝1．8c，超出光速。但按（5－6）式，u的大小仅为

假想火车速度v＝c，此时不论u′为何值，按（5－4）式计算u值总是为c，不可能有任何增加。也就是说在站台上的人看来，即使有火车速度帮忙，此运动员的速度还是永远不可能超过c。请读者注意，这正是爱因斯坦相对论的主要发出点——光速不变原理的必然结果。（5－3）式的正确性已为大量实验事实所证明。

图5－5　一个运动员在高速运动的列车顶非常吃力地飞跑

2．质能关系式和惯性质量公式

在关于狭义相对论的第二篇短文中，爱因斯坦给出了狭义相对论中又一个划时代的关系式——质能关系式，即运动物体的总能量为

其中m为“相对论质量”。由此可见，一个体系的相对论质量是它的能量的量度，质量守恒和能量守恒不再相互独立，而是融合在一起，充分反映了物质与运动的内在联系和它们的统一性。爱因斯坦认为这是狭义相对论最重要的结果。（5－4）式中相对论质量m不再是常量，而随物体运动速度增加而增加，有下面的关系式：

其中m0为静止物体的质量，称为静止质量（或固有质量），它决定于物体所包含物质的多少，与运动无关，是一个常量。测量高速电子质量随速度变化的实验完全证实了（5－5）式的正确性。（［10］，p98）当物体速度等于光速时，相对论质量为无穷大，即物体惯性为无穷大，再增加它的速度显然不可能了。图5－5中所示的运动员的速度为0．9c时，相对论质量非常大，跑起来当然吃力了。

运动物体总能量E包括两部分能量：静止能量m0c2和动能Ek之和，

因此，其中相对论动能表示为

当v＜c时，

于是有

可见，v＜c时，相对论的动能表示式就回到了牛顿力学中的动能表示式，后者是前者的近似表示。质能关系式（5－7）与核能获得密切有关，在本书§5．5中我们再作较详细的介绍。

三、创造奇迹的源泉

1905年是年仅26岁的爱因斯坦科学创造力迸发的一年，在了解了爱因斯坦的一系列科学贡献之后，更值得我们思考的是他的成才之路，究竟什么是促使他创造奇迹的源泉？通过前面的介绍，读者一定从他的成长过程及他的一系列言论中对此有所体会，下面归纳出的几个最主要原因供读者思考。

1．高度的社会责任感和强大的推动力

他始终把自己所做的一切与为社会、为人类服务紧密地联系在一起，他总是把自己置身于社会之中。他时常想到的是“一个人的价值，应当看他贡献什么，而不应当看他取得什么”。青年人“要把为社会服务看作自己人生的最高目的”。（［1］，p99）正是这种强大的动力，始终激励着爱因斯坦为科学事业奋斗到生命最后一刻。

2．始终对自然界的奥秘充满好奇心，爱好刨根究底地思考和研讨问题以解开自然之谜

爱因斯坦自幼到老终身对大自然充满好奇心，喜欢不停地追问。他爱好沉思，力图解开使他感到惊奇的那些自然之谜。他极力主张对年轻人的培养“发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位”。（［1］，p103）他认为：“思维世界的发展，在某种意义上说就是对‘惊奇’的不断摆脱”（［9］，p4）。爱因斯坦的直觉、灵感和富有想象的科学思维，正是他做出重大科学贡献的重要源泉。

3．奋发读书、知识渊博，敢于向旧传统观念和向权威挑战，发展和捍卫科学真理

爱因斯坦自小喜欢读书，主动学习，养成了很好的自学习惯。瑞士大学良好的学习环境使他有大量时间饱览群书，尤其是阅读他喜爱的物理、数学、哲学等书籍，这为他的科学创新打下了坚实的基础。他谦虚谨慎，对前辈和同时代科学家的重大贡献和优秀品质总是抱着敬仰和学习的心情赞赏有加。（［2］，p53－72）在爱因斯坦的办公室中，他挂着自己敬仰的牛顿、法拉第和麦克斯韦3人的照片。

在探索科学真理的过程中，爱因斯坦毫不守旧、敢于坚持科学真理、向权威挑战。例如：他在牛顿诞生300周年纪念会上的讲话中说：“牛顿啊！请原谅我，你所发现的道路，在你所处的那个时代，是一位具有很高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路。你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们的物理思想。虽然我们现在知道，如果要更加深入地了解各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念。”（［2］，p67）这里，离直接经验领域较远的概念正是指相对论概念。

1905年，正是在对普朗克于1900年所提出的“量子概念”的一片质疑和反对声中，甚至普朗克本人也对自己提出的量子论表示怀疑时，他却敢于“离经叛道”，大胆提出了“光量子”假设，勇敢地捍卫和发展了量子论，成为量子物理的先驱之一。

4．哲学思想的指导

爱因斯坦曾对人说过：“与其说我是物理学家，不如说我是哲学家。”（［1］，p231）正如他自己所说，哲学思维“常常促使科学思想的进一步发展，指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路”。他的怀疑精神和批判精神，他的追求自然界的统一性的坚定信念，都是马赫、斯宾诺莎等人的哲学思想对他的影响。他说：“如果不相信我们的理论结构能够领悟客观实在，如果不相信我们世界的内在和谐性，那就不会有任何科学。这种信念是，并且永远是一切科学创造的根本动机。”（［5］，p216）正是哲学思想为他的科学探索指明方向、坚定信念。

§5．4　献身社会的战士

“人只有献身于社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。”（［4］，p255）爱因斯坦这样说，也是这样做的，他就是一个献身社会的战士。

一、高尚的人生追求和信念

在1930年发表的“我的世界观”一文中，爱因斯坦清晰地表述：“我每天上百次地提醒自己：我的精神生活和物质生活都依靠别人（包括生者和死者）的劳动，我必须尽力以同样的份量来报偿我所领受了的和至今还在领受着的东西。我强烈地向往俭朴的生活，并且时常为发觉自己占用了同胞的过多劳动而难以承受。”（［1］，p35）此话充分显示了这位享誉世界的伟大科学家的宏大胸怀和对人类的强烈责任感。他不但自己身体力行，而且还将此信念要求他的儿子，作为他儿子的座右铭。

享誉世界的我国数学家华罗庚教授（1910—1985），由于多次心肌梗塞，于1983年在病榻上写下遗嘱：“力竭矣，但斗志不衰，战士死在沙场幸甚。但甚盼尸体能对革命有用，倚墙可作人梯，跨沟可作人桥。”1985年6月12日，他倒在了东京大学的讲台上，实现了他生前所讲的“最大希望就是工作到生命最后一刻”的誓言。（［13］，p272）

心语　在科学道路，伟人们那种生命不息、研究不止、甘为人梯和人桥的崇高精神，永远激励着我们攀登科学高峰。

在此文中他还讲到，“照亮我的道路，并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、美和真。……人们所努力追求的庸俗的目标——财产、虚荣、奢侈的生活——我总觉得都是可鄙的。”（［1］，p36）正是这种不爱虚荣、不追求名利，一心追求真、善、美的理想和目标，当他的革命性的科学理论被怀疑、不被科学界接受甚至遭到攻击时，以及当他在捍卫民主、自由，反对战争的道路上受到谩骂、恐吓、甚至生命遭到危险时，他总是充满勇气、毫不退缩，为追求真理和正义而奋斗。

二、强烈的社会正义感和责任感

爱因斯坦强烈的社会正义感和责任感首先表现在他是一位为了捍卫人类的民主和自由，保卫世界和平而不向邪恶势力低头、不怕牺牲、敢于斗争的伟大战士。

1914年第一次世界大战爆发，10月初在德国统治者的威逼利诱下，一批很有声望的知识分子（包括科学家、艺术家、律师、医生等）在一份由少数知识分子所炮制的“先文明世界宣言”上签了字，其中有已经获得和后来获得诺贝尔物理学奖的伦琴、勒纳、维恩和普朗克等。（［3］，p171）这份宣言粉饰了德国侵占比利时等国的侵略行为，并声称是正义行为，但是爱因斯坦没有在上面签字。相反，他毫不犹豫在他人起草的一份声明“告欧洲人书”上签名，此声明针锋相对地指责这些科学家和艺术家“以敌对的精神讲话，而没有站出来为和平说话。……这种态度同世界上的从来被称为文化的那些东西是不相称的。”并严正声明这是一场“野蛮的战争”。可惜的是，在当时的残酷环境下，在此声明上签名的仅有4人，未能正式发表。但爱因斯坦始终没放弃参与各项反战活动，直到1918年11月战争结束。

1933年1月纳粹头子希特勒当上德国总理，一上台就对知识分子、工人领袖和犹太人进行残酷迫害，爱因斯坦也上了黑名单。幸好他当时正好在美国讲学，逃过一劫，但他在德国柏林郊外的住宅被纳粹查抄了。1933年3月20日，他在从美国回欧洲的途中发表了反对纳粹暴行、不回德国的声明，义正辞严，态度鲜明。在比利时暂住期间，爱因斯坦得到了比利时政府的保护。

当年10月，为了躲避纳粹特务的暗杀，爱因斯坦到了美国，定居于普林斯顿，被聘为高等研究院教授，直到1955年去世。1940年，他取得了美国国籍，但同时保留了瑞士国籍。

爱因斯坦强烈的社会责任感还充分表现在他对青年一代的教育和培养，他有许多精辟的论述，教育思想十分丰富，在今天对我们的教育工作仍有现实意义。

1936年，爱因斯坦在纽约州立大学举行的“美国高等教育300周年纪念会”上所作的报告“论教育”中，他结合自己的切身经历和个人经验，提出了一系列精辟的教育思想论述。例如，他说：“人们把学校简单地看作一种工具，靠它来把最大量的知识传授给成长中的一代。但这种看法是不正确的。知识是死的，而学校却要为活人服务。它应当发展青年人中那些有益于公共福利的品质和才能。”（［1］，p100）文中还强调说：“应当反对把个人当作死的工具来对待。学校的目标始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。……发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。”（［1］，p103）在这些论述中，爱因斯坦的最精辟之处是把学生看作“人”，是一个有思想的“活人”，而不是被灌输知识的“死的工具”，或者是一个“容器”。“以人为本”正是当代教育思想的核心。

图5－6　在普林斯顿家中的爱因斯坦

三、坚持不懈、奋斗终身

晚年的爱因斯坦仍是一位不懈的斗士。在他74岁那年，针对当时在美国“麦克锡主义”横行霸道、非常猖狂，他坚决地站了出来，揭露真相，号召受迫害的知识分子要勇敢地站出来针锋相对。

麦克锡主义是指当时在美国以共和党参议员麦克锡为首的一个调查委员会，自1950年开始，借着反共的名义，对他们怀疑的一切人，包括政府官员、大学教授、作家、报纸编辑等进行“清查”和随意“指控”。麦克锡主义大大扼杀了思想界和学术界的自由讨论，一些著作不能发表，演讲被取消，学术的自由交流被禁止，教学自由被压制。面对这种邪恶势力，在1953年6月12日，《纽约时报》刊出爱因斯坦的一封公开信，信中揭露麦克锡主义的阴谋，尖锐指出美国知识分子当前面临的严重问题，并严正提出：“处于少数地位的知识分子应采取什么办法来对付这种邪恶行为呢？坦白地说，我想只能是甘地的革命方式，即不合作。被召到委员会面前的每一知识分子都应拒绝作证！也即准备去坐牢、倾家荡产。总之，为了他的国家的文化事业而牺牲个人幸福。……如果足够多的人愿意采取这种重大的步骤，他们就能成功。如果不愿意，这个国家的知识分子就只配给他们准备好的奴隶待遇了”。此信影响很大，在美国引发了一场保卫人权的运动。一年后麦克锡被参议院弹劾。这种强烈的社会正义感，在科学家中十分罕见。

图5－7　1950年（71岁）的爱因斯坦在上班途中

晚年的爱因斯坦不仅在社会活动方面是一位不懈的斗士，在科学研究方面更是奋斗到他生命的最后一刻。第二次世界大战结束后，1945年他从高等研究院退休，但他在保留的办公室中工作到去世。1949年3月14日是爱因斯坦的70寿辰，在3月28日他给好友索洛文的信中，谦虚、坦然地表达了自己70岁生日时的心情：“你一定在想我在此时此刻会以满意的心情来回顾我一生的成就。但是，仔细分析一下，却完全不是这么一回事。我感到在我的工作中没有任何一个概念会很牢靠地站得住，我也不能肯定我所走的道路一般是正确的。……所有这些都是只是短见而已，但是确实有一种不满足的心情发自我的内心，……”（［1］，p31）

晚年爱因斯坦在腹部的大动脉上有个动脉瘤，常常疼痛，且伴随呕吐，身体越来越虚弱，经常卧床不起。一旦有所好转，他就坚持上午到研究院上班，且每次来回步行一个小时左右，下午和晚上除了接待朋友、处理信件外，就是继续科研工作。他一直坚持到1955年4月15日，由于动脉瘤破裂，人们不得不将他送进普林斯顿医院，他的大儿子从伯克利大学赶来陪伴在他身边。4月17日他的状况似乎好转一点，他就要求把他的关于统一场论中一项还没有完成的计算稿取来，想继续计算下去。不幸的是，爱因斯坦在4月18日凌晨1点15分安然去世。去世前他留下遗嘱：不举行葬仪，不建坟墓，不立纪念碑，把大脑献给医学事业、把骨灰撒到不为人知的地方。他的亲属遵从了他的遗愿，把他的骨灰撒在一个没有向外透露的地方，他的大脑保存至今，美国和加拿大的病理学家和神经学家进行了研究^[5]。

§5．5　核能应用

当前世界能源紧张，我国同样如此。长期以来，我国以煤炭发电为主，随着煤炭的日益耗尽，以及经济的发展，对能源的需求迅速增加，能源危机日趋严重。当前必须大力开发和利用新能源（包括太阳能、风能、地热能、海洋能和核能等），其中核能的开发和利用势在必行。本节将对核能利用作简要介绍，若读者有兴趣了解核能更多的知识，可见参考资料［8］中§7．3和§7．4内容。

一、E＝mc2与核能的获得

科学家发现当一个重原子核分裂为两个较轻的核^[6]，或两个轻的原子核聚合为一个较重的核时，都会有能量释放，这就是获得核能的两种方式——裂变和聚变。所获得的能量来源于上述两种原子核反应前后的静止质量的减少，减少的静止质量转化为能量放出，这就是核能的来源。由质能关系式可知，若反应前后静止质量的减少为Δm0，则反应中可获得的相应能量为

这个能量是巨大的，下面作较详细介绍。

1．裂变反应

科学家发现一个能量很低的中子轰击质量较大的重原子核铀－235（235　U）时，可结合成处于高度激发的236　U（相当一个高温液滴），处在高温的236　U很快发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球，且越拉越长，最后分裂为两个大小不同的中等核（见图5－8），以及放出2个或3个中子，同时放出核能。

图5－8　裂变反应示意图

常用的易发生裂变的核除了235　U以外，还有钚－239（239Pu）。裂变核的裂变反应可以有许多不同的道，即两个裂变产物（中等核）不是唯一的，可有许多种分配。下面给出235　U发生裂变反应时，概率较大的一种反应道的表示式：

“236　U＊”中“＊”号表示此核处在高温的被激发的状态；Q表示放出的核能；此反应中有3个中子放出。不同反应道放出的核能Q并不相同，放出的中子数也可以不一样。核能Q即（5－7）式的ΔE，由此式可得到，

式中兆电子伏和焦耳都是能量单位，1兆电子伏＝106电子伏＝1．602×10－13焦耳。

虽235　U裂变的不同反应道所释放的核能有所不同，但作为近似估算，可采用上述反应中的Q值来估算1千克的235　U全部裂变所放出的能量。1个235　U核（3．902×10－22克）的裂变可放出能量为2．78×10－11焦耳，所以1千克235　U全部裂变可放出核能712．4×1011焦耳，此能量相当于燃烧2　400吨的标准煤所获得的能量。可见小小原子核确实蕴藏了巨大的核能，它的理论基础就是质能关系式。实践证明，上述核能计算完全正确。

有必要指出的是，裂变反应的产物都是有β－放射性的核素。这些放射性废物中有不少是长寿命的高放射性核素，所以对长寿命放射性废物的后处理，使之不泄入生物圈中、危害人类生存，这项工作至关重要，也是裂变反应核电站大规模、长期应用受到限制的主要原因。由此可见科学技术是“一把双刃剑”，必须引起人们的高度重视。

2．聚变反应

下面的氘氚反应生成氦和中子就是一个聚变反应，放出的能量Q由质量关系式计算可得为17．58兆电子伏。

从平均每个核子所放出的能量来看，聚变反应（只涉及5个核子）要比裂变反应（涉及236个核子）所放的能量大得多。并且从反应产物看，它是理想的洁清能源。

作为核能的实际应用，下面对核电站和可控聚变作简单介绍。

二、核电站

1．什么是链式反应

在介绍核电站前，先介绍一下什么是链式反应。由于在裂变反应中同时有2～3个中子放出，所以如果所产生的其中一个中子又能打中另一个235　U原子核，便又能引起新的裂变反应，反应中又会有新的2～3个中子产生。如此下去，就可使裂变反应连续不断地发生下去，巨大的能量会源源不断地释放出来，这就是链式反应（见图5－9）。

图5－9　链式反应示意图

由于裂变反应放出的中子能量高（约2MeV），运动速度快，再打中235　U核的几率非常小，所以为了实现链式反应，必须通过慢化处理降低它们的能量，使其变为热中子（即能量低到0．025eV，相当室温下的中子），有很大几率继续击中235　U核实现链式反应。在实际应用中，核电站需要的是可以控制的链式反应。原子弹就是通过不可控制的裂变链式反应，放出大量能量和放射性物质，是一种具有大规模杀伤破坏效应的武器。我国于1964年10月16日爆炸的第一颗原子弹就是以235　U为燃料的。

2．核反应堆和核电站

核反应堆就是装有核燃料和控制棒可实现可控裂变链式反应的装置。它是核电站的关键设备，在核电站中正是以反应堆来代替火力发电站的锅炉。在全世界的核电站中压水堆占多数。压水堆是利用高压水通过反应堆芯既作慢化剂，使高能中子通过与水分子中氢核多次碰撞，可很快损失能量慢化到热中子，同时又作为冷却剂，把堆芯中的热量带出来。在压水堆中，从堆芯出来的仍是高压水，不是蒸气。它是再通过蒸气发生器，将热量传给流经发生器中的水流，使之沸腾变成高压蒸气，被输送到发电机组进行发电。例如，我国最早建成的秦山发电站就是采用国际上应用最广泛的、安全性最好的压水堆。

在反应堆中所使用的核燃料是235　U。由于天然的铀中，235　U仅占0．72%，其他都是同位素238　U，即140个铀核中235　U仅1个。为了保证链式反应能实现，除了中子要慢化外，还要适当提高235　U的浓度，但浓度不需太高，一般使用浓度约3%的浓缩铀来代替天然铀。

堆中的控制棒是用对中子有很强吸收能力的镉制成的镉棒，利用它在反应堆芯中插进和抽出来控制反应堆中的中子数，起到控制裂变反应速率的目的。在反应堆中，核燃料也是制成棒状，与控制棒一起分散安置在堆芯中。

3．核电站发展概况

目前世界上（至2010年底）已有30多个国家拥有核电站，其中美国有100多座核电站，为世界之最，占美国供电量的20%；其次是法国有58座，但其核电要占到法国供电量的78%，为世界之最；再往下是日本、德国、俄罗斯等。截至2011年，我国台湾有3座核电站，大陆地区正在运行的有6座核电站（秦山核电站，秦山二期、秦山三期、广东大亚湾、广东岭澳一期、江苏田湾一期），11台核电机组，总发电量约占总发电量的2．1%。正在新建的有浙江三门、广东阳江和辽宁红沿河核电站等，另外有些地区的核电站正在计划和筹备之中。我国的核电计划是到2020年，总装机容量从目前的850万千瓦增加到4　000万千瓦，到时核电发电量将约占全国供电量的4%。

三、可控聚变反应

核电站的燃料主要是铀资源，但铀也不是理想的长期能源，迟早也会面临铀矿的危机。最理想能源是聚变能的利用。相比核电，从下面的聚变反应（5－10）式可知，它的特点是洁净（没有长寿命的放射性废物）、释放的能量更大，而且它的“原料”取之不竭，因为聚变反应的主要燃料氘可以从海水中无限制地提取。海水中的氘结合成的重水，约为海水总量的1／6　700。

类似核电，要利用聚变反应来发电，必须实现自持且可控的聚变反应。不可控的聚变反应能就是核武器氢弹能产生比原子弹更强爆炸能量的由来。继美国、前苏联和英国，我国是第四个掌握氢弹技术的国家。下面我们将对如何实现自持的有能量增益的热核聚变反应作简单介绍，这是达到最终目的——聚变发电的关键一步。

利用氘核作燃料的聚变反应有下面四个反应式：

其中氚和氦－3只是中间产物，主要原料仅是氘。将四式相加可得

注意到，聚变反应前的这些轻核都是带正电的，由于斥力在室温下不可能靠得很近甚至聚集在一起发生反应。而裂变反应中，中子不带电，热中子就可引进铀核裂变。这是两种反应的重要区别。为了使两个带正电的轻核能聚合在一起发生反应，必须加热到高温，使这些轻核有足够高的动能。理论估计温度要达到T≈108开^[7]。在这样的温度下，任何原子都已全部电离，形成物质第四态——等离子体。这些带电离子间相互库仑碰撞会产生很强的X辐射，从热核聚变反应器中逃逸，这是主要的能量损失。要得到聚变能的利用，必须使产生的聚变能减去各种能量损失后有净能获得，即有能量增益。科学家指出：要获得自持的能量增益的聚变反应，即达到点火条件，除了足够高的温度T外，还必须将这些高温等离子体在一定时间τ内约束起来，且保持很高的等离子体密度n。

要使高温、高密等离子体维持一定时间非常困难，这就要求人们要找到一种约束等离子体的方法不使其散开。从目前研究来看，可控热核聚变最有希望的是利用磁约束，即利用磁场将高温、高密等离子体约束在一定的容器中，且维持足够长时间τ以达到点火条件。目前研究较多的装置是称为“托卡马克”（Tokamak）的一种环流器，它是一种闭合型的环状装置。2006年9月一台名叫“EAST”（即实验型先进超导托卡马克）的非圆截面全超导托卡马克装置在我国合肥中科院等离子体研究所建成，这是目前世界上最先进的装置之一。2005年6月28日国际热核实验反应堆（ITER）计划由参与的六方（欧盟、俄罗斯、美国、日本、韩国和中国）在莫斯科做出决定，世界第一个实验反应堆将在法国建造。此实验堆的规模可与未来实用聚变反应堆相仿，目的是解决建设聚变电站的关键技术问题。专家乐观估计要建成利用聚变反应的发电站还需30年之久。但这一天终将到来，人类有望根本解决能源危机问题。

参考资料

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［4］［美］爱因斯坦著，王强译．爱因斯坦自述．西安：陕西师范大学出版社，2010年．

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［11］程帆．名人名言（学生版）．长沙：湖南教育出版社，2011年．

［12］恩格斯著，中共中央马克思恩格斯列宁斯大林著作编译局译．自然辩证法．北京：北京人民出版社，1971年．

［13］顾迈南．华罗庚传．上海：复旦大学出版社，1997年．

【注释】

[1]在17世纪，科学家曾假定有一种叫“以太”的介质布满空间，光靠它传播，正如声音靠空气传播一样。但它居然看不见，感觉不到，令人费解。直到19世纪末迈克耳孙—莫雷实验才否定了“以太”的存在。

[2]理想黑体是指能100%吸收投射到上面的电磁辐射而无任何反射的物体，而实际上只有近似黑体。

[3]光电效应：即光子入射到金属上，其能量被金属中电子全部吸收，使电子从金属中飞出的效应。这种电子称为“光电子”。

[4]此变换式的一个简单推导，可见爱因斯坦本人著作［7］中的附录一。

[5]摘自“爱因斯坦大脑之谜”，原载于《文汇报》，1999年8月28日科技文摘版。

[6]世界上一切物质都是由原子构成，原子是由原子核和它周围运动的电子所组成。原子核由中子和质子组成，中子和质子统称为核子。任何一个原子核都可以用符号来表示，其中Z为核内质子数，A＝Z＋N（N为中子数）表示核内核子数，如氢核、氘核氚核、氦核等等。通常用n表示中子，p表示氢核（即质子），d表示氘核。

[7]这里温度用绝对温度T表示，单位是开（K），它与摄氏温度t（℃）的关系是T＝（t＋273．15）K。