图源：Pixabay

撰文｜施郁

去年年底到今年年初，是爱因斯坦获得诺贝尔奖、访问中国、访问以色列和以色列理工学院100周年。在这多重100周年之际，以色列理工学院的中国校区——广东以色列理工学院纪念爱因斯坦。应该校校长龚新高院士邀请，我于2022年12月16日为该校师生作了这个演讲。 

爱因斯坦是整个人类历史上最伟大的科学家之一，是现代物理学的缔造者。直到今天，物理学家正在进行的工作中，大部分基于他的思想。我将回顾他的伟大贡献，展现今天的研究前沿为何仍然在他指引的方向前进。

100年前，1922年11月13日，爱因斯坦抵达上海，收到获得诺贝尔奖的通知[1-3]。他告诉人们，7周后来中国正式访问。后来虽然又来上海逗留了两天，但是取消了正式访问的计划，主要原因是他要访问巴勒斯坦[4]，即今天的以色列。

而他的巴勒斯坦行程的一个主要内容，就是访问以色列理工学院。我们也将讨论爱因斯坦的以色列之旅以及他与以色列理工学院的关系。

诺贝尔奖也无法表彰的贡献

爱因斯坦创立了相对论，包括1905年的狭义相对论，以及1915年的广义相对论。

相对论基于相对性原理，意思是，物理定律与参考系的选择无关。狭义相对论局限于惯性参照系，即静止或匀速直线运动的参照系，另外还有一个基本假设是光速不变，即相对于任何参照系，光速都是一样的。因此静止光源和运动光源发出的光的速度是一样的。1905年，作为相对论的推论，爱因斯坦还给出能量和质量的等效关系，现在写成E=mc²。

广义相对论则将相对性原理推广到一般参照系，指出引力等效于时空的弯曲。1916年， 爱因斯坦又据此预言了引力波，是时空弯曲的涟漪。

爱因斯坦也是量子理论的创立者之一。1905年爱因斯坦提出光量子假说，指出光由很多光量子（后称为光子）组成，并以此解释了光电效应现象，推论出光电效应定律。现在的应用包括光电倍增管，光敏电阻，太阳能电池，数码相机，等等。历史上，爱因斯坦的光量子假说仅次于普朗克的量子假说，但是比普朗克的假说更彻底，普朗克说，产生电磁波的振子的能量是量子化的，而爱因斯坦说，电磁波本身就是量子化的。

1916年，爱因斯坦又回到量子论，提出自发辐射，即电子可以自发地从高能量状态改变到低能量状态，放出光量子（光子），以及联系自发辐射、受激辐射和吸收的辐射定律。现在最著名的应用就是激光。

1935年，爱因斯坦又与Boris Podolsky和 Nathan Rosen发现量子纠缠与局域实在论的冲突，很大程度上为今天的量子信息科学打下基础。

爱因斯坦也做过实用性的研究。他1905年还提出测量分子大小的新方法，提出布朗运动理论，告诉人们，液体里悬浮粒子无规运动，是因为受到液体分子的随机碰撞。这两项工作也包含了测量阿伏伽德罗常数的方法。现在一些工程学科引用这爱因斯坦的两个工作。爱因斯坦还曾经申请过约20项专利。 

我曾经和杨振宁先生说，您说过爱因斯坦是仅次于牛顿的伟大物理学家，我也这样认为，您能不能简单说说您的理由？杨先生说，爱因斯坦①改变了我们对于时间和空间的理解，从而给理论物理带来对称性的概念和对称性支配相互作用的思想；②创造了引力的几何概念；③帮助创立了量子力学。

相对论所依赖的相对性原理是一种对称性，即物理定律在改变参照系时的不变性，或者说，物理定律不依赖于怎么观测。后来对称性的概念大大拓展，规范对称性也是一种对称性，是基本相互作用的性质。对称性支配相互作用的思想源于爱因斯坦的广义相对论，后来也用于描述另外三种基本相互作用，成为规范理论的基础，而规范理论就是描述这三种基本相互作用的理论框架，杨振宁-米尔斯理论是这个基本框架的重要部分。

一般来说，诺贝尔科学奖反映了最重要的一批科学成就。一直到1921年，爱因斯坦还没有获得诺贝尔奖，所以诺奖委员会的压力很大。另一方面，仍然有很多人批评相对论，认为缺少实验证据。虽然狭义相对论是有实验支持的，但是人们往往将它与广义相对论绑在一起评论。1921年，诺贝尔奖委员会讨论了对爱因斯坦的提名，结果还是没有通过，因此这一年的诺贝尔物理学奖空缺。1922年，诺贝尔奖委员会以较少争议的量子论应用，即光电效应定律授予爱因斯坦前一年空缺的诺奖，同时将当年的奖授予玻尔。事实上，为了授予玻尔诺奖，也需要先给爱因斯坦授奖，因为玻尔的量子论工作是在爱因斯坦的量子论工作之后。当时诺贝尔奖委员会也更重视实验，因此爱因斯坦的诺奖甚至不是因为光量子假说本身，而是因为它的应用——光电效应定律。

1922年11月，诺贝尔奖委员会给爱因斯坦的详细通知写道：“瑞典皇家科学院决定授予您去年的诺贝尔物理学奖，这是考虑到您对理论物理，特别是光电效应定律的工作，但是没有考虑您的相对论与引力理论在未来得到证实之后的价值。”[6]这个说法也表达了对相对论的尊重。

我们还没有走出爱因斯坦的手掌心

从近年的诺贝尔物理学奖[7]，我们可以体会爱因斯坦对当代科学前沿的影响。

2017年诺贝尔物理学奖授予三位物理学家Rainer Weiss, Barry C. Barish和Kip Thorne,奖励他们对激光干涉引力波探测器以及引力波观测的决定性贡献。引力波是爱因斯坦根据他的广义相对路所作的语言。探测器基于激光，是以爱因斯坦的辐射理论为基础，其中的降噪措施也与爱因斯坦的布朗运动理论相关。 

2018年诺贝尔物理学奖更是专门授予激光物理领域的突破性发明，奖励Arthur Ashkin发明光镊并用于生物学系统，奖励Gérard Mourou和Donna Strickland产生高强度超短光脉冲的方法。

2019年的诺贝尔物理学奖的一半授予James Peebles对物理宇宙学的理论发现。物理宇宙学正是爱因斯坦于1917年创立，他将广义相对论用到整个宇宙。

2020年的诺贝尔物理学奖的一半奖励Roger Penrose证明黑洞形成是广义相对论的普遍结论，另一半奖励Reinhard Genzel和Andrea Ghez 在银河系中心发现超大质量的致密物质。1915年，爱因斯坦刚发表广义相对论，Karl Schwarzschild就据此预言了黑洞。

2017、2019和2020年的诺奖工作都建立在爱因斯坦的广义相对论基础之上。

2021年的诺贝尔物理学奖授予对理解复杂系统的突破性贡献，一半奖励Syukuro Manabe 和Klaus Hasselmann对地球气候的物理建模，将变化定量化，预言了全球变暖，另一半奖励Giorgio Parisi发现物理系统无序和涨落之间的相互影响。追根溯源，他们的工作建立在爱因斯坦在统计力学方面的奠基性工作基础上，特别是布朗运动理论。

2022年的诺贝尔物理学奖授予Alain Aspect, John F. Clauser和Anton Zeilinger，奖励他们关于纠缠光子的实验，确立了贝尔不等式的违反，为量子信息科学奠基。这些工作建立在爱因斯坦和合作者Boris Podolsky和 Nathan Rosen用量子纠缠态论证量子力学与局域实在论有冲突。微观粒子即使相距很远，仍然可以有某个自由度（例如内部状态）之间的量子纠缠，如果认为这个自由度满足实在论，似乎预示着怪异的超距作用，如果坚持局域实在论，又似乎说明量子力学不完备。实验表明，量子纠缠确实与局域实在论有冲突。量子纠缠并不能违反相对论，不能用来瞬时通讯，但是可以用来实现某些量子信息过程。

也就是说，这些诺贝尔物理学奖工作都与爱因斯坦的先驱性工作密切相关。因此爱因斯坦留下的思想依然非常活跃，我们还没有走出爱因斯坦的手掌心！

我们先看看爱因斯坦1933年之前的履历[8]：

●1879.3.14 出生于德国乌尔姆的一个犹太家庭。

●1896-1900 瑞士苏黎世联邦工学院学习，毕业后没有找到学术工作。

●1903 进入伯尔尼专利局，某种角度这适合他从事创新性极高的基础理论研究。

●1905 爱因斯坦奇迹年，完成5篇改变物理学的重要论文，按时间顺序是：测量分子大小的新方法，布朗运动理论（博士论文），光量子假说，狭义相对论，能量与质量等效。历史上上一个奇迹年是1666年，牛顿在躲避瘟疫期间，奠定了他的微积分、引力理论和颜色理论的基础。

●1909 苏黎世大学副教授。

●1911 布拉格大学教授。

●1912 苏黎世联邦工学院教授。

●1914 为他创立的凯撒威廉研究所所长，兼柏林大学教授。

●1914-1918 第一次世界大战，一战期间，世界动荡，科学依然前行。

●1915-1916 创立广义相对论，并在此基础上解释了水星进动，预言了引力红移（引力势能越小，光波波长越大）和光线偏折（光线路径被引力势能改变）。还提出辐射理论。有人将这段时期称为爱因斯坦的第二个奇迹年。

●1919 成为世界名人。

●1921-1933 很多旅行。

●1933年 移居美国普林斯顿。

1919年之前，爱因斯坦逐步成为物理学界的知名学者，但是在公众中没有什么名声。

1919年，英国天文学家利用日全食，观测到远处恒星发来的光线在太阳附近偏折，验证了爱因斯坦的广义相对论。日全食期间，没有太阳光，星光不会被淹没在太阳光中，所以可以观察角位置在太阳边缘的远方恒星的位置，判断它是不是被太阳改变。如果这颗星的视位置有所改变，说明太阳将星光的轨道偏折了。

当时新闻报道：“科学革命”、“宇宙新理论”，“牛顿理论被推翻”，震惊全世界。一夜之间，爱因斯坦成为家喻户晓的伟大科学家。

爱因斯坦的旅行

1919年之后，爱因斯坦旅行很多[9]。首先因为爱因斯坦声名鹊起后，收到很多访问邀请，特别是来自美国和日本的邀请，那里现代科学正在兴起。原因还有德国政治环境混乱，反犹浪潮兴起，爱因斯坦被攻击，甚至相对论也受到批判，他的科学成果被作为“犹太科学”受到攻击。而且，爱因斯坦也帮助犹太人在巴勒斯坦建大学，募资成为他的一个任务。爱因斯坦虽然没有正式加入犹太复国组织，但是为他们出力，也赞成在巴勒斯坦建立犹太人定居点。后来，1952年，以色列第一任总统魏兹曼去世时，以色列政府邀请爱因斯坦继任总统，但是他明智地谢绝了。

1922年11月13至14日，以及12月30日至次年1月1日，爱因斯坦曾经来到上海（图1[2])。

图1， 1922.11.13爱因斯坦在上海出席晚宴时，宾主合影。源自Leo Baeck Institute。

1个月后，2月2日至14日，爱因斯坦访问了巴勒斯坦，即现在的以色列（1948年建立），去了耶路撒冷、特拉维夫和海法，在海法访问了理工学院和技术中学[10]。图2是在这次访问期间的留影[11,12]。

图2 1923年，爱因斯坦访问理工学院和技术中学。源于理工学院网站。

可以看出，爱因斯坦在图1和图2中形象一致，可见拍摄时间接近。这些逗留都是他1922年至1923年的一次旅行的部分。这次旅行的最终目的地是日本，东道主是改造社社长山本实彦，他在1922年年初向爱因斯坦发出邀请。

1922年10月7日，爱因斯坦和妻子爱尔莎在法国马赛登上邮轮“北野丸”，沿途经过红海，停靠了哥伦坡（斯里兰卡）、新加坡、香港、上海，最后抵达日本。12月29日，他们登上“榛名丸”，离开日本，沿途停靠了上海、香港、新加坡、马六甲、槟城、哥伦坡、塞得港，从塞得港去了巴勒斯坦，然后又从塞得港登船，到达土伦。

爱因斯坦的两次上海之行

爱因斯坦在日记中记录了他的两次上海之行[3,10]。

11月14日的日记写道：“13日早晨大约10点钟，抵达上海。沿着平坦、如画、黄绿色的河滩逆流而上……在上海，上船欢迎的有……将我们带到一个中餐馆……在华界散步，天气晴朗……驱车穿过迷宫般的黑暗街道去一位富裕的画家家里吃中餐晚饭。房子外墙高冷，外面黑暗。里面，节日般灯火通明的走廊环绕着浪漫的带有如画般池塘和花园的庭院。走廊里装饰着主人所作的精彩真画，以及精心搜集的有年代的艺术品。晚饭之前，所有参加晚宴的人合影留念，包括东道主、我们、一位说德语的中国人、一对与东道主有亲的夫妇和他们天真漂亮的女儿，她大概十岁，非常甜美地用德语和中文朗诵，上海大学的校长和几位教师。无穷无尽、特别丰盛的佳肴，超出欧洲人的想象力。彻底罪恶地沉迷于伤感的演讲，由稻垣这样那样地翻译，得承认其中之一就是我所作……今天早饭后，坐小汽车去一个有趣的庙，里面有很多庭院和一个华丽的中国塔……下午，三点离开。”

这次在上海的逗留由日本东道主代表主导。图1就是宾主晚宴前的合影，其中有上海大学校长于右任和后来做过中央大学校长的张乃燕。爱因斯坦日记行文幽默讽刺。图3是我2022年11月2日拍的这座房子（梓园）目前的外观。

图3 梓园最近的外观。施郁摄于2022年11月2日。

爱因斯坦12月31日的日记：“在极棒的天气中到达上海。中午被德

琼（工程师）和加登（暴发户）接走……”

1 月 1 日：“……这里的欧洲人都雇了很多中国佣人，而且懒惰、自得、肤浅。在德容家吃午饭。他是一位友好的、有国际视野的英国人。下午在加登家举行了招待会，很多犹太人和其他伤感的奋斗的资产阶级……在“探索社”讨论（愚蠢问题的滑稽戏）。晚上也去了中国大众娱乐场所。如画的生活……”

可见，爱因斯坦同情中国的劳动人民，对在中国的欧洲人反而不满。并不存在所谓爱因斯坦对中国人的歧视，虽然他在日记中语言富有讽刺性，对各种人都这样。爱因斯坦这次逗留上海是由犹太人主导。

本来爱因斯坦与北京大学谈好，要在返程中，正式访问中国。遗憾的是，这个正式访问取消了。

他在给北大教授夏元瑮的信中写道：“现以要事，急须西归”[2,3]。

尽管爱因斯坦正式访华的计划落空，但是这个计划和他在上海的逗留还是大大增强了中国人对爱因斯坦和相对论的兴趣。中国国内关于相对论的文章在1922年12月达到18篇，而先前每个月只有1到4篇，或者没有[2]。

爱因斯坦在以色列

现在看来，爱因斯坦取消正式访华的主要原因正是他要访问巴勒斯坦[3]，包括以色列理工。2月2日至14日，他访问了巴勒斯坦。在爱因斯坦这次旅行中逗留的所有地方中，巴勒斯坦对他的影响最深[13]。

1882年以来，在巴勒斯坦的犹太定居者增加很多。1922年的贝尔福宣言表明，英国支持犹太人民在巴勒斯坦建国。在爱因斯坦来访的时期，阿拉伯与犹太人的比例是60:9[13]。

根据《爱因斯坦文集》中的爱因斯坦日记以及编辑所做的注释（注释对日记有点纠正，日记中对理工学院和技术中学有些混淆，毕竟后者是前者的预备学校）[10]，2月1日，爱因斯坦夫妇在塞得港下船，晚上坐火车和渡船到达苏伊士运河东岸。2日坐火车抵达巴勒斯坦。他们乘坐的火车沿着地中海岸边向东行驶，一片荒漠风景。进入巴勒斯坦后，地形平坦，长着稀疏的植被，经过阿拉伯村庄和犹太人定居点。途中，犹太复国主义组织的官员登上火车，接待他们。

在耶路撒冷，爱因斯坦夫妇的东道主是行政长官萨缪尔（Herbert Samuel）爵士。他们游览耶鲁撒冷市区，参观历史遗迹，访问犹太人定居点和学校。爱因斯坦也在晚会上演奏小提琴，发表演讲。

2月8日，爱因斯坦夫妇乘车去特拉维夫，访问了一个中学，成为荣誉市民，游览市区，参观发电厂和农业研究所。

2月9日，参观了一所技术中学和一个犹太定居点后，爱因斯坦和陪同人员坐火车前往海法。火车经过很多阿拉伯人和犹太人的定居点。

2月10日，上午，爱因斯坦访问理工学院。理工学院成立于1912年，当初按照德语称为Technikum，学校官方语言是德语。因为美国和俄国犹太人反对用德语，1914年规定官方语言是希伯来语,校名也按照希伯来语改称Technion。

上午，理工学院为爱因斯坦举办了两场招待会。第一场有1500人参加，另外理工学院委员会还举办了一个小型的招待会[10]。然后爱因斯坦访问了魏兹曼（Chaim Weizmann,后来成为以色列第一任总统）的母亲。

晚上在技术中学参加招待晚会，出席的人有师生、校友和社会名流。这个技术中学是理工学院的预备中学。爱因斯坦发表了演讲，爱因斯坦认为两位陪同人员的致辞也非常好。烛光下，大家唱赞美诗和东方犹太歌。这两位陪同人员从耶路撒冷开始基本上一直陪同爱因斯坦，一位叫Solomon Auerbach,是曾经在爱因斯坦前一年为了为犹太组织募资而访美时的秘书,另一位是物理学家Aharon Czerniawski。

2月11日，爱因斯坦参观了技术中学，包括它的用于机械、木工和装订的一个车间。图2像是摄于这个车间。可以看出图2与图1的拍摄时间接近。现在知道，这个车间所在的建筑在理工学院具有历史性的建筑内[11]。可以推论，大概当时的技术中学或者所在的建筑后来成了理工学院的一部分。

爱因斯坦访问结束后，在理工学院和技术中学的操场上各种了一棵棕榈树[10]（图4）。

图4 爱因斯坦植下的棕榈树。图源：广东以色列理工学院。

2月12日，爱因斯坦访问了一个犹太人定居点。2月13日，坐汽车回到耶路撒冷，与爱尔莎会合。2月14日坐火车到塞得港。2月16日，乘坐Ormuz邮轮离开塞得港。2月21日抵达土伦，开始游览西班牙，3月14日经巴塞罗那回家。爱因斯坦回德国后还成立了德国第一个理工学院协会（Technion Society）[11]。

爱因斯坦与以色列理工学院

在《爱因斯坦文集》第13卷中[10]，我找到爱因斯坦的两封关于以色列理工学院的信。

第一封信是1922年3月9日给意大利佩鲁贾大学物理教授、犹太人Bernardo Dessau的回信。Dessau向爱因斯坦询问理工学院的教育水准。爱因斯坦说，不建议不那么理想主义的成熟物理学家去理工学院，因为那里主要做技术训练，而耶路撒冷的希伯来大学更合适，因为计划将它建成以研究为主，但是物理方面还没有考虑，因为耗资较多。爱因斯坦说，他前一年在美国帮助这个大学募资，颇有收获。

《爱因斯坦文集》的编辑所做的注释指出，当时，理工学院缺少来自伦敦犹太复国主义组织的资金，因此临时管理委员会缺少将学院建成全面的高等教育学校的计划，同时，人们认为巴勒斯坦与中东更需要技术人员。

第二封信是给魏兹曼的信，写于1923年2月11日，也就是访问理工学院车间的那天，试译如下：

亲爱的魏兹曼：

昨天和今天我访问了海法的技术中学和理工学院，对迄今的教育工作印象很好。如果找到途径，开始理工学院的教学工作，将会很有裨益，因为所有的东西都准备好了，又有很大的需求。这里的问题很大，但是气氛是正面的，工作是受羡慕的。

致以亲切的问候，祝成功，您的

爱因斯坦

说明爱因斯坦一直关心和参与理工学院的发展，无怪乎他要在远东之行的返程中，取消访华计划，访问巴勒斯坦，包括实地考察理工学院。而当时理工学院已经准备得很好。爱因斯坦到访后的第二年，以色列理工学院就开始招生了[10]。

1952年，Nathan Rosen成为理工学院的教授[13]。除了1935年与爱因斯坦合作研究量子纠缠,Rosen和爱因斯坦还合作过一系列引力方面的工作，包括爱因斯坦因为不喜欢被审稿而从Phyical Review撤稿的那篇引力波文章，以及著名的爱因斯坦-Rosen桥，也就是虫洞。

Rosen加入以色列理工学院，说明这时理工学院的情况已经与创立之初不一样了，已经有基础物理方面的科研和教学。今天，以色列理工学院是世界著名的研究型大学。

在座的广东以色列理工学院副校长David Gershoni教授在理工学院完成本科和研究生教育，因此是Rosen教授的学生和同事，而且他的一个主要研究是用半导体量子点产生量子纠缠的光子对，而龚新高校长是包括半导体在内的固体物理的计算和理论专家。正如爱因斯坦百年前的旅行将当时的中国与当时的以色列理工联系起来，广东以色列理工学院将中国学生与以色列理工联系起来，希望他们能够从与爱因斯坦的历史联系得到鼓舞，学习爱因斯坦的科学精神。

爱因斯坦能取得伟大成就的一个重要因素是独立思考和想象力。他曾经说过：“想象力比知识更重要。”从中学到大学到科学研究，他都习惯于独立思考基本问题。他在16岁时，就开始问自己，如果一个人以光速去追光，会发生什么。他在1905年一年内完成5篇重要论文，年初他就告知朋友，他要完成4篇论文，说明他对这些问题都思考了一定的时间，有水到渠成的意思。质量-能量等效关系是完成狭义相对论后产生的进一步想法。当然，他的成就也有时代背景，他解决的问题在物理学的视野中，比如物理学天空中的乌云，很多物理学家在研究这些问题。

祝大家向爱因斯坦学习，独立思考、发挥想象力、创造力和勇气（be independent, be imaginative, be creative, be courageous）。 

感谢龚新高校长的邀请和建议。