互动科普

用GPS在丛林中找到回家的路？用激光水平仪来悬挂相框、复印？所有这些，都应该感谢爱因斯坦。

在曼啥顿的人看来，昆斯仅仅是纽约市机场所在地和大都会队打棒球的地方。一个星期六下午，大都会队不在城里，我也不必去赶飞机的时候，我闯到了昆斯东北部，具体说就是在大学岬附近。在那儿沿着第二十街延伸的拥挤购物街中我去寻找阿尔伯特·爱因斯坦。

勿庸置疑，爱因斯坦的思想在很多科学研究中都是不可或缺的。它令物理学家把粒子加速到接近光速，令天文学家们测量和模拟星象。但是，爱因斯坦一生的贡献也深深渗透在我们日常生活所遇到的技术中。他对光为何像粒子一样运动，原于怎样发出辐射，速度和引力怎样影响时钟等的阐述，对当令常用器件的正常运转起着重要作用

与爱因斯坦的第一次接触是在大学城的购物中心，当我走进大型折扣商店Target的时侯。在光电池电子眼探测到我到来之后，门旋转着打开了。这种传感器由两个电极夹着一块半导体制成，可以对光做出响应。当光强变化时例如光束被截断或总体亮度减小，传感器产生的电流大小发生改变，与响应的电路耦合，就可以触发将门打开。

这种传感器代表了光电效应的一种应用。当发生光电效应时，光照在金属上使电子从金属中飞出。这种现象1839年在法国第一次被注意到，并不是爱因斯坦发现了它，但是，在解决德国物理学家马克斯·普朗克的计算困难时，爱因斯坦正确解释了它。1900年普朗克根据观察指出，热物体会以离散量发出被称为“量子”的特定频率（颜色）的光。普朗克导出了现今非常著名的常数h，由此解出了描述被称为“黑体辐射”问题的方程。

但是，爱因斯坦将其理论化，认为h不仅仅是一个数学上的补丁。他提出光并不是连续流动的能量波，而是以波包的形式传播。在他1905年的分析和后续论文中，爱因斯坦阐明了光有粒子流似的行为。当它传播时，将电子从金属中击出，就像母球击打排列好的台球一样。

爱因斯坦也解释了光电效应令人困惑的特征。虽然更强的光将更多电子从金属中击出，但无论光明亮还是微弱，获得的自由电子速度都相同。改变电子速度的唯一方法是用不同颜色的光。为了解释这种现象，爱因斯坦指出每个光粒子，即光子的能量决定于它的频率和h的乘积。后续实验证实了爱因斯坦的预言。因为爱因斯坦对光电效应的解释，他获得1921年诺贝尔物理学奖。

光电效应是当今无数设备：黄昏时打开路灯，调控复印机中碳粉的浓度，控制相机的曝光时间，事实上，它涉足于任何控制或响应光的电子器件中。光电效应器件甚至应用在呼吸检测仪中，在检测气体与酒精作用后，光电池显示出颜色的改变。该效应也导致了光放大器的发明。抽空的玻璃管中包含着一系列的金属阶梯，当初始的金属靶被光子击中后，这些台阶依次放出更多的电子。这样，一个微弱的光信号就被放大。光放大器在天文探测器和电视摄像机中起引导光的作用。

光电效应最明显的应用是太阳能电池，或叫做光伏电池。从1950年代开始，太阳能电池可以将15%到30%的入射光转换为电能，为计算器、手表、家庭环境检测、轨道卫星和火星探测车提供能量。

“受激”的思考

回到商场，我看到靠墙排列的是Target的电子商品区，在30个收款台上方，堆着DVD和便携式CD播放机，其中有些仅售12.99美元。收款机和播放机都使用某种光电池，但从爱因斯坦的角度来看，更有趣的是它们发出红色的相干光。当今这种无处不在的激光的存在应该归功于1917年爱因斯坦建立起来的理论框架。

在他的论文“论辐射的量子性”中，爱因斯坦继续探索光和物质的问题。特别是，他认识到如果原子吸收了光，它们可以变为激发态，也就是说跳到更高的能级。它们自然发光返回到较低能级。

除了吸收和自发辐射之外，爱因斯坦推断出一定存在第三种作用，那就是光子可以诱导受激原子发出另外一个光子，这两个光子可以激发另外两个原子放出光子，于是产生了四个光子，四个光子又可以产生八个，依此类推。

这种产生相干光束的把戏，会建立“粒子数反转”，意即受激原子多于未受激原子，从而找到使光子发射聚集成强光束的方法。这一设想直到1954年才得以实现，那时哥伦比亚大学的Charles H. Townes和他的同事们发明出了激光的前身微波激射器“maser”（射线受激放射产生微波放大的缩写）。

事后，Townes在他1999年出版的回忆录《激光是怎样产生的》中写道:“很奇怪激光的发明用了这么长的时间，激光本应该提早30年发明。”可能的一个原因是：虽然爱因斯坦的方程表明受激辐射产生额外的光子，但它们并没有明确揭示出可以产生不但在频率上，而且在相位上都完全相同的复制品。例如太阳和钨丝等光源产生大量同样频率的光子，但它们的步调不一致，这是光学随机噪声。使所有光子协同一致，在同一时间演奏同一个音符的结果是巨大的噪音而不是单调的斯斯声。

如今在加州大学伯克利分校的Townes猜测说，爱因斯坦“从没有考虑相干性，”但是“我可以肯定，如果有人问起，爱因斯坦会很快得出一定存在相干性。如果有足够数量处于适当激发态的原子，就会产生纯粹的放大。”

即使有些物理学家意识到这些光子是相干的，爱因斯坦的计算却表明受辐射很少发生。罗切斯特大学的量子光物理学家Carlos R. Stroud说:“爱因斯坦预言的这种效应小得难以置信，我认为不会有人认识到它的重要性。”或者，就像Stroud的同事Emil Wolf说的那样:“爱因斯坦超前其他人很多很多年。”

在1917年论文面世后的几十年中，出现了零星产生受激辐射的报道，但是这些想法都没有了下文。在1950年代初期，Townes认识到，实现辐射放大的关键部件是共振腔。在微波激射器出现后的几年内发明的激光器中，这个腔就是一个简单的空间，里面有两面镜子，这样光就可以在里面来回反射，强度逐渐增强，直到从一个镜面中射出激光束（该镜面具有部分透射功能）。

具备了这些基本部件之后，工程师们发现很多物质都可以产生激光，包括浸有荧光染料的果冻甚至奎宁水。多亏半导体产业和发光二极管的发明，激光器的大规模应用成为现实。的确，受激辐射应用在多得令人吃惊的产品中。除了DVD播放机、水平仪和指示器之外，激光器还在飞机环状陀螺仪、商用切割工具、医疗器械和通讯信号的光纤传输等应用的幕后发挥作用。激光已经成为科学研究中不可或缺的工具，几位研究者利用它研究化学反应、操控微观物体而获得诺贝尔奖。当然实际应用远不止这两点。微波激射器在美国海军天文台作为精确时钟，在天文研究中用来放大微弱的无线电信号。

GPS的滴答声

我在Target的下一站是户外运动用品区，但是没发现我要的东西。于是回到电子产品区问售货员:“你们有GPS设备吗？”回答说:“不再卖了。”

不过，隔壁的电路城倒是提供几款，价格稍低于200美元。这种手持设备通过接受全球定位系统（GPS）卫星的定时信号提供纬度、经度和高度信息。精确的距离测量需要精确的时钟，这就是为什么24个GPS卫星中的每一个都带有一个原子钟。[参见“全球定位系统大升级”，《科学》，2004年7期]。

目前大多数市售GPS接收器确定你的位置的误差可以在15米的范围内。科罗拉多大学Boulder分校的物理学家Neil Ashyb强调说，准确度在30米之内肯定意味着GPS接收器利用了相对论效应。华盛顿大学的物理学家Clifford M. Will详细解释说:“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步。”相对论认为快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。Will计算出，每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。

然而，引力对时间施加了更大的相对论效应。在大约2万千米的高空，GPS卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一。结果就是星载时钟每天快45微秒，GPS要计入共38微秒的偏差。Ashby解释说:“如果卫星上没有频率补偿，每天将会增大11千米的误差。”（这种效应事实上更为复杂，因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得很远。）

上溯到1970年代，对于最初的GPS设计师，特别是军事工程师们来说，添加相对论的修正，并不是个显而易见的想法。作为顾问的Ashby回忆说:“有些人认为必须考虑它，有些人认为不必。”Ashby说，设计师们分歧如此之大，以至于第一个GPS卫星发射时没有频率补偿，但是带有一个开关，万一在需要时可以打开。事情很快变得明朗了，那就是开关必须打开。

新的GPS方法减少了对相对论效应修正的依赖，至少在得到位置数据时如此。对于差分GPS，除了手持单元外，还需要接收器位于已知地点，这样就可以有效地消除偏离误差。（这种方法称为广域增强系统，简称WAAS。）但那些需要利用GPS来跟踪时间的使用者，比如射电天文学家，仍然需要爱因斯坦的帮助。

发明家爱因斯坦

唉，爱因斯坦的确有一种发明在我去的商场里是找不到的，或者说在任何商场都找不到。尽管他在家电制造的涉足没有生产出什么耐用消费类产品，但他发现的相关原理的应用却无处不在。爱因斯坦在1920年代和物理学院士Leo Szilard起，提出了电冰箱的设计方案。这个机器靠不泄漏的电磁泵工作（回收有毒的制冷气体）。很快，更安全的制冷剂的发明取代了不泄漏泵，于是爱因斯坦的冰箱从来没有在家电橱窗里出现过。但是，这种泵存活了下来，因为它可以用来运送钠来冷却所谓的快增殖反应堆。

当然，爱因斯坦并没有当发明家的瘾，他本是被了解自然的渴望所驱使。他把推理所取得的技术成果留给其他人。这句话对于E=mc2，这么一个出现在他1905年相对论论文中的关系而言，也同样是成立的。Stroud评价道:“在那之前，人们认为物质不可能以任何方式转化为能量。”就它诱人的简单性来说（用一点点质量乘以光速的平方就可以得到巨大的能量），肯定有某种方法使之变成现实。Will猜度说：“我想有很多人在思考这个问题。”

的确，在制造原子弹时，曼哈顿项目的科学家们被紧迫的使命所驱使，没有去验证E是否真的等于mc2。这是爱因斯坦仍可能会深刻改变这个世界的技术遗产之一。可以肯定，它是永远不会在购物中心出售的。

孙学峰/译

杨光/校