提到爱因斯坦，你会想到什么？

E=mc2、相对论、量子力学、黑洞……收，想得越来越远了！其实，爱因斯坦可以说是我们“最陌生的熟人”，根据他的科学理论衍生出的创造与发明，几乎覆盖到现代文明的每个角落，我们衣食住行里的许多细节都闪现着爱因斯坦的影子。不信你看，这些物品是不是都与你的生活息息相关——

1 数码相机

当你用数码相机拍下一个个精彩瞬间时，或许首先要感谢爱因斯坦。从镜头里飞进来的光子会把半导体里的电子挤走，这便是利用了与爱因斯坦有关的光电效应。

专家解读

王新鹏（中国科学院物理研究所）：

电荷耦合器件（CCD）传感器广泛应用于如今许多先进的数码相机和成像系统。CCD最初是由维拉·波义耳和乔治·史密斯两位物理学家于1969年开发的。CCD的基本原理就是光电效应，即光照可以从物体表面或内部激发出电子，爱因斯坦首次成功地解释了它。CCD传感器采集并放大了这些光电子的信号来形成像素点，使我们能够以图像的方式读取它们。

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18世纪，科学家认为光是一种波，波的强度就代表了光的能量。这个观点貌似非常符合常理。可以想象，冬天阳光不强，晒在身上有暖洋洋的感觉；而夏日阳光刺眼，如果不注意防护皮肤，有可能被晒伤。因此，在经典物理学观点里，光电效应能否发生，取决于光的强度的大小。然而，这一理论与当时的一系列实验结果相悖。研究表明，同一种物质，有些颜色的光无论强度多高，都无法发生光电效应，有些颜色的光虽然强度很低，也能产生电流。这让当时的科学家们非常困惑，直到20多岁的爱因斯坦打破常规，想出了一个不一样的解决思路：他将光描述为不连续的粒子（现称为光子），而不是连续的波。爱因斯坦认为，光在时间平均值下表现为波，对时间瞬时值表现为粒子，因此光可以既是波又是粒子，即存在波粒二象性。光子的能量只与其频率有关，光强只决定了光子的多少。当一束光照在金属上，只要光子的频率足够高，无论光强如何，都能激发出光电子，形成光电效应。爱因斯坦的光量子理论完美地解释了光电效应，而且推广了普朗克的量子理论，打开了量子世界的大门。

2 烟雾探测器、核电站和原子弹

烟雾探测器内部有放射性物质镅-241，它在裂变中会产生一小束带电粒子，形成稳定的电流。一旦发生火灾，烟雾的干扰就会改变这个电流，触动警报器。镅的原子核并不稳定，在裂变过程会释放能量，反应后的总质量小于镅的质量，质量似乎消失了一些，但其实，镅原子的质量只是以能量的形式“溜走”了。这是爱因斯坦著名的质能方程式告诉我们的。

专家解读

王新鹏

在爱因斯坦之前，人们知道物质不灭、能量守恒，但两者并没有被联系起来，直到爱因斯坦从狭义相对论的基本假设直接推出了E=mc2，也就是大名鼎鼎的质能方程。这个式子告诉我们：质量和能量其实是同一种东西的不同表现形式，二者是统一的，物质不灭、能量守恒，合称质能守恒。所以，如果一个物体的能量增加了，其质量也会相应增加，并不存在“质量被转化为能量”的说法。而如果一个物体的质量减少了，那就说明它失去了能量，核电站、原子弹等都利用了这一点，只是前者可控，而后者不可控。它们的原理都是核裂变，即热中子撞击重原子核，使原子核裂变为两个或多个较小的原子核。铀核裂变会发生质量亏损，在释放出大量能量的同时放出更多中子，这些中子又能引发更多核裂变，从而引发链式反应。

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在爱因斯坦提出狭义相对论前，当时的科学界还未发现原子核内部的准确结构，甚至还没有发现中子的存在，直到1932年，英国物理学家查德威克通过α粒子轰击方法首次探测到原子核中的中子。1938年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼应用中子轰击铀原子，首次发现了重元素的核裂变反应，并在此过程中发现有大量能量的释放。不过，当时的科学家在重复做该实验时，发现了一个非常重要的现象，那就是铀原子在核裂变时，反应前后的总质量是不一样的。对此，有些科学家开始思考，在反应的过程中肯定发生了某种现象，使其带走了一部分的质量。在这种猜测的基础上，人们想到了爱因斯坦提出的质能方程，应用“亏损的质量以能量形式释放出去”这样的结论，合理地解释了大量能量的释放以及质量亏损这两个问题。在爱因斯坦质能方程的指导下，科学家们又进一步研究了重核裂变的产生机理，从此，原子核内部的秘密仿佛一下子被揭开了，现代核物理学得以飞速发展。

3 激光扫描

每次到超市购物时，我们购买的每一件商品，其条形码都需要在收银台经过激光扫描仪的扫描。或许你还不知道，这项激光技术也得益于爱因斯坦的激光理论。

专家解读

孙正凡（天体物理学博士）：

“激光”这个词来自“受激辐射”（stimulated emission），指原子里处于高能级的一群电子受到外部经过的光子的影响回落到低能级，此时其所释放的能量以光子的形式放出，形成一道相干光束。这个理论其实早在1917年就出现了，它是爱因斯坦在普朗克量子理论的基础上拓展到物质与辐射影响而提出的。但实现这个想法，却是在30多年之后了。

1951年的一个早晨，美国物理学家查尔斯·汤斯突然想到用氨分子产生微波束的方式，并把这个想法记录在一个旧信封的背面（爱因斯坦也有这个习惯）。同年12月，汤斯和他的学生终于制成了按上述原理工作的一个装置，称其为“受激辐射微波放大”，缩写成Maser（脉泽）。1960年，美国物理学家西奥多·梅曼用红宝石棒建造出了第一个激光器。

从橱柜里的激光唱片、办公室里的激光打印机，到建筑装修用的激光测距、工业用的激光切割，再到爱美人士祛斑美肤用的激光美容，可以说，这些发明都直接受惠于爱因斯坦的科学远见。

4 GPS全球定位系统

每一次点外卖，每一次出行，只要用到GPS，就不能忽视爱因斯坦的功劳。爱因斯坦的广义相对论告诉我们，在引力场的不同位置，时间和空间的性质会发生变化。因此，GPS卫星导航系统里需要安装精确的原子钟来配合时间序列发射，否则GPS给出的位置误差每天几乎能达到11公里左右。我们在使用导航软件时，可能一不小心就被带到沟里去了。

专家解读

孙正凡：

1971年，在美国的一架飞机上，科学家们测量发现，原子钟在高空飞行时，走得会比地面钟表的时间略慢一点点。2010年，科学家们又测量出垂直高度仅1米的时间膨胀效应——每40年会差1秒！GPS卫星的核心就是原子钟，把原子钟的时频信号用微波发射出去后，接收器通过时频信号和光速得出相对几个卫星的位置，从而完成定位。但原子钟的时频在卫星不同轨道不同速度飞行时，会受到狭义相对论多普勒频移和广义相对论引力红移的影响，因此需要修正这些影响，才能准确地定位。

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爱因斯坦在狭义相对论中提出了时间膨胀理论，又称“钟慢效应”，即运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢。这个理论看似违背了我们的常规认识，但是在1971年的飞机飞行实验中得到了验证。另外，爱因斯坦广义相对论提出了“引力时间膨胀效应”：两只一模一样的钟，一只摆放在引力较强的地方，另一只摆放在引力较弱的地方，会发现放在引力较强处的钟走得要比放在引力较弱处的钟慢。这就是在宇宙中高速运动的卫星进行导航时会产生误差的原因。

5 穿越时空

电影《星际穿越》里的男主人公驾驶飞船来到“卡冈图雅”的黑洞，进入神秘的四维空间；电影《黑洞表面》用“人造虫洞”把海王星附近的空城和一个未知的恐怖世界连接在一起，以电波控制人类的思想；电影《雷神》里的“阿萨神域”自由地通过“彩虹桥”（即虫洞）统治“九大国度”……如何进行星际穿越？靠的正是爱因斯坦的理论。

专家解读

李淼（南方科技大学物理系教授）：

穿越时空的方法有——

①利用“虫洞”。爱因斯坦在广义相对论中提出，任何有质量的物体都会造成时空的扭曲，扭曲的程度跟物体的质量成正比。1935年，爱因斯坦和物理学家纳森·罗森一起提出了“虫洞”的概念。根据爱因斯坦的广义相对论，虫洞可以充当穿越时空的桥梁，通过一条捷径将两个时空连接起来，并且可以允许两个方向都能实现时空穿梭。但根据爱因斯坦的“钟慢效应”，国际空间站的时钟会比地面上的时钟慢一点。比如你穿越虫洞后，可以看到1分钟前的自己。

②利用“黑洞”。根据爱因斯坦的广义相对论，天体的质量越大，其造成的时空扭曲程度就越大。黑洞就是由一个时空弯曲无限大、密度无限大、体积无限小的中心和周围空空如也的天区组成。据相对论解释，当一颗恒星死亡后，其核心会在引力的作用下迅速塌陷，并发生强力爆炸，当这颗恒星的质量达到无限大时，便会出现无止境的下坠和塌陷，就连星球核心的中子也会在自身引力的吸引下变成粉末，而任何靠近黑洞的物体都会被吸进去。2019年9月6日，事件视界望远镜（EHT）发布了人类史上首张黑洞照片，黑洞质量几乎达到太阳质量的65亿倍。这似乎让穿越到未来有了可能性，但黑洞确实既遥远又太危险了。

6 电视、电脑显示器

多年前，大多数电视和电脑都长着一个“大脑袋”——带有阴极射线管的显示屏。阴极射线管的工作原理是在荧光体表面用磁场或电场改变电子束轨迹，使每一个电子击中屏幕的背面时都会产生一个发光的像素。此时，阴极射线管的电子的发射速度非常快，而在电子高速运动的情况下，就需要运用爱因斯坦的狭义相对论来计算其运行轨迹了，否则工程师就不知道该如何调节磁场强度使电子正确发射，从而容易导致成像不清晰。