阿爾伯特?愛因斯坦不僅僅是一個沉浸在理論世界的天才，他同樣關注實用科學，關心現(xiàn)實問題，參與發(fā)明專利，樂于創(chuàng)新和工程設計，甚至涉足工業(yè)應用。
文/方在慶
中國科學院自然科學史研究所研究員，華東師范大學紫江講座教授，博士生導師。
提到愛因斯坦，許多人腦海中浮現(xiàn)的可能是那個白發(fā)蓬亂、專注于數(shù)學公式的科學家形象。然而，史料研究揭示了他的另一面——一個熱衷于工程技術的發(fā)燒友，一個關心現(xiàn)實問題的發(fā)明家，一個愿意將科學應用于生活的智者。
在擔任瑞士專利局審查員期間，愛因斯坦接觸到各種技術創(chuàng)新，培養(yǎng)了對實用科學的興趣。他在獲得物理學重大突破的同時，還積極參與技術改進，例如研究光學儀器、改良陀螺儀、優(yōu)化魚雷系統(tǒng)，甚至設計更安全的冰箱等。他并不滿足于推導理論，而是不斷思考如何讓科學真正改變生活。
讓我們走進“工程師”愛因斯坦的世界，看看他如何將科學應用于現(xiàn)實，激發(fā)更多創(chuàng)新靈感。
科學家的“下金蛋”時刻
愛因斯坦認為，科學不應該只停留在抽象的思辨，而應與現(xiàn)實世界緊密相連。他曾用“下金蛋”來形容科學家的責任，認為科學研究不僅僅是出于興趣，而是一種社會責任。科學家必須不斷提出新理論，做出新發(fā)現(xiàn)，推動人類知識的進步。
他曾半開玩笑地對合作伙伴匈牙利裔美國物理學家萊奧·齊拉（Leo Szilard，又譯西拉德）說：“靠著下金蛋過日子并不是一件好事?！北砻嫔希@是對科研壓力的調(diào)侃，實際上卻反映了他對科學家角色的深刻理解——科學不能只是推導公式，而要真正影響現(xiàn)實世界。
從專利審查到科學突破
在瑞士專利局工作時，愛因斯坦并不覺得這份工作浪費了他的時間，反而認為它是種“真正的幸?！?。他在審查專利的過程中接觸到了各種新技術。這些實踐經(jīng)驗不僅沒有妨礙他的理論研究，反而激發(fā)了他在物理學上的突破。他甚至建議年輕科學家，不要抱怨從事實用性工作的機會，因為“實際任務讓人不至于遲鈍，也給人某種自尊”。
愛因斯坦在瑞士專利局
“星期日騎手”
愛因斯坦曾用“星期日騎手”來形容自己對技術發(fā)明的態(tài)度。當時在歐洲，許多人只有周末才騎自行車或開車，因此“星期日騎手”通常指不太熟練的業(yè)余愛好者。他用這個比喻自嘲，表示自己雖然主要研究理論，但仍然喜歡偶爾“越軌”嘗試技術發(fā)明，像個業(yè)余工程師一樣探索新事物。
然而，他的這些“業(yè)余”嘗試并不淺顯，而是經(jīng)過深入研究，并產(chǎn)生了實際影響。例如，不僅參與陀螺羅盤的專利申請，還研究其物理原理，并將其與地球磁場聯(lián)系在一起；基于對熱力學的深刻理解，對冰箱技術做改進，而非簡單的技術改良。
科學不僅是理論，更是改變現(xiàn)實的工具
愛因斯坦的“下金蛋”比喻揭示了科學家的責任和壓力，而他的經(jīng)歷表明，科學探索不能只停留在理論，而應與現(xiàn)實世界緊密結合。愛因斯坦既是改變世界的理論物理學家，也是富有創(chuàng)造力的實踐者。從專利局的實踐經(jīng)驗到技術發(fā)明的“星期日騎手”嘗試，他始終在理論與現(xiàn)實之間尋找平衡，展現(xiàn)了科學家真正的全貌。
河流為什么會蜿蜒
大家有沒有注意過，大多數(shù)河流都不是筆直流淌的，而是像一條舞動的絲帶，蜿蜒曲折地穿越大地。為什么會這樣？這個看似簡單的問題，曾經(jīng)引起了愛因斯坦的興趣。1926 年，他在一篇研究論文中提出一種解釋，這不僅展現(xiàn)了他對物理學的深刻理解，也體現(xiàn)了他對現(xiàn)實世界的好奇心。
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，河流的彎曲現(xiàn)象和攪拌茶水時茶葉的運動有異曲同工之妙。當茶水受到攪拌后，茶葉并不會被甩到杯壁，而是會慢慢聚集在杯底的中央。這是因為流體在運動時會形成環(huán)流，而類似的現(xiàn)象也發(fā)生在河流中。當河水流動時，河道底部的摩擦力會導致水流在不同高度上速度不均勻。上層水流較快，而底層水流較慢，這種速度差異形成了環(huán)流，使表層水向外岸流動，而底層水向內(nèi)岸運動。長此以往，外岸不斷被侵蝕，內(nèi)岸則沉積泥沙，河流就逐漸變得彎彎曲曲。
茶杯中的水流
圖源：耶路撒冷希伯來大學阿爾伯特·愛因斯坦檔案館
在此之前，19 世紀德裔俄國科學家卡爾·馮·貝爾曾提出貝爾定律，認為北半球的河流更容易侵蝕右岸，而南半球相反。他將此歸因于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力。但愛因斯坦的研究表明，科里奧利力雖然存在，它的影響遠不如水流自身的動力特性重要。換句話說，河流的彎曲主要是因為水流的內(nèi)部運動，而不僅僅是地球自轉(zhuǎn)的作用。
河床中的環(huán)流
圖源：耶路撒冷希伯來大學阿爾伯特·愛因斯坦檔案館
愛因斯坦的理論不僅揭示了河流為何彎曲，還幫助科學家更好地理解河流的演變。例如，科學家通過實驗室中的水槽模擬，觀察到了類似的環(huán)流現(xiàn)象。而在現(xiàn)代，研究者利用計算機模擬驗證了這套理論在不同類型河流中的適用性。
更令人驚訝的是，這一理論甚至被用于研究其他星球的地貌?？茖W家在火星表面發(fā)現(xiàn)了一些蜿蜒的古老河道。利用愛因斯坦的理論，他們推測這些河道可能是由曾經(jīng)流淌的液態(tài)水塑造的。這一發(fā)現(xiàn)為探索火星的過去提供了重要線索，也讓我們對宇宙中的流體運動有了更深的認識。
愛因斯坦的這項研究雖然不像相對論那樣轟動世界，但充分展現(xiàn)了他的科學精神——觀察身邊的現(xiàn)象，提出物理學解釋，并不斷探索背后的規(guī)律。這種思維方式，正是科學最迷人的地方。
科學家也能當技術顧問
陀螺羅盤是一種利用陀螺儀保持方向的導航儀器。它不依賴地球磁場，因此比傳統(tǒng)磁羅盤更穩(wěn)定。它的原理基于角動量守恒：一個高速旋轉(zhuǎn)的物體（如陀螺儀）在不受外力矩的情況下，會保持其旋轉(zhuǎn)軸的方向不變。這項技術對航海和航空至關重要，特別是在當時的遠洋航行中，它能幫助船只在各種復雜環(huán)境下實現(xiàn)精準導航。20世紀初，這項技術正處于發(fā)展階段，而愛因斯坦不僅研究了它的物理原理，還在一場專利糾紛中提供了關鍵的科學意見，幫助技術創(chuàng)新者打贏了官司。
愛因斯坦是如何介入其中的
德國工程師、藝術史家赫爾曼· 安許茨— 肯普費發(fā)明了一種基于陀螺儀的航海羅盤，并申請了專利。然而，美國工程師艾爾默· 斯佩里也在研發(fā)類似的技術，并試圖搶占市場。兩人最終鬧上法庭，爭奪專利權。為證明自己的設計具有獨創(chuàng)性，安許茨— 肯普費請來了愛因斯坦，希望他能提供科學支持。
愛因斯坦（右）與安許茨- 肯普費（左）
斯佩里與他制造的飛機陀螺羅盤
其實，愛因斯坦對陀螺儀的興趣由來已久。早年在瑞士專利局工作時，他就接觸過相關的專利申請。1915 年，他正式受邀為安許茨— 肯普費的技術提供咨詢，并做出了幾項重要貢獻。
第一，理論驗證。愛因斯坦用數(shù)學模型分析了陀螺羅盤的運動方式，確認其工作原理符合角動量守恒定律。他還指出，地球自轉(zhuǎn)會引發(fā)陀螺儀的微小進動，而這一現(xiàn)象可以用來修正航向，提高導航精度。第二，優(yōu)化設計。他發(fā)現(xiàn)，船舶的晃動可能會影響陀螺羅盤的穩(wěn)定性，因此建議改進支撐系統(tǒng)并優(yōu)化阻尼特性，以減少誤差。第三，法律辯護。在專利糾紛案中，愛因斯坦撰寫了一份技術報告，詳細說明了安許茨— 肯普費的設計為何具有獨創(chuàng)性。最終，這份報告成為安許茨— 肯普費贏得訴訟的關鍵證據(jù)。
影響與后續(xù)發(fā)展
在愛因斯坦的支持下，安許茨— 肯普費成功獲得專利，并使陀螺羅盤成為德國及其他國家海軍的重要導航工具。而斯佩里公司繼續(xù)改進技術，最終成為全球陀螺儀市場的重要供應商。這場專利爭奪戰(zhàn)，不僅推動了導航技術的發(fā)展，也讓陀螺羅盤成為現(xiàn)代航空航天系統(tǒng)中的關鍵設備。
愛因斯坦對陀螺儀的研究并未止步于此。他后來提出了一個新想法——利用陀螺儀測量地球磁場的微弱變化，并嘗試將其與安培的分子電流假設聯(lián)系起來。雖然這個設想沒有直接變成實際應用，但展現(xiàn)了愛因斯坦獨特的科學思維方式：既能深入理論研究，又能將科學應用到現(xiàn)實技術中。
位于德國基爾大學世界經(jīng)濟研究所招待所前的愛因斯坦和安許茨- 肯普費銅像
愛因斯坦的冰箱發(fā)明
你知道嗎？愛因斯坦曾經(jīng)設計過一種沒有電機、沒有活動部件的冰箱。1926 年，他與齊拉合作，研發(fā)了一種更安全、更可靠的冰箱，而促使他們動手發(fā)明的，竟然是一場意外的家庭悲劇。
讓愛因斯坦操心的冰箱安全問題
20 世紀 20 年代，家用冰箱剛剛興起，許多家庭開始用它來保存食物。然而，早期冰箱使用的制冷劑主要是二氧化硫、甲基氯等有毒氣體，并不安全。一旦管道泄漏，輕則引發(fā)健康問題，重則可能致命。
愛因斯坦在報紙上看到了一則新聞：柏林一戶人家因冰箱泄漏毒氣，全家死亡。這起悲劇讓他意識到，當時的冰箱設計存在嚴重隱患。他開始思考，是否能發(fā)明一種更安全、沒有毒氣泄漏風險的冰箱？
用熱而不是電來制冷的愛因斯坦- 齊拉冰箱
傳統(tǒng)冰箱靠電機驅(qū)動壓縮機，讓制冷劑循環(huán)流動，從而達到降溫效果。但愛因斯坦和齊拉決定摒棄這種方式，不用電機，而是用熱來實現(xiàn)制冷。
他們的設計基于氨— 水—丁烷3種物質(zhì)的工作循環(huán)。在加熱啟動階段，外部熱源（如燃氣、太陽能）加熱水– 氨溶液，使氨蒸發(fā)。蒸發(fā)的氨與丁烷交換熱量，使冰箱內(nèi)部降溫。整個制冷過程依靠溫度和壓力差來完成，由于無須電機或泵，避免了機械故障和泄漏問題。
這種設計有幾個重要優(yōu)勢：更安全——沒有有毒氣體泄漏風險；更安靜—— 無壓縮機，運行時幾乎沒有噪聲；更耐用—— 無活動部件，無機械磨損，減少維護需求；適用范圍廣——可以用天然氣、煤氣甚至太陽能驅(qū)動，在偏遠地區(qū)或電力不穩(wěn)定的地方特別實用。
愛因斯坦- 齊拉的DE499830 號專利 制冷過程
愛因斯坦- 齊拉的DE525833 號專利 制冷工藝及設備
專利申請與技術創(chuàng)新
1926—1933年，愛因斯坦和齊拉申請了多項專利，最著名的是1926年12月獲得的德國專利（DE374066）。他們還設計了一種用磁場驅(qū)動液態(tài)金屬流動的電磁泵，進一步減少了活動部件，提高了設備的穩(wěn)定性，以取代傳統(tǒng)機械泵。雖然電磁泵的概念在當時并未廣泛應用，但后來在核反應堆冷卻系統(tǒng)等高端科技領域得到了發(fā)展。
為何最終沒能普及
盡管這款無電機冰箱在安全性和可靠性上具有很多優(yōu)勢，但它未能占領主流市場。其最終未取代傳統(tǒng)冰箱，主要有兩個原因。第一，氟利昂出現(xiàn)了。20世紀30年代，人們發(fā)明了氟利昂，并將其作為制冷劑。它無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定，極大地降低了傳統(tǒng)壓縮機冰箱的安全風險，使人們不再擔心制冷劑泄漏問題。第二，市場需求不足。愛因斯坦— 齊拉冰箱雖然適用于偏遠地區(qū)，但城市里電力供應日益普及，電動冰箱效率更高，使用更方便。第三，技術與市場的綜合挑戰(zhàn)。技術的成功不僅依賴于科學創(chuàng)新，還需要大量的工程投入、商業(yè)化能力以及對市場需求的敏感度。愛因斯坦— 齊拉冰箱在技術研發(fā)和推廣過程中，可能缺乏足夠的資源支持、明確的商業(yè)化路線以及投資者的長期耐心。此外，壟斷性企業(yè)更傾向于利用現(xiàn)有技術獲取利潤，而非推動新技術的普及，這也阻礙了該冰箱的市場化進程。
影響至今：愛因斯坦的設計仍在被利用
雖然愛因斯坦的冰箱沒有成為家家戶戶的標配，但它的核心理念并未被遺忘。例如，在非洲等電力匱乏的地區(qū)，一些基于類似原理的現(xiàn)代太陽能冰箱正在幫助人們存儲食品和藥品；電磁泵技術如今已廣泛應用于核能和航天技術，為高科技設備提供穩(wěn)定的冷卻方案。
愛因斯坦的“魚雷任務”：
當科學家走進戰(zhàn)場
1939 年，在那位與他一起申請冰箱專利的齊拉的勸說下，愛因斯坦致信美國總統(tǒng)富蘭克林·羅斯福，警告納粹可能正在研發(fā)核武器，建議美國盡快啟動原子彈計劃。這封信直接促成了曼哈頓計劃的啟動。盡管愛因斯坦本人并未直接參與原子彈的研發(fā)，但他在第二次世界大戰(zhàn)（簡稱二戰(zhàn)）期間，曾為美國海軍研究魚雷的穩(wěn)定性和精準度，以提升海戰(zhàn)中的攻擊效率。
愛因斯坦1939年8月2日致羅斯福的信
其英文初稿由齊拉起草，愛因斯坦在會面中用德語口述修改意見，齊拉將其補充入英文稿并定稿。信件由羅斯福的顧問亞歷山大·薩克斯于同年10月11日遞交給總統(tǒng)。
從和平主義者到戰(zhàn)時顧問
愛因斯坦一直是堅定的和平主義者。他反對第一次世界大戰(zhàn)，在戰(zhàn)后加入多個國際和平組織，提倡以外交手段解決沖突。然而，納粹德國的崛起改變了一切。
1933年，希特勒掌權，猶太裔科學家成為被迫害的對象。愛因斯坦也被迫離開德國，流亡美國。他深知納粹的危險，也意識到科學可能被用來制造毀滅性的武器。因此，他雖然仍然信奉和平，也不得不承認，在面對極權主義時，科學家不能袖手旁觀。
魚雷的“失誤”讓美國海軍頭疼
在二戰(zhàn)的海戰(zhàn)中，魚雷是潛艇和驅(qū)逐艦最重要的攻擊武器。然而，美國海軍發(fā)現(xiàn)，魚雷在戰(zhàn)場上的表現(xiàn)并不理想，主要存在以下幾個問題。第一，穩(wěn)定性不足。魚雷在水下航行時容易偏航、滾動或震動，導致命中率下降。第二，磁性引信失靈。魚雷原本設計成在接近敵艦時自動爆炸，但很多時候不是提前引爆，就是完全失效。第三，動力系統(tǒng)不可靠。當時的魚雷采用壓縮空氣或燃料推進，但推力不夠穩(wěn)定，導致航行軌跡偏離目標。
這些技術缺陷導致美軍在戰(zhàn)場上浪費了大量魚雷，甚至錯失擊沉敵艦的機會。海軍急需科學家的幫助，以改進魚雷的設計。
愛因斯坦的貢獻：用數(shù)學優(yōu)化魚雷
愛因斯坦并沒有直接參與魚雷實驗，而是從數(shù)學和物理的角度，為魚雷的穩(wěn)定性問題提供分析。他的研究重點在于流體力學和振動控制，也就是如何讓魚雷在水下航行得更平穩(wěn)、更精準。他提出了以下幾項建議。
優(yōu)化魚雷的流體外形——他建議調(diào)整魚雷的外殼形狀，使其更符合流體力學原理，減少水流帶來的不穩(wěn)定因素，讓航行更穩(wěn)定。
改進控制舵的反饋機制——他提出可以增加自動修正系統(tǒng)，讓魚雷在航行過程中自動調(diào)整方向，減少因震蕩導致的偏航。
提升引信的可靠性——他認為磁性引信的不穩(wěn)定性太高，建議采用更精確的物理觸發(fā)機制，確保魚雷能在最合適的位置爆炸。
雖然愛因斯坦的建議是否直接影響美軍魚雷的改進仍然存在爭議，但他的分析為后來的導彈制導系統(tǒng)提供了重要的理論支持。他提出的數(shù)學建模方法后被應用于水下武器、航空航天乃至現(xiàn)代精確制導武器的研發(fā)。
戰(zhàn)爭結束后的反思
盡管在二戰(zhàn)期間幫助美軍改進武器，但愛因斯坦始終對科學被用于戰(zhàn)爭保持警惕。原子彈的爆炸讓他深感不安，他在戰(zhàn)后積極投身國際裁軍運動。1955 年，他與英國哲學家伯特蘭·羅素共同發(fā)表了《羅素— 愛因斯坦宣言》，呼吁全球科學家關注核武器對人類文明的威脅?？茖W技術可以拯救生命，也可以被用來制造毀滅性的武器。對科學家而言，如何承擔社會責任，如何確保自己的研究造福人類而非毀滅世界，始終是一個值得深思的問題。
除上述例子外，愛因斯坦還對技術發(fā)明、工程應用、測量儀器甚至能源利用等現(xiàn)實問題充滿興趣，例如流體力學與湍流研究。湍流是流體力學中最復雜的問題之一，至今仍未被完全解析。愛因斯坦通過觀察煙霧擴散、云層變化、河流急流等現(xiàn)象，嘗試用統(tǒng)計方法描述湍流。這種研究方式影響了后來的復雜系統(tǒng)科學。又如，專利局的經(jīng)歷讓愛因斯坦對測量儀器的精度改進有獨到見解。他研究過光學測量儀、慣性導航系統(tǒng)，并提出優(yōu)化方案，推動了高精度測量的發(fā)展。再如，愛因斯坦曾探討如何減少機械操作中的人為錯誤，并設想自動反饋系統(tǒng)，涉及導航、溫控等領域，這些理念與后來控制論、自動化技術的發(fā)展不謀而合。另外，愛因斯坦在研究光電效應時，意識到太陽能的潛力，并設想未來如果能大規(guī)模利用太陽能，或許能解決能源問題，這一思考在今天依然具有現(xiàn)實意義。
科學不僅改變世界，
也能改善生活
愛因斯坦是一位不僅思考宇宙奧秘，更熱衷于現(xiàn)實應用的科學家。他的研究不僅限于黑板上的公式，還延伸到技術發(fā)明、工程改進，甚至社會責任。他的陀螺羅盤、冷卻系統(tǒng)專利、魚雷技術改進等成果，證明了科學不僅推動知識前沿發(fā)展，也能直接改善人們的生活。
愛因斯坦的探索精神超越了學科界限，他不僅是相對論的提出者，還是一位敢于嘗試、樂于實踐的創(chuàng)新者。他的故事告訴我們，科學不僅是理論推演，更是一種改變世界的力量。今天，我們不僅要學習他的科學成就，更應繼承他的跨學科思維、實踐精神和對科技倫理的深刻思考。在人工智能、生物技術等迅猛發(fā)展的時代，這種精神依然值得我們借鑒和發(fā)揚。
本文轉(zhuǎn)載自《科學畫報》微信公眾號
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