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(guān)注實用科學(xué)，關(guān)心現(xiàn)實問題，參與發(fā)明專利，樂于創(chuàng)新和工程設(shè)計，甚至涉足工業(yè)應(yīng)用。

文/方在慶

中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所研究員，華東師范大學(xué)紫江講座教授，博士生導(dǎo)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(xué)公式的科學(xué)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(shù)的發(fā)燒友，一個關(guān)心現(xiàn)實問題的發(fā)明家，一個愿意將科學(xué)應(yīng)用于生活的智者。

在擔(dān)任瑞士專利局審查員期間，愛因斯坦接觸到各種技術(shù)創(chuàng)新，培養(yǎng)了對實用科學(xué)的興趣。他在獲得物理學(xué)重大突破的同時，還積極參與技術(shù)改進，例如研究光學(xué)儀器、改良陀螺儀、優(yōu)化魚雷系統(tǒng)，甚至設(shè)計更安全的冰箱等。他并不滿足于推導(dǎo)理論，而是不斷思考如何讓科學(xué)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(xué)應(yīng)用于現(xiàn)實，激發(fā)更多創(chuàng)新靈感。

科學(xué)家的“下金蛋”時刻

愛因斯坦認(rèn)為，科學(xué)不應(yīng)該只停留在抽象的思辨，而應(yīng)與現(xiàn)實世界緊密相連。他曾用“下金蛋”來形容科學(xué)家的責(zé)任，認(rèn)為科學(xué)研究不僅僅是出于興趣，而是一種社會責(zé)任。科學(xué)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(xué)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。”表面上，這是對科研壓力的調(diào)侃，實際上卻反映了他對科學(xué)家角色的深刻理解——科學(xué)不能只是推導(dǎo)公式，而要真正影響現(xiàn)實世界。

從專利審查到科學(xué)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(rèn)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(shù)。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(xué)上的突破。他甚至建議年輕科學(xué)家，不要抱怨從事實用性工作的機會，因為“實際任務(wù)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(shù)發(fā)明的態(tài)度。當(dāng)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(shù)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(xué)的深刻理解，對冰箱技術(shù)做改進，而非簡單的技術(shù)改良。

科學(xué)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(xué)家的責(zé)任和壓力，而他的經(jīng)歷表明，科學(xué)探索不能只停留在理論，而應(yīng)與現(xiàn)實世界緊密結(jié)合。愛因斯坦既是改變世界的理論物理學(xué)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(shù)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(xué)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(xué)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(dāng)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(dāng)河水流動時，河道底部的摩擦力會導(dǎo)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(xué)阿爾伯特·愛因斯坦檔案館

在此之前，19 世紀(jì)德裔俄國科學(xué)家卡爾·馮·貝爾曾提出貝爾定律，認(rèn)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(yuǎn)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(xué)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(xué)家更好地理解河流的演變。例如，科學(xué)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(xué)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(rèn)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(xué)精神——觀察身邊的現(xiàn)象，提出物理學(xué)解釋，并不斷探索背后的規(guī)律。這種思維方式，正是科學(xué)最迷人的地方。

科學(xué)家也能當(dāng)技術(shù)顧問

陀螺羅盤是一種利用陀螺儀保持方向的導(dǎo)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(shù)對航海和航空至關(guān)重要，特別是在當(dāng)時的遠(yuǎn)洋航行中，它能幫助船只在各種復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。20世紀(jì)初，這項技術(shù)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(guān)鍵的科學(xué)意見，幫助技術(shù)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(shù)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(shù)，并試圖搶占市場。兩人最終鬧上法庭，爭奪專利權(quán)。為證明自己的設(shè)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(xué)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(guān)的專利申請。1915 年，他正式受邀為安許茨— 肯普費的技術(shù)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(xué)模型分析了陀螺羅盤的運動方式，確認(rèn)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(dǎo)航精度。第二，優(yōu)化設(shè)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(shù)報告，詳細(xì)說明了安許茨— 肯普費的設(shè)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(guān)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(dǎo)航工具。而斯佩里公司繼續(xù)改進技術(shù)，最終成為全球陀螺儀市場的重要供應(yīng)商。這場專利爭奪戰(zhàn)，不僅推動了導(dǎo)航技術(shù)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(guān)鍵設(shè)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(shè)聯(lián)系起來。雖然這個設(shè)想沒有直接變成實際應(yīng)用，但展現(xiàn)了愛因斯坦獨特的科學(xué)思維方式：既能深入理論研究，又能將科學(xué)應(yīng)用到現(xiàn)實技術(shù)中。

位于德國基爾大學(xué)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(shè)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(jì) 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(dāng)時的冰箱設(shè)計存在嚴(yán)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(fēng)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(shè)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?xì)?、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(shè)計有幾個重要優(yōu)勢：更安全——沒有有毒氣體泄漏風(fēng)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(yuǎn)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(shè)備

專利申請與技術(shù)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(shè)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(shè)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(dāng)時并未廣泛應(yīng)用，但后來在核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)等高端科技領(lǐng)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(lǐng)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(jì)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，極大地降低了傳統(tǒng)壓縮機冰箱的安全風(fēng)險，使人們不再擔(dān)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(yuǎn)地區(qū)，但城市里電力供應(yīng)日益普及，電動冰箱效率更高，使用更方便。第三，技術(shù)與市場的綜合挑戰(zhàn)。技術(shù)的成功不僅依賴于科學(xué)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(shù)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(shù)獲取利潤，而非推動新技術(shù)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(shè)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(biāo)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(shù)如今已廣泛應(yīng)用于核能和航天技術(shù)，為高科技設(shè)備提供穩(wěn)定的冷卻方案。

愛因斯坦的“魚雷任務(wù)”：

當(dāng)科學(xué)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(zhǔn)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(quán)，猶太裔科學(xué)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(xué)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(rèn)，在面對極權(quán)主義時，科學(xué)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(dǎo)致命中率下降。第二，磁性引信失靈。魚雷原本設(shè)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(dāng)時的魚雷采用壓縮空氣或燃料推進，但推力不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致航行軌跡偏離目標(biāo)。

這些技術(shù)缺陷導(dǎo)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(xué)家的幫助，以改進魚雷的設(shè)計。

愛因斯坦的貢獻：用數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)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(zhǔn)。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(xué)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(dǎo)致的偏航。

提升引信的可靠性——他認(rèn)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(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)提供了重要的理論支持。他提出的數(shù)學(xué)建模方法后被應(yīng)用于水下武器、航空航天乃至現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器的研發(fā)。

戰(zhàn)爭結(jié)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(xué)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(xué)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(xué)家關(guān)注核武器對人類文明的威脅?？茖W(xué)技術(shù)可以拯救生命，也可以被用來制造毀滅性的武器。對科學(xué)家而言，如何承擔(dān)社會責(zé)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(shù)發(fā)明、工程應(yīng)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(xué)與湍流研究。湍流是流體力學(xué)中最復(fù)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(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)。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(xué)測量儀、慣性導(dǎo)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(shè)想自動反饋系統(tǒng)，涉及導(dǎo)航、溫控等領(lǐng)域，這些理念與后來控制論、自動化技術(shù)的發(fā)展不謀而合。另外，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時，意識到太陽能的潛力，并設(shè)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(xué)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(yīng)用的科學(xué)家。他的研究不僅限于黑板上的公式，還延伸到技術(shù)發(fā)明、工程改進，甚至社會責(zé)任。他的陀螺羅盤、冷卻系統(tǒng)專利、魚雷技術(shù)改進等成果，證明了科學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)習(xí)他的科學(xué)成就，更應(yīng)繼承他的跨學(xué)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(shù)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。

《不只是E=mc2——愛因斯坦的實用探索和奇趣發(fā)明》

[匈]約瑟夫?·?伊利 著

方在慶 何鈞　雷煜 譯

定價：98元

點擊圖片訂閱

2025年《科學(xué)畫報》