阿尔伯特•爱因斯坦不仅仅是一个沉浸在理论世界的天才，他同样关注实用科学，关心现实问题，参与发明专利，乐于创新和工程设计，甚至涉足工业应用。
文/方在庆
中国科学院自然科学史研究所研究员，华东师范大学紫江讲座教授，博士生导师。
提到爱因斯坦，许多人脑海中浮现的可能是那个白发蓬乱、专注于数学公式的科学家形象。然而，史料研究揭示了他的另一面——一个热衷于工程技术的发烧友，一个关心现实问题的发明家，一个愿意将科学应用于生活的智者。
在担任瑞士专利局审查员期间，爱因斯坦接触到各种技术创新，培养了对实用科学的兴趣。他在获得物理学重大突破的同时，还积极参与技术改进，例如研究光学仪器、改良陀螺仪、优化鱼雷系统，甚至设计更安全的冰箱等。他并不满足于推导理论，而是不断思考如何让科学真正改变生活。
让我们走进“工程师”爱因斯坦的世界，看看他如何将科学应用于现实，激发更多创新灵感。
科学家的“下金蛋”时刻
爱因斯坦认为，科学不应该只停留在抽象的思辨，而应与现实世界紧密相连。他曾用“下金蛋”来形容科学家的责任，认为科学研究不仅仅是出于兴趣，而是一种社会责任。科学家必须不断提出新理论，做出新发现，推动人类知识的进步。
他曾半开玩笑地对合作伙伴匈牙利裔美国物理学家莱奥·齐拉（Leo Szilard，又译西拉德）说：“靠着下金蛋过日子并不是一件好事。”表面上，这是对科研压力的调侃，实际上却反映了他对科学家角色的深刻理解——科学不能只是推导公式，而要真正影响现实世界。
从专利审查到科学突破
在瑞士专利局工作时，爱因斯坦并不觉得这份工作浪费了他的时间，反而认为它是种“真正的幸福”。他在审查专利的过程中接触到了各种新技术。这些实践经验不仅没有妨碍他的理论研究，反而激发了他在物理学上的突破。他甚至建议年轻科学家，不要抱怨从事实用性工作的机会，因为“实际任务让人不至于迟钝，也给人某种自尊”。
爱因斯坦在瑞士专利局
“星期日骑手”
爱因斯坦曾用“星期日骑手”来形容自己对技术发明的态度。当时在欧洲，许多人只有周末才骑自行车或开车，因此“星期日骑手”通常指不太熟练的业余爱好者。他用这个比喻自嘲，表示自己虽然主要研究理论，但仍然喜欢偶尔“越轨”尝试技术发明，像个业余工程师一样探索新事物。
然而，他的这些“业余”尝试并不浅显，而是经过深入研究，并产生了实际影响。例如，不仅参与陀螺罗盘的专利申请，还研究其物理原理，并将其与地球磁场联系在一起；基于对热力学的深刻理解，对冰箱技术做改进，而非简单的技术改良。
科学不仅是理论，更是改变现实的工具
爱因斯坦的“下金蛋”比喻揭示了科学家的责任和压力，而他的经历表明，科学探索不能只停留在理论，而应与现实世界紧密结合。爱因斯坦既是改变世界的理论物理学家，也是富有创造力的实践者。从专利局的实践经验到技术发明的“星期日骑手”尝试，他始终在理论与现实之间寻找平衡，展现了科学家真正的全貌。
河流为什么会蜿蜒
大家有没有注意过，大多数河流都不是笔直流淌的，而是像一条舞动的丝带，蜿蜒曲折地穿越大地。为什么会这样？这个看似简单的问题，曾经引起了爱因斯坦的兴趣。1926 年，他在一篇研究论文中提出一种解释，这不仅展现了他对物理学的深刻理解，也体现了他对现实世界的好奇心。
爱因斯坦发现，河流的弯曲现象和搅拌茶水时茶叶的运动有异曲同工之妙。当茶水受到搅拌后，茶叶并不会被甩到杯壁，而是会慢慢聚集在杯底的中央。这是因为流体在运动时会形成环流，而类似的现象也发生在河流中。当河水流动时，河道底部的摩擦力会导致水流在不同高度上速度不均匀。上层水流较快，而底层水流较慢，这种速度差异形成了环流，使表层水向外岸流动，而底层水向内岸运动。长此以往，外岸不断被侵蚀，内岸则沉积泥沙，河流就逐渐变得弯弯曲曲。
茶杯中的水流
图源：耶路撒冷希伯来大学阿尔伯特·爱因斯坦档案馆
在此之前，19 世纪德裔俄国科学家卡尔·冯·贝尔曾提出贝尔定律，认为北半球的河流更容易侵蚀右岸，而南半球相反。他将此归因于地球自转产生的科里奥利力。但爱因斯坦的研究表明，科里奥利力虽然存在，它的影响远不如水流自身的动力特性重要。换句话说，河流的弯曲主要是因为水流的内部运动，而不仅仅是地球自转的作用。
河床中的环流
图源：耶路撒冷希伯来大学阿尔伯特·爱因斯坦档案馆
爱因斯坦的理论不仅揭示了河流为何弯曲，还帮助科学家更好地理解河流的演变。例如，科学家通过实验室中的水槽模拟，观察到了类似的环流现象。而在现代，研究者利用计算机模拟验证了这套理论在不同类型河流中的适用性。
更令人惊讶的是，这一理论甚至被用于研究其他星球的地貌。科学家在火星表面发现了一些蜿蜒的古老河道。利用爱因斯坦的理论，他们推测这些河道可能是由曾经流淌的液态水塑造的。这一发现为探索火星的过去提供了重要线索，也让我们对宇宙中的流体运动有了更深的认识。
爱因斯坦的这项研究虽然不像相对论那样轰动世界，但充分展现了他的科学精神——观察身边的现象，提出物理学解释，并不断探索背后的规律。这种思维方式，正是科学最迷人的地方。
科学家也能当技术顾问
陀螺罗盘是一种利用陀螺仪保持方向的导航仪器。它不依赖地球磁场，因此比传统磁罗盘更稳定。它的原理基于角动量守恒：一个高速旋转的物体（如陀螺仪）在不受外力矩的情况下，会保持其旋转轴的方向不变。这项技术对航海和航空至关重要，特别是在当时的远洋航行中，它能帮助船只在各种复杂环境下实现精准导航。20世纪初，这项技术正处于发展阶段，而爱因斯坦不仅研究了它的物理原理，还在一场专利纠纷中提供了关键的科学意见，帮助技术创新者打赢了官司。
爱因斯坦是如何介入其中的
德国工程师、艺术史家赫尔曼· 安许茨— 肯普费发明了一种基于陀螺仪的航海罗盘，并申请了专利。然而，美国工程师艾尔默· 斯佩里也在研发类似的技术，并试图抢占市场。两人最终闹上法庭，争夺专利权。为证明自己的设计具有独创性，安许茨— 肯普费请来了爱因斯坦，希望他能提供科学支持。
爱因斯坦（右）与安许茨- 肯普费（左）
斯佩里与他制造的飞机陀螺罗盘
其实，爱因斯坦对陀螺仪的兴趣由来已久。早年在瑞士专利局工作时，他就接触过相关的专利申请。1915 年，他正式受邀为安许茨— 肯普费的技术提供咨询，并做出了几项重要贡献。
第一，理论验证。爱因斯坦用数学模型分析了陀螺罗盘的运动方式，确认其工作原理符合角动量守恒定律。他还指出，地球自转会引发陀螺仪的微小进动，而这一现象可以用来修正航向，提高导航精度。第二，优化设计。他发现，船舶的晃动可能会影响陀螺罗盘的稳定性，因此建议改进支撑系统并优化阻尼特性，以减少误差。第三，法律辩护。在专利纠纷案中，爱因斯坦撰写了一份技术报告，详细说明了安许茨— 肯普费的设计为何具有独创性。最终，这份报告成为安许茨— 肯普费赢得诉讼的关键证据。
影响与后续发展
在爱因斯坦的支持下，安许茨— 肯普费成功获得专利，并使陀螺罗盘成为德国及其他国家海军的重要导航工具。而斯佩里公司继续改进技术，最终成为全球陀螺仪市场的重要供应商。这场专利争夺战，不仅推动了导航技术的发展，也让陀螺罗盘成为现代航空航天系统中的关键设备。
爱因斯坦对陀螺仪的研究并未止步于此。他后来提出了一个新想法——利用陀螺仪测量地球磁场的微弱变化，并尝试将其与安培的分子电流假设联系起来。虽然这个设想没有直接变成实际应用，但展现了爱因斯坦独特的科学思维方式：既能深入理论研究，又能将科学应用到现实技术中。
位于德国基尔大学世界经济研究所招待所前的爱因斯坦和安许茨- 肯普费铜像
爱因斯坦的冰箱发明
你知道吗？爱因斯坦曾经设计过一种没有电机、没有活动部件的冰箱。1926 年，他与齐拉合作，研发了一种更安全、更可靠的冰箱，而促使他们动手发明的，竟然是一场意外的家庭悲剧。
让爱因斯坦操心的冰箱安全问题
20 世纪 20 年代，家用冰箱刚刚兴起，许多家庭开始用它来保存食物。然而，早期冰箱使用的制冷剂主要是二氧化硫、甲基氯等有毒气体，并不安全。一旦管道泄漏，轻则引发健康问题，重则可能致命。
爱因斯坦在报纸上看到了一则新闻：柏林一户人家因冰箱泄漏毒气，全家死亡。这起悲剧让他意识到，当时的冰箱设计存在严重隐患。他开始思考，是否能发明一种更安全、没有毒气泄漏风险的冰箱？
用热而不是电来制冷的爱因斯坦- 齐拉冰箱
传统冰箱靠电机驱动压缩机，让制冷剂循环流动，从而达到降温效果。但爱因斯坦和齐拉决定摒弃这种方式，不用电机，而是用热来实现制冷。
他们的设计基于氨— 水—丁烷3种物质的工作循环。在加热启动阶段，外部热源（如燃气、太阳能）加热水– 氨溶液，使氨蒸发。蒸发的氨与丁烷交换热量，使冰箱内部降温。整个制冷过程依靠温度和压力差来完成，由于无须电机或泵，避免了机械故障和泄漏问题。
这种设计有几个重要优势：更安全——没有有毒气体泄漏风险；更安静—— 无压缩机，运行时几乎没有噪声；更耐用—— 无活动部件，无机械磨损，减少维护需求；适用范围广——可以用天然气、煤气甚至太阳能驱动，在偏远地区或电力不稳定的地方特别实用。
爱因斯坦- 齐拉的DE499830 号专利 制冷过程
爱因斯坦- 齐拉的DE525833 号专利 制冷工艺及设备
专利申请与技术创新
1926—1933年，爱因斯坦和齐拉申请了多项专利，最著名的是1926年12月获得的德国专利（DE374066）。他们还设计了一种用磁场驱动液态金属流动的电磁泵，进一步减少了活动部件，提高了设备的稳定性，以取代传统机械泵。虽然电磁泵的概念在当时并未广泛应用，但后来在核反应堆冷却系统等高端科技领域得到了发展。
为何最终没能普及
尽管这款无电机冰箱在安全性和可靠性上具有很多优势，但它未能占领主流市场。其最终未取代传统冰箱，主要有两个原因。第一，氟利昂出现了。20世纪30年代，人们发明了氟利昂，并将其作为制冷剂。它无毒、化学性质稳定，极大地降低了传统压缩机冰箱的安全风险，使人们不再担心制冷剂泄漏问题。第二，市场需求不足。爱因斯坦— 齐拉冰箱虽然适用于偏远地区，但城市里电力供应日益普及，电动冰箱效率更高，使用更方便。第三，技术与市场的综合挑战。技术的成功不仅依赖于科学创新，还需要大量的工程投入、商业化能力以及对市场需求的敏感度。爱因斯坦— 齐拉冰箱在技术研发和推广过程中，可能缺乏足够的资源支持、明确的商业化路线以及投资者的长期耐心。此外，垄断性企业更倾向于利用现有技术获取利润，而非推动新技术的普及，这也阻碍了该冰箱的市场化进程。
影响至今：爱因斯坦的设计仍在被利用
虽然爱因斯坦的冰箱没有成为家家户户的标配，但它的核心理念并未被遗忘。例如，在非洲等电力匮乏的地区，一些基于类似原理的现代太阳能冰箱正在帮助人们存储食品和药品；电磁泵技术如今已广泛应用于核能和航天技术，为高科技设备提供稳定的冷却方案。
爱因斯坦的“鱼雷任务”：
当科学家走进战场
1939 年，在那位与他一起申请冰箱专利的齐拉的劝说下，爱因斯坦致信美国总统富兰克林·罗斯福，警告纳粹可能正在研发核武器，建议美国尽快启动原子弹计划。这封信直接促成了曼哈顿计划的启动。尽管爱因斯坦本人并未直接参与原子弹的研发，但他在第二次世界大战（简称二战）期间，曾为美国海军研究鱼雷的稳定性和精准度，以提升海战中的攻击效率。
爱因斯坦1939年8月2日致罗斯福的信
其英文初稿由齐拉起草，爱因斯坦在会面中用德语口述修改意见，齐拉将其补充入英文稿并定稿。信件由罗斯福的顾问亚历山大·萨克斯于同年10月11日递交给总统。
从和平主义者到战时顾问
爱因斯坦一直是坚定的和平主义者。他反对第一次世界大战，在战后加入多个国际和平组织，提倡以外交手段解决冲突。然而，纳粹德国的崛起改变了一切。
1933年，希特勒掌权，犹太裔科学家成为被迫害的对象。爱因斯坦也被迫离开德国，流亡美国。他深知纳粹的危险，也意识到科学可能被用来制造毁灭性的武器。因此，他虽然仍然信奉和平，也不得不承认，在面对极权主义时，科学家不能袖手旁观。
鱼雷的“失误”让美国海军头疼
在二战的海战中，鱼雷是潜艇和驱逐舰最重要的攻击武器。然而，美国海军发现，鱼雷在战场上的表现并不理想，主要存在以下几个问题。第一，稳定性不足。鱼雷在水下航行时容易偏航、滚动或震动，导致命中率下降。第二，磁性引信失灵。鱼雷原本设计成在接近敌舰时自动爆炸，但很多时候不是提前引爆，就是完全失效。第三，动力系统不可靠。当时的鱼雷采用压缩空气或燃料推进，但推力不够稳定，导致航行轨迹偏离目标。
这些技术缺陷导致美军在战场上浪费了大量鱼雷，甚至错失击沉敌舰的机会。海军急需科学家的帮助，以改进鱼雷的设计。
爱因斯坦的贡献：用数学优化鱼雷
爱因斯坦并没有直接参与鱼雷实验，而是从数学和物理的角度，为鱼雷的稳定性问题提供分析。他的研究重点在于流体力学和振动控制，也就是如何让鱼雷在水下航行得更平稳、更精准。他提出了以下几项建议。
优化鱼雷的流体外形——他建议调整鱼雷的外壳形状，使其更符合流体力学原理，减少水流带来的不稳定因素，让航行更稳定。
改进控制舵的反馈机制——他提出可以增加自动修正系统，让鱼雷在航行过程中自动调整方向，减少因震荡导致的偏航。
提升引信的可靠性——他认为磁性引信的不稳定性太高，建议采用更精确的物理触发机制，确保鱼雷能在最合适的位置爆炸。
虽然爱因斯坦的建议是否直接影响美军鱼雷的改进仍然存在争议，但他的分析为后来的导弹制导系统提供了重要的理论支持。他提出的数学建模方法后被应用于水下武器、航空航天乃至现代精确制导武器的研发。
战争结束后的反思
尽管在二战期间帮助美军改进武器，但爱因斯坦始终对科学被用于战争保持警惕。原子弹的爆炸让他深感不安，他在战后积极投身国际裁军运动。1955 年，他与英国哲学家伯特兰·罗素共同发表了《罗素— 爱因斯坦宣言》，呼吁全球科学家关注核武器对人类文明的威胁。科学技术可以拯救生命，也可以被用来制造毁灭性的武器。对科学家而言，如何承担社会责任，如何确保自己的研究造福人类而非毁灭世界，始终是一个值得深思的问题。
除上述例子外，爱因斯坦还对技术发明、工程应用、测量仪器甚至能源利用等现实问题充满兴趣，例如流体力学与湍流研究。湍流是流体力学中最复杂的问题之一，至今仍未被完全解析。爱因斯坦通过观察烟雾扩散、云层变化、河流急流等现象，尝试用统计方法描述湍流。这种研究方式影响了后来的复杂系统科学。又如，专利局的经历让爱因斯坦对测量仪器的精度改进有独到见解。他研究过光学测量仪、惯性导航系统，并提出优化方案，推动了高精度测量的发展。再如，爱因斯坦曾探讨如何减少机械操作中的人为错误，并设想自动反馈系统，涉及导航、温控等领域，这些理念与后来控制论、自动化技术的发展不谋而合。另外，爱因斯坦在研究光电效应时，意识到太阳能的潜力，并设想未来如果能大规模利用太阳能，或许能解决能源问题，这一思考在今天依然具有现实意义。
科学不仅改变世界，
也能改善生活
爱因斯坦是一位不仅思考宇宙奥秘，更热衷于现实应用的科学家。他的研究不仅限于黑板上的公式，还延伸到技术发明、工程改进，甚至社会责任。他的陀螺罗盘、冷却系统专利、鱼雷技术改进等成果，证明了科学不仅推动知识前沿发展，也能直接改善人们的生活。
爱因斯坦的探索精神超越了学科界限，他不仅是相对论的提出者，还是一位敢于尝试、乐于实践的创新者。他的故事告诉我们，科学不仅是理论推演，更是一种改变世界的力量。今天，我们不仅要学习他的科学成就，更应继承他的跨学科思维、实践精神和对科技伦理的深刻思考。在人工智能、生物技术等迅猛发展的时代，这种精神依然值得我们借鉴和发扬。
《不只是E=mc2——爱因斯坦的实用探索和奇趣发明》
[匈]约瑟夫 · 伊利 著
方在庆 何钧 雷煜 译
定价：98元
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