爱因斯坦、蜜蜂与物理学边界 | 红杉爱科学

2019年，科学家发现蜜蜂似乎拥有超乎想象的认知能力。比如，蜜蜂可以理解0的概念，能区分大于4的数字，甚至有能力进行一些简单的算术。与此同时，一封写于1949年的爱因斯坦的信件，出现在了世人眼前。

这封信是爱因斯坦给英国一位雷达研究者格林·戴维（Glyn Davys）的回信，信不长，但是信中的内容却很有趣——不是关于雷达或者物理，而是探讨了一些有关鸟类和蜜蜂，以及它们特别的感官和行为的话题。

70多年过去了，这封信中关于鸟类、蜜蜂的一些猜想已被证实：动物身上确实存在着与人类截然不同的感官。爱因斯坦对于自然世界的洞察力，以及对新领域开放的态度让人感慨，这值得每一个科研人员学习。如今，物理的边界随着科学家的深入研究被不断扩大与刷新，或许在未来，会有更多交叉学科领域的研究果实造福地球与人类。

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1949年10月，70岁的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）给英国一位雷达研究者格林·戴维（Glyn Davys）写了一封信。这封信不长，只有约100字不到，似乎是给戴维的回信。最有趣的是，信中的内容不是关于雷达或者它的物理的，反而探讨了一些有关鸟类和蜜蜂，以及它们特别的感官和行为的话题。
爱因斯坦写道：

信件大致可译为：尊敬的先生，我很熟悉冯·弗里希先生令人钦佩的研究。但我看不出在有关物理学基础研究中利用到这些结果的可能。只有当一种新的感官知觉可以通过蜜蜂的行为被揭示才有这种可能。可以想见，对候鸟和信鸽行为的研究有朝一日可能有助于了解一些尚不清楚的物理过程。此致，爱因斯坦。| 图片来源：Dyer et al. 2021, J Comp Physiol A / The Hebrew University of Jerusalem

70年过去了，到了2019年，在机缘巧合下，这封原本从未公开的信件来到了一群研究蜜蜂行为的科学家的案头。经过专业鉴定和更详细的调查，研究团队近日在《比较生理学A》上发表论文，详细介绍了信件的背景，并回顾了相关领域的研究。在这封信的背后，还藏着伟大思想之间碰撞的故事。

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爱因斯坦是20世纪最伟大的思想家之一，他同样是一位非常乐于交流的人。他的想象力帮助塑造了诸多技术，而这些技术在今天定义了这个信息时代。例如，爱因斯坦的广义相对论主宰着宇宙的大尺度结构，而它反过来又能校正我们智能手机上使用的GPS系统。
1921年，爱因斯坦因对光电效应的研究获得诺贝尔奖。这种效应描述了光如何从原子中移除电子，这一原理就是如今太阳能电池运行的基础。
1933年，爱因斯坦离开德国，前往美国普林斯顿大学工作。1949年4月，他在一次讲座上遇到了动物学家卡尔·冯·弗里希（Karl von Frisch）。冯·弗里希访问普林斯顿是为了介绍他最新的研究，那是关于蜜蜂如何利用天空散射光的偏振模式更有效地导航。他利用这些信息帮助破解了蜜蜂著名的舞蹈语言，并最终于1973年获得诺贝尔生理学或医学奖。

卡尔·冯·弗里希和他的蜜蜂。| 图片来源：Wikimedia Commons

有历史资料显示，在爱因斯坦参加冯·弗里希讲座后的第二天，两位不同领域的顶尖科学家私下见了一面。虽然这次会面没有留下正式的文件记录，但不难想象，两个伟大思想之间一定碰撞出了不少火花。

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时间来到2019年，也就是大约70年之后。此时，墨尔本皇家理工大学的一群研究人员发表了一系列有关蜜蜂认知的实验。团队证明，尽管蜜蜂体型很小，但它们的认知能力很可能超乎想象。比如，蜜蜂可以理解0的概念，能区分大于4的数字，甚至有能力进行一些简单的算术。这些研究在大众媒体上引起了广泛讨论。

蜜蜂会通过一种8字舞蹈和同伴分享有关花丛、水源和其他重要地标的方向和距离的信息。| 图片来源：J. Tautz and M. Kleinhenz referenced in Lars Chittka (2004), CC BY-SA

但完全出乎意料的是，这还让他们得到了一个有关爱因斯坦的惊喜。
一位英国的退休人员朱迪斯·戴维（Judith Davys）在读了那些发表的关于蜜蜂的数学能力的研究之后，联系到了论文的通讯作者，分享了爱因斯坦写给她已故的丈夫格林·戴维的一封信。在信中，爱因斯坦就提到了有关蜜蜂的研究。
她将这封信寄给了研究团队。爱因斯坦档案馆核实后证明，它确实是爱因斯坦的手笔。
团队花了一年时间研究这份珍贵的文件。他们猜测，这封信是爱因斯坦对戴维提出的问题的回信。1942年，第二次世界大战爆发，戴维加入英国皇家海军。他接受了工程学的训练，研究的课题包括雷达在探测船只和飞机方面的初步应用。这项崭新的技术在当时还是绝密。
巧合的是，同一时期，生物声纳传感在蝙蝠身上被发现，这提醒了人们，动物身上可能存在着与人类截然不同的感官。虽然戴维以前写给爱因斯坦的信件似乎都已经不可查，但研究人员对促使他给这位著名物理学家写信的原因很感兴趣。
团队搜寻了1949年英国出版发行的新闻档案。他们在搜索中发现，冯·弗里希关于蜜蜂导航的发现在当年7月已经是大新闻，在伦敦的《卫报》上也有报道。新闻报道着重讨论了蜜蜂如何利用偏振光导航。
一种合理的推测是，这可能就是促使戴维给爱因斯坦写信的原因。戴维在写给爱因斯坦的信中或许特别提到了蜜蜂和冯·弗里希，因为爱因斯坦在回信的开头就说：“我很熟悉冯·弗里希先生令人钦佩的研究。”
自从半年前两位科学家在普林斯顿相遇以来，冯·弗里希关于蜜蜂感知的想法似乎一直留在爱因斯坦的脑海中。

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爱因斯坦在写给戴维的信中还提出，想要借助蜜蜂扩展我们的物理知识，就需要观察新的行为类型。值得注意的是，通过他在信中所写，可以清楚地看出，爱因斯坦设想的新发现可能来自对动物行为的研究。他写道：“可以想见，对候鸟和信鸽行为的研究，有朝一日可能会有助于了解一些尚不清楚的物理过程。”
爱因斯坦似乎又说对了。
如今，已有研究揭示了候鸟导航的秘密，让它们在飞行数千千米后仍然可以精确地到达目的地。早在21世纪初，利用无线电发射器对鸟类的研究首次表明，鸟类在飞行过程中会使用一种磁罗盘作为它们的主要定向导航。

带有卫星传输设备的9只斑尾塍鹬的飞行记录。| 图片来源：Robert E. Gill et al (2008) / The Royal Society, CC BY-NC-ND

鸟类磁感起源的一种理论是，它们使用的是量子随机性和纠缠。这一理论表明，隐花色素（某些植物和动物中发现的信号蛋白）中自由基对的化学反应会受到地球磁场的影响，从而形成鸟类生物磁罗盘的基础。
事实上，随机性和纠缠这两个物理概念都是爱因斯坦最早提出的。然而，爱因斯坦虽然是量子物理学的奠基人之一，却对它的内涵却感到不舒服。他曾说过著名的那句“上帝不掷骰子”，来表达他对量子力学核心的随机性的反对。1935年，爱因斯坦和鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森在一篇有影响力的论文中介绍了量子纠缠的概念。有趣的是，它的本意是想说明量子力学的概念性错误，但我们今天已经了解，这已经成为量子力学中关键的核心概念之一。
虽然爱因斯坦并不认同纠缠的概念，但相信如果他得知了对鸟类迁徙的新研究拓展了我们对物理学理解的边界，仍然会感到高兴。

事实上，科学家认为，爱因斯坦的这封信再次证明了，爱因斯坦对自然世界的洞察力，以及对新领域开放的态度。他们相信，在今天，这或许可以进一步激发和鼓励人们对交叉学科研究的兴趣和热情。

文 章 来 源

#创作团队：

编译：Takeko

#参考来源：

https://theconversation.com/long-lost-letter-from-albert-einstein-discusses-a-link-between-physics-and-biology-7-decades-before-evidence-emerges-160190

https://cosmosmagazine.com/people/culture/birds-and-bees-sincerely-albert-einstein/

https://link.springer.com/article/10.1007/s00359-021-01490-6

#图片来源：

封面来源：Dyer et al. 2021, J Comp Physiol A / The Hebrew University of Jerusalem

注：本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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