【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】 ———————————————— 以宇宙为纪念碑 吴忠超 爱因斯坦是牛顿之后最伟大的科学天才。如果人类没有诞生他，世界或许 还会存在，但一定会是另外一种完全不同的模样。 一八七九年三月十四日，爱因斯坦出生于德国乌尔姆的一个犹太家庭。一 年后全家迁往慕尼黑，他在那儿接受初等教育时并没有显示出任何天才的 征兆。由于父亲生意失败，十五岁时又迁离慕尼黑。之后他在苏黎士高等 工业学院接受高等教育，日夜耽读理论物理经典。在此期间他邂逅了三位 日后对其一生影响重大的人。一位是俄裔数学家赫曼·闵可夫斯基，闵氏 似乎十分枯燥的讲演后来成为相对论的重要数学工具。第二位是同学马索 ·格罗斯曼，此人以黎曼几何的知识协助爱因斯坦表述其广义相对论的场 方程。第三位是匈裔女生米勒娃·马利兹，她后来成为他的第一任夫人。 苏黎士高工毕业后爱因斯坦即面临择业困难，甚至连中学教师也当不上。 还好格罗斯曼把他推荐给伯尔尼专利局局长海勒。本文愿在此处提及这个 名字，是因为这位思想开阔的智者，深知在任何行业独立思想比特殊经验 远为珍贵。正是在专利局任上，爱因斯坦在狭义相对论、光子理论和布朗 运动三方面的研究都取得了惊人的成就。尤其是一九零五年发表在《物理 学报》上的《运动物体的电动力学》，更是相对论时代的鸿蒙开篇。 一九零九年他被苏黎士大学任命为教授。一九一一年转到布拉格的日耳曼 大学。一九一二年又回到苏黎士高工任教授，这正是他曾经通不过入学考 试的那个高等工业学院。在苏黎士和布拉格期间，他致力于引力论即广义 相对论的开创。一九一三年后的二十年间，他担任柏林大学和普鲁士皇家 科学院院士。期间由于声誉日隆，曾应邀到欧美亚三洲讲学漫游。一九二 二年十一月十日在他的东方旅次中，瑞典科学院颁予他诺贝尔物理学奖， 颁奖词称赞其对光电定律及理论物理学的贡献。在历史上相对论理论研究 从未能得到诺贝尔委员会的青睐。一九二二年十一月十三日他到达上海， 据考证在一品香餐馆就餐，游览城隍庙和豫园并在小世界观看了昆剧。 从一九二九年起，他开始寻找建立一种包括引力和电磁力在内的统一理论。 由于纳粹的种族和政治迫害，使他不得不于一九三三年移居美国并任职于 普林斯顿高级学术研究所。这位科学教皇的迁移，使得普林斯顿继剑桥和 哥丁根之后成为新的世界科学中心。他在这儿主要从事三个方面的研究。 第一是从引力场方程推导出牛顿运动定律，第二是和玻尔进行关于量子论 的论争，第三是寻求统一理论。 爱因斯坦的第二任妻子爱尔莎死于一九三六年，他晚年在普林斯顿最亲近 的三个人是他的继女、妹妹和秘书。一九四五年退休。一九五五年四月十 八日逝世。他的骨灰按照遗嘱被秘密洒掉。 爱因斯坦对科学的主要贡献是狭义相对论、光子理论、广义相对论、宇宙 论和统一场论。 狭义相对论的诞生是为了解除牛顿力学和麦克斯韦电动力学之间的冲突。 麦克斯韦预言了电磁波的存在，并计算出它在真空的传播速度为光速，因 而断言光是电磁波的一种。而牛顿力学服从伽利略的相对性原理，其最主 要的内容便是速度相加原理。根据这个原理，光速在不同的坐标系中应有 不同的值。看来麦克斯韦理论只能在相对于所谓的称作以太的媒质静止的 坐标系中成立。可是实验发现，麦克斯韦理论在所有惯性系都成立，尤其 是真空光速在所有惯性系中都一样，这样以太的存在便是多余的了。爱因 斯坦把原先在牛顿框架中分离的时间和空间结合成称为闵可夫斯基空间的 四维时空，不同的惯性系的转换相当于四维空间中的洛仑兹线性变换，用 这种新的相对性原理来取代伽利略旧的相对性原理，就使得所有物理学定 律在任何惯性系中都采取相同的形式。 狭义相对论有许多推论与常识相悖。例如，同时性变成相对的，运动的时 钟变慢，运动的物体在运动方向上缩短，物体运动速度不可能超过光速， 远处物体平动的视觉效应为转动，孪生子佯谬以及能量和质量等效。所有 这些都是运动学而非动力学效应。运动的时钟变慢已由宇宙线中缪子半衰 期的延长而证实。孪生子效应是说，作空间飞行的一位孪生子回到地球上 时（我们假定地球是在作惯性运动），会显得比他留在地球上的同胞年轻。 其实如果这儿指的是两台相同的原子钟，则更合适些，这正如实际上那么 做过的。因为原子钟经历的是物理学时间，而孪生子经历的却是生物学时 间，两者未必相同。至于能质量等效原理正是用铀元素制造原子弹的理论 根据。一九三九年八月二日，他给罗斯福总统写了一封信，建议在德国之 先制造原子弹，这就是曼哈顿计划的契机。 在狭义相对论中，匀速直线运动是相对的，而曲线或加速运动，例如圆周 运动，则是绝对的。一个旋转水桶的水面会呈现出抛物面形状，物理学称 之为牛顿桶。爱因斯坦意识到，在一个自由下落的容器中，人们不会感觉 到重力的存在。其实三百多年前伽利略就在比萨斜塔上显示了不同物体的 自由下落时间完全相同，而其物理含义到此才得到完全的阐明。在局部范 围内，人们无法区分加速坐标系的惯性力和万有引力。而时空在大范围内 则可能是弯曲的，其曲率由物质分布所决定，并服从爱因斯坦的场方程。 引力实际上完全由时空的几何所描述。爱因斯坦的引力论深受马赫思想之 影响。马赫认为，如果牛顿桶的质量不断增加，则水面的形状又会恢复成 平面。他认为，即便在牛顿系统中旋转也不再是绝对的，整个惯性系被大 物质所拖曳。爱因斯坦引力论又称为广义相对论，物理定律在任何坐标系 中都采取相同的形式。 广义相对论的计算可以解释水星近日点的每世纪43.5秒角度的进动。它预 言，太阳质量的引力场对远处星光的折射效应比光粒子受牛顿引力的折射 大一倍。一九一九年三月二十七日以爱丁顿为首的天文学家们在西非对日 全食的观测证实了爱因斯坦在一九一六年所做的光折射的计算。它还预言， 原子光谱在大质量附近发生红移。一九六零年在地面上利用穆斯堡尔技术 技术测量到了这个效应。人们还在一九六四年测量到从地球向火星发射的 雷达回波在太阳引力场中的广义相对论时间效应。 把广义相对论应用到天体物理的研究形成了相对论天体物理的分支。白矮 星、中子星、黑洞、类星体、引力波和引力透镜是它的重要研究对象。从 一九七四年开始人们对一个双中子星系统进行跟踪，发现其公转周期在衰 减。人们从广义相对论可以预言因引力波辐射引起这个效应，观测和计算 的结果非常一致。从而首次间接地证明了引力波的存在。 爱因斯坦把广义相对论应用到整个宇宙，科学的宇宙论便因此诞生。他曾 经设想，也许我们的宇宙是一个体积有限而且没有边界的三维球面，它在 时间方向没有演化。这样，一位一直往前进的人最终将会回到出发点，正 如人们在地球表面上沿大圆运动一样，真正实现了南辕北辙。他为了从场 方程得到这个稳态模型，特地引进了所谓的宇宙常数项。这项他自认为一 生中所犯的最大的错误，使他错失了预言宇宙膨胀的机会。如果他能在一 九二九年哈勃发现红移定律之前预言宇宙在膨胀，则人类的理性就能再添 加上一道耀眼的光辉。本世纪四十年代，伽莫夫把膨胀宇宙模型发展成大 爆炸宇宙学，解释了哈勃红移定律，预言了宇宙的微波背景辐射以及宇宙 的氦丰度。但是宇宙学的根本问题是它的诞生。霍金在近年提出了一种既 自洽又自足的量子宇宙论。在这个理论中，宇宙中的一切在原则上都可以 单独地由物理定律预言出来，而宇宙本身是从无中生有而来的。 在上一世纪末，人们以为在经典物理的框架中得到了科学的终极理论，但 黑体辐射理论的困难使得这一梦想落空。普朗克引进了量子的概念，而爱 因斯坦认为光的发射和吸收都采取光量子的形式，并解释了光电效应定律。 后来，也是他首先支持德布罗意作为博士论文的波粒二像性学说。但是终 其一生，他坚持认为量子论只不过是一个过渡的理论。他和两名助手提出 一个悖论，来反驳以玻尔为代表的哥本哈根解释。现代的一些实验表明延 续几十年的争论终于以玻尔一方的胜利而落幕。即便如此，量子论含义的 拓清仍是相当遥远的事。狄拉克把狭义相对论和量子论相结合，提出了他 的电子方程，并开创了量子场论。量子场论是粒子物理的理论框架，后来 它又和爱因斯坦开创的统一理论研究相汇合。 爱因斯坦晚年倾心于寻求统一理论，但是没有成功，因为人们当时关于弱 作用和强作用还知道得非常少。量子论才是描述世界的正确框架，而他却 拒绝接受它的真实性，所以他在寻求描述次原子现象的物理场方面没有斩 获。但是寻找统一理论已成为理论物理的主流之一。一九六七年萨拉姆和 温伯格以爱因斯坦没有预料到的方式实现了电磁力和弱力的统一。后来人 们用类似的方式也把强作用统一进去，这个所谓的大统一理论有些言过其 实。要把引力统一进去绝非易事，因为广义相对论还是一个经典的理论。 大家的共识是量子的引力理论的获得和统一理论的实现同步。现代物理学 家正殚精竭虑，提出超对称、超引力以及超弦理论，希冀摘取物理学桂冠 上的这颗最耀眼的钻石——统一理论。 物理学上还有许多以爱因斯坦命名的条目。例如统计物理中的玻色－爱因 斯坦统计。所谓玻色－爱因斯坦凝聚现象的实验证实是一九九五年物理学 最重大发现之一。爱因斯坦关于自发辐射及受激辐射系数的研究是激光物 理的理论基础。 科学史家认为，爱因斯坦的贡献至少值得颁予五次诺贝尔物理学奖。其实 他还应获得一次诺贝尔和平奖。他崇尚思想自由，鄙视普鲁士式的军营式 的教育。他不修边幅，物质生活和名誉对于这位具有伟大使命的人物意义 甚微。他厌恶一切战争，自认为在政治上非常天真，却幻想成立一个世界 政府来防止核战争的爆发。就在他逝世的两天前，还在罗素起草的召开销 毁大规模杀人武器会议的宣言书上签名。签字名单的硕果仅存者罗特布拉 特和帕格沃什会议获得了一九九五年的诺贝尔和平奖。 环绕爱因斯坦生平的是二十世纪的科学变革。这些事件没有发生在东方是 有其文化根源的。东方文化中终极关怀和彼岸意识的缺失，使得近代科学 乃至艺术作品，除了少数的，比如《红楼梦》和鲁迅外，在总体上境界不 高。一九八三年夏我曾参观过意大利比萨斜塔，城以塔显，塔因伽利略曾 在此做过自由落体实验而名闻遐迩。它全部由大理石砌成。因为已经十分 倾斜，内部只好以钢筋加固。顶层并无栏杆，所以我们必须十分小心，否 则亦会成为自由落体。听说近年已经不准攀登了。在绿色草地的另一端是 一间沐浴在灿烂阳光下的精美的大理石教堂，传说伽利略在此做祷告时看 到悬灯的摆动，而得到用单摆测量时间的启示。正是他们的文化传统，使 得从伽利略的自由落体实验，发展成爱因斯坦广义相对论的等效原理，最 后演化成这么伟大的学说。可以断言，在东方的文化中很难出现这种现象。 我在欧美游学期间，曾瞻仰过许多文化名人的遗迹。其中与爱因斯坦有关 者共有三处。 一九八四年夏在马克斯·普朗克研究所工作时，曾坐火车环游西德十天。 清晨从慕尼黑出发，火车的停站把我从瞌睡中惊醒，赫然看到乌尔姆的站 名，于是立即下车。乌尔姆建有一间据说是欧洲最高的教堂，花费一百多 年才建成。爱因斯坦的出生地离车站不远，但早已面目全非了。后人在街 角的石块镶成的路面上立了一尊铜质头像，不远处还有一座五六米高的抽 象的纪念碑，用以象征四维的时空。 一九八三年夏应吴启迪、江上舟夫妇的邀请到瑞士游览。他们正在苏黎士 高工攻读博士。这所壮丽的大学俯瞰着碧波荡漾的苏黎士湖。他们带领我 们参观了那位伟大校友的展览。 一九九零年初，王肇中友因在普林斯顿工作之便，邀我们同去参观该城脉 塞街一百一十二号的爱因斯坦故居。房子已经相当陈旧，许多家具已成为 古董。屋内还架有一台望远镜，大概是主人先前在工作疲倦之余，用它来 从星空获取一点安慰吧。这个故居将永远不对外开放。 其实，为这样的人物建立任何纪念物都是多余的。如果人们一定要为他造 一座纪念碑，那就是我们居住的宇宙本身。 （《爱因斯坦全集》（卷一），湖南科技出版社一九九九年九月版） 云胡录自《读书》1999.11. ———————————————— 【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】