第42章 阿尔伯特·爱因斯坦：改变人类宇宙观的巨匠

阿尔伯特·爱因斯坦，1879年3月14日出生在德国西南的乌尔姆城，一年后随全家迁居慕尼黑。他父母都是犹太人。爱因斯坦小时候并不活泼，3岁多还不会讲话，9岁时讲话还不很通畅，所讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考，这使得他的父母甚至担心他可能是智力迟钝的儿童。据说在1894年爱因斯坦还被慕尼黑中学斥退，学校认为他“调皮捣蛋”。他对德国事物的仇恨加深，不愿再作一位德国公民。他说服他的父亲，为他申请放弃公民资格，这个要求1896年得到当局批准。他事实上没有国籍，直到1901年他才获得瑞士公民资格。爱因斯坦在瑞士阿劳受完中学教育后，于1896年在第二次尝试中通过了入学考试，进入苏黎世瑞士联邦理工学院。毕业后爱因斯坦因没有得到一个学术职位，只好以做家庭教师为业，直到1902年他才在伯尔尼瑞士专利局得到一个第三等技术员的职务。他在这里继续思考和研究物理学上的问题。1905年，他在《物理学年鉴》杂志上发表了4篇论文，都是指导20世纪物理学前进的著作。1905年，爱因斯坦在狭相对论、光电效应和布朗运动三个不同领域里取得了重大成果，表现出惊人的才智。但是，当时科学界对此作出响应的人寥寥无几，法国著名科学家朗之万曾对爱因斯坦说，全世界只有几个人知道什么是相对论。大多数人是怀疑的，有的甚至坚决反对。这是因为伽利略和牛顿创立的古典力学理论体系，经历了200年的发展后取得了辉煌成就。尽管旧的理论体系和新的事实之间出现了尖锐的矛盾，但许多物理学家仍不能摆脱它的束缚。他们力图把新的实验事实和物理现象容纳在旧的理论框架中，但爱因斯坦却不迷信前人，他探索着把相对论推广到更为广泛的运动情况中去。为此他又研究了整整10年。1916年，爱因斯坦发表了总结性论著《广义相对论原理》。19世纪末，麦克斯韦电磁场理论和牛顿力学趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生了疑问。爱因斯坦针对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立了狭义相对论。狭义相对论的基本原理是：（1）在一切惯性系中，基本物理定律都是相同的，称为狭义相对性原理。（2）在任何惯性系中，真空中的光速都相同，恒定地等于c，且与光源的动无关，称为光速不变原理。由此得出时间和空间各量从一个惯性系变换到另一惯性系时，应满足洛仑兹变换，而不是伽利略变换，并导出许多重要结论，主要有：量度物体长度时，运动物体沿运动方向的长度比静止时缩短，即尺缩效应；量度物体的时间历程时，运动物体的时间进程比静止时长，运动的钟比静止的钟走得慢，即钟慢效应；物体的质量随运动速度的增大而变大；质量为m的物体具有的总能量为E=mc2（质能关系式）；任何物体的速度不可能超过光速c等，这些结论与大量的高速（接近光速）运动的粒子的经验事实相符合，特别是在原子核能释放中，质能关系式被具体化，使人类进入原子能时代，为电磁场、核力场和弱力场理论的进一步发展奠定了基础。上述理论从相对性原理出发，而且只对惯性系有效，称为狭义相对论。相对论使人类的时空观发生革命性变化，摒弃了牛顿提出的时间、空间与物质运动无关的所谓绝对时间和绝对空间观念，发现时间、空间、物质及其运动的紧密联系，为辩证唯物主义提供了典型事实。在狭义相对论基础上，爱因斯坦根据同一物体的惯性质量（由牛顿第二定律决定的质量）和引力质量（由万有引力定律决定的质量）总相等的实验事实，运用“思想实验”得出重要结论：在局部空间里，加速系统中的观察者看到的所有物理现象等同于在引力场中静止观察者看到的现象。如一个升降机在没有引力的空间上升，加速度与地球重力加度相同，机内观察者观察到自由释放的物体下落的规律与站在地面上的人观察自由落体运动所得的规律完全一样。这时机内的人可以认为物体下落是受一个力（惯性力）作用的结果。爱因斯坦引入等效原理，即在一个小体积范围内万有引力和某一加速系中的惯性力互相等效，同时把狭义相对论原理推广为广义相对性原理，即物理学的基本规律乃至对于任何参考系都相同的自然规律，具有相同的数学形式。以这两个原理为基础建立的理论，适用于一切参系，称为广义相对论。广义相对论得出一系列重要结论，认为时间空间将因物质的存在和分布变得不均匀，即发生“时空弯曲”，揭示物质与其存在形式的紧密联系，空间并不是欧几里德的“平直空间”或牛顿的“绝对空间”；并认为这种“时空弯曲”是产生万有引力的原因，据此建立了引力场论；认为狭义相对论是广义相对论在没有万有引力场时的特殊情况。广义相对论对现代物理学和现代哲学产生了巨大影响，奠定了现代理论天体物理学基础。广义相对论作出三个重要实验预言：光线在引力场中将弯曲，水星近日点的移动和光在引力场中光谱线会发生红移。爱因斯坦建立广义相对论时认为：宇宙中不仅充满运动着的物质——电磁场，同时存在另一种运动着的物质——引力场。运动的带电粒子产生在空间传播的变化的电磁场，形成电磁波；运动的物体产生在空间传播的变化的引力场，形成引力波。一切具有质量的物质都应相互吸引，而不管该质量的起源如何。光既然具有质量，也应和其他物质通过引力场的传递相互吸引，得出引力场和电磁场的存在导致“时空弯曲”结论，物质集中的地方是引力场“浓密”的地方，也是时空弯曲最大的地方，这种时空弯曲产生质量的吸引效应——万有引力。爱因斯坦在建立电磁场和引力场统一理论——统一场论（爱因斯坦认为，电力、磁力与重力是一个东西的三种表现，如同水、冰和水蒸气都是由H2O组成一样。统一场就是要把电力、磁力与重力联系在一起，而成为宇宙中的一个基本的宇宙力场，也就是统一场。反过来说，统一场是由电力、磁力和重力这三个基本力互相演变与斥合来决定宇宙的性质。宇宙中充满许多重力波和磁力线，只要你知道怎样去利用，它就可以为你服务。）中进一步认为，场和实物没有本质区别，实物所在地就是场聚集的地方，“抛出去的石子就是变化着的场（引力波），在变化着的场中场强最大的态以石子的速度穿过空间。”连续的“场是惟一的实在”。爱因斯坦相对论的计算方法，实在令人不可思议：如果以每秒26万公里的速度移动，其相对位置的钟表就会以二倍的速度运转。在移动的速度上，不仅时间，就是物体的大小和质量也会发生变化。假如在这种超高速下，把头部向前倾并继续前进，身长可能会比平常缩短一半（有个人为证明这点，尝试用尺测量了一下，结果无法测量出来，因为尺子也受到同样作用的影响）。总之，没有绝对的时间、空间，也没有绝对的运动；一切可观察的原理都是相对的。可是，除了说明水星轨道的特殊性以外，几乎无法推测这个理论的正确性。而要抓住以光速运动的物理动态来印证这个理论的机会，几乎等于零。所以，爱因斯坦起初也不敢相信，后来经过长期的观察，发现了光线接近太阳时所产生的折射状态，才敢确定自己的想法是正确的。然而，大多数科学家对此推论不置可否。1919年出现的日蚀现象，提供了证实的良机。通常日蚀时，赤道地带都是日全蚀。英国皇家学会派了两支观测队到赤道地区，一队到巴西，另一队到几内亚湾。最终验证了爱因斯坦理论的正确。量子物理与相对论同为近代物理两大支柱，不过前者为集体创作，后者却几乎是爱因斯坦一人的心血。单凭这一点，若要挑选本世纪最具代表性的物理大师，爱因斯坦就当之无愧。爱因斯坦在科学思想上的贡献，在历史上也许只有牛顿和达尔文可以媲荚。相对论原理的建立是人类对自然界认识过程中的一次飞跃。相对论圆满地把传统物理学包括在自身的理论体系之中。广义相对论开阔了人类的视野，使科学研究的范围从无限小的微观世界直至无限大的宏观世界。今天，相对论已成为原子能科学、宇宙航行和天文学的理论基础，被广泛运用于理论科学和应用科学之中。爱因斯坦的伟大成就——相对论，是自然科学发展史上的一个划时代的里程碑。