万年历

阿尔伯特·爱因斯坦

公元1879~公元1955

二十世纪最伟大的科学家,永远属于智慧超群行列中的天才,爱因斯坦以其相对论而最为世人所知。实际上相对论包含两种学说,即1905年提出的狭义相对论和1915年提出的广义相对论。人们常把后者称为爱因斯坦引力定律。由于这两种学说都十分复杂,在此不打算加以说明,而只是想对狭义相对论作几点评说。

“一切都是相对的”是一句世人熟知的格言。但是爱因斯坦的学说并不是哲学上陈词滥调的重复,而是用数学准确表述科学度量的具有相对性的道理。显然,对时空的主观感觉取决于观察者,但是在爱因斯坦以前,大多数人总是认为实际的距离和绝对的时间就存在于主观印象之中,用精密的仪器就可以把它们如实地测量出来。爱因斯坦的学说否定了绝对时间的存在,使科学思想发生了革命。下面的例子可以说明他的学说究竟是怎样彻底改变我们的时间观的。

设想有一架飞船X以每秒100000公里的速度飞离地球。在飞船上和地球上的观察者都对飞船速度进行测量,两者所测得的结果相等。与此同时,有另一架飞船Y沿着飞船X的同一方向但以大得多的速度作飞行运动。如果地球上的观察者对飞船Y的速度进行测定,就会发现它是在以每秒180000公里的速度飞离地球。飞船Y上的观察者也会得到同样的结果。

由于现在两个飞船都沿同一方向运动,两者的速度差似乎应该是80000公里/秒,而且较快的飞船肯定会以这个速度飞离较慢的飞船。

但是爱因斯坦学说却预言,如果观察者是在这两个飞船上进行的,两个观察者会一致认为它们之间的距离是以100000公里/秒而不是80000公里/秒的速率增加。

乍看起来,这样的结果荒唐可笑,作者这里在措词上耍了个花招,或者认为这个问题的某些重要的细节还没有提及,事实决非如此。这个结果与飞船构造的详细情况或用来推进飞船的力毫无关系;不是观察有错误,不是由于测量仪有毛病,措词上也没有玩弄花招。根据爱因斯坦的速度合成公式很容易计算出来,上述结果只不过是时空基本性质的一个产物。

但是所有这些,在理论上似乎使人感到高深莫测,实际上许多人在长年中把相对论视为无实用价值的“象牙之塔”之类的假说,避而不谈。自从1945年原子弹落在长崎、广岛以来,人们对相对论开始正目以视。从爱因斯坦相对论所得出的结论之一就是物质和能量在某种意义上来看是等同的,两者的关系可以用公式E=MC2来描述,其中E代表能量,M代表质量,C代表光速。由于C是个很大的数字,等于186000英里/秒,那么C2就是一个更为巨大的数字。由此可知,很小量的物质即使只发生部分转变也会释放出巨大的能量。

当然人们不能只根据公式E=MC2制造原子弹和建立核电站。切须记住许多其他人也对发展原子弹发挥了重要的作用,但是爱因斯坦为之做出的重大贡献是不言而喻的。爱因斯坦1939年致函罗斯福总统,指出了制造原子弹武器的可能性,强调了美国抢在德国前面造出这种武器的重要意义。就是这封信促进了曼哈顿工程的建立,导致了第一颗原子弹的发射。

狭义相对论引起了人们激烈的争执,但是有一点是一致的,那就是它是曾被发明的最令人感到神密莫测的学说。可是人们都错了,因为爱因斯坦的广义相对论一开始就有这样的前提,引力效应并不是通常所说的物理力,而是空间本身弯曲的结果。一个多么令人惊奇不已的学说啊!

怎样才能测出空间本身的曲度呢?空间弯曲究竟意味着什么呢?爱因斯坦不仅提出了这一学说,而且把这一学说用清晰的数学式表达出来,他的数学表达式可以做出一些具体的预见,使他的假说得到验证。后来所做的观察──其中最有名的观察是在日全食期间做的──反复证明了爱因斯坦方程的正确性。

广义相对论与所有其他科学定律相比具有几个独到之处。爱因斯坦学说的提出并不是以细致的实验为基础,而是以对称和精巧的数学为依据,即象希腊哲学家和中世纪学者那样,以理性主义为依据(这样地的学说就与基本上以实验为依据的现代科学发生了冲突)。但是希腊哲学家在追求美和对称过程中从来没能提出一种经得起实验的关键性检验的力学学说,而爱因斯坦的学说到目前为止却经受住了各种检验。一般认为在所有的科学学说中,广义相对论最美妙、最幽雅、最有效、最有说服力。这是他的研究方法带来的一个成果。

广义相对论还有另一个独到之处。大多数科学定律只是近似正确,它们可以在许多情况下应用但并不是所有的情况下都能应用。但是就我们所知相对论却根本没有例外的情况。就所掌握的情况,无论从理论还是从实验来看,爱因斯坦广义相对论所得出的推论都近似正确。未来的实验可能会打破这一学说的完美纪录,但到目前为止,它仍是最接近于科学家设想过的真理极限。

虽然爱因斯坦以其相对论最为世人所知,但是他的其它科学成就也完全足可使他进入著名科学家的行列。事实上爱因斯坦获得诺贝尔物理奖主要是他的光电效应论文。在此之前光电效应是使物理学家迷惑不解的一个重要现象。他在这篇论文中提出了光子(光微粒)存在的假说。由于很久以前通过干扰实验就确立了光是由电磁波组成的,而且波和微粒是两个对立的概念,因而爱因斯坦的假说是对经典学说的一次似非而是的彻底突破。他的光电效应定律不仅仅有重要的实际应用,而且他的光子假说对量子论的发展产生过重大的影响,今天仍是量子论的一个组成部分。

把爱因斯坦和艾萨克·牛顿相比,他的重要性就会显而易见。牛顿的学说基本上容易理解,他的杰出的才能在于首先创立了这些学说。但是即使对爱因斯坦相对论做详细的解释也极难理解,因此创立这样的学说比创立牛顿学说要难多少倍啊!虽然牛顿提出的一些概念与当时流行的科学概念互相之间有尖锐的矛盾,但是他的学说看上去好象从来都不自相矛盾。而相对论看上去却充满了矛盾。爱因斯坦的杰出天才在一定的程度上就在于他并没有由于这些昭然若揭的矛盾而放弃自己的学说。当初他还是一个二十来岁的无名小卒,他提出的概念只不过是未经验证的假说,更确切地说,他在头脑中对这些矛盾进行了仔细的思考,直到其中的每个矛盾都可用一种微妙而正确的方法加以解决为止。

今天人们认为爱因斯坦学说从根本上来说比牛顿学说更“正确”。那么为什么在本书中把爱因斯坦的名次排得低一些呢?这主要是因为牛顿学说为现代科学技术奠定了基础。如果只有牛顿的贡献而没有爱因斯坦的贡献,当代多数科学技术仍会是今天的模样。

还有另外一个因素影响着爱因斯坦在本册中的名次。在大多数情况下,一种重要思想的发展,倾注着许多人的心血。显然社会主义历史或电磁学说发展的情形就是如此。虽然不能把发明相对论的成就百分之百地归功于爱因斯坦,但是其绝大部分当然应归功于他。与任何其他可以相提并论的重大学说相比,相对论在更大程度上来看主要是一位举世无双的杰出天才创作的成果。

爱因斯坦1879年生于德国乌尔姆市。他在瑞士就读中学,1900年加入瑞士籍。1905年他在苏黎世大学获得哲学博士学位,但是在当时却谋不到一个教书职业。然而就在当年他发表了狭义相对论、光电效应和布朗运动等方面的论文。这些论文,特别是狭义相对论那篇,在几年之内就使他享有世界上最杰出、最富有创造性的科学家的盛名。他的学说引起了激烈的争论,除达尔文外没有哪位现代科学家象爱因斯坦引起那么多的争论。尽管如此,他仍被任命为柏林大学教授,同时还担任威廉物理研究所所长和普鲁士科学院院士。他乐于身兼数职,因为这些职务可以使他把全部精神都投入到科研中去。

德国政府没有什么理由为给爱因斯坦提供这些慷慨的支持而感到遗憾,因为就在两年过后,他就提出了广义相对论,又于1921年获得诺贝尔奖。他在后半生中举世闻名,完全有可能算是曾出现过的最著名的科学家。

由于爱因斯坦是犹太人,希特勒上台后使他在德国处境险峻。1933年他移居美国新泽西州普林斯顿市,在该市高级研究所工作。1944年他加入美国籍,后来又取一个妻子,夫妻生活显然过得很幸福。1955年他在普林斯顿去世。

爱因斯坦始终不渝地关心自己所处的现实社会,经常表白自己对政治问题的看法。他一向反对暴政,强烈爱好和平,坚决支持犹太复国主义。在穿着打扮和社会风俗的问题上,他有着鲜明的个性。他幽默感很强,为人和蔼谦逊,有拉小提琴的天赋。若把牛顿的碑文献给爱因斯坦可能会更加合适:

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