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第21章 柏林头五年(2)

作为德国极少数几个反战科学家之一,爱因斯坦遭到了广大德国科学家充满爱国热情的疯狂围攻。他自己对此的描述是:“今天在德国,我被称为德国科学家,在英国我被看成犹太人。如果我的科学理论被推翻,情况定会改变:我在德国将被视为犹太人,而在英国被称为德国科学家。”

去互联网上查一下,这几句话在无数的网页上被归为“爱因斯坦的幽默”。

可是,他说的不是幽默。他说的是实话。

1917年,列宁领导的苏联十月社会主义革命胜利后,爱因斯坦热情地支持这个伟大的革命,赞扬这是一次对全世界将有决定性意义的、伟大的社会实验。他表示:“我尊敬列宁,因为他是一位有完全自我牺牲精神、全心全意为实现社会正义而献身的人。我并不认为他的方法是切合实际的,但有一点可以肯定:像他这种类型的人,是人类良心的维护者和再造者。”

1918年11月,德国工人和士兵在俄国十月革命胜利的影响和鼓舞下,发动起义,推翻了德皇威廉二世。下台第三天,爱因斯坦即给他的母亲连续写了两张明信片,不禁欢呼:“伟大的事变发生了……亲身经历了这个事变是多么荣幸!”

在20世纪20年代到30年代初期,爱因斯坦基本上是一个绝对的和平主义者。但是,侵略和掠夺战争不断发生的现实,打破了他那美好的梦想。特别是1933年希特勒上台后,德国日益法西斯化,使爱因斯坦意识到新的野蛮战争不可避免,促使他改变了自己的观点。

他明确表示:“当法律和人类尊严必须捍卫时,我们一定要战斗。自从法西斯的危险到来后,现在我不再相信绝对的、被动的和平主义是有效的了。只要法西斯主义统治欧洲,那就不会有和平。”

由于爱因斯坦的进步活动,又因为他是犹太人;而且,作为世界上最伟大的科学家,他具有巨大的名声和影响力,因此被德国纳粹分子列为重要的迫害对象。幸而他1932年底离开德国到美国讲学,翌年又举家迁居大西洋彼岸,才未遭毒手。

可是,他在柏林的住屋遭到查抄和捣毁,他的财产被没收,他的著作被焚毁。纳粹还悬赏2万马克,扬言要暗杀他。

广义相对论诞生。

如果说1905年在苏黎世是爱因斯坦科学成就的第一个高峰,因为他有第一个妻子米列娃的照料和协助;那么,从1915年到1917年在初到柏林的3年中,是爱因斯坦科学成就的第二个高峰,因为有第二个“准妻子”爱尔莎的照料,而且基本上脱离了米列娃对他带来的烦恼和干扰。

类似于1905年,在经过多年的艰苦努力后,爱因斯坦也在三个不同领域中分别取得了历史性的成就。除了1915年最后建成了被公认为人类思想史中最伟大的成就之一的广义相对论以外,1916年在辐射量子方面提出引力波理论(此年8月完成《关于辐射的量子理论》,总结量子论的发展,提出受激辐射理论,成为后世发明激光的理论基础),1917年又开创了现代宇宙学。

在来到柏林主持威廉皇帝物理研究所期间,甚至在此之前,爱因斯坦就一直在考虑将已经建立的相对论推广。对于他来说,有两个问题使他不安。

第一个是引力问题。狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。

第二个是非惯性系问题。狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。

狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬。该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。

实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来,必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解狭义相对论时,爱因斯坦却正在接受与完成广义相对论。

早在1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》。在这篇文章中,他第一次提到了等效原理。

此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一个封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中。这是解释等效原理最常用的说法。而惯性质量与引力质量相等,是等效原理一个自然的推论。

1915年7月以后,爱因斯坦在走了两年多弯路之后,又重新回到普遍协变的要求。从1915年10月到11月,他集中精力探索新的引力场方程,于11月4日、11日、18日和25日一连向普鲁士科学院提交了4篇论文。

在第一篇论文中,他得到了满足守恒定律的普遍协变的引力场方程,但加了一个不必要的限制。在第三篇论文中,他根据新的引力场方程,推算出光线经过太阳表面所发生的偏转是1.7弧秒,同时还推算出水星近日点每100年的进动是43秒,完满解决了60多年来天文学的一大难题。

而在1915年11月25日的论文《引力的场方程》中,爱因斯坦放弃了对变换群的不必要限制,建立了真正普遍协变的引力场方程,宣告广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了。此文提出了广义相对论引力场方程的完整形式,并且成功地解释了水星近日点运动。

广义相对论终于诞生了!

1916春天,爱因斯坦写了一篇总结性的长篇论文《广义相对论的基础》,首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。此文还提出,大质量物体的存在可引起时空连续场的弯曲,为黑洞、大爆炸等新的宇宙论提供了理论依据。

同年底,爱因斯坦又写了一本普及性的小册子《狭义相对论与广义相对论浅说》。

1916年5月,爱因斯坦提出宇宙空间有限无界的假说。6月,他在研究引力场方程的近似积分时发现,一个力学体系变化时。必然发射出以光速传播的引力波,从而提出引力波理论。1979年,在爱因斯坦逝世24年后,也是他100周年诞辰的时候,科学家间接证明了引力波的存在。

1917年,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构,发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。论文分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念,指出它同牛顿引力理论和广义相对论都是不协调的。他认为,可能的出路是把宇宙看作是一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区,以科学论据推论宇宙在空间上是有限无边的。这在人类历史上是一个大胆的创举,使宇宙学摆脱了纯粹猜想的思辨,进入现代科学领域。

爱因斯坦的理论是提出来了,但是由于在当时还太过于深奥、先进、超前,甚至有些惊世骇俗、不可思议、天方夜谭,加上他本人又是个名不见经传的“爱物青”,在门户、成见很深的西方物理学界,最初受到了许多人的反对乃至嘲笑。就连当时一些著名的物理学家,也对这位年轻人的论文表示怀疑。

然而,随着科学的发展,大量的实验证明,爱因斯坦的理论是正确的。年纪轻轻的“爱物青”这才一跃而成为世界最著名的科学家之一,人称物理界“教皇”。那是1919年。

天才也要辛勤。

身为20世纪世界最伟大的科学家,爱因斯坦一直被人们视为智慧的象征。然而,很少有人知道他为攻克学术难题而付出的艰苦努力。近年,美国加利福尼亚理工学院和普林斯顿大学公开了1915年爱因斯坦写给家人和朋友的部分信件,就反映了这一点。

1915年可以算是爱因斯坦的又一个学术丰收年。然而,获得成功并非易事。此年夏天快要结束时,爱因斯坦才意识到,自己3年来苦苦求索的数学方法是有瑕疵的。因此,在1915年10月,爱因斯坦花了整个月的时间回到最初对数学公式的证明、改写和更新上,工作浩繁而又复杂。期间,他不仅试图与儿子和解,每周四晚上还要到柏林普鲁士科学院进行讲学。

爱因斯坦在努力钻研期间,忍受着常人难以想象的痛苦和孤独。他把所有时间都用在工作上,就连缝补袜子的工夫都没有。爱因斯坦在给一位朋友的信中写道:“我每天超负荷工作,这简直是非人的生活。”

除此之外,从信中看,爱因斯坦还承受着来自其他竞争者的压力。德国著名数学家大卫·希尔伯特就是众多竞争者中的一位,当时他试图在爱教授之前计算出广义相对论的方程式,并且给爱因斯坦写信表示,他已经“找到解决问题的方法”。尽管爱教授在物理学上天赋很高,但在数学上面对希尔伯特也要甘拜下风。两人的争夺转入紧张状态。

为了维护自己的尊严,爱因斯坦在回信中说,他已经将演算结果寄给权威机构。“你的观点和我几星期前得出的结果一模一样,”他写道。

几个月后,爱因斯坦在一次讲座中公布了自己的研究成果。

“在过去几个月中我忍受的压力无法用言语表达,”爱因斯坦在写给朋友海因里希·桑戈的信中说,“但胜利确实让我欣喜。”

后来,他还是与希尔伯特恢复了友好关系。他在给希尔伯特的一封信中说:“我们之间曾心存芥蒂,我并不想分析其中的原因。我一直与因此而带来的怀恨心理做斗争,但现在我已经完全释然。现在我由衷地重又燃起往日的思念,希望您也能做到像我一样。想到游离于这个卑鄙世界之外的两个知心朋友不能够为对方提供快乐,真是件羞耻的事情。”

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