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第6章 成功传奇(4)

普朗克是德国《物理学年鉴》的编辑委员。一天,当他在柏林大学的家中养病时,印刷厂送来了《物理学年鉴》的清样,上面登载着爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,他随手翻了翻,立即被爱因斯坦的思想吸引了。他忘记了医生的忠告,急忙移到书桌边,全神贯注地读了起来。过了好一会,这位素以严格稳重著称的教授猛然跳起来,叫道:"简直是哥白尼!作者是什么人?他在哪儿?"普朗克的心里怎么也平静不下来,他马上按杂志提供的地址给从未见面的爱因斯坦写了一封信。普朗克写道:"你这篇论文发表以后,将会发生这样的战斗,只有为哥白尼的世界观进行过的战斗才能与它相比……"能斯特更是一个政治型的大学者。一方面,他是20世纪最伟大的化学家之一;另一方面,他对德意志民族的对外扩张又特别感兴趣。有人说能斯特是一个具有惊人号召力和能量的人,是一个天生的组织家,一位深刻的思想家。

这两个大学者,来苏黎世干什么?观光?旅游?都不是,他们是带着德意志的使命来拜访爱因斯坦的。

当时的德国,专门的国家科学机构或由政府倡议私人投资建立的科学机构不断涌现,在这些机构中,理论研究也受到执政者的高度重视。为了从英国那里夺取科技和工业发展的优势,以"铁腕政策"重新划分市场、原料产地、投资场所,日耳曼帝国特别希望使理论思维的实力集中在扩张工业和军事竞争上。

金融寡头热心支持日耳曼皇帝的计划,宣布建立协会和研究所,并以受过加冕礼的倡议者的名字来命名。"威廉皇家协会"便是由银行家和工业家们组成的,他们对研究所提供赞助,给他们中的每一个人援予元老称号,赠送特制的长袍,授予任意参加有皇帝出席的隆重午宴的权利。在德意志狭隘民族主义甚嚣尘上的当时,有谁会反对这种做法呢?威廉皇家协会准备吸收最优秀的科学家们参加,他们可以获得比较优厚的酬劳,没有教学任务,有权进行任何个人感兴趣的研究。设想这些研究将会带来累累硕果不是没有根据的。

挑选学者的具体工作就由普朗克和能斯特负责。普朗克和能斯特联名向上司报告:只有把爱因斯坦请来,柏林才能成为世界上绝无仅有的物理学研究中心。

但是,这需要勇气和非凡的眼力。在德国人的眼里,爱因斯坦无疑是一个"怪人"。年纪小小就毅然放弃自己的出生之地,不做德国人。忠君、爱国、英勇、服从,这些德国人心目中的崇高品德,常常受到他的嘲笑,他把这些东西叫做愚蠢和盲从。然而,要把这样一个"怪人"拉回到德国精神文化生活的中心,要具有极大的吸引力才行。普朗克、能斯特放出的"钓饵"是诱人的。

第一,请爱因斯坦担任正在筹建中的威廉皇家物理研究所所长。这个建议似乎很奇怪,随便由谁来领导一个研究机构,恐怕都比这位心不在焉的爱因斯坦教授强。可是不要紧,所长代表地位和荣誉。如果他高兴,可以出些主意;如果不高兴,也可以撒手不管,日常事务自有常务秘书打理妥当。

第二,选爱因斯坦当普鲁士科学院院士。一般院士是没有薪水的荣誉头衔,但爱因斯坦就任的是实任院士,年薪1200马克。

第三,聘爱因斯坦为柏林大学教授。他有授课的权利,只要他有兴趣。但却没有讲课的义务,讲多讲少,讲课的内容和时间,均由他自己决定。大学里的一切事务,他可一概不必过问。

这个方案,真不愧是网罗爱因斯坦的妙计。它是普朗克的浪漫主义和能斯特的实干精神合作的产物。他们算是摸透了爱因斯坦的心思,爱因斯坦不能不动心了。

在这个世界上,还祈求什么呢?安定的生活环境,良好的工作条件,充裕的研究时间,不受任何束缚和干扰,全心全意地进行相对论研究,实在是巨大的诱惑。可接受在柏林的工作,爱因斯坦并不是坦然的。在他看来,移居普鲁士首府,这个德意志军国主义和帝国主义的老窝,像是背叛了自己的政治道德信念。中学时代,他离开出生地,就是希望从那时起能放弃德国国籍,以便与军事操练和"黩武气息"一刀两断。可是现在难道还要返回普鲁士军国主义的大本营去安家定居?甚至还要去当普鲁士皇家机构的官员?再说米列娃怎么办呢?虽说此时两人关系紧张,但米列娃毕竟还是自己的妻子。德国人看不起斯拉夫人,斯拉夫人也不喜欢德国人。柏林那种匆忙和刻板的生活,米列娃是永远不会喜欢的。还有一点,爱因斯坦对自己的创造性有了一种隐隐的忧虑。他曾对苏黎世的挚友说过:

"柏林的先生们把我当做豢养的产卵鸡,可连我自己也不知道,我还能不能下蛋!"爱因斯坦陷入了犹疑不定之中。

"你的出生之地,你真正的祖国在等待着你!"普朗克以他自认为最神圣的感情劝说着爱因斯坦。

"可是,我是个和平主义者,"爱因斯坦说,"德国真的会欢迎我吗?"

"德国欢迎的是物理学家,相对论的创立者……"能斯特的政治家风度与外交辞令隐藏了他真正的目的。

"但是,"爱因斯坦打断他们的话,"这算得了什么呢?相对论算不了什么的。朗之万说过,全世界只有12个人懂得相对论。"

"这一点我们同意,可是在这12个人里,倒有8个在柏林呢!"普朗克、能斯特自负地大笑起来。

爱因斯坦也笑了。确实,柏林是当时自然科学研究中心,有一流的设备,一流的人才,确实是研究与推广相对论的最佳地点。

"这样吧,"爱因斯坦面对难题的幽默又表现出来了,"你们二位先生先去玩几天,等你们再回苏黎世,我到车站来接你们。"普朗克和能斯特完全迷惑了。

"要是我手里拿一束白玫瑰花,就是"不去柏林";要是拿一束红玫瑰花,就是"去柏林"。"爱因斯坦做出了一个浪漫的决定。

当普朗克、能斯特怀着忐忑不安的心情从郊外返回苏黎世火车站时,一束红玫瑰在爱因斯坦手里盛开着,他们的心放下了。柏林科学院早已盼望爱因斯坦的到来了。1911年,诺贝尔奖金获得者范特霍夫逝世后,柏林科学院就想物色一位继承人担任常务院士。当年老力衰的伦琴谢绝这个职务后,柏林科学院想到的首要人选就是爱因斯坦。1913年7月10日,在普鲁士皇家科学院学部全会上,爱因斯坦以44票对2票,荣膺为正式院士。爱因斯坦在1914年4月去了柏林,并且在柏林一直定居到1932年12月。遗憾的是,米列娃没有再跟随爱因斯坦,他们分居了,一个家庭终于破裂了。

五、广义相对论

在狭义相对论发表以后,爱因斯坦科学研究的主流就在于探索更广泛的理论,这就是广义相对论。但是这个理论只局限于彼此做相对运动的参考系,而不能用于参考系的一般运动。他力图突破这种限制,设法解决在一般情况中的相对论问题。1907年约翰·斯塔克要爱因斯坦为《放射学和电子学年鉴》写一篇关于狭义相对论的专题论文。在写这篇文章时,他忽然想到,几乎所有自然规律都可以在狭义相对论的框架内加以讨论,而惟独引力定律不行。最令他不满意的是,虽然狭义相对论对惯性和能量之间的关系已经做了明确的阐述,但是对惯性和重量或引力场能量之间的关系并没有阐述清楚。他意识到这个问题不可能在狭义相对论的框架内得到解决。如何下手呢?

有一天,这个问题忽然有了突破。爱因斯坦在伯尔尼专利局,正坐在一把椅子上,突然一个想法打动了他:如果一个人自由下落,他就不会感觉到自己的重量。他吃了一惊。这个简单的思想实验对他有极深刻的影响,它把爱因斯坦引向了引力理论。他坐在椅子上继续思考:一个下落的人被加速,那么他的感觉和判断就都发生在加速的参考系中。他决定把相对论扩展到有加速度的参考系。他感到,这样做就有可能同时解决引力问题。一个正在下落的人感觉不到自己的重量,因为可看作在他的加速度参考系中有一个新的引力场,它抵消了地球的引力场,在加速度的参考系中,看来需要一个新的引力场。

爱因斯坦做了进一步的思考,将思考的结果写入发表在德国《放射学和电子学年鉴》1907年第四卷的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中。在该文的第五部分"相对性原理和引力"中,他一开始就提出一个问题:"是否可以设想,相对性原理对于相互做加速运动的参照系也仍然成立?"也就是说,应该成立一条"广义相对性原理":即所有参考物体K、K′等不论它们的运动状态如何,对于描述自然现象(表述普遍的自然规律)都是等效的。惯性参照系不应该是自然界中的一种具有特殊地位的参照系。

同时,在该部分,他明确提出了"等效原理":引力场同参照系的相当的加速度在物理学上完全等价。所谓等效原理,即认为从时空小范围来看,一个没有引力场的匀加速运动的坐标系同有引力场的惯性系是等价的。也就是说,可以在任何一个局部范围内找到一个坐标系,使引力在其中被消除。其合理性可以通过一个理想电梯实验来说明。比如,一个人处于密闭的电梯内,在地球引力场内让电梯处于静止或匀速运动的状态,此时电梯是一个有引力场的惯性系,电梯内的人受到引力作用,使他的脚同地板间产生的压力等于他的重量。另外再设想若不存在地球引力场,而使密闭的电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动,此时电梯是一个没有引力场的非惯性系,电梯里的人在惯性的作用下使脚同地板间也产生一个压力,其数值显然也等于他的重量。处于上述两种情况的人将无法区别电梯到底是处于加速运动状态还是处于引力场中。假使处于地球引力场中的电梯绳索断了,那么电梯将做自由落体运动,这时处于密闭电梯中的人将看不到任何引力存在的现象,即处于失重状态。这说明,可以通过选择某种坐标系,在局部范围内使引力完全消除。这个理想实验也说明,任何可以归属于加速参照系的效应都可被看做是一种引力效应。

1913年秋,爱因斯坦从苏黎世前往维也纳出席自然科学家会议。他在这个会议上做了一个关于广义相对论的比较通俗的报告。尽管理论还未最终完成,但爱因斯坦等不及了。

1915年,是爱因斯坦在探索广义相对论的道路上富有成果的一年。他先发表了一篇《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文,不用任何特殊假设就成功解释了水星在近日点的运动:每100年大约转43″。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近时弯曲的错误数值0.83″,新结果比原先大1倍即1.7″。当年11月,爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文《广义相对论的基础》,该文发表于1916年的德国《物理学杂志》上。在这篇论文中,他终于得到了正确的引力方程式。从此,他暂时结束了从1907年以来对广义相对论所进行的艰苦卓绝的探索。

现在介绍一下广义相对论。

要了解广义相对论,必须先从牛顿力学谈起。运动三定律和万有引力定律是牛顿力学的两大支柱,狭义相对论已经对运动三定律做了改造,而万有引力定律却还是原封未动。可是,万有引力定律与相对论之间是有矛盾的。

任何两个物体,大到天体,小到尘埃,不管它们相距有多远,彼此之间都有吸引力。地球和太阳相距1.5亿多公里,茫茫太空,没有任何传递的媒介,引力是怎样传递到地球上来的?光从太阳传递到地球上还需要8分多钟,而引力的传递却连一秒钟也不要。对于这种超距即时作用的万有引力,实在令人感到难以理解。

引力到底是怎样产生的?广义相对论就要来解开这个谜。

在狭义相对论中,光速是速度的极限,没有任何东西的速度能够超过光速,力的传递速度当然也不能例外。可是根据万有引力定律,我们在地球上进行任何活动,月球的引力都将立即随之而起变化,这样,信号的传递速度是无穷大的。这和相对论是矛盾的。

既然引力定律和相对论有矛盾,那就一定是引力定律有什么地方不对头。在爱因斯坦的观念里,就是这么简单。因此爱因斯坦想到要来重建一个全新的,和相对论协调一致的引力理论。这是建立广义相对论的目的之一。

狭义相对论的两条基本原理之一,相对性原理说:在两个相互做匀速直线运动的参照系中,一切物理定律都是相同的。为什么一定要是相互做匀速直线运动呢?相互做加速运动行不行呢?在建立狭义相对论以后,爱因斯坦一直在想这个问题。他想,自然界为什么要给匀速直线运动以一种特殊优越的地位呢?为什么要给惯性系以一种特殊优越的地位呢?他认为,大自然是统一的、和谐的、简单的,不应该优待某一类参照系,歧视某一类参照系,所有的运动都是相对的,所有的参照系都具有平等的权利。在每一个参照系中物理定律都应该成立,而且应该具有某种相同的形式,不论它是惯性系还是非惯性系。现在,非惯性系中的物理定律和惯性系中不同,有的干脆不成立,爱因斯坦认为那是因为表示物理定律的方法不好。如果用更好的方法来表示物理定律,那么,物理定律就应该在所有的参照系中都成立,而且具有某种相同的形式。这就是广义相对性原理,又称广义协变原理。它的严格表述式是:客观的真实的物理定律在任意坐标变换下形式不变--广义协变。它是狭义相对论中的"相对性原理"的推广。

使所有的参照系都平权,把相对论从惯性系中推广到非惯性系中,这是建立广义相对论的又一个目的。

物体的质量具有两重性质,它具有惯性,同时产生引力。我们分别把它们称做惯性质量和引力质量。惯性质量出现在牛顿力学第二定律中:

力=惯性质量×加速度

引力质量出现在牛顿的万有引力定律中:

力=引力质量×引力场强度

在牛顿力学中,惯性质量与引力质量之间并没有内在的联系,可是却又巧得很,二者偏偏完全相等。在牛顿力学的时代,谁也不会去怀疑这二者是相等的,惯性质量和引力质量不加区别,统称为质量。

爱因斯坦想,惯性质量和引力质量之间,如果没有某种内在的联系,为什么会那么精确地相等呢?人们手里拿着一块石子,松手就往下掉,做匀加速直线运动。在这里地球吸引石子,是在召唤石子的引力质量,石子的落体运动。却是以惯性质量来回答。二者之间一定有着某种内在的联系,必然会包含着某种深刻的道理。爱因斯坦穷追到底,终于发现,这内在的深刻的道理就是:"等效原理"。现在我们不去讲述爱因斯坦得到等效原理的繁琐的实验和推理过程,只讲一讲等效原理的本身,什么是等效原理呢?

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