愛(ài)因斯坦，奇跡的人生演繹

劉夕慶

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦 （Albert Einstein，1879年3月-1955年4月），德裔美國(guó)科學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人之一。

1999年12月26日，愛(ài)因斯坦被美國(guó)《時(shí)代》周刊評(píng)選為“世紀(jì)偉人”。他的名字與“相對(duì)論”密不可分——相對(duì)論包括兩種理論：一是1905年建立的狹義相對(duì)論;二是1915年創(chuàng)立的廣義相對(duì)論。后者，我們可稱(chēng)之為愛(ài)因斯坦引力論。

2015年是愛(ài)因斯坦創(chuàng)立廣義相對(duì)論的百年紀(jì)念。從1905年建立“狹義相對(duì)論”，到1915年“廣義相對(duì)論”問(wèn)世，愛(ài)因斯坦這段“奇跡的偉大演繹”究竟是如何發(fā)生的？

他的出現(xiàn)，讓物理世界別有天地

1905年，狹義相對(duì)論的建立為物理學(xué)界打開(kāi)了一個(gè)新世界，但愛(ài)因斯坦對(duì)此并不滿(mǎn)意，他認(rèn)為物理世界還應(yīng)有更廣闊的天地。正是當(dāng)時(shí)相對(duì)論的不完備性，才成為今天我們稱(chēng)它為“狹義”的原因。

雖然愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中已經(jīng)廢除了“以太”的觀(guān)念，但在物理學(xué)中是否就不再有任何絕對(duì)或特殊的情況？1907年，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)答案是否定的——讓我們想一下伽利略的相對(duì)性原理，其中描述等速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的船就像“不動(dòng)似的”。為何等速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)擁有如此特權(quán)？如果所有的運(yùn)動(dòng)都是等價(jià)的（這里所說(shuō)的等價(jià)是廣義相對(duì)論的相對(duì)性原理：所有非慣性系和有引力場(chǎng)存在的慣性系對(duì)于描述物理現(xiàn)象都是等價(jià)的），不是更令人滿(mǎn)意嗎？此后，愛(ài)因斯坦把相對(duì)性原理從等速運(yùn)動(dòng)推廣到加速運(yùn)動(dòng)，其基礎(chǔ)就是慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量的相當(dāng)性，因?yàn)樗煊X(jué)到了廣義相對(duì)原理和重力謎題之間的關(guān)系。

加速運(yùn)動(dòng)與引力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，要區(qū)別是由慣性力或者引力所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是不可能的。對(duì)此，愛(ài)因斯坦憑借驚人的想象力做了一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”。他設(shè)想有一個(gè)人乘坐摩天大樓的電梯自由降落，乘坐電梯的人不會(huì)感到自己在下降，因?yàn)殡娞莺腿硕家勒罩亓铀俣榷赏瑫r(shí)在下降，仿佛在電梯里不存在地球引力。反之，如果電梯以不變的加速度上升，那么在電梯里的人將覺(jué)得雙腳緊貼在地板上，好像站在地球表面一樣。這個(gè)等價(jià)原理是廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，它顯示了等速運(yùn)動(dòng)的一些基本原理也可以應(yīng)用到加速度運(yùn)動(dòng)中。

1912年開(kāi)始，起初對(duì)數(shù)學(xué)不夠重視的愛(ài)因斯坦在他大學(xué)好友格羅斯曼的幫助下，用張量分析和曲面幾何作為數(shù)學(xué)工具嘗試建立廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論的推導(dǎo)過(guò)程歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦，其中涉及許多艱深的數(shù)學(xué)問(wèn)題和運(yùn)用不成功的數(shù)學(xué)方法。傳說(shuō)當(dāng)時(shí)世界上只有三個(gè)人能理解這理論中的所有數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)。這種說(shuō)法未免有點(diǎn)夸張，但愛(ài)因斯坦確實(shí)為它學(xué)習(xí)了許多新數(shù)學(xué)知識(shí)，比如黎曼幾何學(xué)等。

從1915年11月開(kāi)始，愛(ài)因斯坦陸續(xù)公布廣義相對(duì)論的最新研究成果。普魯士科學(xué)院院士們每周四聚會(huì)一次（1913年愛(ài)因斯坦在德國(guó)的科學(xué)圣地柏林被正式提名為普魯士科學(xué)院的院士）。在連續(xù)的四次聚會(huì)中，這些院士親眼目睹了廣義相對(duì)論的誕生——這是20世紀(jì)最偉大和深刻的科學(xué)理論。

愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論已發(fā)表的20多年后曾對(duì)自己的學(xué)生英費(fèi)爾德說(shuō)過(guò)：“要是我沒(méi)有發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論，總有一天也會(huì)有別人來(lái)發(fā)現(xiàn)它;但是我認(rèn)為，廣義相對(duì)論的情況不是這樣。”

有人說(shuō)，這句話(huà)直到今天還是正確的。也就是說(shuō)，如果沒(méi)有愛(ài)因斯坦，人類(lèi)恐怕直到今天也不會(huì)有廣義相對(duì)論。本來(lái)，一切重大的科學(xué)理論，都是科學(xué)發(fā)展到一定階段后的必然產(chǎn)物，說(shuō)它完全依賴(lài)于某個(gè)人，這未免太絕對(duì)了，然而廣義相對(duì)論的誕生似乎確實(shí)是這樣。物理學(xué)當(dāng)時(shí)的發(fā)展基本沒(méi)有給創(chuàng)立廣義相對(duì)論以任何條件和機(jī)遇，它有點(diǎn)純粹或完全是愛(ài)因斯坦本人天才大腦的創(chuàng)造?？梢哉f(shuō)愛(ài)因斯坦的出現(xiàn)，讓物理世界具有了一番嶄新天地……

關(guān)于狹義相對(duì)論，有以下幾個(gè)結(jié)論：

鐘表慢走和尺子縮短現(xiàn)象，它是指物體高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)物體上的時(shí)鐘變慢，尺子變短。鐘表慢走和尺子縮短現(xiàn)象就是時(shí)間和空間隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而變化的結(jié)果。許多科學(xué)幻想作品用它作題材，描寫(xiě)一個(gè)人坐火箭遨游太空回來(lái)以后，發(fā)現(xiàn)自己還很年輕，而孫子已經(jīng)變成了老頭。

狹義相對(duì)論還有一個(gè)質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度而增加的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高速運(yùn)動(dòng)的電子的質(zhì)量比靜止的電子的質(zhì)量大。

愛(ài)因斯坦的感恩之情

愛(ài)因斯坦終身感謝格羅斯曼對(duì)他的幫助。在悼念格羅斯曼的信中，他談到這件事時(shí)說(shuō)，當(dāng)他大學(xué)畢業(yè)時(shí)，“突然被一切人拋棄，一籌莫展地面對(duì)人生。他幫助了我，通過(guò)他和他的父親，我后來(lái)才到了哈勒（時(shí)任瑞士專(zhuān)利局局長(zhǎng)）那里，進(jìn)了專(zhuān)利局。這有點(diǎn)像救命之恩，沒(méi)有他，我大概不至于餓死，但精神會(huì)頹唐起來(lái)?！?/p>

美名響徹世界

為了驗(yàn)證廣義相對(duì)論的正確性，愛(ài)因斯坦對(duì)其效應(yīng)做了預(yù)測(cè)。他認(rèn)為，光線(xiàn)并不像學(xué)校教的那樣永遠(yuǎn)走直線(xiàn)，在引力場(chǎng)中它應(yīng)該沿著曲線(xiàn)傳播;并指出，當(dāng)從一個(gè)遙遠(yuǎn)的星球上發(fā)出的光在到達(dá)地球途經(jīng)太陽(yáng)的時(shí)候，會(huì)由于太陽(yáng)周邊空間彎曲而使這個(gè)星球看起來(lái)的位置與實(shí)際位置不符，而產(chǎn)生偏折，其偏折的弧度應(yīng)當(dāng)是1.75秒，因此他建議通過(guò)觀(guān)測(cè)日全食來(lái)驗(yàn)證這個(gè)理論，然而觀(guān)測(cè)日全食的機(jī)會(huì)因?yàn)榈谝淮问澜绱髴?zhàn)耽擱了。直到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，英國(guó)天體物理學(xué)家埃丁頓爵士才開(kāi)始驗(yàn)證這個(gè)理論。

1919年5月29日，埃丁頓率領(lǐng)兩個(gè)天文考察隊(duì)，擬定在日全食時(shí)分別在巴西和西非攝影，通過(guò)觀(guān)察日全食來(lái)驗(yàn)證廣義相對(duì)論的正確性。在1919年11月6日，埃丁頓爵士發(fā)表了一份關(guān)于其考察的報(bào)告，該報(bào)告稱(chēng)：在西非外海的葡萄牙屬小島普林西比上觀(guān)測(cè)到的結(jié)果，其光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)度竟和愛(ài)因斯坦計(jì)算的非常一致。這份報(bào)告證實(shí)了愛(ài)因斯坦的時(shí)空新理論，同時(shí)也使牛頓的萬(wàn)有引力學(xué)說(shuō)失去了普遍的意義。

要說(shuō)這種科學(xué)事件在平常是不會(huì)受到普通大眾注意的，但“一戰(zhàn)后的某些特殊情況”使得媒體史無(wú)前例地爭(zhēng)相報(bào)導(dǎo)。一夜之間，愛(ài)因斯坦從一個(gè)默默無(wú)聞的大學(xué)教授變成傳奇人物，全世界都為之轟動(dòng)，他的名字在國(guó)際社會(huì)開(kāi)始廣為流傳，幾乎家喻戶(hù)曉。

在廣義相對(duì)論中，空間不只會(huì)被物質(zhì)改變;同時(shí)，如果沒(méi)有物質(zhì)，空間就不可能存在。簡(jiǎn)言之，物質(zhì)創(chuàng)造空間。另一種說(shuō)法則是若沒(méi)有物質(zhì)，空間也不存在。所以無(wú)法去除空間中所有物質(zhì)，如同琴樂(lè)波動(dòng)與時(shí)空傳播（這里談?wù)摰目臻g是狹義相對(duì)論中提出的時(shí)空）。當(dāng)我們除去空間中所有物質(zhì)時(shí)，不只是空間的消失，就連時(shí)間也會(huì)消失。換句話(huà)說(shuō)，時(shí)間、空間與物質(zhì)（能量）是同時(shí)被創(chuàng)造出來(lái)的——這與我們的常識(shí)（統(tǒng)治人們觀(guān)念數(shù)百年之久的牛頓經(jīng)典物理體系）幾乎是背道而馳的，由此可見(jiàn)這一理論對(duì)人類(lèi)觀(guān)念的更新。

關(guān)于彎曲時(shí)空概念，廣義相對(duì)論提出了四個(gè)可以驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)，并在其后由天文學(xué)家和物理學(xué)家實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證。

引力紅移：廣義相對(duì)論認(rèn)為，引力勢(shì)強(qiáng)的地方，固有時(shí)間的流逝速度慢，也就是說(shuō)離天體越近，時(shí)間越慢。這樣，天體表面原子發(fā)出的光周期變長(zhǎng)，由于光速不變，相應(yīng)的頻率變小，就會(huì)向光譜中紅光方向移動(dòng)。

引力場(chǎng)中的光線(xiàn)偏折：在現(xiàn)代，通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡可以觀(guān)測(cè)類(lèi)星體的射電信號(hào)在太陽(yáng)引力場(chǎng)中的偏折，而不必等待日全食這種稀有的機(jī)會(huì)。

水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)：廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果與平方反比的萬(wàn)有引力定律有所差異，這一差異剛好使水星的近日點(diǎn)每百年移動(dòng)43角秒。

雷達(dá)回波時(shí)間延遲：廣義相對(duì)論認(rèn)為光子靠近引力場(chǎng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生時(shí)間延遲效應(yīng)。光線(xiàn)軌跡在引力場(chǎng)中彎曲，使得其路徑延長(zhǎng)。這種彎曲現(xiàn)象可以等價(jià)地看成是一種折射，相當(dāng)于有效光速減慢，因此從空間某一點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，如果途經(jīng)太陽(yáng)附近，到達(dá)地球的時(shí)間將有所延遲。

巨星隕落，精神存續(xù)

1955年4月18日，偉大的科學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦因主動(dòng)脈瘤破裂逝世于美國(guó)普林斯頓。巨星隕落，舉世同悲。

我們難以忘記，那是距今110年的1905年，這位瑞士專(zhuān)利局的小職員天才般地憑借狹義相對(duì)論改變了以往我們對(duì)物理世界運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的看法;到了距今100年的1915年，他又憑借廣義相對(duì)論改變了人類(lèi)對(duì)宇宙基本結(jié)構(gòu)和存在形態(tài)的認(rèn)識(shí)。直到跨入21世紀(jì)的今天，他的智力遺產(chǎn)仍然還是新一代物理學(xué)家的靈感源泉……

愛(ài)因斯坦如同藝術(shù)大師，將時(shí)間、空間、質(zhì)量、能量視為四種原基色，創(chuàng)作出“廣義相對(duì)論”這件科學(xué)與藝術(shù)融合的劃時(shí)代精品絕作。

愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“我自己不過(guò)是自然的一個(gè)極微小的分子?！笔堑?，他把一切獻(xiàn)給了人類(lèi)，從自然界獲得自由的征程，最后連自己的骨灰也回到大自然的懷抱。正如英費(fèi)爾德第一次與他接觸時(shí)所感受到的那樣：“真正的偉大和真正的高尚總是并肩而行的?！睈?ài)因斯坦的偉大業(yè)績(jī)和精神，至此也永遠(yuǎn)留給了全人類(lèi)。