首页 > 文化 > 科技 > 正文

爱因斯坦的世纪:1905~2005

2005-03-21 10:14 作者:鲁伊 2005年第9期
2004年6月10日,联合国大会第58次会议正式宣布,将作为爱因斯坦奇迹年100周年的2005年定为“国际物理年”

1905年,在现代科学史中,被称为“爱因斯坦奇迹年”。

“奇迹年”一词出自拉丁文“annus mirabilis”。长久以来,它被用来描述1666年。这一年,英国诗人约翰·德莱顿写下了题为《Annus Mirabilis:奇迹年,1666》的长诗,歌颂英格兰舰队战胜荷兰舰队的丰功,以及伦敦城浴火重生的奇迹。也是在同一年,牛顿奠定了他的微积分、颜色理论和引力理论的基础。这一年,牛顿24岁。

239年后,那个后来被称为牛顿20世纪“最天才的继承者”或“最叛逆的颠覆者”的人,开始创造自己的奇迹之年。从100年前的那个3月开始,阿尔伯特·爱因斯坦,一个5年前从苏黎世联邦工业大学(ETH)数理师范系毕业、成绩并不突出的学生,一个拿着3900瑞士法郎年薪的专利局三级技术员,一个经常以挈妇将雏的姿态出现的平凡已婚小职员,接连写下5篇改变整个20世纪物理学面貌的论文。这一年,他26岁。

这5篇论文都发表在当时最权威的专业杂志《物理学纪事》(Annalen der Physik)上。它们分别是论测定分子大小和布朗运动的《分子大小的新测定》、《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》,阐述狭义相对论的《论动体的电动力学》、《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,以及关于光量子假说的《关于光的产生和转化的一个试探性观点》。1921年,爱因斯坦因最后一篇论文获得了诺贝尔物理学奖,而在100年后的今天,出现在后一篇狭义相对论论文中的公式E=mc2,仍然是当之无愧的最著名的科学符号。

2004年6月10日,联合国大会第58次会议正式宣布,将作为爱因斯坦奇迹年100周年的2005年定为“国际物理年”。

静悄悄的奇迹年

1905年6月,当狭义相对论论文被《物理学纪事》接受后,小职员爱因斯坦度过了或许是他一生中最忐忑的时光。他的妹妹玛雅后来回忆道,爱因斯坦甚至期待着强烈的反对和严厉的批评。然而,等待他的,却是一片沉寂。接下来的几期杂志根本没有提到这篇文章。爱因斯坦的失望,可想而知。

我们可以设身处地的想象一下这个从小就不怎么讨老师喜欢、大学同班同学中惟一一个没能留校担任助教、一直被学院派视为业余物理学爱好者的年轻人的心态。博士论文没能通过,在大学中谋得教职的希望破灭了——虽然在当时,有一种说法是,只有出身贵族或娶了有钱寡妇的人,才能适应无薪讲师的清苦生活,显然爱因斯坦并不属于任何一类。他的物理天分在专利局并不是长处。当时的局长哈勒曾对他说:“你是学物理的,你对制图一点也不懂,你必须学会看技术图,读测量数据。在你没有做到之前,我不能正式录用你。”

长子的出生又把他向庸常的市民生活拉近了一步。原来还可以与他愉快地讨论物理学问题的精神伴侣米列娃,现在成了一个家庭主妇。他的学术圈,只是与索洛文、哈比希特三个年轻人成立的“奥林匹亚科学院”。在爱因斯坦功成名就后,这个“科学院”被无限拔高放大,冠上了许多光彩的花环。但当时,这也不过是几个在邻居眼中夸夸其谈的青年吃吃喝喝的小聚会罢了。

如果不是普朗克的柏林来信,请爱因斯坦为他澄清几个模糊的地方,爱因斯坦会不会就因此放弃学术研究,循规蹈矩地过上“正常人”的小日子?没有人知道。我们只知道,这个迟来的“当代最伟大的物理学家”的承认,让爱因斯坦喜悦万分。从这时起,他不再是一个孤独的、默默无闻的小技术员。写给“伯尔尼大学爱因斯坦教授”的信件开始纷纷飞来,尽管这年7月,苏黎世大学才接受了他的论文,授予其博士学位,而直到第二年4月,他在专利局才被晋升为二级技术专家,年薪4500法郎。

事实上,尽管E=mc2已经摆在那里,谁都可以看到了,爱因斯坦的学术之路,却要等到1908年才走上正轨。1907年,尽管已经取得博士学位,他向伯尔尼大学提出的无薪讲师职位申请依然被拒绝了,理由现在看来很搞笑——“缺乏必需的资格论文”。1908年2月底,他才正式得到这个职位。所谓的无薪教师,是德国大学中一种特有的职位,他们不算是学校的教学人员,也不领薪金,只是拥有开课的资格,惟一收入是听课学生交的少量费用。1909年10月15日,他被聘为苏黎世大学副教授,薪水和在专利局时一样,也是每年4500法郎。

这时,他对自己的学术前景仍然缺乏足够的信心。一个例子是,1911年3月,爱因斯坦举家迁到了布拉格,担任卡尔—菲迪南大学的教授。这个决定让后来的很多人都深感迷惑。他与米列娃都喜欢苏黎世,那里有他的同事和朋友,而且苏黎世大学几乎是当时理论物理学的活动中心。而在布拉格,他却要经常“为一些最无聊的屁事写个没完”,深陷于官僚主义与文牍之中。在布拉格的16个月,他几乎没有朋友,而与米列娃的关系,也因此大受打击,为日后的分手留下阴影。一位爱因斯坦传记作家指出,这次不明智的布拉格之行,很重要的一个原因,就是爱因斯坦太渴望得到一个正教授的职位了,而在苏黎世,因为与克莱纳为首的教授关系不睦,爱因斯坦认为,他升为正教授的希望已经十分渺茫。要到多年以后,爱因斯坦才能够说服自己相信普朗克1910年做出的判断:“由相对论所带来的物理世界观的革命,在广度和深度上,只有由哥白尼的世界体系的提出所引起的革命可以相比拟。”

为什么是爱因斯坦

不久前去世的几何大师陈省身曾经说过,一个数学家应当做好的数学,就是简洁易为人理解的、有开创性的、有发展的数学。这个概念也可以被推广到物理学领域中去。在谈及爱因斯坦1905年的成就时,芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳(Michael Turner)说,“爱因斯坦以一种公众能够理解的方式改变了物理学家对宇宙的看法”,这,就是好的物理学。

要摆脱那些符号化的表象探讨爱因斯坦的成就,无法回避的一个问题是:爱因斯坦和他的相对论,是如何影响了科学思维的?缺乏对这个问题的认识,所有流于细节琐事的分析,都将成为无本之木。

故事,要从“以太”说起。

19世纪末,物理学家们普遍认为,物理学的主要框架已经一劳永逸的构成了,此后的工作,只是把物理常数的测量弄得更准确一些,并把光以太结构的研究再推进一步。当时,人们仍然相信,宇宙空间中充满了亚里士多德命名为“以太”的连续介质,就像空气中的声波一样,光线和电磁信号是“以太”中的波。然而,1887年的迈克尔逊—莫里实验却显示,光线看起来总是以同样的速度传播——这就与根据以太理论推导出的光速差别结论产生了矛盾。

荷兰物理学家洛仑兹这时候给出了他的解答,建立于以太真实存在基础上的洛仑兹变换方程。然而,26岁的爱因斯坦却大胆地捐弃了以太这个经典权威的概念。他对洛仑兹变换方程进行了修正,并指出,因为无法探测相对于以太的运动,因此,以太的概念是多余的。这就对人们以往奉之为金科玉律的“同时性”概念提出了挑战。在爱因斯坦看来,每个人都有他自己的时间值,如果两个人是相对静止的,那么,他们的时间就是一致的。如果存在相互的运动,他们观测到的时间就是不同的。乘飞机一直向东飞行,叠加上地球旋转的速度,人们就有可能获得生命的延长,虽然可能只不过是零点几秒而已。

相对论的一个重要结果,便是质量与能量间的关系。爱因斯坦假定光速对所有的观测者都不变,如果持续给物体供应能量,被加速物体的质量就会增大。这种质量与能量的关系,便是著名的E=mc2。当铀原子核裂变成两个小的原子核时,因为很微小的一点质量亏损,便会释放出巨大的能量。原子弹与核能的理论基础,便源出于此。

尽管狭义相对论与麦克斯韦的电磁理论结合得非常完美,但它却与牛顿的重力理论不相容。几年后,爱因斯坦想到,如果质量和能量会造成四维空间(三维空间加上时间)的弯曲,那么,问题就迎刃而解了。这个关于弯曲时空的新理论,便是广义相对论。霍金曾评价道,“从公元前300年欧几里得完成他的《几何原本》后,这是一个人类感知他们存在于其中的宇宙的最大的革命性的更新……它彻底改变了人们对宇宙的起源及归宿的讨论方向。静止的宇宙可能永远存在……但根据广义相对论,宇宙大爆炸标志着宇宙的起源,时间的开始。从这个意义上说,爱因斯坦不仅仅是过去100年中最伟大的人物,他应该获得人们更长久的尊重。”

正是具备了这种科学属性的爱因斯坦,才可能在整个20世纪中,成为妇孺皆知的科学新世界代言人,并一步步被神化。

谁是下一个

会不会有下一个爱因斯坦?他是谁?他在哪儿?毫无疑问,在这个国际物理年中,这些问题会成为最常被提及的话题。

讨论两个名人之间的相似之处和不同点,是一件不太有建设性但却极为有趣的事。所以,才会有人对这样的比较乐此不疲:牛顿与伽利略,爱因斯坦与牛顿……甚至,一本最新出版的爱因斯坦传记的主题,是比较爱因斯坦与毕加索在创造性上的异同。在讨论21世纪谁将接过爱因斯坦的火炬,解决现今物理学界面临的危机时,史蒂芬·霍金成了一个经常被提及的参照系。

在《相对论简史》中,霍金曾写道:“在过去的100年中,世界经历了前所未有的变化。其原因并不在于政治,也不在于经济,而在于科学技术——直接源于先进的基础科学研究的科学技术。没有别的科学家能比爱因斯坦更代表这种科学的先进性。”有人说,霍金在《时间简史》中分别为爱因斯坦、伽利略和牛顿立传,显示了他与三位科学巨人比肩的雄心。与其这样阴谋理论地妄加揣测,倒不如视其为一个当代理论物理学家对自身谦逊而恰如其分的认识。媒体尽可为霍金冠上“活着的爱因斯坦”之类的帽子,但无论从哪个坐标系上,霍金与综合了科学天才、历史背景、个人魅力的爱因斯坦都是无法进行比较的。霍金一次开玩笑说:“他们需要的只是一个英雄,而从不关心我做过些什么。”

3月1日出版的《纽约时报》,雄心勃勃地给出了一个未来爱因斯坦的任务清单。它们都是困扰现今物理学界的难题。如果联想到1900年希尔伯特提出的23个数学问题此后是如何地影响了20世纪的数学发展方向,过分的追究这些问题从重要性和开拓性上是否足以同相对论媲美,并不是一种好的态度。

这些未来爱因斯坦任务清单中的问题包括:上帝是否拥有选择?宇宙的所有特性对于某种未知的法则而言,是否都是可预测的和不可避免的?那些似乎可以加速宇宙膨胀并使星系越来越快地彼此分离的暗能量到底是什么?为什么我们恰好生活在这个暗能量正要主宰宇宙演变的过程的时间点上?这种推动力是否会永远继续下去,将所有的能量与生命吸出宇宙之外?保持星系和星团聚拢的神秘引力胶——暗物质——又是什么?四维空间足够了吗?宇宙中是否还存在着另外的隐秘或微小维度?大爆炸之前发生了什么?时间和空间是自无形的永恒中出现的吗?量子力学是否是事物的最终描述?困扰爱因斯坦的EPR佯谬是否要被修改?相对性是永恒的吗?到底是否存在超光速?

学科的细化和计算机技术的应用,使得那种以简洁为美的公式和定理越来越偏离人们的视线。即使是爱因斯坦本人,在晚年也丧失了这一特性。当诺贝尔物理学奖越来越变成象牙塔里的风水轮流转,当一篇关于离子加速器实验的论文作者多达500人时,我们很难相信,还会有人能像爱因斯坦那样,从最习以为常的规则中发现问题。迈克尔·特纳用一种假如爱因斯坦在世肯定不会喜欢的逻辑方式推导出,下一个奇迹年将为时不远。他的论据是,在牛顿之后,过了200多年,他的理论体系才被推翻。如今,爱因斯坦的相对论已经占据神坛100年,根据某种加速度原理,广义相对论绝对不会再持续200年。对于这个结论,最好还是付诸一笑。过去的世纪,属于爱因斯坦,未来的世纪,从目前来看,也还是他的。

(感谢许良英教授、刘辽教授、汪在庆研究员接受采访并提供资料)

阅读更多更全周刊内容请微信扫描二维码下载三联中读App,注册就有红包哦!

版权声明:凡注明“三联生活周刊”、“爱乐”或“原创”来源之作品(文字、图片、音频、视频),未经三联生活周刊或爱乐杂志授权,任何媒体和个人不得转载 、链接、转贴或以其它方式使用;已经本刊、本网书面授权的,在使用时必须注明“来源:三联生活周刊”或“来源:爱乐”。违反上述声明的,本刊、本网将追究其相关法律责任。

    相关文章

已有0人参与

网友评论

用户名: 快速登录

《立冬》现已上线即刻前往 App Store 搜索“三联生活节气”体验更多精彩。

《霜降》 《寒露》 《秋分》

微博@三联生活周刊
微信:lifeweek
扫描下载三联中读App
三联中读服务号