纪念爱因斯坦

纪念爱因斯坦

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
。