愛因斯坦的成功故事例子(2)
愛因斯坦的成功故事例子
愛因斯坦的成功故事篇3：
一、初放異彩
1900年愛因斯坦從聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)畢業(yè)以后，幾乎有兩年時間，就像他早年作為一個“差生”的歷史所預(yù)計的那 樣，沒有什么成就。他申請當(dāng)助教，但助教的位置給了別人。在這段時期里，他在知識分子的圈子里找些臨時工作以維持生計。瑞士一所中學(xué)里有位教師服兩個月的 兵役，他就補缺去代課。他也曾在一所私立的寄宿學(xué)校當(dāng)補習(xí)老師，還曾替蘇黎世聯(lián)邦觀象臺做過一些計算工作，而一直未能立即投身到物理學(xué)的研究中去。
最后，到1902年春，愛因斯坦的好朋友，留校當(dāng)了助教的“無可挑剔的學(xué)生”格羅斯曼幫了他的忙。格羅斯曼的父親把愛因斯坦推薦給瑞士伯爾尼專利局局 長，經(jīng)過一番嚴(yán)格的考試，他被任命為專利局三等技術(shù)員，干起了專利審查員的工作。這使他解除了經(jīng)濟上的困難，也提高了他的工作興趣，并時時激發(fā)他的科學(xué)想 象力。除了8小時的工作，他有充分的空余時間來思索宇宙之謎了。
在伯爾尼專利局的7年業(yè)余時間里，這位年輕的專利審查員創(chuàng)造了舉世矚目的科學(xué)奇跡。他簡直把20世紀(jì)中理論物理發(fā)展的主要方向都勾劃出來了，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個新時代。
愛因斯坦真是生逢其時!在聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)和進入伯爾尼專利局工作的那些年，他跨越著一個動蕩的激動人心的世紀(jì)之交，而這也正是他思想活躍、青春勃發(fā)的 年代。物理學(xué)歷史的發(fā)展正經(jīng)歷著一個令人困惑、危機四伏，并預(yù)示著一場偉大的革命即將到來的時期。當(dāng)歷史的需要呼喚一位偉人出現(xiàn)時，他正以矯健的步伐走向 歷史舞臺了。
歷史的車輪進入19世紀(jì)下半葉，由牛頓奠基，并經(jīng)過數(shù)代物理學(xué)家的艱苦努力，一座莊嚴(yán)雄偉、美麗壯觀而又動人心弦的經(jīng)典 物理學(xué)的殿堂驕傲地聳立起來了。大至恒星和星系，小至分子和原子，遍及聲、熱、光、電磁，物理學(xué)似乎都已給出了完滿的解釋。正如美國著名物理學(xué)家邁克爾遜 在1894年所說：“雖然任何時候也不能擔(dān)保，物理學(xué)的未來不會隱藏比過去更使人驚訝的奇跡，但是似乎十分可能，絕大多數(shù)重要的基本原理已經(jīng)牢固地確立起 來了，下一步的發(fā)展看來主要在于把這些原理認(rèn)真地應(yīng)用到我們所注意的種種現(xiàn)象中去。”在19世紀(jì)70年代，當(dāng)普朗克進入慕尼黑大學(xué)向自己的老師約里表示， 決心獻身于理論物理學(xué)時，約里回答說：“年輕人，你為什么要斷送自己的前途呢?要知道，理論物理學(xué)已經(jīng)終結(jié)。微分方程已經(jīng)確立，它們的解法已經(jīng)制定，可供 計算的只是個別的局部情況?？墒?，把自己的一生獻給這一事業(yè)，值得嗎?”面對著經(jīng)典物理學(xué)的完美的大廈，幾乎所有的物理學(xué)家都心滿意足了，他們思考著往后 的研究怎樣去追求更高的精確性和在小數(shù)點后更多的位數(shù)去尋找物理學(xué)的真理。
正當(dāng)物理學(xué)家們還沉浸在沾沾自喜之中的時候，新的發(fā)現(xiàn)和新的實驗事實就開始接二連三地沖擊經(jīng)典物理學(xué)的大廈了。
1895年德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了驚人貫穿能力的X射線;1896年法國物理學(xué)家貝克勒耳發(fā)現(xiàn)了鈾元素具有放射性;1897年英國的湯 姆孫和荷蘭的塞曼通過測定陰極射線的荷質(zhì)比確證了電子的存在;1898年居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了放射性極強的新元素釙和鐳;1902年盧瑟福和索迪根據(jù)對放射性 進行的實驗研究提出了元素嬗變理論……新的物理事實展示了物質(zhì)結(jié)構(gòu)隱藏著更深層的秘密。與此同時，黑體輻射、光電現(xiàn)象、原子光譜等一系列實驗事實與經(jīng)典物 理學(xué)的理論產(chǎn)生了尖銳的對立。
在歷史跨入新世紀(jì)的日子里，英國科學(xué)界聲名顯赫的元老開耳芬勛爵于1900年4月27日在皇家學(xué)會發(fā)表 了一篇著名的講演，并以這次講演為基礎(chǔ)撰寫了題為“懸浮在熱和光動力理論上空的19世紀(jì)的烏云”的文章，刊登于1901年7月出版的《哲學(xué)雜志》和《科學(xué) 雜志》合刊上。文章一開頭，開耳芬寫道：“動力學(xué)理論斷言熱和光是運動的方式，可是現(xiàn)在，這種理論的優(yōu)美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了。第一朵烏 云是隨著光的波動論而開始的，菲涅耳和托馬斯·揚研究過這個理論。它包括這樣一個問題：地球如何通過本質(zhì)上是光以太這樣的彈性固體而運動的呢?第二朵烏云 是麥克斯韋—玻耳茲曼關(guān)于能量均分的學(xué)說。”
19世紀(jì)末的物理學(xué)界根深蒂固地確立了一種思想，認(rèn)為有一種到處存在的、能穿透一切的介 質(zhì)，它充滿所有物質(zhì)的內(nèi)部和它們之間的空間，惠更斯把這種介質(zhì)稱為宇宙以太。以太是傳播光波的基礎(chǔ)。由于遙遠的星光可以傳播到地球，所以以太應(yīng)當(dāng)充滿整個 宇宙。因為光是橫波，所以作為傳播光的介質(zhì)，以太應(yīng)具有固體的性質(zhì);同時由于光速非常大，所以不得不認(rèn)為以太的彈性系數(shù)極大，它應(yīng)當(dāng)是絕對剛性的。而另一 方面，宇宙天體包括地球和太陽等在運動過程中似乎又并沒有受到以太的阻力，因此又必須假定它的密度幾乎為零，或者如開耳芬勛爵所假定的那樣以太有著類似膠 狀物質(zhì)的性質(zhì)，但這樣就會同以太具有絕對剛性的假定發(fā)生矛盾。如果以太不阻礙物質(zhì)的運動，說明以太和物質(zhì)粒子之間沒有任何相互作用，可是當(dāng)光穿過玻璃或水 時速度又變了，這又得假定以太同物質(zhì)之間有著相互作用。此外，還得要求以太具有絕對透明的性質(zhì)……總之，以太到底是什么東西，它有什么性質(zhì)?這本身就充滿 著混亂和矛盾。
關(guān)于“第二朵烏云”，開耳芬在文章中簡單回顧了能量均分學(xué)說產(chǎn)生的過程，分析了該理論所遇到的困難，特別指出了一些理 論計算值與實際觀測值之間的偏離。他說：“事實上，玻耳茲曼—麥克斯韋學(xué)說的偏差比我們列舉的還要大。”并斷言：“與觀察的明顯偏離絕對足以否證玻耳茲曼 —麥克斯韋學(xué)說。”
經(jīng)典物理學(xué)遭遇到了一場深重的危機，而危機正是科學(xué)革命的前夜。盡管開耳芬勛爵只提到了兩朵烏云，實際上19世紀(jì) 物理學(xué)的上空幾乎已是烏云密布了。然而這位在物理學(xué)史上素以保守著稱的英國爵士，似乎以超人的洞察力揭示的兩個難題，竟與此后物理學(xué)上兩個偉大的理論革命 有著密切的聯(lián)系。
1905年作為物理學(xué)史上光輝燦爛的一年，永久載入了科學(xué)史冊。在這一年，愛因斯坦完成了6篇使科學(xué)領(lǐng)域發(fā)生巨變的 劃時代論文，其中3篇發(fā)表在德國萊比錫出版的《物理學(xué)雜志》的同一卷上。1905年的第一篇論文，他是在26歲生日(3月14日)之后的第3天完成的。它 證明光是由不連續(xù)的微小顆粒或者叫做光量子的微粒所組成的。今天，量子原理幾乎影響了所有的物理學(xué)分支，它闡明了自然界中連續(xù)體所具有的基本的微粒狀態(tài)。 在3篇論文中，愛因斯坦提出了一種測量分子大小的新方法，并證實布朗運動顯示原子是存在的，大大推動了原子理論和統(tǒng)計力學(xué)的發(fā)展。而其余兩篇論文，愛因斯 坦創(chuàng)立了狹義相對論，引起了物理學(xué)思想和觀念的革命，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。他幾乎同時在相對論、光量子理論和分子運動論這三個不同領(lǐng)域里齊頭并進，并取 得具有重大意義的成果。自從23歲的伊薩克·牛頓在1665年到1666年由于鼠疫流行而避居鄉(xiāng)間期間，發(fā)明微積分并發(fā)展了引力理論以后，科學(xué)界一直沒有 取得過如此豐碩的創(chuàng)造性成果。
1905年快過去100年了，我們即將跨越一個新的世紀(jì)之交。我們回首這要過去的一個世紀(jì)，物理學(xué)取得 了驚人的進展，這些進展是與一個偉大的名字愛因斯坦分不開的。1949年獲得諾貝爾獎的法國物理學(xué)家戴布勞格利說過一段話：“20世紀(jì)上半葉取得了物理學(xué) 上最驚人的突破，這成為科學(xué)史上輝煌的一章。就在這短短的幾十年中，物理學(xué)中聳立起兩座豐碑，它們在今后幾個世紀(jì)中將一直巍然屹立著，這就是相對論和量子 理論。相對論是阿爾伯特·愛因斯坦富有創(chuàng)造力的思想的成果。量子理論的首塊基石由普朗克奠定，但量子理論中的最重要的進展也應(yīng)歸功于愛因斯坦。”而愛因斯 坦在這兩個偉大理論中的貢獻，正是發(fā)端于他在1905年所寫的論文。
在1905年短短的幾個月中，愛因斯坦創(chuàng)造了如此豐富的科學(xué)研究 成果，確實是科學(xué)史上的奇跡。更令人欽佩的是，所有這些貢獻竟是一個在學(xué)術(shù)機構(gòu)大門以外默默無聞工作于伯爾尼專利局的年輕小職員做的。他在完成本職工作的 前提下，完全靠利用業(yè)余時間自己摸索，沒有任何的學(xué)術(shù)聯(lián)系，甚至和這一行的前輩也基本上沒有接觸，更沒有名師指導(dǎo)。若干年以后，他在與自己的學(xué)生利奧波 特·英費爾德談起自己的科學(xué)經(jīng)歷時說，一直到30歲左右，他還從來沒有見到過一位真正的理論物理學(xué)家。英費爾德曾風(fēng)趣地補充說：“除非是在鏡子里。”然而 愛因斯坦成功了。這需要多么大的毅力!他付出了多么大的代價!正如愛因斯坦自己在1933年所寫的那樣：“一旦這種想法的正確性得到了承認(rèn)，最后成果就水 到渠成了。任何聰明的大學(xué)生理解這些成果都不會有什么困難。但是，在一個人茅塞頓開、恍然大悟之前，在黑暗中探索他能感受到但又表達不出的真理的那些年代 里，那種強烈的求知欲望，那種時而有信心時而又產(chǎn)生疑慮的心理變化，只有親身經(jīng)歷的人才能知道是什么滋味。”
二、狹義相對論
愛因斯坦是相對論的創(chuàng)始人，相對論無疑是他最重要的成就。與其他研究工作相比，相對論對自然科學(xué)思想體系產(chǎn)生了更深遠的影響，它的作用遠遠超出哲學(xué)思想的范疇。它引起了一場最激烈的爭論，也正是通過這場爭論及以后的實踐，讓全世界的人都了解到了愛因斯坦的偉大。
1905年，愛因斯坦在《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了長達30頁的論文《論動體的電動力學(xué)》。這篇文章宣告了相對論的創(chuàng)立。1905年，還是在這一雜志上，他 以題為《物體的慣性同它所包含的能量有關(guān)嗎》一文又作了重要補充。這兩篇論文都收集在1913年相對論重要的歷史文獻《相對論原理》一書中，與讀者再次見 面。對于愛因斯坦在相對論中研究的問題，當(dāng)時物理界的看法是不同的。
19世紀(jì)，先是光學(xué)的機械理論居于統(tǒng)治地位。這種理論認(rèn)為，光是 一種稱之為“光以太”或簡稱“以太”的彈性介質(zhì)的波動。以太能穿透一切物體，而又不影響物體的運動。但是，事實上，光學(xué)研究的新成果愈來愈難以符合機械以 太假說。于是，物理學(xué)家斷言，可以把光看做是以太的一種特殊“狀態(tài)”。這種狀態(tài)被看成是電磁力場，法拉第把它抽象地引進自然科學(xué)領(lǐng)域，而后又被麥克斯韋用 抽象得出奇的數(shù)學(xué)公式進行概括。
光以太學(xué)說與牛頓力學(xué)所引出的“絕對空間”理論緊密相連。牛頓認(rèn)為：“絕對空間由于它的本性以及它同外界事物的無關(guān)。它永遠是同一的和不動的。”
于是，牛頓認(rèn)為可以把以太看做是絕對參考體系，它決定了世界上一切運動的永恒的絕對狀態(tài)。
牛頓進而認(rèn)為也存在著“絕對時間”。他說：“絕對的、真正的數(shù)學(xué)時間自身在流逝著，它的本性是均勻的，它的流逝同任何外界事物無關(guān)。”
這種觀點認(rèn)為，時間在均勻地流逝，并且想象在宇宙中有一種“標(biāo)準(zhǔn)鐘”，人們可以從放在任意地方的這種鐘上讀出“絕對時間”。后來，牛頓又談到了“絕對運 動”，這是由“絕對空間”和“絕對時間”聯(lián)想到的。他給“絕對運動”下定義，亦即“物體從一絕對地點轉(zhuǎn)移到另一絕對地點”。
絕對時間 和絕對空間是牛頓力學(xué)的根基。然而牛頓的絕對時間和絕對空間兩者之間有明顯的缺陷：既然絕對時間和絕對空間同任何外界事物都沒有關(guān)系，那么怎樣才能知道它 們存在呢?這個問題，牛頓沒辦法回答。他只能說，絕對時間和絕對空間是上帝的創(chuàng)造。后來，康德又把絕對時間和絕對空間說成是先驗的。先驗的意思就是先于經(jīng) 驗，人一生下來就有的。這樣，牛頓和康德把絕對時間和絕對空間捧上了先驗的王國，不許有人對它們加以懷疑。
到了19世紀(jì)，馬赫又對牛 頓的時空概念做了有力的批判，但還是沒有推翻。這是因為要改變時間和空間的概念，客觀條件還沒有成熟。此外，實驗物理學(xué)也使人們對牛頓關(guān)于時空和運動的教 條產(chǎn)生極大的懷疑。地球以每秒30公里的速度在其軌道上繞著太陽轉(zhuǎn)動。我們的太陽系以每秒20公里的速度在宇宙中飛馳，最后是我們的銀河系，它與其他遙遠 的星系相比，以相當(dāng)高的速度不停地在運動。那么，要是光以太是靜止存在于“絕對空間”之中，并且天體穿過它運行，這種運行的結(jié)果對于光以太來說必然是顯著 的，而且使用精密的光學(xué)儀器也一定能夠驗證“以太風(fēng)”。
美國物理學(xué)家邁克爾遜做了第一個實驗。他出生于波蘭，1881年曾在柏林和波斯坦做過亥姆霍茲獎學(xué)金的研究生。
他的實驗由于實驗裝置不夠齊全，結(jié)果說服力不夠強。6年以后，邁克爾遜在美國使用親自設(shè)計的高精度鏡式干涉儀，同莫勒合作重復(fù)了他以前的實驗。這臺新式 測試儀是如此的精確，以致于儀器本身受“以太風(fēng)”的影響都能清晰地顯示出來。但是這次實驗以后的多次反復(fù)實驗，再也沒有看到那種現(xiàn)象。這個實驗證明光速完 全是恒定的，與光源和觀察者的運動都無關(guān)。“邁克爾遜實驗”是物理學(xué)史上最著名的實驗之一，也是相對論的基本實驗。愛因斯坦十分欽佩邁克爾遜的實驗技巧。
邁克爾遜實驗得到的結(jié)果徹底否定了光以太的存在。此后還有人想使虛構(gòu)的以太假說與光速恒定的事實一致起來，從而來“拯救”以太假說。1895年，荷蘭物 理學(xué)家洛倫茲假定，快速運動物體在運動方向上會產(chǎn)生機構(gòu)收縮(“洛倫茲收縮”)。為的是用這種方法在機械世界觀范疇內(nèi)把邁克爾遜實驗結(jié)果跟光以太和絕對空 間捏合起來。這種設(shè)想盡管十分巧妙，但這種人為的假想，不僅明顯帶有目的性假說的性質(zhì)，而且從長遠看來不會使理論物理學(xué)家滿意。
邁克爾遜的實驗結(jié)果使理論物理學(xué)家陷入難以自拔的思維困境，它像是一個系在人們心頭達10年之久的、無法解開的死結(jié)，但這個死結(jié)被年輕的愛因斯坦解開了。
1905年，愛因斯坦提出了相對論，他把作為光波載體的以太，從物理學(xué)世界中清除出去了。他認(rèn)為，光以太原本只是物理學(xué)界的一個“幽靈”，他把獨立的物 理實體——電磁場請出來，坐在以太的位置上，這也是嶄新的、勇敢的行動。盡管法國物理學(xué)家彭加勒在他之前就曾提過應(yīng)該拋棄以太假說，但是他沒能把這種想法 變成新的自然觀的基礎(chǔ)。
“無以太物理學(xué)”是愛因斯坦思想的重要成果之一。
愛因斯坦狹義相對論思想的產(chǎn)生，最早源 于16歲時一直困擾著他的一個問題。在1895年進入阿勞中學(xué)上學(xué)時，他已比同齡的中學(xué)生掌握了更多的物理方面的知識。他對探索自然奧秘有著無比濃厚的興 趣，時常一個人靜靜地思考一些科學(xué)特別是物理學(xué)方面的問題。一天，他突然想到這樣一個問題：假如一個人以光速跟著光波跑，那么他就處在一個不隨時間而改變 的波場之中。也就是說，應(yīng)該看到這條光線就好像一個在空間振蕩而停滯不前的電磁場。然而看來不會有這種事情。這個問題他一直想弄清楚，并為此思考了10 年。
1896年愛因斯坦進入蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)以后，繼續(xù)思考著關(guān)于運動物體的光學(xué)特性的問題。對于當(dāng)時物理學(xué)中流行的光是通過以太 這種特殊的介質(zhì)來傳播的觀點。一開始他也是毫不懷疑的。但他想，光通過以太的海洋傳播，那么地球也應(yīng)是在以太中運動的，反過來說，以太應(yīng)有相對于地球的運 動。這應(yīng)該可以通過實驗來加以驗證。因此他就去查閱有關(guān)這方面的資料?？墒撬楸榱怂苷业降奈锢韺W(xué)文獻，都沒有找到關(guān)于以太的明確的實驗證據(jù)。于是他想 親自來驗證一下。為此，他設(shè)計了一個使用兩個熱電偶的實驗：用幾面鏡子，把來自同一個光源的光反射到兩個不同的方向，一個與地球運動方向平行，另一個則方 向相反。如果假設(shè)在兩條光束之間存在能量差，那么就能用兩個熱電偶測出所產(chǎn)生的熱量的差別，從而檢測出地球相對于以太運動而引起的光速的變化。可是他的老 師不支持他，他也沒有機會和能力建造這種設(shè)備。事情就這樣不了了之。后來，當(dāng)他正在學(xué)校思考以太流的問題的時候知道了邁克爾遜實驗的“零”結(jié)果。他很快意 識到，如果承認(rèn)邁克爾遜實驗的“零”結(jié)果符合事實的話，那么認(rèn)為地球相對于以太運動的想法就是不正確的，應(yīng)該拋棄以太這個頑結(jié)。但是，如果沒有以太充滿整 個宇宙空間，也就不可能有什么絕對的靜止和絕對的運動了，因為物體不可能相對于虛無運動。所以他認(rèn)為，只能是談一個物體相對于另一個物體，或者一個參照系 相對于另一個參照系的相對運動。處于這兩個參照系中的觀察者都有同等的權(quán)利說：“我是靜止的，對方在運動。”如果沒有宇宙以太作為物體在空間中運動的公共 參照系，我們就無法探測到這一運動。所以邁克爾遜的實驗沒有探測到地球相對于以太的運動，也就不足為奇了。
數(shù)學(xué)家閔可夫斯基曾是愛因 斯坦在聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)上學(xué)時的老師。當(dāng)年愛因斯坦經(jīng)常逃課，閔可夫斯基罵他“懶胚”。當(dāng)愛因斯坦的《論動體的電動力學(xué)》發(fā)表以后，閔可夫斯基很快理解了，并 看到了這篇論文的深刻意義。他實在沒有想到，曾被他罵為“懶胚”的學(xué)生，現(xiàn)在竟寫出了如此深刻的論文。閔可夫斯基是研究數(shù)學(xué)的，他從數(shù)學(xué)的角度認(rèn)真地思考 了愛因斯坦的理論，結(jié)果得到一種非常美妙的描述狹義相對論的數(shù)學(xué)方法。
閔可夫斯基的論文在1907年發(fā)表。第二年夏天，在科隆舉行的“德國自然科學(xué)家和醫(yī)生協(xié)會”第80屆年會上，他做了一個報告，宣傳相對論的思想，題目是“空間和時間”，其中有一段著名的話：
“先生們!我要向諸位介紹的空間和時間的觀念，是從實驗物理學(xué)的土壤中生長起來的，這就是它們力量的所在。這些觀念是帶有革命性的。從現(xiàn)在起，空間自身和時間自身消失在陰影之中了，現(xiàn)實中存在的只有空間和時間的統(tǒng)一體。”
閔可夫斯基的報告引起了與會者的巨大反響。可惜3個多月后，疾病就奪去了他年僅44歲的生命。去世前，他萬分遺憾地說：“在發(fā)展相對論的年代里死掉，真是太可惜了。”
閔可夫斯基所提出的思想是將時間作為三個空間坐標(biāo)之外的第四個坐標(biāo)，這樣，一個系統(tǒng)相對于另一個系統(tǒng)的運動，可以看成是這個四維坐標(biāo)架的轉(zhuǎn)動。由此就可以很清晰地刻畫狹義相對論的原理和相對論效應(yīng)。
愛因斯坦的狹義相對論把長度縮短看做是觀察者從一個運動的系統(tǒng)去觀察物體時所看到的一種表觀的空間收縮?？臻g的收縮和時問的膨脹對于兩個處于相對運動狀態(tài)的系統(tǒng)來說是對稱的?？臻g距離一縮短，時間間隔就加長。
要使一種變革傳統(tǒng)觀念的新思想或新理論為人們普遍所接受，往往需要一個相當(dāng)長的過程，這在科學(xué)史上是不乏先例的。愛因斯坦的論文發(fā)表以后，大約經(jīng)過了4 年光景才開始較多地引起人們的關(guān)注。然而，《論動體的電動力學(xué)》這篇論文的理論并不深奧，數(shù)學(xué)運算也極為簡單，以致德國著名數(shù)學(xué)家希爾伯特說：“在我們數(shù) 學(xué)的哥廷根大街上任何一個男童的四維幾何知識都比愛因斯坦多。盡管如此，在這方面成績卓著的卻是愛因斯坦，而不是數(shù)學(xué)家。”問題就在于，愛因斯坦具有超人 的對自然奧秘的深刻洞察力，敢于沖破傳統(tǒng)的創(chuàng)造精神和深信宇宙完美和諧的堅定信念。
這里介紹一下相對論的兩條基本原理：相對性原理與光速不變原理。
所謂相對性原理：在兩個相互做勻速直線運動的參照系中，一切自然定律都是相同的。
什么叫做“參照系”呢?我們說，火車向前行駛了多少公里，這是相對于地面來講的。研究火車在地面上的運動，是以地面為參照物的。研究乘客在火車上的運動，就是以火車為參照物的。在參照物上安放一個可以量度運動物體位置的假想的坐標(biāo)系之后，就叫做參照系。
現(xiàn)在假定有一列火車沿著直線軌道勻速行駛，車廂里有一位乘客向上拋出一個小球，那么這位乘客所看到的小球的運動情況，和他在地面上向上拋出一個小球后所 看到的情況是完全一樣的。這是因為他的火車參照系相對于地面參照系在做勻速直線運動。“在兩個相互做勻速直線運動的參照系中，力學(xué)定律是相同的。”這是伽 利略早在17世紀(jì)就已經(jīng)提出來的相對性原理。愛因斯坦把伽利略的相對性原理推展為：“在兩個相互做勻速直線運動的參照系中，一切自然定律都是相同的。”
把一個力學(xué)定律推展為一切自然定律，這是一個巨大的飛躍，為了實現(xiàn)這個飛躍，整整用了200年。這200年正是牛頓機械物理學(xué)統(tǒng)治的200年。這樣，不 單是力學(xué)實驗，連光學(xué)實驗、電磁學(xué)實驗，以至任何其他一切實驗，都不能測出絕對運動來。一切都是相對的，因此也就否定了絕對空間、絕對時間、絕對運動和光 以太的存在。
所謂光速不變原理是指：光在真空中的傳播速度是一個不變的常數(shù)，它和光源的運動速度沒有關(guān)系，和觀察者的運動速度也沒有關(guān)系(指的都是勻速直線運動)。
經(jīng)典物理學(xué)對粒子的運動(如炮彈)和波的運動(如聲音)都進行了長期的周密的研究，這兩種運動的本質(zhì)是完全不同的。粒子運動是粒子本身在運動，如炮彈;波的運動必須靠介質(zhì)來傳播，如聲波是靠空氣來傳播的。
那么光的傳播是屬于哪一種運動呢?首先，光在真空中的傳播和聲音在空氣中的傳播是不一樣的，因為光沒有介質(zhì)。舊物理學(xué)原來一直認(rèn)為光是波的傳播方式，介質(zhì)就是以太。但是邁克爾遜1897年進行的地球在以太中的漂移速度實驗已經(jīng)徹底否定了以太的存在。
那么光是不是像粒子那樣靠放射傳播的呢?我們來進行一個實驗：假如有一艘炮艦，首尾各有一門相同的大炮，發(fā)射出的炮彈速度是W，當(dāng)炮艦以V的勻速向前行 駛時，艦首大炮炮彈的速度是W+V，艦尾大炮炮彈的速度是W-V，這就是粒子的速度合成定理。但是光的運動服不服從速度合成定理呢?1054年天文學(xué)上曾 發(fā)生過一次著名的超新星爆發(fā)。殘骸就是現(xiàn)在金牛星座中的蟹狀星云，如果光線服從速度合成定理，這顆超新星爆發(fā)時向著地球方向飛來的物質(zhì)A發(fā)出的光。速度將 是光速C加上飛散物質(zhì)的速度V，而背離地球方向飛去的物質(zhì)B發(fā)出的光。速度將是C-V，那么地球上將先看到A發(fā)來的光，按照計算，得等幾十年后才能看到B 發(fā)出來的光。這樣，在地球上幾年中都能看到這顆遙遠的超新星爆發(fā)時所發(fā)出的強光。然而實際情況卻是：這顆超新星爆發(fā)時發(fā)出的強光，只過了一年多就消失了， 就像我國《宋史》上記載的那樣：“年余稍沒。”這就說明A和B發(fā)出的光都是以C的光速向著地球傳來的。
光在真空中傳遞，既不像波，也 不像粒子，它只遵循一條特殊的規(guī)律：光速不變原理(科學(xué)史上第一個想要測定光速的人是伽利略，他和他的助手各舉一盞燈站在兩個山頭上，由于光速太快，和它 相比兩個山頭之間的距離實在太小了，這個測量當(dāng)然失敗了。第一個測定光速獲得成功的是1676年丹麥的天文學(xué)家羅邁，他通過觀測木星和它的衛(wèi)星這樣的天文 規(guī)模的距離，第一次測出了光的速度，但由于當(dāng)時儀器不夠精密，測得的數(shù)值為225000公里/秒。直到1899年。美國科學(xué)家邁克爾遜才用他改進了的精密 光學(xué)儀器測得了光速的最精確值：299796公里/秒。在不用于精確計算時，經(jīng)常只說它的近似值：300000公里/秒)。
這兩條基本原理和經(jīng)典物理學(xué)都是勢不兩立的，特別是光速不變原理。它和牛頓的絕對時間和絕對空間更是水火不容。
假若有一條平直的鐵路穿過車站，站臺兩邊A、B兩點各立有一根柱子，一個手拿信號燈的工人站在A、B的中點C發(fā)出一個信號，他將看到：信號以相同速度C 通過相同距離同時到達A、B兩點。如果在他發(fā)出信號的同時，正好有一列火車從他身旁經(jīng)過，車上坐著的一位乘客將看到：這個信號以C的光速離開自己向火車兩 頭A、B兩點飛去，由于火車是向著A點奔去，所以對于他來說，信號到達A點走過的距離短，到達B點的距離長。他將看到信號先到達A點，然后到達B點。信號 到達A和B是不同的兩件事，在以地面為參照系的工人看來，這兩件事是同時發(fā)生的;在以火車為參照系的乘客看來，它們卻不是同時發(fā)生的。這只是一種純理論設(shè) 想，在實際生活中，工人、乘客都不可能用肉眼觀察到信號到達A、B兩點的時間。而且光速是那樣快，對于相距不遠的兩個目標(biāo)來說，也根本無法量出信號到達的 先后。一個同時，一個不同時，到底哪個對，在經(jīng)典物理學(xué)看來，事物的是非只有一個絕對標(biāo)準(zhǔn)，要么就是對，要么就是錯。那么對于這個問題如何判斷呢?經(jīng)典物 理學(xué)回答不上來了。
愛因斯坦也為這個問題進行了長期的思索。1905年的一天，他終于想通了，他解決了這個既同時又不同時的問題，因此也創(chuàng)立了相對論。
要解決這個問題，愛因斯坦認(rèn)為首先要解決“什么是同時性”的問題。
如果兩件事發(fā)生在同一個地點，還容易比較，如果兩件事是發(fā)生在兩個地方呢?不能只是想當(dāng)然，必須給予嚴(yán)格的定義，賦予它以物理意義。愛因斯坦是這樣給同時性下定義的：
還是以火車通過車站為例，如果這時突然雷電大作，兩個雷電一個擊中車頭A′，一個擊中車尾B′。車頭A′遭受雷擊時，正好經(jīng)過站臺A點，所以A點的柱子 也同時遭受了雷擊。車尾B′，遭受雷擊時正好經(jīng)過站臺B點，所以B點的柱子也同時遭受了雷擊。我們把車頭A′和柱子A遭受雷擊稱為事件Ⅰ，把車尾B′和柱 子B遭受雷擊稱為事件Ⅱ。那么就可以得出定義：“如果柱子A和柱子B遭受雷擊時發(fā)出的閃光信號同時達到AB的中點C，我們就說，事件Ⅰ和事件Ⅱ?qū)τ诘孛鎱?照系來說是同時發(fā)生的。同樣，如果這兩個閃光信號同時達到A′B′的中點C′，可以說事件Ⅰ和事件Ⅱ?qū)τ诨疖噮⒄障凳峭瑫r發(fā)生的。”
什么是同時性?這就是愛因斯坦在相對論運動學(xué)部分第一個小節(jié)中解決的問題。
下面再回答既同時又不同時的問題。對于牛頓經(jīng)典力學(xué)是無法回答這個問題的，在愛因斯坦相對論里卻成了最基本的原理，那就是：“在兩個相互做勻速直線運動 的參照系里，對一個參照系同時，對另一個參照系就必然不同時。”地面上C點的鐵路工人和火車中C′，點的乘客是分別在兩個相對做勻速直線運動的不同的參照 系中，如果地面上C點鐵路工人，看到事件Ⅰ的光信號和事件Ⅱ的光信號同時到達，那么對于行進中的火車中央C′點的乘客來說，因為火車運動是向著A點，離開 B點的，事件Ⅰ的光信號到他那里走過的距離近，事件Ⅱ的光信號到他那里走過的距離遠，而光速又是不變的，所以他看到事件I的光信號比事件Ⅱ的光信號先到 達，兩者必然是不同時的。
原來，在相對論里，兩個地方遭受雷擊這兩件事，在以地面為參照系的C點上看是同時的，在以火車為參照系的C ′點上看就必然不同時，這根本不是什么自相矛盾，而是千真萬確的真理。所以愛因斯坦說：“兩個地方發(fā)生的兩件事情沒有絕對的同時性。同時性是相對的。”這 正是他在相對論運動學(xué)第二小節(jié)中解決的問題。
同時性是相對的，多么簡單的一句話，但這是多么革命的思想，和我們的經(jīng)驗相距多么遠，需要多么豐富的想象力!時空觀念從此和牛頓的絕對時間和絕對空間決裂了。新的相對論的時空觀念建立起來了。
按照牛頓的說法，全宇宙只有一個時鐘，它指示的時間就是絕對時間。如果絕對時間是8點鐘，那么宇宙間任何地方，無論是在地面上、火車上，還是在其他星球 上，通通都是8點鐘(這里不考慮地球上經(jīng)度造成的時間差，絕對時間就是8點，可能在A地8點是在早上，B地8點是在下午)。既然時間是絕對的，同時性當(dāng)然 也是絕對的。如果兩件事都發(fā)生在8點鐘，不管它們是不是發(fā)生在同一地點，也不管我們是在地面上看，還是在火車上看，它們通通都是同時的。如果兩件事發(fā)生在 不同的時間，不論它們發(fā)生在什么地方，也不管我們是在哪里進行觀察，它們通通都是不同時的。這就是牛頓的絕對時間概念，也是幾千年來人們所習(xí)慣了的、從現(xiàn) 實生活中直接獲得的關(guān)于時間的概念。直到今天，在愛因斯坦的相對論發(fā)表之后，可以這樣說：地球上大多數(shù)沒有學(xué)過相對論的人，在時間概念上依舊停留在牛頓時 代。即使有些已經(jīng)學(xué)過了或者知道了相對論的人，自己也認(rèn)為已經(jīng)打破了牛頓的絕對時間概念，但是往往在碰到一些具體問題時，又會糊涂起來，在自覺或不自覺中 又回到了牛頓的絕對時間里去。舉一個最普通、最簡單的看法：一個時鐘，不管你把它放在中國還是美國，也不管把它放在火車上還是飛機上，它所顯示的時間不都 是相同的嗎?時間和地點無關(guān)，和參照系的運動也無關(guān)，這不是明明白白的嗎?這不正是牛頓的絕對時間嗎?
有這個看法是很正常的，它確實 是從我們生活經(jīng)驗和實踐中產(chǎn)生出來的，但是我們擁有的只是低速運動狀態(tài)下的經(jīng)驗和實踐。牛頓力學(xué)也是從低速運動中總結(jié)出來的，它的運動三大定律對于低速運 動世界確實是有效的，是接近真理的科學(xué)定律;但是在高速運動狀態(tài)下它就成為謬誤了。我們坐過每小時100多公里的特快列車，磁懸浮列車最高時速現(xiàn)在也只能 達到500多公里;我們坐過每小時1000多公里的超音速飛機，最快的航天飛機速度也不過每小時20000公里，相當(dāng)于每秒5000多米?？墒悄阕^每秒 鐘行駛近30萬公里的火車或飛機嗎?當(dāng)然不可能。但是，如果你想象真的坐在了這樣一列飛馳的火車上，那么你就會看到：這列火車上的時鐘所指示的時間和地面 上的時鐘所指示的時間會有明顯的不同。地面上的人會看到火車乘客手上的表比自己手上的表慢了許多(當(dāng)然也只能是在想象中)。
也只有在高速運動狀態(tài)下，才可以準(zhǔn)確無誤地證實時間是相對的：每一個參照系里有它自己的時間標(biāo)準(zhǔn);兩個地點發(fā)生的兩件事情的同時性也是相對的，每一個參照系里有它自己的同時性標(biāo)準(zhǔn)。
三、教授生涯
阿爾伯特·愛因斯坦在發(fā)表了他第一篇相對論研究論文之后的幾年當(dāng)中，分別把家搬往三個文化迥異的城市：瑞士的蘇黎世、捷克的布拉格(當(dāng)時仍在強大的奧匈帝國統(tǒng)治之下)以及德國的柏林。在五年當(dāng)中，愛因斯坦擔(dān)任了四項學(xué)術(shù)性的職位，每一項工作都比前一項更重要。
在他的相對論論文發(fā)表之后，愛因斯坦博士繼續(xù)在伯恩的專利局工作了一段時間。指導(dǎo)愛因斯坦研究而使他獲得博士學(xué)位的蘇黎世大學(xué)的克雷勒教授，對于他這位 杰出學(xué)生所做的研究工作深感興趣。他堅持說，這位年輕人應(yīng)該放棄他在專利局的那些不重要的工作。克雷勒教授宣稱，愛因斯坦所發(fā)表的論文當(dāng)然可以使他在大學(xué) 里獲得一個教書的工作。
但是，根據(jù)大學(xué)法規(guī)，研究生在成為教授之前，必須先擔(dān)任講師。講師的薪水則來自前來聽課的學(xué)生們所付的學(xué)費。 由于參加聽課是自愿性的，聽課學(xué)生人數(shù)的多寡也就決定于講師的名氣。只有極少數(shù)的大學(xué)生聽說過愛因斯坦，因為他的研究工作在當(dāng)時只有杰出的物理學(xué)家們才能 夠討論得了。
所以，剛開始經(jīng)常去聽課的只有兩個人——而且這兩個人都是他的老朋友。愛因斯坦對講課實際上并沒有太大的興趣，他把講課 當(dāng)作是一項展覽。他經(jīng)常說，講課像是“在馬戲團里表演”。有一天，克雷勒教授前去聽課。也許愛因斯坦在他的老師面前感到有點不自在，也許他湊巧在當(dāng)天沒有 充分準(zhǔn)備，克雷勒教授嚴(yán)厲地對他說，他的課講得并不好。他懷疑是否應(yīng)該推薦愛因斯坦擔(dān)任物理系的教授。
愛因斯坦回答說：“我并不要求在蘇黎世被任命為教授。”他的興趣主要在于研究工作，而不在于成為教授后所獲得的高薪及榮譽。
佛來里契·亞德勒是愛因斯坦在聯(lián)邦理工學(xué)院時最親密的朋友之一，此時他是蘇黎世大學(xué)的副教授。亞德勒不愿和他的老朋友競爭，當(dāng)他聽說自己已被提名為教授 時，他立刻向大學(xué)董事會提出申請，但不是為自己而是為他的老朋友說好話。亞德勒說：“如果我們的學(xué)校不能聘請到像愛因斯坦這樣的人才的話，那么，請我擔(dān)任 教授則未免太可笑了。因為，我的能力根本比不上愛因斯坦。”
因此，在1909年，愛因斯坦獲得了副教授的職位。他寫信告訴母親，他終于享受到她在多年以前夢想他擁有的榮譽。
“榮譽倒不少，但薪水就是沒有增加，”米列娃批評說，“你現(xiàn)在所賺的錢比在專利局時還少。”
愛因斯坦提醒她：“但是，我們在生活上總還過得去。”
米列娃不愿斥責(zé)他，也不愿去爭辯。他太忙于在宇宙中遨游了，因此不曾注意到她被迫在很多地方省吃儉用，才能使收支平衡。
“從現(xiàn)在起，生活要更加困難了!”米列娃憂愁地說，“當(dāng)你還在專利局當(dāng)一名小職員時，我們的朋友大多數(shù)是跟我們一樣窮的研究生，因此也不必裝闊。但現(xiàn)在你已經(jīng)是一位教授，應(yīng)該穿得如同其他教授那般講究，而且我還必須舉行晚間宴會，招待他們的太太。”
“我們可以想辦法來應(yīng)付這些新的開支。”她的丈夫以慣常的樂觀態(tài)度回答說。
“你的意思是說，我可以想法子?”米列娃嘲笑他。她實在十分擔(dān)心，而且盡力四處張羅，很快就使收入增加了。因為她招了幾個學(xué)生住在家里。
“這個辦法真是太好了!”愛因斯坦高興異常，“現(xiàn)在我可以跟這幾個學(xué)生一起吃晚餐，并且像老朋友似的和他們聊天，而不是像教授對學(xué)生說話。他們也會開開玩笑，向我提出問題，并且前來向我請教。”
他很討厭繁文縟節(jié)，在學(xué)生時代就是如此。學(xué)生們很喜歡他，因為他從不要求他們尊敬他。愛因斯坦十分狂熱地講求民主，因此對較資深的教授，也是同樣自然而親切。雖然愛因斯坦因此結(jié)交了許多朋友，但像他這樣不拘小節(jié)、我行我素的人，免不了會在無意間得罪某些人。
蘇黎世的生活過得相當(dāng)愉快，最后在布拉格的德國大學(xué)請他擔(dān)任正教授時，他才于1910年離開瑞士。倒并不是薪水多才使他動心，因為他非常欣賞19世紀(jì)的英國物理學(xué)家法拉第，他的個性和法拉第十分相似。法拉第曾經(jīng)說過：“我一向熱愛科學(xué)甚于金錢……我絕不會致富的。”
“我現(xiàn)在必須寫信告訴媽媽，我即將成為一所德國著名大學(xué)的正教授了!”他輕輕笑著說，“我小學(xué)時候的老師曾取笑我口齒不清，而且害羞，還說我是她所教過的學(xué)生當(dāng)中最笨的一個。而我媽媽卻認(rèn)為我將會成為一名正牌教授。”
“就像是丑小鴨!”漢斯叫道，“爸爸，把那個故事再告訴我們，好嗎?”
“讓你們的爸爸去收拾他的文件和書籍吧。”米列娃對他的孩子說，“他必須自己收拾才行。”她并沒有說出如果愛因斯坦不收拾文件和書籍的話，這件工作將要落在她原已過度負(fù)荷的肩膀上。因為在處理家務(wù)上，她已經(jīng)知道絕不可依賴她那位喜好做夢的學(xué)者型丈夫了。
一到布拉格，米列娃先找了幾個房間讓全家人住下來，等家具從瑞士運來后再作安排。但很不幸的，鄰居們對于孩子們的吵鬧行為提出抗議，房東很有禮貌但卻堅決地要求愛因斯坦一家人搬走。
“我們搬到什么地方去呢?”米列娃深感焦急地說，“兩個小男孩吵得要命，又沒有辦法讓他們安靜下來。我已租了一間公寓，但是家具還沒有運來，我們怎么辦呢?”
這時，愛因斯坦第一次擔(dān)負(fù)起家庭責(zé)任。“我去買些簡單家具暫時用一陣子，等我們自己的東西運到就好了。不，不會太貴的，只是用一陣時間，我去買些二手貨好了。”
米列娃看到他如此實際，心里倒是十分高興。但等到他們一家人在布置簡單的公寓里睡了一個晚上后，她就改變了這種想法。某些小東西隨著其中一張舊床闖了進來，漢斯和愛德華整晚輾轉(zhuǎn)反側(cè)，第二天早上向母親展示他們的手上、腿上密密麻麻的可疑紅色小點。
“臭蟲!”米列娃不禁發(fā)出叫聲，“要用什么法子才能把它們除掉?”
“不要擔(dān)心，”愛因斯坦對她說，“它們一定是捷克臭蟲，等到它們發(fā)現(xiàn)我們是真正友善的德國人時，就不會再咬我們了。”
他已經(jīng)知道，布拉格的捷克人是如何地痛恨他們的外來統(tǒng)治者。在他們到達的當(dāng)天晚上，愛因斯坦全家到一家小餐館吃晚飯。
“你可曾看過如此怪異的菜單?”米列娃驚叫說，“瞧，這兒的菜名用德文寫的只占半頁。把菜單倒過來，就是用捷克文寫的另一份菜單。”
愛因斯坦把侍者叫到餐桌邊來，這位教授很高興地發(fā)現(xiàn)，這位侍者會講德語。愛因斯坦現(xiàn)在能說流利的法語，而且也學(xué)過意大利語。他一向覺得語言是個困難的問題，他也聽說，捷克語不好學(xué)，因此他很高興能夠使用他的本國語言。
“你們?yōu)槭裁窗巡藛斡〕蛇@樣子?”他問道。他的聲調(diào)和表情都極其和藹，因此那位一向以有禮但冰冷的態(tài)度對待其他奧地利及德國客人的侍者，也對他報以微笑，說：“先生，因為我們的顧客包括德國人、奧地利和捷克人，他們?nèi)枷矚g見到菜單上印著他們本國的文字。”
“這話固然不錯，但是，為什么不把菜單正印呢?先印捷克文，然后德文。”
“如果我們的德國顧客發(fā)現(xiàn)他們的文字被印在卡片的下半部，他們就會認(rèn)為受到輕視。”
“我想，如果你們先印德文菜單，你們的捷克顧客也會認(rèn)為受到了侮辱。”
這位侍者點點頭，然后急趕去侍候另外一桌的客人。
“由此可以看出布拉格的氣氛是多么惡劣!”米列娃說，“我比較喜歡瑞士，在那里，各個種族的人都能相安無事。”
從此以后，愛因斯坦經(jīng)常去那間小餐館，不僅是為了享受它特有的菜肴，也常和那位侍者及他在那兒遇到的捷克朋友談?wù)勌?。愛因斯坦教授跟布拉格的許多德國人 和奧地利人不一樣，他沒有種族歧視的觀念，他并不輕視那些被統(tǒng)治的捷克人。他發(fā)現(xiàn)，德國大學(xué)在奧地利人的控制下，只能講德語。所以，德國大學(xué)的教授、學(xué)生 和捷克人的古老捷克大學(xué)之間，存在著一股互不信任甚至是互相仇恨的感覺。
有幾位學(xué)生前去聽愛因斯坦講課，并接受指導(dǎo)從事研究。因為其 他許多德國教授的態(tài)度都很傲慢，起初這些年輕人反而懷疑愛因斯坦如此和善是否別有企圖，等到他們知道可以信任這位德國人之后，這些學(xué)生就對他坦白地談起他 們的人民長久以來對自由的爭取以及這種奮發(fā)的熱忱一直未曾消失。
雖然，愛因斯坦遠離猶太人已經(jīng)有好多年，但在布拉格他開始覺得與他的同胞越來越親近了。奧地利皇帝弗蘭茨·約瑟夫規(guī)定，任何一位大學(xué)教授必須屬于他帝國所承認(rèn)的任何一種教會，否則就不承認(rèn)他的教授資格。愛因斯坦自己登記為猶太人，但這純粹只是表面上的。
有一次，他沿著狹窄的圓石街道，走入以前的猶太人聚集區(qū)，站在那兒，仿佛回到了幾世紀(jì)前。這個古老的猶太區(qū)高墻上的時鐘，用希伯來文標(biāo)明時刻，猶太教會 堂的石墻，堅固得猶如堡壘，因為當(dāng)布拉格的猶太人為了躲避他們的敵人追擊而逃到會堂時，就把會堂作為抵抗的據(jù)點。附近有處墓園，從里面崩塌的墓碑，可以知 道有多少圣徒及學(xué)者成為痛恨猶太人的血腥暴民的犧牲者。
走在這些墳?zāi)怪g，猶太人的歷史對愛因斯坦來說，變得比他以前聽慕尼黑的猶太教士所講述的更為真實。
“猶太復(fù)國主義”——這項運動的主要目的，是要將猶太國家重建于猶太人在幾世紀(jì)以前被逐出的巴勒斯坦地區(qū)——第一次使愛因斯坦對它產(chǎn)生興趣。愛因斯坦在 布拉格的一些新朋友，都是猶太復(fù)國主義者。某些晚上，他們坐在一位朋友的家中，討論在古猶太地區(qū)建立一個猶太國家的夢想。愛因斯坦坐在一旁，抽著他的煙 斗，默默地沉思。
表明宗教信仰，并不是愛因斯坦獲準(zhǔn)進入布拉格德國大學(xué)執(zhí)教所必備的正式申請手續(xù)之一。另外有一項要求，使這位憎恨戰(zhàn) 爭的科學(xué)家深感震驚，且視之為最愚蠢的做法，那就是要求他購買一件制服。這種制服跟奧地利海軍軍官的制服十分相似——三角形的羽毛帽、飾以穗帶的外套和長 褲，以及一把長劍。跟所有奧地利教授一樣，愛因斯坦被要求穿上這件華麗的制服，宣誓效忠，然后才獲準(zhǔn)開始在大學(xué)執(zhí)教。當(dāng)然，他以后再也不曾穿過那件制服。 但他的大兒子漢斯卻非常喜歡他的那套制服。
“爸爸，”他請求說，“在你賣掉或送走那件可愛的制服之前，我希望你把它穿起來，佩上你的劍，然后帶我出去走一走。我希望我的所有朋友都能看到你穿上這件制服。”
“好的，沒問題。”他的父親笑道，“他們會以為我是巴西海軍上將呢。”
愛因斯坦認(rèn)為十分愚蠢的另一項布拉格風(fēng)俗，是新進的教授必須去拜訪與他在同一學(xué)校任教的每一位教授。愛因斯坦感嘆地說：“老天爺!要連續(xù)去拜訪四十個 人，多么討厭呀!”另一方面，他也在心里愉快地想，在從事這種令人厭煩的拜訪時，可以順便欣賞一下布拉格各區(qū)不同的景象，也是挺不錯的。因此，他開始愉快 地展開漫長的拜訪活動，他總是挑選可以供他散步而且是他所急于去看看的區(qū)域。當(dāng)這些“觀光活動”結(jié)束后，愛因斯坦立即把訪問名單撕掉，不再繼續(xù)這種正式的 訪問。他未去訪問的那些教授們自覺受到了侮辱，可是他們怎會知道，愛因斯坦博士之所以不去拜訪他們，只不過是因為他們所住的地區(qū)引不起愛因斯坦的興趣而 已。
布拉格也有一些人，經(jīng)常受到愛因斯坦的一再拜訪，這些人都是科學(xué)家，他可以和他們交換意見，再不然就是同樣有著音樂嗜好的好朋友們，尤其是后者他更喜歡和他們接近。愛因斯坦曾接受邀請，加入了一個由極有天分的業(yè)余音樂家所組成的四重奏小組。
愛因斯坦住在布拉格期間，繼續(xù)進行研究工作。他不僅在書房內(nèi)研究，而且在曲折蜿蜒的街道上散步時，或漫步在可愛的小山丘時，他的頭腦也在不停地思索著新的問題。他有一次告訴與他共同工作的一位物理學(xué)家說：“我所從事的工作，在任何地方都能進行。”
愛因斯坦在布拉格定居后不久，他的母校(蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，已經(jīng)升級為大學(xué))卻在這時請他回去擔(dān)任教授。回想過去，他未能通過理工學(xué)院的入學(xué)考試，后 來這家學(xué)校的部分教授又不愿推薦他擔(dān)任最卑微的教職。如果愛因斯坦的天性中存有一絲一毫的褊狹，就一定會對這項勝利抱著驕矜自喜的心理，但愛因斯坦并沒有 這樣想。
他一直懷念那個可愛的瑞士城市，他在當(dāng)?shù)赜性S多朋友和同事。而且米列娃在布拉格始終覺得不很愉快，當(dāng)愛因斯坦正在猶疑不決之時，她主動說服他回到那個她深深喜愛的城市。于是愛因斯坦教授在1912年離開布拉格，接受蘇黎世的教職及研究工作。
幾年以前，杰出的德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克曾這樣說：“如果愛因斯坦的理論被證明為正確的話，他將被推崇為20世紀(jì)的哥白尼。”雖然愛因斯坦只是三十 出頭，但他的聲譽卻與日俱增。由于他的新理論引起全球科學(xué)家的最大興趣，于是獲得了每位科學(xué)家終生追求的最高榮譽——應(yīng)邀前往布魯塞爾舉行的世界著名物理 學(xué)家大會索維爾會議上發(fā)表演說。
四、柏林之約
1913年夏天，兩位年過半百、德高望重的權(quán)威學(xué)者，風(fēng)塵仆仆地從柏林來到蘇黎世。這兩位學(xué)者一個是普朗克，一個是能斯特。
普朗克是德國《物理學(xué)年鑒》的編輯委員。一天，當(dāng)他在柏林大學(xué)的家中養(yǎng)病時，印刷廠送來了《物理學(xué)年鑒》的清樣，上面登載著愛因斯坦的論文《論動體的電 動力學(xué)》，他隨手翻了翻，立即被愛因斯坦的思想吸引了。他忘記了醫(yī)生的忠告，急忙移到書桌邊，全神貫注地讀了起來。過了好一會，這位素以嚴(yán)格穩(wěn)重著稱的教 授猛然跳起來，叫道：“簡直是哥白尼!作者是什么人?他在哪兒?”普朗克的心里怎么也平靜不下來，他馬上按雜志提供的地址給從未見面的愛因斯坦寫了一封 信。普朗克寫道：“你這篇論文發(fā)表以后，將會發(fā)生這樣的戰(zhàn)斗，只有為哥白尼的世界觀進行過的戰(zhàn)斗才能與它相比……”能斯特更是一個政治型的大學(xué)者。一方 面，他是20世紀(jì)最偉大的化學(xué)家之一;另一方面，他對德意志民族的對外擴張又特別感興趣。有人說能斯特是一個具有驚人號召力和能量的人，是一個天生的組織 家，一位深刻的思想家。
這兩個大學(xué)者，來蘇黎世干什么?觀光?旅游?都不是，他們是帶著德意志的使命來拜訪愛因斯坦的。
當(dāng)時的德國，專門的國家科學(xué)機構(gòu)或由政府倡議私人投資建立的科學(xué)機構(gòu)不斷涌現(xiàn)，在這些機構(gòu)中，理論研究也受到執(zhí)政者的高度重視。為了從英國那里奪取科技 和工業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢，以“鐵腕政策”重新劃分市場、原料產(chǎn)地、投資場所，日耳曼帝國特別希望使理論思維的實力集中在擴張工業(yè)和軍事競爭上。
金融寡頭熱心支持日耳曼皇帝的計劃，宣布建立協(xié)會和研究所，并以受過加冕禮的倡議者的名字來命名。“威廉皇家協(xié)會”便是由銀行家和工業(yè)家們組成的，他們 對研究所提供贊助，給他們中的每一個人援予元老稱號，贈送特制的長袍，授予任意參加有皇帝出席的隆重午宴的權(quán)利。在德意志狹隘民族主義甚囂塵上的當(dāng)時，有 誰會反對這種做法呢?威廉皇家協(xié)會準(zhǔn)備吸收最優(yōu)秀的科學(xué)家們參加，他們可以獲得比較優(yōu)厚的酬勞，沒有教學(xué)任務(wù)，有權(quán)進行任何個人感興趣的研究。設(shè)想這些研 究將會帶來累累碩果不是沒有根據(jù)的。
挑選學(xué)者的具體工作就由普朗克和能斯特負(fù)責(zé)。普朗克和能斯特聯(lián)名向上司報告：只有把愛因斯坦請來，柏林才能成為世界上絕無僅有的物理學(xué)研究中心。
但是，這需要勇氣和非凡的眼力。在德國人的眼里，愛因斯坦無疑是一個“怪人”。年紀(jì)小小就毅然放棄自己的出生之地，不做德國人。忠君、愛國、英勇、服 從，這些德國人心目中的崇高品德，常常受到他的嘲笑，他把這些東西叫做愚蠢和盲從。然而，要把這樣一個“怪人”拉回到德國精神文化生活的中心，要具有極大 的吸引力才行。普朗克、能斯特放出的“釣餌”是誘人的。
第一，請愛因斯坦擔(dān)任正在籌建中的威廉皇家物理研究所所長。這個建議似乎很奇 怪，隨便由誰來領(lǐng)導(dǎo)一個研究機構(gòu)，恐怕都比這位心不在焉的愛因斯坦教授強?？墒遣灰o，所長代表地位和榮譽。如果他高興，可以出些主意;如果不高興，也可 以撒手不管，日常事務(wù)自有常務(wù)秘書打理妥當(dāng)。
第二，選愛因斯坦當(dāng)普魯士科學(xué)院院士。一般院士是沒有薪水的榮譽頭銜，但愛因斯坦就任的是實任院士，年薪1200馬克。
第三，聘愛因斯坦為柏林大學(xué)教授。他有授課的權(quán)利，只要他有興趣。但卻沒有講課的義務(wù)，講多講少，講課的內(nèi)容和時間，均由他自己決定。大學(xué)里的一切事務(wù)，他可一概不必過問。
這個方案，真不愧是網(wǎng)羅愛因斯坦的妙計。它是普朗克的浪漫主義和能斯特的實干精神合作的產(chǎn)物。他們算是摸透了愛因斯坦的心思，愛因斯坦不能不動心了。
在這個世界上，還祈求什么呢?安定的生活環(huán)境，良好的工作條件，充裕的研究時間，不受任何束縛和干擾，全心全意地進行相對論研究，實在是巨大的誘惑?？?接受在柏林的工作，愛因斯坦并不是坦然的。在他看來，移居普魯士首府，這個德意志軍國主義和帝國主義的老窩，像是背叛了自己的政治道德信念。中學(xué)時代，他 離開出生地，就是希望從那時起能放棄德國國籍，以便與軍事操練和“黷武氣息”一刀兩斷?？墒乾F(xiàn)在難道還要返回普魯士軍國主義的大本營去安家定居?甚至還要 去當(dāng)普魯士皇家機構(gòu)的官員?再說米列娃怎么辦呢?雖說此時兩人關(guān)系緊張，但米列娃畢竟還是自己的妻子。德國人看不起斯拉夫人，斯拉夫人也不喜歡德國人。柏 林那種匆忙和刻板的生活，米列娃是永遠不會喜歡的。還有一點，愛因斯坦對自己的創(chuàng)造性有了一種隱隱的憂慮。他曾對蘇黎世的摯友說過：
“柏林的先生們把我當(dāng)做豢養(yǎng)的產(chǎn)卵雞，可連我自己也不知道，我還能不能下蛋!”愛因斯坦陷入了猶疑不定之中。
“你的出生之地，你真正的祖國在等待著你!”普朗克以他自認(rèn)為最神圣的感情勸說著愛因斯坦。
“可是，我是個和平主義者，”愛因斯坦說，“德國真的會歡迎我嗎?”
“德國歡迎的是物理學(xué)家，相對論的創(chuàng)立者……”能斯特的政治家風(fēng)度與外交辭令隱藏了他真正的目的。
“但是，”愛因斯坦打斷他們的話，“這算得了什么呢?相對論算不了什么的。朗之萬說過，全世界只有12個人懂得相對論。”
“這一點我們同意，可是在這12個人里，倒有8個在柏林呢!”普朗克、能斯特自負(fù)地大笑起來。
愛因斯坦也笑了。確實，柏林是當(dāng)時自然科學(xué)研究中心，有一流的設(shè)備，一流的人才，確實是研究與推廣相對論的最佳地點。
“這樣吧，”愛因斯坦面對難題的幽默又表現(xiàn)出來了，“你們二位先生先去玩幾天，等你們再回蘇黎世，我到車站來接你們。”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’;要是拿一束紅玫瑰花，就是‘去柏林’。”愛因斯坦做出了一個浪漫的決定。
當(dāng)普朗克、能斯特懷著忐忑不安的心情從郊外返回蘇黎世火車站時，一束紅玫瑰在愛因斯坦手里盛開著，他們的心放下了。柏林科學(xué)院早已盼望愛因斯坦的到來 了。1911年，諾貝爾獎金獲得者范特霍夫逝世后，柏林科學(xué)院就想物色一位繼承人擔(dān)任常務(wù)院士。當(dāng)年老力衰的倫琴謝絕這個職務(wù)后，柏林科學(xué)院想到的首要人 選就是愛因斯坦。1913年7月10日，在普魯士皇家科學(xué)院學(xué)部全會上，愛因斯坦以44票對2票，榮膺為正式院士。愛因斯坦在1914年4月去了柏林，并 且在柏林一直定居到1932年12月。遺憾的是，米列娃沒有再跟隨愛因斯坦，他們分居了，一個家庭終于破裂了。
五、廣義相對論
在狹義相對論發(fā)表以后，愛因斯坦科學(xué)研究的主流就在于探索更廣泛的理論，這就是廣義相對論。但是這個理論只 局限于彼此做相對運動的參考系，而不能用于參考系的一般運動。他力圖突破這種限制，設(shè)法解決在一般情況中的相對論問題。1907年約翰·斯塔克要愛因斯坦 為《放射學(xué)和電子學(xué)年鑒》寫一篇關(guān)于狹義相對論的專題論文。在寫這篇文章時，他忽然想到，幾乎所有自然規(guī)律都可以在狹義相對論的框架內(nèi)加以討論，而惟獨引 力定律不行。最令他不滿意的是，雖然狹義相對論對慣性和能量之間的關(guān)系已經(jīng)做了明確的闡述，但是對慣性和重量或引力場能量之間的關(guān)系并沒有闡述清楚。他意 識到這個問題不可能在狹義相對論的框架內(nèi)得到解決。如何下手呢?
有一天，這個問題忽然有了突破。愛因斯坦在伯爾尼專利局，正坐在一把 椅子上，突然一個想法打動了他：如果一個人自由下落，他就不會感覺到自己的重量。他吃了一驚。這個簡單的思想實驗對他有極深刻的影響，它把愛因斯坦引向了 引力理論。他坐在椅子上繼續(xù)思考：一個下落的人被加速，那么他的感覺和判斷就都發(fā)生在加速的參考系中。他決定把相對論擴展到有加速度的參考系。他感到，這 樣做就有可能同時解決引力問題。一個正在下落的人感覺不到自己的重量，因為可看作在他的加速度參考系中有一個新的引力場，它抵消了地球的引力場，在加速度 的參考系中，看來需要一個新的引力場。
愛因斯坦做了進一步的思考，將思考的結(jié)果寫入發(fā)表在德國《放射學(xué)和電子學(xué)年鑒》1907年第四 卷的《關(guān)于相對性原理和由此得出的結(jié)論》一文中。在該文的第五部分“相對性原理和引力”中，他一開始就提出一個問題：“是否可以設(shè)想，相對性原理對于相互 做加速運動的參照系也仍然成立?”也就是說，應(yīng)該成立一條“廣義相對性原理”：即所有參考物體K、K′等不論它們的運動狀態(tài)如何，對于描述自然現(xiàn)象(表述 普遍的自然規(guī)律)都是等效的。慣性參照系不應(yīng)該是自然界中的一種具有特殊地位的參照系。
同時，在該部分，他明確提出了“等效原理”： 引力場同參照系的相當(dāng)?shù)募铀俣仍谖锢韺W(xué)上完全等價。所謂等效原理，即認(rèn)為從時空小范圍來看，一個沒有引力場的勻加速運動的坐標(biāo)系同有引力場的慣性系是等價 的。也就是說，可以在任何一個局部范圍內(nèi)找到一個坐標(biāo)系，使引力在其中被消除。其合理性可以通過一個理想電梯實驗來說明。比如，一個人處于密閉的電梯內(nèi)， 在地球引力場內(nèi)讓電梯處于靜止或勻速運動的狀態(tài)，此時電梯是一個有引力場的慣性系，電梯內(nèi)的人受到引力作用，使他的腳同地板間產(chǎn)生的壓力等于他的重量。另 外再設(shè)想若不存在地球引力場，而使密閉的電梯以與重力加速度數(shù)值相等的加速度向上運動，此時電梯是一個沒有引力場的非慣性系，電梯里的人在慣性的作用下使 腳同地板間也產(chǎn)生一個壓力，其數(shù)值顯然也等于他的重量。處于上述兩種情況的人將無法區(qū)別電梯到底是處于加速運動狀態(tài)還是處于引力場中。假使處于地球引力場 中的電梯繩索斷了，那么電梯將做自由落體運動，這時處于密閉電梯中的人將看不到任何引力存在的現(xiàn)象，即處于失重狀態(tài)。這說明，可以通過選擇某種坐標(biāo)系，在 局部范圍內(nèi)使引力完全消除。這個理想實驗也說明，任何可以歸屬于加速參照系的效應(yīng)都可被看做是一種引力效應(yīng)。
1913年秋，愛因斯坦從蘇黎世前往維也納出席自然科學(xué)家會議。他在這個會議上做了一個關(guān)于廣義相對論的比較通俗的報告。盡管理論還未最終完成，但愛因斯坦等不及了。
1915年，是愛因斯坦在探索廣義相對論的道路上富有成果的一年。他先發(fā)表了一篇《用廣義相對論解釋水星近日點運動》的論文，不用任何特殊假設(shè)就成功解 釋了水星在近日點的運動：每100年大約轉(zhuǎn)43″。他還糾正了1911年計算光線經(jīng)過太陽附近時彎曲的錯誤數(shù)值0.83″，新結(jié)果比原先大1倍即 1.7″。當(dāng)年11月，愛因斯坦終于完成了他的廣義相對論的集大成論文《廣義相對論的基礎(chǔ)》，該文發(fā)表于1916年的德國《物理學(xué)雜志》上。在這篇論文 中，他終于得到了正確的引力方程式。從此，他暫時結(jié)束了從1907年以來對廣義相對論所進行的艱苦卓絕的探索。
現(xiàn)在介紹一下廣義相對論。
要了解廣義相對論，必須先從牛頓力學(xué)談起。運動三定律和萬有引力定律是牛頓力學(xué)的兩大支柱，狹義相對論已經(jīng)對運動三定律做了改造，而萬有引力定律卻還是原封未動?？墒?，萬有引力定律與相對論之間是有矛盾的。
任何兩個物體，大到天體，小到塵埃，不管它們相距有多遠，彼此之間都有吸引力。地球和太陽相距1.5億多公里，茫茫太空，沒有任何傳遞的媒介，引力是怎 樣傳遞到地球上來的?光從太陽傳遞到地球上還需要8分多鐘，而引力的傳遞卻連一秒鐘也不要。對于這種超距即時作用的萬有引力，實在令人感到難以理解。
引力到底是怎樣產(chǎn)生的?廣義相對論就要來解開這個謎。
在狹義相對論中，光速是速度的極限，沒有任何東西的速度能夠超過光速，力的傳遞速度當(dāng)然也不能例外?？墒歉鶕?jù)萬有引力定律，我們在地球上進行任何活動，月球的引力都將立即隨之而起變化，這樣，信號的傳遞速度是無窮大的。這和相對論是矛盾的。
既然引力定律和相對論有矛盾，那就一定是引力定律有什么地方不對頭。在愛因斯坦的觀念里，就是這么簡單。因此愛因斯坦想到要來重建一個全新的，和相對論協(xié)調(diào)一致的引力理論。這是建立廣義相對論的目的之一。
狹義相對論的兩條基本原理之一，相對性原理說：在兩個相互做勻速直線運動的參照系中，一切物理定律都是相同的。為什么一定要是相互做勻速直線運動呢?相 互做加速運動行不行呢?在建立狹義相對論以后，愛因斯坦一直在想這個問題。他想，自然界為什么要給勻速直線運動以一種特殊優(yōu)越的地位呢?為什么要給慣性系 以一種特殊優(yōu)越的地位呢?他認(rèn)為，大自然是統(tǒng)一的、和諧的、簡單的，不應(yīng)該優(yōu)待某一類參照系，歧視某一類參照系，所有的運動都是相對的，所有的參照系都具 有平等的權(quán)利。在每一個參照系中物理定律都應(yīng)該成立，而且應(yīng)該具有某種相同的形式，不論它是慣性系還是非慣性系?，F(xiàn)在，非慣性系中的物理定律和慣性系中不 同，有的干脆不成立，愛因斯坦認(rèn)為那是因為表示物理定律的方法不好。如果用更好的方法來表示物理定律，那么，物理定律就應(yīng)該在所有的參照系中都成立，而且 具有某種相同的形式。這就是廣義相對性原理，又稱廣義協(xié)變原理。它的嚴(yán)格表述式是：客觀的真實的物理定律在任意坐標(biāo)變換下形式不變——廣義協(xié)變。它是狹義 相對論中的“相對性原理”的推廣。
使所有的參照系都平權(quán)，把相對論從慣性系中推廣到非慣性系中，這是建立廣義相對論的又一個目的。
物體的質(zhì)量具有兩重性質(zhì)，它具有慣性，同時產(chǎn)生引力。我們分別把它們稱做慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量。慣性質(zhì)量出現(xiàn)在牛頓力學(xué)第二定律中：
力=慣性質(zhì)量×加速度
引力質(zhì)量出現(xiàn)在牛頓的萬有引力定律中：
力=引力質(zhì)量×引力場強度
在牛頓力學(xué)中，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量之間并沒有內(nèi)在的聯(lián)系，可是卻又巧得很，二者偏偏完全相等。在牛頓力學(xué)的時代，誰也不會去懷疑這二者是相等的，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量不加區(qū)別，統(tǒng)稱為質(zhì)量。
愛因斯坦想，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間，如果沒有某種內(nèi)在的聯(lián)系，為什么會那么精確地相等呢?人們手里拿著一塊石子，松手就往下掉，做勻加速直線運動。在 這里地球吸引石子，是在召喚石子的引力質(zhì)量，石子的落體運動。卻是以慣性質(zhì)量來回答。二者之間一定有著某種內(nèi)在的聯(lián)系，必然會包含著某種深刻的道理。愛因 斯坦窮追到底，終于發(fā)現(xiàn)，這內(nèi)在的深刻的道理就是：“等效原理”?，F(xiàn)在我們不去講述愛因斯坦得到等效原理的繁瑣的實驗和推理過程，只講一講等效原理的本 身，什么是等效原理呢?
相等于慣性系做加速運動的參照系是非慣性系，但是它和慣性系平權(quán)。不能站在慣性系的立場上否定加速系中切切實實感覺得到的慣性力。慣性力是存在的，加速系中物體受到慣性力的作用：
慣性力=慣性質(zhì)量×加速度
同一個物體，在引力場中受到引力的作用：
引力=引力質(zhì)量×引力場強度
因為慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，只要加速系的加速度等于引力場強度，慣性力就等于引力，所以加速系的慣性力場等效于引力場。這就是等效原理。根據(jù)等效原理， 密閉實驗室里的人，根本不可能區(qū)分引力場的作用和加速運動，根本不可能弄清楚自己是在加速實驗室中還是在引力實驗室中。對等效原理一般的表述為：慣性力場 與重力場的動力學(xué)效應(yīng)是局部不可分辨的。這是等效原理的弱形式。如果將“動力學(xué)效應(yīng)”換為“任何物理效應(yīng)”，就是等效原理的強形式。
有了等效原理和廣義相對性原理這兩個基本原理，愛因斯坦就又可以著手建立他的廣義相對論了。這和他在相對性原理和光速不變原理這兩個基本原理的基礎(chǔ)上建立 狹義相對論的情況完全相同。整個建立相對論的過程也十分相像：從經(jīng)過實驗驗證的基本原理出發(fā)，大膽突破舊的物理概念的框框，引進全新的物理概念，經(jīng)過復(fù)雜 的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和運算，最后得到需要的結(jié)果。這就是愛因斯坦建立兩個相對論的工作方法。相對論的結(jié)果，幾乎每一個看起來都十分荒誕，但是從相對論中能推導(dǎo)出一 個又一個經(jīng)得起實驗驗證的結(jié)果，能推導(dǎo)出牛頓力學(xué)，但它又能給出牛頓力學(xué)中沒有的東西。用數(shù)學(xué)名詞來說，牛頓力學(xué)是相對論的一級近似。
愛因斯坦建立狹義相對論是從討論“同時性”突破的。那么他建立廣義相對論又是以什么作為突破口呢?那就是“等效原理”。從慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，到慣性 力等價于引力，到加速參照系等價于靜止在引力場中的參照系，這是多么大膽、多么富有想象力的一步!然而從等效原理到建立起完整的廣義相對論，還有更艱苦的 路程要走。在建立狹義相對論過程中，從解決同時性問題到寫成《論動體的電動力學(xué)》。愛因斯坦只用了五個星期的時間。可是，從1907年建立等效原理到 1915年建立引力場方程，引出空間時間的彎曲，最終寫成廣義相對論，卻用了整整八年時間(正式發(fā)表是在1916年)。
根據(jù)等效原 理，引力場的每一點附近局部地等價于一個慣性力場，也就是等價于一個相對于慣性系做加速運動的非慣性系，但慣性系與非慣性系之間是可以通過坐標(biāo)變換變過來 變過去的。這樣，不存在引力的慣性系和局部等價于引力場的非慣性系之間的不同，只有空間時間結(jié)構(gòu)的某種不同。既然引力場的每一點附近都?xì)w結(jié)為一個非慣性 系，整個引力場也就十分自然地歸結(jié)為空間時間的某種內(nèi)在結(jié)構(gòu)，也就是空間時間的彎曲了。
從牛頓力學(xué)出發(fā)，承認(rèn)牛頓的引力，得到等效原理，然后又根據(jù)等效原理，把引力場歸結(jié)為空間時間的彎曲，從而取消牛頓的引力，改造牛頓力學(xué)，這就是愛因斯坦以等效原理為突破口，建立廣義相對論，把引力場當(dāng)做空間時間內(nèi)在結(jié)構(gòu)來處理的基本思想。
現(xiàn)在再來看看，從等效原理是怎樣引出空間時間的彎曲的。
先來做一個實驗：將一束水平方向的光線射進一個慣性實驗室。根據(jù)狹義相對論，光在慣性系中將以不變的光速做直線運動?，F(xiàn)在實驗室向上加速，成了加速實驗 室。它就相當(dāng)于愛因斯坦在構(gòu)思相對論過程中經(jīng)常思考的電梯實驗中的電梯。1913年愛因斯坦和http://lishi.zhuixue.net/renwu/julifuren/' target='_blank'>居里夫人在阿爾卑斯山上談話時，就向居里夫人講述過這個實 驗，現(xiàn)在物理學(xué)界已經(jīng)把這個著名的電梯稱做“愛因斯坦電梯”。這束光在原來的慣性系中是水平向前運動的，現(xiàn)在對于加速系來說，它的運動必然要向下彎曲。根 據(jù)等效原理，加速實驗室等價于引力實驗室，因此這束光要是射進引力場，它也會向下彎曲。人們從來就知道光是沿著直線傳播的，現(xiàn)在愛因斯坦卻向全世界宣布： 在引力場中，光線是彎曲的。
再做一個實驗：一個人在慣性實驗室里向斜上方拋出一個小球，拋出以后小球不再受力，它遵從慣性定律做勻速直線運動。現(xiàn)在實驗室向上加速，成了加速實驗室，他再向斜上方拋出一個小球，小球?qū)⒃鯓舆\動呢?顯然小球?qū)⒆鰭侒w運動。
同樣，根據(jù)等效原理，在引力實驗室里情況也將是如此。
對于這三個實驗室里進行的實驗，牛頓力學(xué)是這樣解釋的：
一、慣性實驗室是慣性系，它是好的參照系，在這里慣性定律成立，拋出的小球做勻速直線運動。
二、加速實驗室是非慣性系，它是不好的參照系，在這里慣性定律不成立，小球不服從慣性定律，不做勻速直線運動而做拋體運動。
三、在引力實驗室里，小球因為受到了引力的作用，做拋體運動。
在三個實驗室里做完全相同的實驗，卻得到了三種完全不同的解釋。
對于這三個實驗室里進行的實驗，愛因斯坦的相對論又是怎樣解釋的呢?
相對論認(rèn)為：慣性定律應(yīng)該適用于一切參照系，不論它是慣性系還是非慣性系。因為引力場中每一點的附近都局部地等價于一個加速系，所以慣性定律在引力場中 也同樣適用。在三個實驗室中，慣性定律全部應(yīng)該成立。在這三種情況下，小球都沒有受到外力的作用。慣性實驗室中的勻速直線運動和加速實驗室、引力實驗室中 的拋體運動，本質(zhì)上是相同的，都應(yīng)該服從同一個慣性定律。那么怎樣才能滿足這個要求呢?愛因斯坦提出了兩點：
第一點，四度空時是彎曲的，曲率由物質(zhì)的分布決定。在這里，牛頓所說的物質(zhì)產(chǎn)生引力變成了物質(zhì)引起空間與時間的彎曲，也就從根本上取消了引力。
第二點，牛頓的慣性定律修改為“不受外力作用的時候”，質(zhì)點的運動在四度空時中的軌跡是一條“短程線”。這樣一來，慣性定律就在這三個實驗室里都成立了。
這里要解釋一下什么是“短程線”?兩點之間可以做無數(shù)條連線，最短的那條線就是短程線。
平面幾何里就有這條最基本的概念：“兩點之間直線最短”。這里為什么不直接把短程線叫做直線呢?不行，因為它只是平面幾何的概念，在相對論里討論的是空 間曲面，而在球面上，最短連線就不再是直線，而是大圓弧了。在廣義相對論中，引力場方程的基本思想就來自第一點，運動方程的基本思想就來自第二點。 1939年，愛因斯坦又直接從引力場方程推出了運動方程，這樣，第二點就不再必要了。
在平面上，任何一個方向的運動都可以分解為平直 兩個垂直方向的運動，因此它是一個二度空間。球面也是一個二度空間，它是彎曲的二度空間。我們生活的世界是一個三度空間，所以我們能夠從外部觀察到二度的 平直空間是如何彎曲成二度的彎曲空間的：能夠觀察到平面上的短程線——直線是如何彎曲成球面上的短程線螺線的。但是，生活在三度空間里的我們，就難以直觀 地想象出三度空間的彎曲，也難以直觀地想象出彎曲的三度空間里，兩點之間有一條最短的曲線短程線。如果三度空間再加上一維時間，構(gòu)成四度空時，對于四度空 時的彎曲，我們當(dāng)然就更難直觀地想象出來。但是我們可以通過物理測量來測定三度空間和四度空時究竟是不是彎曲的?彎曲到什么程度?也可以用數(shù)學(xué)的方法來描 述彎曲的三度空間和彎曲的四度空時，就像可以用數(shù)學(xué)方法來描述彎曲的二度空間——曲面一樣。有了一些對于空時的彎曲和短程線的概念之后，就可以來進一步了 解愛因斯坦對于慣性實驗室等三個實驗室里小球的運動所做的統(tǒng)一解釋了。在慣性實驗室中，空間時間是平直的，所以小球做勻速直線運動;在加速實驗室和引力實 驗室中，空間時間發(fā)生了彎曲，所以小球做拋體運動。勻速直線運動在平直四度空時中的軌跡是短程線;拋體運動在彎曲四度空時中的軌跡也是短程線。這樣，在三 個實驗中，小球都沒有受到外力的作用，都服從慣性定律做慣性運動。三個實驗室完全平等了，引力消失了，物理定律在三個實驗室中具備了相同的形式，所不同的 只是空間時間的結(jié)構(gòu)?？臻g時間結(jié)構(gòu)的變化，在加速實驗室中是運動引起的，在引力實驗室中卻是物質(zhì)引起的。
空間、時間、物質(zhì)、運動都統(tǒng)一起來了。
引力理論中根本沒有引力這個東西，引力場不過是空時的彎曲!
這個觀點，對于長期生活在牛頓經(jīng)典力學(xué)影響下的人們來說，確實有些難以接受。
以地球圍繞著太陽轉(zhuǎn)動為例，在牛頓看來，這是由于太陽對于地球的引力造成的;在愛因斯坦看來，引力這種神秘的東西是根本不存在的，地球繞太陽轉(zhuǎn)動，是因 為太陽巨大的質(zhì)量，使太陽周圍的空時發(fā)生了彎曲。彎曲的四度空時中只有曲線，沒有直線，地球不可能沿著四度空時的直線做勻速直線運動，它只能沿著最“直” (也就是最短)的一條曲線——短程線做轉(zhuǎn)動。
空間時間的彎曲，實在是有點玄奧，豈止是一般的讀者，就連一些大物理學(xué)家也被它搞糊涂了。
愛因斯坦把生活在三度空間的地球上的人帶進了四度空時的浩渺無窮的宇宙。要三度空間的人去思考四度空時的問題需要極大極大的想象力。
對這個問題，愛因斯坦曾經(jīng)打過一個比方：一只壓扁了的生活在二度空間的一張紙上的臭蟲，它面前的這張紙就是它的整個宇宙，只有平面，只有長度和寬度。如 果有人對它講講三度空間里的事，什么立體，什么高度，它會覺得簡直是天方夜譚。這也就是愛因斯坦另外一句名言的意思：一只在地球儀上爬行的甲蟲，它不知道 自己腳下的地面是彎曲的。如同這只甲蟲一樣，我們這些生活在三度空間的人，叫我們?nèi)ハ胂笏亩瓤諘r里的事，也同樣會感到很困難。這沒有什么值得奇怪的。于是 有人也許會問：既然四度空時的圖像是三度空間的人很難想像的，而且?guī)缀跏菬o法驗證的，那么我們又怎么能知道愛因斯坦想出的這些理論是不是正確呢?
事情的確是這樣，愛因斯坦的理論有些確實是無法去驗證的。但是，根據(jù)他的理論推導(dǎo)出來的一些結(jié)論有時卻是可以驗證的。這同樣也可以證明他的理論是正確的。
對于狹義相對論的驗證，就夠困難的了，廣義相對論討論的問題要深奧得多，驗證起來當(dāng)然也就更加困難。但是愛因斯坦還是為它找到了一個最有說服力的驗證辦 法，用日全食時觀測經(jīng)過太陽旁邊的星光是否真的會彎曲和它的彎曲度是多少，來驗證廣義相對論的光彎曲現(xiàn)象和宇宙彎曲理論。
恒星光譜線的引力位移，是愛因斯坦在星光位于太陽附近會發(fā)生偏轉(zhuǎn)的預(yù)言之外，做出的另一個可以驗證廣義相對論的科學(xué)預(yù)言。在高溫下，每一種氣態(tài)的化學(xué)元素都會輻射出幾種一定頻率的光線。通過對恒星發(fā)出的光線進行光譜分析，就可以知道恒星上有什么元素存在。
根據(jù)廣義相對論，引力場會使時鐘變慢，因此在原子中，電子的振蕩頻率變低，輻射出的光線的頻率也隨之變低。所以，引力場很強的恒星發(fā)出的光譜線，應(yīng)該向 低頻端也就是紅端移動。這個預(yù)言提出后，立即受到了天文學(xué)家的注意。果然，在1924年，第一次在觀測中發(fā)現(xiàn)了引力紅移現(xiàn)象。1959年在觀測太陽的光譜 中、1971年在觀測一顆密度很大的白矮星的光譜中，又都進一步證明了引力紅移。
廣義相對論原理發(fā)表后，愛因斯坦又去研究更新更難的問題了，少年時代的獨立沉思又一次出現(xiàn)。不過，現(xiàn)在愛因斯坦是面對浩瀚的星空發(fā)問：根據(jù)廣義相對論，宇宙應(yīng)該是什么樣呢?
愛因斯坦分析了無限宇宙模型，根據(jù)廣義相對論時空彎曲的概念，提出了自己的宇宙模型。他的論文出現(xiàn)在1917年的《普魯士科學(xué)院會議報告》上，論文的題目是《根據(jù)廣義相對論對宇宙所做的考察》。
在這篇論文中，愛因斯坦提出了一個有限無邊的靜態(tài)宇宙模型。“宇宙有限”這幾個字漸漸傳到牧師、神父們的耳朵里。他們的耳朵豎起來了，而且豎得很長。“什么?宇宙有限?嗯——好極了!”他們滿意地笑了。
羅馬教廷的天主哲學(xué)家發(fā)表了長篇大論，對愛因斯坦大加恭維，仿佛有限宇宙之外就必有一個天堂，這樣，他們的上帝就有適當(dāng)?shù)淖√幜恕?/p>
對于這一類上帝的代言人，有什么好說的呢?他們曾經(jīng)把布魯諾活活燒死，把伽利略關(guān)進監(jiān)獄，只是因為他們宣傳科學(xué)的真理——哥白尼的日心地動說。而當(dāng)哥白 尼的學(xué)說經(jīng)過艱苦斗爭，獲得勝利之后，這些神學(xué)家們又搖身一變，說什么哥白尼的學(xué)說并不和《圣經(jīng)》矛盾，反而給上帝開天辟地、創(chuàng)造日月星辰提供了科學(xué)依 據(jù)。對于宗教界這些荒謬的說法，愛因斯坦從來都抱著一種冷漠的態(tài)度。
遺憾的是，有些唯物主義陣營里的人，不斷地攻擊愛因斯坦的“唯心主義”，特別是在宇宙有限這個問題上。
但是說來也怪，他們提出的問題同神學(xué)家們同樣淺?。?ldquo;在有限宇宙之外是什么?”他們給出的答案也和神學(xué)家們一樣武斷：“上帝。”
這些唯物主義者給宇宙有限論貼上了一條標(biāo)簽——“唯心主義”。誰說宇宙有限，誰就犯下了唯心主義的彌天大罪。也許他們太性急了，還沒有弄懂愛因斯坦的宇 宙有限論是什么意思，就根據(jù)現(xiàn)成的公式：“宇宙無限=唯物主義”，“宇宙有限=唯心主義”，趕緊提筆上陣，對宇宙有限論展開了批判。其實，他們都沒有弄清 什么叫宇宙有限。
愛因斯坦的宇宙模型有三個重要概念：
第一個概念是“靜態(tài)”。他提出了一個所謂的“宇宙學(xué)原理”。這個原理是說，宇宙間的物質(zhì)均勻分布，無論從宇宙的隨便什么地方觀看宇宙，所看到的宇宙圖像是相同的，就像站在地面上觀看球面，不論站在哪一點，看到的球面都是一樣的。
這不同于在月球上看地球，也不同于在地球上看月球的結(jié)果。
宇宙學(xué)是從大處著眼，研究整個宇宙結(jié)構(gòu)，它所使用的宇宙觀尺度比太陽系大得多。小范圍里的不均勻，并不妨礙大范圍里的均勻。
譬如地球表面，有的地方是崇山峻嶺，有的地方是曠野平川，各個地點的海拔高度是不均勻的。但是如果在人造地球衛(wèi)星上遠遠地觀看地球的整體結(jié)構(gòu)，那么各地 海拔高度的差異就微乎其微了，地球就是一個相當(dāng)均勻的球，嚴(yán)格地說，應(yīng)是橢圓球。愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型進一步假定：宇宙空間中的物質(zhì)不但是均勻分布的， 而且還是靜止不動的，讀者可能又要反對說：“月亮繞著地球轉(zhuǎn)動，地球繞著太陽轉(zhuǎn)動，宇宙間的一切物質(zhì)都在運動，怎么能說是靜止的呢?”
這又是從太陽系的小范圍來考慮了。用太陽系的小尺度衡量是運動的，用宇宙觀的大尺度衡量就是靜止的了。就像站在海邊觀看大海，以米作為衡量的尺度，那么 海水是大浪滔滔，做著激烈的運動。但是如果在人造地球衛(wèi)星上觀看，以公里或更大的距離作為衡量的尺度，那么海水就是靜止的了?？傊?，愛因斯坦認(rèn)為，宇宙的 總的圖像就像從衛(wèi)星上觀看地球一樣，大體上是均勻、靜止不動的。你看，那些恒星不是像寶石一般鑲嵌在深邃的夜空中，彼此之間的位置不是幾乎從不變動嗎?
第二個概念是“有限”。
對這個概念的反對意見最為激烈：“難道說我們的宇宙四周圍著巨墻，墻上寫著一行巨字：‘嗨!宇宙有限，墻外天國，人類止步!’嗎?”
對待這些意見，愛因斯坦的宇宙模型中還有第三個概念。這第三個概念就是“無邊”。愛因斯坦的宇宙雖然有限，卻又是無邊的。圓圓渾渾，沒有邊界，所以也就 沒有邊界內(nèi)外之分。和無限宇宙一樣，有限宇宙也是可以沒有“內(nèi)外”的。無限宇宙排除了天國和上帝之類的東西，有限宇宙也不給它們?nèi)萆碇?。愛因斯坦的靜 態(tài)、有限、無邊的宇宙模型和牛頓式的無限宇宙模型一樣，都是人類認(rèn)識宇宙過程的重要里程碑。它們都是把一定數(shù)量的觀測事實做了某種外推之后得到的。結(jié)論雖 然可能有錯誤，研究的態(tài)度和方法卻是科學(xué)的。事實上，愛因斯坦提出他的宇宙模型之后過了12年，天文學(xué)上有了一次重大的突破——美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)，所 有的星系，彼此之間的距離都在不斷地增大。恒星不“恒”，我們看不到它們的分離運動，因為距離我們太遠了。宇宙就像一個受熱的肥皂泡，在不停地膨脹。星系 就像肥皂泡上的各個點，它們彼此之間的距離也在不停地增大。宇宙不是靜止的，宇宙在膨脹!哈勃利用大口徑望遠鏡得到這個重要發(fā)現(xiàn)后，愛因斯坦這位公認(rèn)的最 偉大的物理學(xué)家，非常坦然地承認(rèn)自己的宇宙模型是錯誤的。
為什么不承認(rèn)呢?難道最偉大的物理學(xué)家就不犯錯誤了嗎?為了從廣義相對論中解釋出他的靜態(tài)、有限、無邊的宇宙模型，愛因斯坦甚至修改了自己心愛的引力場方程，在方程中增加了具有斥力性質(zhì)的一項，叫做宇宙項。有人把引入宇宙項這件事，稱為愛因斯坦平生的最大錯誤。
愛因斯坦犯了一個大錯誤，提出了一個錯誤的宇宙模型，后果卻是誕生了一門新的科學(xué)——現(xiàn)代宇宙學(xué)。奇怪嗎?不，歷史上有不少這樣的事情。哥白尼的日心地 動說揭開了近代天文學(xué)的序幕，但是他的不朽巨著《天體運動論》中說行星繞著太陽做圓周運動是不對的，行星運動的軌跡應(yīng)該是橢圓的。
研 究宇宙的整體結(jié)構(gòu)，以前沒有適當(dāng)?shù)睦碚撝笇?dǎo)，從愛因斯坦開始，才有了強有力的理論做指導(dǎo)，那就是廣義相對淪。隨著觀測手段的不斷發(fā)展和完善，更促使現(xiàn)代宇 宙學(xué)蓬勃發(fā)展起來。在愛因斯坦提出自己的宇宙模型之后，又有別的學(xué)者提出了其他的宇宙學(xué)理論：從宇宙膨脹論到宇宙大爆炸論，從等級式宇宙論到物質(zhì)反物質(zhì)宇 宙論，名目繁多，立論各異，眾說紛紜，爭論激烈。一門科學(xué)產(chǎn)生出各種各樣的假設(shè)和理論，引起了激烈的爭論，不正說明它有光輝燦爛的發(fā)展前途嗎?從遙遠的文 明開端算起，人類研究宇宙的渴望終在愛因斯坦這里找到了一個新的科學(xué)起點。
在20年代初，愛因斯坦已經(jīng)享有任何一位學(xué)者都未曾獲得過的盛譽。1919年日全食的觀測結(jié)果證實了廣義相對論之后，愛因斯坦的聲譽空前增長。他的學(xué)生和助手英費爾德曾發(fā)表過一些有趣且有一定道理的看法：
“這件事是在第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束時發(fā)生的。人們厭惡戰(zhàn)爭、屠殺和國際陰謀。戰(zhàn)壕、炸彈、屠殺留下了悲慘的余悸。談?wù)搼?zhàn)爭的書籍沒有銷路和讀者，每一個人 都在期待一個和平的時代并想把戰(zhàn)爭遺忘。而這種現(xiàn)象能把人類的幻想完全吸引住。人們的視線從布滿墳?zāi)沟牡孛孓D(zhuǎn)移到滿天星斗的天空。抽象的思想把人們從日常 生活的不幸引向遠方。日食的神秘和人類理性的力量、羅曼蒂克的場景、幾分鐘的黑暗，之后是彎曲光線的畫面——這一切和痛苦難熬的現(xiàn)實是多么不同啊!”
愛因斯坦瞬間成為公眾偶像的原因很多，但直接的原因是通過對日全食的觀測，證實了光線在太陽引力場中發(fā)生彎曲。
一直到1919年5月，兩支英國遠征隊才獲得第一批有用途的照片。而這一重要的觀察成就很大程度上歸功于愛丁頓。
愛丁頓經(jīng)過反復(fù)計算、核對，排除一切誤差、干擾，最后他完全有把握了：日全食的觀測，精確地證實了愛因斯坦的廣義相對論。
1919年11月6日下午?；始覍W(xué)會和皇家天文學(xué)會在倫敦舉行聯(lián)席會議，聽取兩個日食觀測的正式報告。會議廳里濟濟一堂，英國科學(xué)界的泰斗們都在這里 了，會場就像一幕古希臘的戲劇那樣莊重。這些教授各個都壓低了嗓門說話，仿佛連空氣都感染了一種焦急的期待心情。觀測的結(jié)果雖然早就從各種渠道泄露出去， 可是這件事實在太重大了，所以正式宣布的時刻，就具有了重大的歷史意義。
皇家學(xué)會會長、電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆遜教授在全場肅穆中起立致詞。他的背后掛著一幅巨大的牛頓像，這位巨人曾經(jīng)連續(xù)24年任皇家學(xué)會會長?，F(xiàn)在正俯視著自己的后繼者。
湯姆遜說：“愛因斯坦的相對論是人類思想史上最偉大的成就之一——也許是最偉大的成就……這不是發(fā)現(xiàn)一個孤島，而是發(fā)現(xiàn)了新的科學(xué)思想的新大陸。”
接著，皇家天文官代遜代表兩位觀測隊長宣讀觀測報告。他講道：“日食觀測的數(shù)據(jù)和愛因斯坦預(yù)言的1′74″十分吻合;空間是彎曲的，愛因斯坦的新的引力理論是正確的;牛頓為我們勾畫的宇宙圖像應(yīng)該改變了……”
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