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(shí)間，就像他早年作為一個(gè)“差生”的歷史所預(yù)計(jì)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(shí)期里，他在知識(shí)分子的圈子里找些臨時(shí)工作以維持生計(jì)。瑞士一所中學(xué)里有位教師服兩個(gè)月的 兵役，他就補(bǔ)缺去代課。他也曾在一所私立的寄宿學(xué)校當(dāng)補(bǔ)習(xí)老師，還曾替蘇黎世聯(lián)邦觀象臺(tái)做過一些計(jì)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(jì)上的困難，也提高了他的工作興趣，并時(shí)時(shí)激發(fā)他的科學(xué)想 象力。除了8小時(shí)的工作，他有充分的空余時(shí)間來思索宇宙之謎了。
在伯爾尼專利局的7年業(yè)余時(shí)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(gè)新時(shí)代。
愛因斯坦真是生逢其時(shí)!在聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)和進(jìn)入伯爾尼專利局工作的那些年，他跨越著一個(gè)動(dòng)蕩的激動(dòng)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(gè)令人困惑、危機(jī)四伏，并預(yù)示著一場偉大的革命即將到來的時(shí)期。當(dāng)歷史的需要呼喚一位偉人出現(xiàn)時(shí)，他正以矯健的步伐走向 歷史舞臺(tái)了。
歷史的車輪進(jìn)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(dòng)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(shí)候也不能擔(dān)保，物理學(xué)的未來不會(huì)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(jìn)入慕尼黑大學(xué)向自己的老師約里表示， 決心獻(xiàn)身于理論物理學(xué)時(shí)，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(jì)算的只是個(gè)別的局部情況?？墒?，把自己的一生獻(xiàn)給這一事業(yè)，值得嗎?”面對(duì)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(diǎn)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(shí)候，新的發(fā)現(xiàn)和新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(shí)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(qiáng)的新元素釙和鐳;1902年盧瑟福和索迪根據(jù)對(duì)放射性 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究提出了元素嬗變理論……新的物理事實(shí)展示了物質(zhì)結(jié)構(gòu)隱藏著更深層的秘密。與此同時(shí)，黑體輻射、光電現(xiàn)象、原子光譜等一系列實(shí)驗(yàn)事實(shí)與經(jīng)典物 理學(xué)的理論產(chǎn)生了尖銳的對(duì)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(huì)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(dòng)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(dòng)力學(xué)理論斷言熱和光是運(yùn)動(dòng)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(dòng)論而開始的，菲涅耳和托馬斯·揚(yáng)研究過這個(gè)理論。它包括這樣一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yuǎn)的星光可以傳播到地球，所以以太應(yīng)當(dāng)充滿整個(gè) 宇宙。因?yàn)楣馐菣M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(shí)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(duì)剛性的。而另一 方面，宇宙天體包括地球和太陽等在運(yùn)動(dòng)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(huì)同以太具有絕對(duì)剛性的假定發(fā)生矛盾。如果以太不阻礙物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(duì)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(jì)算值與實(shí)際觀測值之間的偏離。他說：“事實(shí)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(duì)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(jī)，而危機(jī)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(shí)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(gè)難題，竟與此后物理學(xué)上兩個(gè)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(shí)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?；蛘呓凶龉饬孔拥奈⒘ＫM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(shí)布朗運(yùn)動(dòng)顯示原子是存在的，大大推動(dòng)了原子理論和統(tǒng)計(jì)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(duì)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(shí)在相對(duì)論、光量子理論和分子運(yùn)動(dòng)論這三個(gè)不同領(lǐng)域里齊頭并進(jìn)，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(gè)新的世紀(jì)之交。我們回首這要過去的一個(gè)世紀(jì)，物理學(xué)取得 了驚人的進(jìn)展，這些進(jìn)展是與一個(gè)偉大的名字愛因斯坦分不開的。1949年獲得諾貝爾獎(jiǎng)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(gè)世紀(jì)中將一直巍然屹立著，這就是相對(duì)論和量子 理論。相對(duì)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(jìn)展也應(yīng)歸功于愛因斯坦。”而愛因斯 坦在這兩個(gè)偉大理論中的貢獻(xiàn)，正是發(fā)端于他在1905年所寫的論文。
在1905年短短的幾個(gè)月中，愛因斯坦創(chuàng)造了如此豐富的科學(xué)研究 成果，確實(shí)是科學(xué)史上的奇跡。更令人欽佩的是，所有這些貢獻(xiàn)竟是一個(gè)在學(xué)術(shù)機(jī)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(shí)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(fèi)爾德談起自己的科學(xué)經(jīng)歷時(shí)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(fèi)爾德曾風(fēng)趣地補(bǔ)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(jià)!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(huì)有什么困難。但是，在一個(gè)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(dá)不出的真理的那些年代 里，那種強(qiáng)烈的求知欲望，那種時(shí)而有信心時(shí)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(duì)論
愛因斯坦是相對(duì)論的創(chuàng)始人，相對(duì)論無疑是他最重要的成就。與其他研究工作相比，相對(duì)論對(duì)自然科學(xué)思想體系產(chǎn)生了更深遠(yuǎn)的影響，它的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(dá)30頁的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》。這篇文章宣告了相對(duì)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(bǔ)充。這兩篇論文都收集在1913年相對(duì)論重要的歷史文獻(xiàn)《相對(duì)論原理》一書中，與讀者再次見 面。對(duì)于愛因斯坦在相對(duì)論中研究的問題，當(dāng)時(shí)物理界的看法是不同的。
19世紀(jì)，先是光學(xué)的機(jī)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(dòng)。以太能穿透一切物體，而又不影響物體的運(yùn)動(dòng)。但是，事實(shí)上，光學(xué)研究的新成果愈來愈難以符合機(jī)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(jìn)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(jìn)行概括。
光以太學(xué)說與牛頓力學(xué)所引出的“絕對(duì)空間”理論緊密相連。牛頓認(rèn)為：“絕對(duì)空間由于它的本性以及它同外界事物的無關(guān)。它永遠(yuǎn)是同一的和不動(dòng)的。”
于是，牛頓認(rèn)為可以把以太看做是絕對(duì)參考體系，它決定了世界上一切運(yùn)動(dòng)的永恒的絕對(duì)狀態(tài)。
牛頓進(jìn)而認(rèn)為也存在著“絕對(duì)時(shí)間”。他說：“絕對(duì)的、真正的數(shù)學(xué)時(shí)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(diǎn)認(rèn)為，時(shí)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(duì)時(shí)間”。后來，牛頓又談到了“絕對(duì)運(yùn) 動(dòng)”，這是由“絕對(duì)空間”和“絕對(duì)時(shí)間”聯(lián)想到的。他給“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”下定義，亦即“物體從一絕對(duì)地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一絕對(duì)地點(diǎn)”。
絕對(duì)時(shí)間 和絕對(duì)空間是牛頓力學(xué)的根基。然而牛頓的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間兩者之間有明顯的缺陷：既然絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)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(gè)問題，牛頓沒辦法回答。他只能說，絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間是上帝的創(chuàng)造。后來，康德又把絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間說成是先驗(yàn)的。先驗(yàn)的意思就是先于經(jīng) 驗(yàn)，人一生下來就有的。這樣，牛頓和康德把絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間捧上了先驗(yàn)的王國，不許有人對(duì)它們加以懷疑。
到了19世紀(jì)，馬赫又對(duì)牛 頓的時(shí)空概念做了有力的批判，但還是沒有推翻。這是因?yàn)橐淖儠r(shí)間和空間的概念，客觀條件還沒有成熟。此外，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)也使人們對(duì)牛頓關(guān)于時(shí)空和運(yùn)動(dòng)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(dòng)。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(yuǎn) 的星系相比，以相當(dāng)高的速度不停地在運(yùn)動(dòng)。那么，要是光以太是靜止存在于“絕對(duì)空間”之中，并且天體穿過它運(yùn)行，這種運(yùn)行的結(jié)果對(duì)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(yàn)證“以太風(fēng)”。
美國物理學(xué)家邁克爾遜做了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他出生于波蘭，1881年曾在柏林和波斯坦做過亥姆霍茲獎(jiǎng)學(xué)金的研究生。
他的實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)裝置不夠齊全，結(jié)果說服力不夠強(qiáng)。6年以后，邁克爾遜在美國使用親自設(shè)計(jì)的高精度鏡式干涉儀，同莫勒合作重復(fù)了他以前的實(shí)驗(yàn)。這臺(tái)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(shí)驗(yàn)以后的多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，再也沒有看到那種現(xiàn)象。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明光速完 全是恒定的，與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)都無關(guān)。“邁克爾遜實(shí)驗(yàn)”是物理學(xué)史上最著名的實(shí)驗(yàn)之一，也是相對(duì)論的基本實(shí)驗(yàn)。愛因斯坦十分欽佩邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)技巧。
邁克爾遜實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)收縮(“洛倫茲收縮”)。為的是用這種方法在機(jī)械世界觀范疇內(nèi)把邁克爾遜實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟光以太和絕對(duì)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(yuǎn)看來不會(huì)使理論物理學(xué)家滿意。
邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)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(gè)系在人們心頭達(dá)10年之久的、無法解開的死結(jié)，但這個(gè)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(duì)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(gè)“幽靈”，他把獨(dú)立的物 理實(shí)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(dòng)。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(duì)論思想的產(chǎn)生，最早源 于16歲時(shí)一直困擾著他的一個(gè)問題。在1895年進(jìn)入阿勞中學(xué)上學(xué)時(shí)，他已比同齡的中學(xué)生掌握了更多的物理方面的知識(shí)。他對(duì)探索自然奧秘有著無比濃厚的興 趣，時(shí)常一個(gè)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(gè)問題：假如一個(gè)人以光速跟著光波跑，那么他就處在一個(gè)不隨時(shí)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(gè)在空間振蕩而停滯不前的電磁場。然而看來不會(huì)有這種事情。這個(gè)問題他一直想弄清楚，并為此思考了10 年。
1896年愛因斯坦進(jìn)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(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)特性的問題。對(duì)于當(dāng)時(shí)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(diǎn)。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(yùn)動(dòng)的，反過來說，以太應(yīng)有相對(duì)于地球的運(yùn) 動(dòng)。這應(yīng)該可以通過實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)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(xiàn)，都沒有找到關(guān)于以太的明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。于是他想 親自來驗(yàn)證一下。為此，他設(shè)計(jì)了一個(gè)使用兩個(gè)熱電偶的實(shí)驗(yàn)：用幾面鏡子，把來自同一個(gè)光源的光反射到兩個(gè)不同的方向，一個(gè)與地球運(yùn)動(dòng)方向平行，另一個(gè)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(gè)熱電偶測出所產(chǎn)生的熱量的差別，從而檢測出地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)而引起的光速的變化?？墒撬睦?師不支持他，他也沒有機(jī)會(huì)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(shí)候知道了邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果。他很快意 識(shí)到，如果承認(rèn)邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果符合事實(shí)的話，那么認(rèn)為地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的想法就是不正確的，應(yīng)該拋棄以太這個(gè)頑結(jié)。但是，如果沒有以太充滿整 個(gè)宇宙空間，也就不可能有什么絕對(duì)的靜止和絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)了，因?yàn)槲矬w不可能相對(duì)于虛無運(yùn)動(dòng)。所以他認(rèn)為，只能是談一個(gè)物體相對(duì)于另一個(gè)物體，或者一個(gè)參照系 相對(duì)于另一個(gè)參照系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。處于這兩個(gè)參照系中的觀察者都有同等的權(quán)利說：“我是靜止的，對(duì)方在運(yùn)動(dòng)。”如果沒有宇宙以太作為物體在空間中運(yùn)動(dòng)的公共 參照系，我們就無法探測到這一運(yùn)動(dòng)。所以邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)沒有探測到地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(dòng)體的電動(dòng)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(shí)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(duì)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(huì)”第80屆年會(huì)上，他做了一個(gè)報(bào)告，宣傳相對(duì)論的思想，題目是“空間和時(shí)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(shí)間的觀念，是從實(shí)驗(yàn)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(shí)間自身消失在陰影之中了，現(xiàn)實(shí)中存在的只有空間和時(shí)間的統(tǒng)一體。”
閔可夫斯基的報(bào)告引起了與會(huì)者的巨大反響?？上?個(gè)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(duì)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(shí)間作為三個(gè)空間坐標(biāo)之外的第四個(gè)坐標(biāo)，這樣，一個(gè)系統(tǒng)相對(duì)于另一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，可以看成是這個(gè)四維坐標(biāo)架的轉(zhuǎn)動(dòng)。由此就可以很清晰地刻畫狹義相對(duì)論的原理和相對(duì)論效應(yīng)。
愛因斯坦的狹義相對(duì)論把長度縮短看做是觀察者從一個(gè)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)去觀察物體時(shí)所看到的一種表觀的空間收縮?？臻g的收縮和時(shí)問的膨脹對(duì)于兩個(gè)處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的系統(tǒng)來說是對(duì)稱的?？臻g距離一縮短，時(shí)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(gè)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(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》這篇論文的理論并不深?yuàn)W，數(shù)學(xué)運(yùn)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(gè)男童的四維幾何知識(shí)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(duì)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(jiān)定信念。
這里介紹一下相對(duì)論的兩條基本原理：相對(duì)性原理與光速不變原理。
所謂相對(duì)性原理：在兩個(gè)相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)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(duì)于地面來講的。研究火車在地面上的運(yùn)動(dòng)，是以地面為參照物的。研究乘客在火車上的運(yùn)動(dòng)，就是以火車為參照物的。在參照物上安放一個(gè)可以量度運(yùn)動(dòng)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(gè)小球，那么這位乘客所看到的小球的運(yùn)動(dòng)情況，和他在地面上向上拋出一個(gè)小球后所 看到的情況是完全一樣的。這是因?yàn)樗幕疖噮⒄障迪鄬?duì)于地面參照系在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。“在兩個(gè)相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)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(duì)性原理。愛因斯坦把伽利略的相對(duì)性原理推展為：“在兩個(gè)相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系中，一切自然定律都是相同的。”
把一個(gè)力學(xué)定律推展為一切自然定律，這是一個(gè)巨大的飛躍，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)飛躍，整整用了200年。這200年正是牛頓機(jī)械物理學(xué)統(tǒng)治的200年。這樣，不 單是力學(xué)實(shí)驗(yàn)，連光學(xué)實(shí)驗(yàn)、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，以至任何其他一切實(shí)驗(yàn)，都不能測出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)來。一切都是相對(duì)的，因此也就否定了絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)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(gè)不變的常數(shù)，它和光源的運(yùn)動(dòng)速度沒有關(guān)系，和觀察者的運(yùn)動(dòng)速度也沒有關(guān)系(指的都是勻速直線運(yùn)動(dòng))。
經(jīng)典物理學(xué)對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)(如炮彈)和波的運(yùn)動(dòng)(如聲音)都進(jìn)行了長期的周密的研究，這兩種運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是完全不同的。粒子運(yùn)動(dòng)是粒子本身在運(yùn)動(dòng)，如炮彈;波的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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?yàn)楣鉀]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(jìn)行的地球在以太中的漂移速度實(shí)驗(yàn)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(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)：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(shí)，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(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)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(yuǎn)的超新星爆發(fā)時(shí)所發(fā)出的強(qiáng)光。然而實(shí)際情況卻是：這顆超新星爆發(fā)時(shí)發(fā)出的強(qiáng)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(gè)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(gè)山頭上，由于光速太快，和它 相比兩個(gè)山頭之間的距離實(shí)在太小了，這個(gè)測量當(dāng)然失敗了。第一個(gè)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(shí)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(jìn)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(jì)算時(shí)，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(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間更是水火不容。
假若有一條平直的鐵路穿過車站，站臺(tái)兩邊A、B兩點(diǎn)各立有一根柱子，一個(gè)手拿信號(hào)燈的工人站在A、B的中點(diǎn)C發(fā)出一個(gè)信號(hào)，他將看到：信號(hào)以相同速度C 通過相同距離同時(shí)到達(dá)A、B兩點(diǎn)。如果在他發(fā)出信號(hào)的同時(shí)，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(gè)信號(hào)以C的光速離開自己向火車兩 頭A、B兩點(diǎn)飛去，由于火車是向著A點(diǎn)奔去，所以對(duì)于他來說，信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)走過的距離短，到達(dá)B點(diǎn)的距離長。他將看到信號(hào)先到達(dá)A點(diǎn)，然后到達(dá)B點(diǎn)。信號(hào) 到達(dá)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(shí)發(fā)生的;在以火車為參照系的乘客看來，它們卻不是同時(shí)發(fā)生的。這只是一種純理論設(shè) 想，在實(shí)際生活中，工人、乘客都不可能用肉眼觀察到信號(hào)到達(dá)A、B兩點(diǎn)的時(shí)間。而且光速是那樣快，對(duì)于相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)目標(biāo)來說，也根本無法量出信號(hào)到達(dá)的 先后。一個(gè)同時(shí)，一個(gè)不同時(shí)，到底哪個(gè)對(duì)，在經(jīng)典物理學(xué)看來，事物的是非只有一個(gè)絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，要么就是對(duì)，要么就是錯(cuò)。那么對(duì)于這個(gè)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(gè)問題進(jìn)行了長期的思索。1905年的一天，他終于想通了，他解決了這個(gè)既同時(shí)又不同時(shí)的問題，因此也創(chuàng)立了相對(duì)論。
要解決這個(gè)問題，愛因斯坦認(rèn)為首先要解決“什么是同時(shí)性”的問題。
如果兩件事發(fā)生在同一個(gè)地點(diǎn)，還容易比較，如果兩件事是發(fā)生在兩個(gè)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(shí)性下定義的：
還是以火車通過車站為例，如果這時(shí)突然雷電大作，兩個(gè)雷電一個(gè)擊中車頭A′，一個(gè)擊中車尾B′。車頭A′遭受雷擊時(shí)，正好經(jīng)過站臺(tái)A點(diǎn)，所以A點(diǎn)的柱子 也同時(shí)遭受了雷擊。車尾B′，遭受雷擊時(shí)正好經(jīng)過站臺(tái)B點(diǎn)，所以B點(diǎn)的柱子也同時(shí)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(shí)發(fā)出的閃光信號(hào)同時(shí)達(dá)到AB的中點(diǎn)C，我們就說，事件Ⅰ和事件Ⅱ?qū)τ诘孛鎱?照系來說是同時(shí)發(fā)生的。同樣，如果這兩個(gè)閃光信號(hào)同時(shí)達(dá)到A′B′的中點(diǎn)C′，可以說事件Ⅰ和事件Ⅱ?qū)τ诨疖噮⒄障凳峭瑫r(shí)發(fā)生的。”
什么是同時(shí)性?這就是愛因斯坦在相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)部分第一個(gè)小節(jié)中解決的問題。
下面再回答既同時(shí)又不同時(shí)的問題。對(duì)于牛頓經(jīng)典力學(xué)是無法回答這個(gè)問題的，在愛因斯坦相對(duì)論里卻成了最基本的原理，那就是：“在兩個(gè)相互做勻速直線運(yùn)動(dòng) 的參照系里，對(duì)一個(gè)參照系同時(shí)，對(duì)另一個(gè)參照系就必然不同時(shí)。”地面上C點(diǎn)的鐵路工人和火車中C′，點(diǎn)的乘客是分別在兩個(gè)相對(duì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的不同的參照 系中，如果地面上C點(diǎn)鐵路工人，看到事件Ⅰ的光信號(hào)和事件Ⅱ的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)，那么對(duì)于行進(jìn)中的火車中央C′點(diǎn)的乘客來說，因?yàn)榛疖囘\(yùn)動(dòng)是向著A點(diǎn)，離開 B點(diǎn)的，事件Ⅰ的光信號(hào)到他那里走過的距離近，事件Ⅱ的光信號(hào)到他那里走過的距離遠(yuǎn)，而光速又是不變的，所以他看到事件I的光信號(hào)比事件Ⅱ的光信號(hào)先到 達(dá)，兩者必然是不同時(shí)的。
原來，在相對(duì)論里，兩個(gè)地方遭受雷擊這兩件事，在以地面為參照系的C點(diǎn)上看是同時(shí)的，在以火車為參照系的C ′點(diǎn)上看就必然不同時(shí)，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(gè)地方發(fā)生的兩件事情沒有絕對(duì)的同時(shí)性。同時(shí)性是相對(duì)的。”這 正是他在相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)第二小節(jié)中解決的問題。
同時(shí)性是相對(duì)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(yàn)相距多么遠(yuǎn)，需要多么豐富的想象力!時(shí)空觀念從此和牛頓的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間決裂了。新的相對(duì)論的時(shí)空觀念建立起來了。
按照牛頓的說法，全宇宙只有一個(gè)時(shí)鐘，它指示的時(shí)間就是絕對(duì)時(shí)間。如果絕對(duì)時(shí)間是8點(diǎn)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(diǎn)鐘(這里不考慮地球上經(jīng)度造成的時(shí)間差，絕對(duì)時(shí)間就是8點(diǎn)，可能在A地8點(diǎn)是在早上，B地8點(diǎn)是在下午)。既然時(shí)間是絕對(duì)的，同時(shí)性當(dāng)然 也是絕對(duì)的。如果兩件事都發(fā)生在8點(diǎn)鐘，不管它們是不是發(fā)生在同一地點(diǎn)，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(shí)的。如果兩件事發(fā)生在 不同的時(shí)間，不論它們發(fā)生在什么地方，也不管我們是在哪里進(jìn)行觀察，它們通通都是不同時(shí)的。這就是牛頓的絕對(duì)時(shí)間概念，也是幾千年來人們所習(xí)慣了的、從現(xiàn) 實(shí)生活中直接獲得的關(guān)于時(shí)間的概念。直到今天，在愛因斯坦的相對(duì)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(duì)論的人，在時(shí)間概念上依舊停留在牛頓時(shí) 代。即使有些已經(jīng)學(xué)過了或者知道了相對(duì)論的人，自己也認(rèn)為已經(jīng)打破了牛頓的絕對(duì)時(shí)間概念，但是往往在碰到一些具體問題時(shí)，又會(huì)糊涂起來，在自覺或不自覺中 又回到了牛頓的絕對(duì)時(shí)間里去。舉一個(gè)最普通、最簡單的看法：一個(gè)時(shí)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(jī)上，它所顯示的時(shí)間不都 是相同的嗎?時(shí)間和地點(diǎn)無關(guān)，和參照系的運(yùn)動(dòng)也無關(guān)，這不是明明白白的嗎?這不正是牛頓的絕對(duì)時(shí)間嗎?
有這個(gè)看法是很正常的，它確實(shí) 是從我們生活經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐中產(chǎn)生出來的，但是我們擁有的只是低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐。牛頓力學(xué)也是從低速運(yùn)動(dòng)中總結(jié)出來的，它的運(yùn)動(dòng)三大定律對(duì)于低速運(yùn) 動(dòng)世界確實(shí)是有效的，是接近真理的科學(xué)定律;但是在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下它就成為謬誤了。我們坐過每小時(shí)100多公里的特快列車，磁懸浮列車最高時(shí)速現(xiàn)在也只能 達(dá)到500多公里;我們坐過每小時(shí)1000多公里的超音速飛機(jī)，最快的航天飛機(jī)速度也不過每小時(shí)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(jī)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(huì)看到：這列火車上的時(shí)鐘所指示的時(shí)間和地面 上的時(shí)鐘所指示的時(shí)間會(huì)有明顯的不同。地面上的人會(huì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，才可以準(zhǔn)確無誤地證實(shí)時(shí)間是相對(duì)的：每一個(gè)參照系里有它自己的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn);兩個(gè)地點(diǎn)發(fā)生的兩件事情的同時(shí)性也是相對(duì)的，每一個(gè)參照系里有它自己的同時(shí)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(duì)論研究論文之后的幾年當(dāng)中，分別把家搬往三個(gè)文化迥異的城市：瑞士的蘇黎世、捷克的布拉格(當(dāng)時(shí)仍在強(qiáng)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(xiàng)學(xué)術(shù)性的職位，每一項(xiàng)工作都比前一項(xiàng)更重要。
在他的相對(duì)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(shí)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(duì)于他這位 杰出學(xué)生所做的研究工作深感興趣。他堅(jiān)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?？死桌战淌谛Q，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(gè)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(fèi)。 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?yàn)樗难芯抗ぷ髟诋?dāng)時(shí)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(gè)人——而且這兩個(gè)人都是他的老朋友。愛因斯坦對(duì)講課實(shí)際上并沒有太大的興趣，他把講課 當(dāng)作是一項(xiàng)展覽。他經(jīng)常說，講課像是“在馬戲團(tuán)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(diǎn)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(duì)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(yù)。
佛來里契·亞德勒是愛因斯坦在聯(lián)邦理工學(xué)院時(shí)最親密的朋友之一，此時(shí)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(shí)，他立刻向大學(xué)董事會(huì)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?yàn)?，我的能力根本比不上愛因斯坦?rdquo;
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(yù)。
“榮譽(yù)倒不少，但薪水就是沒有增加，”米列娃批評(píng)說，“你現(xiàn)在所賺的錢比在專利局時(shí)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(shí)，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(huì)，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(shí)在十分擔(dān)心，而且盡力四處張羅，很快就使收入增加了。因?yàn)樗辛藥讉€(gè)學(xué)生住在家里。
“這個(gè)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(gè)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(duì)學(xué)生說話。他們也會(huì)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(shí)代就是如此。學(xué)生們很喜歡他，因?yàn)樗麖牟灰笏麄冏鹁此?。愛因斯坦十分狂熱地講求民主，因此對(duì)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(huì)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(shí)，他才于1910年離開瑞士。倒并不是薪水多才使他動(dòng)心，因?yàn)樗浅Ｐ蕾p19世紀(jì)的英國物理學(xué)家法拉第，他的個(gè)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(huì)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(shí)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(gè)。而我媽媽卻認(rèn)為我將會(huì)成為一名正牌教授。”
“就像是丑小鴨!”漢斯叫道，“爸爸，把那個(gè)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(duì)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?yàn)樵谔幚砑覄?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(gè)房間讓全家人住下來，等家具從瑞士運(yùn)來后再作安排。但很不幸的，鄰居們對(duì)于孩子們的吵鬧行為提出抗議，房東很有禮貌但卻堅(jiān)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(gè)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(yùn)來，我們怎么辦呢?”
這時(shí)，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(shí)用一陣子，等我們自己的東西運(yùn)到就好了。不，不會(huì)太貴的，只是用一陣時(shí)間，我去買些二手貨好了。”
米列娃看到他如此實(shí)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(gè)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(jìn)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(diǎn)。
“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(duì)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(shí)，就不會(huì)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(dá)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(huì)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(gè)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(duì)待其他奧地利及德國客人的侍者，也對(duì)他報(bào)以微笑，說：“先生，因?yàn)槲覀兊念櫩桶ǖ聡?、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(cuò)，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(huì)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(huì)認(rèn)為受到了侮辱。”
這位侍者點(diǎn)點(diǎn)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(gè)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?yàn)槠?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(duì)他坦白地談起他 們的人民長久以來對(duì)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(yuǎn)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(huì)，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(gè)古老的猶太區(qū)高墻上的時(shí)鐘，用希伯來文標(biāo)明時(shí)刻，猶太教會(huì) 堂的石墻，堅(jiān)固得猶如堡壘，因?yàn)楫?dāng)布拉格的猶太人為了躲避他們的敵人追擊而逃到會(huì)堂時(shí)，就把會(huì)堂作為抵抗的據(jù)點(diǎn)。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(duì)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(shí)。
“猶太復(fù)國主義”——這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(gè)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(jìn)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(xiàng)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(huì)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(xiàng)布拉格風(fēng)俗，是新進(jìn)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(gè) 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(shí)，可以順便欣賞一下布拉格各區(qū)不同的景象，也是挺不錯(cuò)的。因此，他開始愉快 地展開漫長的拜訪活動(dòng)，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(dòng)”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(huì)知道，愛因斯坦博士之所以不去拜訪他們，只不過是因?yàn)樗麄兯〉牡貐^(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(gè)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(jìn)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(shí)，或漫步在可愛的小山丘時(shí)，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(jìn)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(jí)為大學(xué))卻在這時(shí)請他回去擔(dān)任教授?；叵脒^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(huì)對(duì)這項(xiàng)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(gè)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(shí)，她主動(dòng)說服他回到那個(gè)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(yù)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(yù)——應(yīng)邀前往布魯塞爾舉行的世界著名物理 學(xué)家大會(huì)索維爾會(huì)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(gè)是普朗克，一個(gè)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(shí)，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(dòng)體的電 動(dòng)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(huì)，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(huì)發(fā)生這樣的戰(zhàn)斗，只有為哥白尼的世界觀進(jìn)行過的戰(zhàn)斗才能與它相比……”能斯特更是一個(gè)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(duì)德意志民族的對(duì)外擴(kuò)張又特別感興趣。有人說能斯特是一個(gè)具有驚人號(hào)召力和能量的人，是一個(gè)天生的組織 家，一位深刻的思想家。
這兩個(gè)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(shí)的德國，專門的國家科學(xué)機(jī)構(gòu)或由政府倡議私人投資建立的科學(xué)機(jī)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，在這些機(jī)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(shí)力集中在擴(kuò)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(jì)劃，宣布建立協(xié)會(huì)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(huì)”便是由銀行家和工業(yè)家們組成的，他們 對(duì)研究所提供贊助，給他們中的每一個(gè)人援予元老稱號(hào)，贈(zèng)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(shí)，有 誰會(huì)反對(duì)這種做法呢?威廉皇家協(xié)會(huì)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(jìn)行任何個(gè)人感興趣的研究。設(shè)想這些研 究將會(huì)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(bào)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(gè)“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(gè)“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(gè)建議似乎很奇 怪，隨便由誰來領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究機(jī)構(gòu)，恐怕都比這位心不在焉的愛因斯坦教授強(qiáng)?？墒遣灰o，所長代表地位和榮譽(yù)。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(yù)頭銜，但愛因斯坦就任的是實(shí)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(shí)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(gè)方案，真不愧是網(wǎng)羅愛因斯坦的妙計(jì)。它是普朗克的浪漫主義和能斯特的實(shí)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(dòng)心了。
在這個(gè)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(shí)間，不受任何束縛和干擾，全心全意地進(jìn)行相對(duì)論研究，實(shí)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(gè)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(shí)代，他 離開出生地，就是希望從那時(shí)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(jī)構(gòu)的官員?再說米列娃怎么辦呢?雖說此時(shí)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(yuǎn)不會(huì)喜歡的。還有一點(diǎn)，愛因斯坦對(duì)自己的創(chuàng)造性有了一種隱隱的憂慮。他曾對(duì)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(gè)和平主義者，”愛因斯坦說，“德國真的會(huì)歡迎我嗎?”
“德國歡迎的是物理學(xué)家，相對(duì)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(duì)論算不了什么的。朗之萬說過，全世界只有12個(gè)人懂得相對(duì)論。”
“這一點(diǎn)我們同意，可是在這12個(gè)人里，倒有8個(gè)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(shí)，柏林是當(dāng)時(shí)自然科學(xué)研究中心，有一流的設(shè)備，一流的人才，確實(shí)是研究與推廣相對(duì)論的最佳地點(diǎn)。
“這樣吧，”愛因斯坦面對(duì)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(gè)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(shí)，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(jiǎng)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(gè)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(huì)上，愛因斯坦以44票對(duì)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(gè)家庭終于破裂了。
五、廣義相對(duì)論
在狹義相對(duì)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(duì)論。但是這個(gè)理論只 局限于彼此做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系，而不能用于參考系的一般運(yùn)動(dòng)。他力圖突破這種限制，設(shè)法解決在一般情況中的相對(duì)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(duì)論的專題論文。在寫這篇文章時(shí)，他忽然想到，幾乎所有自然規(guī)律都可以在狹義相對(duì)論的框架內(nèi)加以討論，而惟獨(dú)引 力定律不行。最令他不滿意的是，雖然狹義相對(duì)論對(duì)慣性和能量之間的關(guān)系已經(jīng)做了明確的闡述，但是對(duì)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(shí)到這個(gè)問題不可能在狹義相對(duì)論的框架內(nèi)得到解決。如何下手呢?
有一天，這個(gè)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(gè)想法打動(dòng)了他：如果一個(gè)人自由下落，他就不會(huì)感覺到自己的重量。他吃了一驚。這個(gè)簡單的思想實(shí)驗(yàn)對(duì)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(gè)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(duì)論擴(kuò)展到有加速度的參考系。他感到，這 樣做就有可能同時(shí)解決引力問題。一個(gè)正在下落的人感覺不到自己的重量，因?yàn)榭煽醋髟谒募铀俣葏⒖枷抵杏幸粋€(gè)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(gè)新的引力場。
愛因斯坦做了進(jìn)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(duì)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(duì)性原理和引力”中，他一開始就提出一個(gè)問題：“是否可以設(shè)想，相對(duì)性原理對(duì)于相互 做加速運(yùn)動(dòng)的參照系也仍然成立?”也就是說，應(yīng)該成立一條“廣義相對(duì)性原理”：即所有參考物體K、K′等不論它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何，對(duì)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(shí)，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(jià)。所謂等效原理，即認(rèn)為從時(shí)空小范圍來看，一個(gè)沒有引力場的勻加速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系同有引力場的慣性系是等價(jià) 的。也就是說，可以在任何一個(gè)局部范圍內(nèi)找到一個(gè)坐標(biāo)系，使引力在其中被消除。其合理性可以通過一個(gè)理想電梯實(shí)驗(yàn)來說明。比如，一個(gè)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(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)電梯是一個(gè)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(yùn)動(dòng)，此時(shí)電梯是一個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，這時(shí)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(gè)理想實(shí)驗(yàn)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(huì)議。他在這個(gè)會(huì)議上做了一個(gè)關(guān)于廣義相對(duì)論的比較通俗的報(bào)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(duì)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(duì)論解釋水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)》的論文，不用任何特殊假設(shè)就成功解 釋了水星在近日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)：每100年大約轉(zhuǎn)43″。他還糾正了1911年計(jì)算光線經(jīng)過太陽附近時(shí)彎曲的錯(cuò)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(duì)論的集大成論文《廣義相對(duì)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(shí)結(jié)束了從1907年以來對(duì)廣義相對(duì)論所進(jìn)行的艱苦卓絕的探索。
現(xiàn)在介紹一下廣義相對(duì)論。
要了解廣義相對(duì)論，必須先從牛頓力學(xué)談起。運(yùn)動(dòng)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(duì)論已經(jīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)三定律做了改造，而萬有引力定律卻還是原封未動(dòng)。可是，萬有引力定律與相對(duì)論之間是有矛盾的。
任何兩個(gè)物體，大到天體，小到塵埃，不管它們相距有多遠(yuǎn)，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(duì)于這種超距即時(shí)作用的萬有引力，實(shí)在令人感到難以理解。
引力到底是怎樣產(chǎn)生的?廣義相對(duì)論就要來解開這個(gè)謎。
在狹義相對(duì)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(jìn)行任何活動(dòng)，月球的引力都將立即隨之而起變化，這樣，信號(hào)的傳遞速度是無窮大的。這和相對(duì)論是矛盾的。
既然引力定律和相對(duì)論有矛盾，那就一定是引力定律有什么地方不對(duì)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(gè)全新的，和相對(duì)論協(xié)調(diào)一致的引力理論。這是建立廣義相對(duì)論的目的之一。
狹義相對(duì)論的兩條基本原理之一，相對(duì)性原理說：在兩個(gè)相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)呢?相 互做加速運(yùn)動(dòng)行不行呢?在建立狹義相對(duì)論以后，愛因斯坦一直在想這個(gè)問題。他想，自然界為什么要給勻速直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，所有的參照系都具 有平等的權(quán)利。在每一個(gè)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?yàn)楸硎疚锢矶傻姆椒ú缓?。如果用更好的方法來表示物理定律，那么，物理定律就?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(duì)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(shí)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(duì)論中的“相對(duì)性原理”的推廣。
使所有的參照系都平權(quán)，把相對(duì)論從慣性系中推廣到非慣性系中，這是建立廣義相對(duì)論的又一個(gè)目的。
物體的質(zhì)量具有兩重性質(zhì)，它具有慣性，同時(shí)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(qiáng)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(shí)代，誰也不會(huì)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(huì)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(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)。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(huì)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”。現(xiàn)在我們不去講述愛因斯坦得到等效原理的繁瑣的實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(shí)實(shí)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(gè)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(qiáng)度
因?yàn)閼T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(qiáng)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(shí)驗(yàn)室里的人，根本不可能區(qū)分引力場的作用和加速運(yùn)動(dòng)，根本不可能弄清楚自己是在加速實(shí)驗(yàn)室中還是在引力實(shí)驗(yàn)室中。對(duì)等效原理一般的表述為：慣性力場 與重力場的動(dòng)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(dòng)力學(xué)效應(yīng)”換為“任何物理效應(yīng)”，就是等效原理的強(qiáng)形式。
有了等效原理和廣義相對(duì)性原理這兩個(gè)基本原理，愛因斯坦就又可以著手建立他的廣義相對(duì)論了。這和他在相對(duì)性原理和光速不變原理這兩個(gè)基本原理的基礎(chǔ)上建立 狹義相對(duì)論的情況完全相同。整個(gè)建立相對(duì)論的過程也十分相像：從經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基本原理出發(fā)，大膽突破舊的物理概念的框框，引進(jìn)全新的物理概念，經(jīng)過復(fù)雜 的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和運(yùn)算，最后得到需要的結(jié)果。這就是愛因斯坦建立兩個(gè)相對(duì)論的工作方法。相對(duì)論的結(jié)果，幾乎每一個(gè)看起來都十分荒誕，但是從相對(duì)論中能推導(dǎo)出一 個(gè)又一個(gè)經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)論的一級(jí)近似。
愛因斯坦建立狹義相對(duì)論是從討論“同時(shí)性”突破的。那么他建立廣義相對(duì)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(jià)于引力，到加速參照系等價(jià)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(duì)論，還有更艱苦的 路程要走。在建立狹義相對(duì)論過程中，從解決同時(shí)性問題到寫成《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》。愛因斯坦只用了五個(gè)星期的時(shí)間?？墒?，從1907年建立等效原理到 1915年建立引力場方程，引出空間時(shí)間的彎曲，最終寫成廣義相對(duì)論，卻用了整整八年時(shí)間(正式發(fā)表是在1916年)。
根據(jù)等效原 理，引力場的每一點(diǎn)附近局部地等價(jià)于一個(gè)慣性力場，也就是等價(jià)于一個(gè)相對(duì)于慣性系做加速運(yùn)動(dòng)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(jià)于引力場的非慣性系之間的不同，只有空間時(shí)間結(jié)構(gòu)的某種不同。既然引力場的每一點(diǎn)附近都?xì)w結(jié)為一個(gè)非慣性 系，整個(gè)引力場也就十分自然地歸結(jié)為空間時(shí)間的某種內(nèi)在結(jié)構(gòu)，也就是空間時(shí)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(shí)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(duì)論，把引力場當(dāng)做空間時(shí)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(shí)間的彎曲的。
先來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一束水平方向的光線射進(jìn)一個(gè)慣性實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)狹義相對(duì)論，光在慣性系中將以不變的光速做直線運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室向上加速，成了加速實(shí)驗(yàn) 室。它就相當(dāng)于愛因斯坦在構(gòu)思相對(duì)論過程中經(jīng)常思考的電梯實(shí)驗(yàn)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(shí)，就向居里夫人講述過這個(gè)實(shí) 驗(yàn)，現(xiàn)在物理學(xué)界已經(jīng)把這個(gè)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(yùn)動(dòng)的，現(xiàn)在對(duì)于加速系來說，它的運(yùn)動(dòng)必然要向下彎曲。根 據(jù)等效原理，加速實(shí)驗(yàn)室等價(jià)于引力實(shí)驗(yàn)室，因此這束光要是射進(jìn)引力場，它也會(huì)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(gè)實(shí)驗(yàn)：一個(gè)人在慣性實(shí)驗(yàn)室里向斜上方拋出一個(gè)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(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室向上加速，成了加速實(shí)驗(yàn)室，他再向斜上方拋出一個(gè)小球，小球?qū)⒃鯓舆\(yùn)動(dòng)呢?顯然小球?qū)⒆鰭侒w運(yùn)動(dòng)。
同樣，根據(jù)等效原理，在引力實(shí)驗(yàn)室里情況也將是如此。
對(duì)于這三個(gè)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，牛頓力學(xué)是這樣解釋的：
一、慣性實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)。
二、加速實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)而做拋體運(yùn)動(dòng)。
三、在引力實(shí)驗(yàn)室里，小球因?yàn)槭艿搅艘Φ淖饔?，做拋體運(yùn)動(dòng)。
在三個(gè)實(shí)驗(yàn)室里做完全相同的實(shí)驗(yàn)，卻得到了三種完全不同的解釋。
對(duì)于這三個(gè)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，愛因斯坦的相對(duì)論又是怎樣解釋的呢?
相對(duì)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?yàn)橐鲋忻恳稽c(diǎn)的附近都局部地等價(jià)于一個(gè)加速系，所以慣性定律在引力場中 也同樣適用。在三個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中的勻速直線運(yùn)動(dòng)和加速實(shí)驗(yàn)室、引力實(shí)驗(yàn)室中 的拋體運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上是相同的，都應(yīng)該服從同一個(gè)慣性定律。那么怎樣才能滿足這個(gè)要求呢?愛因斯坦提出了兩點(diǎn)：
第一點(diǎn)，四度空時(shí)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(shí)間的彎曲，也就從根本上取消了引力。
第二點(diǎn)，牛頓的慣性定律修改為“不受外力作用的時(shí)候”，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)在四度空時(shí)中的軌跡是一條“短程線”。這樣一來，慣性定律就在這三個(gè)實(shí)驗(yàn)室里都成立了。
這里要解釋一下什么是“短程線”?兩點(diǎn)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(diǎn)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?yàn)樗皇瞧矫鎺缀蔚母拍睿谙鄬?duì)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(duì)論中，引力場方程的基本思想就來自第一點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)方程的基本思想就來自第二點(diǎn)。 1939年，愛因斯坦又直接從引力場方程推出了運(yùn)動(dòng)方程，這樣，第二點(diǎn)就不再必要了。
在平面上，任何一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都可以分解為平直 兩個(gè)垂直方向的運(yùn)動(dòng)，因此它是一個(gè)二度空間。球面也是一個(gè)二度空間，它是彎曲的二度空間。我們生活的世界是一個(gè)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(diǎn)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(shí)間，構(gòu)成四度空時(shí)，對(duì)于四度空 時(shí)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(shí)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(shí)，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(duì)于空時(shí)的彎曲和短程線的概念之后，就可以來進(jìn)一步了 解愛因斯坦對(duì)于慣性實(shí)驗(yàn)室等三個(gè)實(shí)驗(yàn)室里小球的運(yùn)動(dòng)所做的統(tǒng)一解釋了。在慣性實(shí)驗(yàn)室中，空間時(shí)間是平直的，所以小球做勻速直線運(yùn)動(dòng);在加速實(shí)驗(yàn)室和引力實(shí) 驗(yàn)室中，空間時(shí)間發(fā)生了彎曲，所以小球做拋體運(yùn)動(dòng)。勻速直線運(yùn)動(dòng)在平直四度空時(shí)中的軌跡是短程線;拋體運(yùn)動(dòng)在彎曲四度空時(shí)中的軌跡也是短程線。這樣，在三 個(gè)實(shí)驗(yàn)中，小球都沒有受到外力的作用，都服從慣性定律做慣性運(yùn)動(dòng)。三個(gè)實(shí)驗(yàn)室完全平等了，引力消失了，物理定律在三個(gè)實(shí)驗(yàn)室中具備了相同的形式，所不同的 只是空間時(shí)間的結(jié)構(gòu)?？臻g時(shí)間結(jié)構(gòu)的變化，在加速實(shí)驗(yàn)室中是運(yùn)動(dòng)引起的，在引力實(shí)驗(yàn)室中卻是物質(zhì)引起的。
空間、時(shí)間、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)都統(tǒng)一起來了。
引力理論中根本沒有引力這個(gè)東西，引力場不過是空時(shí)的彎曲!
這個(gè)觀點(diǎn)，對(duì)于長期生活在牛頓經(jīng)典力學(xué)影響下的人們來說，確實(shí)有些難以接受。
以地球圍繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)為例，在牛頓看來，這是由于太陽對(duì)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(dòng)，是因 為太陽巨大的質(zhì)量，使太陽周圍的空時(shí)發(fā)生了彎曲。彎曲的四度空時(shí)中只有曲線，沒有直線，地球不可能沿著四度空時(shí)的直線做勻速直線運(yùn)動(dòng)，它只能沿著最“直” (也就是最短)的一條曲線——短程線做轉(zhuǎn)動(dòng)。
空間時(shí)間的彎曲，實(shí)在是有點(diǎn)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(jìn)了四度空時(shí)的浩渺無窮的宇宙。要三度空間的人去思考四度空時(shí)的問題需要極大極大的想象力。
對(duì)這個(gè)問題，愛因斯坦曾經(jīng)打過一個(gè)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(gè)宇宙，只有平面，只有長度和寬度。如 果有人對(duì)它講講三度空間里的事，什么立體，什么高度，它會(huì)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(shí)里的事，也同樣會(huì)感到很困難。這沒有什么值得奇怪的。于是 有人也許會(huì)問：既然四度空時(shí)的圖像是三度空間的人很難想像的，而且?guī)缀跏菬o法驗(yàn)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(shí)是無法去驗(yàn)證的。但是，根據(jù)他的理論推導(dǎo)出來的一些結(jié)論有時(shí)卻是可以驗(yàn)證的。這同樣也可以證明他的理論是正確的。
對(duì)于狹義相對(duì)論的驗(yàn)證，就夠困難的了，廣義相對(duì)論討論的問題要深?yuàn)W得多，驗(yàn)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(gè)最有說服力的驗(yàn)證辦 法，用日全食時(shí)觀測經(jīng)過太陽旁邊的星光是否真的會(huì)彎曲和它的彎曲度是多少，來驗(yàn)證廣義相對(duì)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(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的預(yù)言之外，做出的另一個(gè)可以驗(yàn)證廣義相對(duì)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(huì)輻射出幾種一定頻率的光線。通過對(duì)恒星發(fā)出的光線進(jìn)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(duì)論，引力場會(huì)使時(shí)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(qiáng)的恒星發(fā)出的光譜線，應(yīng)該向 低頻端也就是紅端移動(dòng)。這個(gè)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(jìn)一步證明了引力紅移。
廣義相對(duì)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(shí)代的獨(dú)立沉思又一次出現(xiàn)。不過，現(xiàn)在愛因斯坦是面對(duì)浩瀚的星空發(fā)問：根據(jù)廣義相對(duì)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(duì)論時(shí)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(huì)議報(bào)告》上，論文的題目是《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙所做的考察》。
在這篇論文中，愛因斯坦提出了一個(gè)有限無邊的靜態(tài)宇宙模型。“宇宙有限”這幾個(gè)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(duì)愛因斯坦大加恭維，仿佛有限宇宙之外就必有一個(gè)天堂，這樣，他們的上帝就有適當(dāng)?shù)淖√幜恕?/p>
對(duì)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(jìn)監(jiān)獄，只是因?yàn)樗麄冃麄骺茖W(xué)的真理——哥白尼的日心地動(dòng)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(duì)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(gè)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(duì)宇宙有限論展開了批判。其實(shí)，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(gè)重要概念：
第一個(gè)概念是“靜態(tài)”。他提出了一個(gè)所謂的“宇宙學(xué)原理”。這個(gè)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(diǎn)，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(gè)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(gè)地點(diǎn)的海拔高度是不均勻的。但是如果在人造地球衛(wèi)星上遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)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(jìn)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(dòng)的，讀者可能又要反對(duì)說：“月亮繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)，地球繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，宇宙間的一切物質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。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。總之，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(dòng)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(dòng)嗎?
第二個(gè)概念是“有限”。
對(duì)這個(gè)概念的反對(duì)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(duì)待這些意見，愛因斯坦的宇宙模型中還有第三個(gè)概念。這第三個(gè)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(shí)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(shí)做了某種外推之后得到的。結(jié)論雖 然可能有錯(cuò)誤，研究的態(tài)度和方法卻是科學(xué)的。事實(shí)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(yùn)動(dòng)，因?yàn)榫嚯x我們太遠(yuǎn)了。宇宙就像一個(gè)受熱的肥皂泡，在不停地膨脹。星系 就像肥皂泡上的各個(gè)點(diǎn)，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(yuǎn)鏡得到這個(gè)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(cuò)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(cuò)誤了嗎?為了從廣義相對(duì)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(xiàng)，叫做宇宙項(xiàng)。有人把引入宇宙項(xiàng)這件事，稱為愛因斯坦平生的最大錯(cuò)誤。
愛因斯坦犯了一個(gè)大錯(cuò)誤，提出了一個(gè)錯(cuò)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(dòng)說揭開了近代天文學(xué)的序幕，但是他的不朽巨著《天體運(yùn)動(dòng)論》中說行星繞著太陽做圓周運(yùn)動(dòng)是不對(duì)的，行星運(yùn)動(dòng)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(qiáng)有力的理論做指導(dǎo)，那就是廣義相對(duì)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(jí)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(yuǎn)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(gè)新的科學(xué)起點(diǎn)。
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(yù)。1919年日全食的觀測結(jié)果證實(shí)了廣義相對(duì)論之后，愛因斯坦的聲譽(yù)空前增長。他的學(xué)生和助手英費(fèi)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(shí)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(gè)人 都在期待一個(gè)和平的時(shí)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(yuǎn)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(shí)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(duì)日全食的觀測，證實(shí)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(yuǎn)征隊(duì)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(jì)算、核對(duì)，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(shí)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論。
1919年11月6日下午?；始覍W(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)在倫敦舉行聯(lián)席會(huì)議，聽取兩個(gè)日食觀測的正式報(bào)告。會(huì)議廳里濟(jì)濟(jì)一堂，英國科學(xué)界的泰斗們都在這里 了，會(huì)場就像一幕古希臘的戲劇那樣莊重。這些教授各個(gè)都?jí)旱土松らT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(shí)在太重大了，所以正式宣布的時(shí)刻，就具有了重大的歷史意義。
皇家學(xué)會(huì)會(huì)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(huì)會(huì)長。現(xiàn)在正俯視著自己的后繼者。
湯姆遜說：“愛因斯坦的相對(duì)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(gè)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(duì)長宣讀觀測報(bào)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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