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| 中外科学家发明家丛书：爱因斯坦 （五） | 发布于:2014/01/12 | |
| 四、学者生涯 相对论在为数不多的最杰出的物理学家中间掀起了波涛。可是，爱因斯 坦依旧每天早晨9点准时到达专利局，去上8小时的班。下班以后，他领着 小儿子到阿勒河的河滨散步。看着河水静静地流去。 1906年4月1日，爱因斯坦升了级，工资也长到每年4500法朗。局长 在打给上司的报告里，表扬爱因斯坦忠于职守，工作成绩优异。局长也提到 他学识上的进步，说他得了博士学位。然而对于《物理学纪事》上的那三篇 论文，局长只字未提。 在大学里的那些人，手拿着那一卷《物理学纪事》，打听爱因斯坦是何 许人也。相对论给普朗克的助手劳厄留下了深刻的印象。后来人家告诉他说， 爱因斯坦不是什么教授，而是专利局里的公务员。劳厄听了惊讶万分。于是 劳厄去了伯尔尼，一下火车就直奔专利局。他在走廊里看见一个年轻人来回 踱步。那人只穿一件格子衬衫，领子有点竖起，头发乱得像团草，好像那人 正在思考什么问题。劳厄上前向他打听，爱因斯坦博士在几号房间办公？那 双梦游人一般的大眼睛突然醒了，放出一片柔和的光。他笑着说，很对不起， 本人就是。劳厄惊讶地看着他，也笑了。过了几分钟，这两个同岁的年轻人 已经坐在一家小餐馆的桌旁，开始了他们终身的友谊。 维恩教授的学生劳布也来到了伯尔尼。他的学位论文里用到相对论。教 授不同意他的观点，叫他去找相对论的著者请教。碰巧爱因斯坦一个人在家， 他正跪在地上生炉子。见到来客，爱因斯坦扔下捅火棒，伸出了两只乌黑的 手。客人稍稍迟疑了一下，爱因斯坦也没有察觉。爱因斯坦用手背擦了一下 被煤染黑了的额头，笑着说：“你看，我和人谈辐射，可是这个倒霉炉子， 就怎么也辐射不出热来。” 伯尔尼对物理学家们产生了吸引力。普朗克教授也打算到伯尔尼来。1907 年 7月6日，他写信给爱因斯坦：明年我可能到瑞士度假。虽然还很遥远， 可是想到能和你会面，心里很高兴。 终于，在1908年10月23日，一份印有伯尔尼州徽的公文送到了专利局， 通知爱因斯坦博士，从本学期，聘请他担任兼职“编外讲师”。也就是说， 他有权在伯尔尼大学里选讲自己的课程。至于报酬，则由听课的学生直接付 给讲师。可惜，爱因斯坦所讲的课程“辐射的基本理论”，讨论的都是物理 学上阴云未散的问题，很少有大学生对它感兴趣。 1909年7月，日内瓦大学向他发出请柬，请他参加350周年校庆纪念活 动。同年9月，他又到萨尔斯堡参加“德国自然科学家和医生协会”第81 届年会。这是他第一次应邀做学术报告。这是他第一次和物理学界的同行们 相会。大家把他列入巨人们之中，他在巨人中寻找普朗克。他把双手向普朗 克伸去，创立量子论和创立相对论的两双手紧紧地握在一起了。 专利局的四壁已经太窄，容不下爱因斯坦了。从萨尔斯堡回来后，他辞 去了专利局的工作。苏黎世联邦工业大学已经聘请他为副教授。 爱因斯坦在苏黎世大学仅仅授课三个学期。尔后，他接受了布拉格德意 志大学的聘请，荣任理论物理学正教授。 按照规定，在宣布委任之前，需要有被推荐人的推荐书。他们请德国最 著名的理论物理学家普朗克做推荐人。普朗克在推荐书中写道：“要对爱因 斯坦的理论作出中肯评价的话，那么可以把他比作20世纪的哥白尼，这也正是我所期望的评价。” 爱因斯坦在布拉格首次讲课的情景，有一份报道作了如下介绍：“爱因 斯坦极为朴实地出现在众人面前，从而使在场的人都为之倾倒。他讲起话来 生动而开朗，从不矫揉造作，十分自然，有时还来点使人振奋的幽默。相对 论原来是如此简单，这使不少听众为之惊叹！” 1911年，爱因斯坦在《物理学纪事》上发表了题为《关于引力对光线传 播的影响》的论文。这是他在布拉格期间最重要的成就，该文阐述了相对性 引力理论的基本原理。结论的创新之处在于，由星体发射出来的光束在太阳 附近掠过时必然会弯曲，这是由于光也有惯性，因而受到太阳引力场的巨大 的引力作用。爱因斯坦建议，在下一次日全食时，通过天文观测来验证这个 理论预见。1911年秋天，爱因斯坦离开布拉格，去布鲁塞尔参加国际科学会 议。这一会议是比利时化学工业家索尔未根据柏林物理化学家能斯特倡议召 开的，目的是讨论原子理论问题。在会议上，爱因斯坦第一次与玛丽·居里、 庞加莱、郎之万、卢瑟福和佩兰以及其他重要的物理学家结识。 1912年夏天，他回到苏黎世，就任高等工业学院教授。当时，他在为他 开设的数学物理教研室担任正教授。十年前，正是这同一个学校，曾使他热 望谋求一个助教职位。 当时，苏黎世的学术空气十分活跃，特别表现在物理和数学方面。继爱 因斯坦荣任苏黎世大学理论物理教授的是劳厄。他在慕尼黑发现了意义重大 的伦琴射线干涉现象，因而不久就获得诺贝尔奖金。在数学方面，除了后来 参与广义相对论公式表述工作的威尔之外，还有数学家格罗斯曼，他曾是爱 因斯坦的学友，也曾经促使爱因斯坦相信，要进一步推广相对论的研究成果， 需要一种特殊的数学方法。格罗斯曼帮助他找到了这种方法，并加以运用， 而且还亲自参加相对论的数学推演。爱因斯坦和格罗斯曼的一个合作成果就 是《广义相对论和引力理论纲要》。其中物理部分和数学部分就是由他们分 别撰写的。这篇论文标志着爱因斯坦在广义相对论的征途上迈出的第二个重 要脚印。1915年，爱因斯坦在柏林才最后总结成广义相对论。 1913年7月10日，在普鲁士皇家科学院学部全会上，爱因斯坦荣膺为 正式院士。1914年4月，爱因斯坦来到柏林，但4个月后，爆发了第一次世 界大战。 1914年10月，受到大资产阶级“爱国主义”和民族仇恨的盲目煽动， 93位德国人文科学家的宣言出笼了。“文化界”的这个宣言使德国科学家和 艺术家丢尽了体面。它妄图为德国总参谋部破坏比利时中立，践踏国际法的 行径作辩护，还为德军在占领区的罪恶勾当，进行掩盖或粉饰，把手舞屠刀 的德国皇帝吹捧成“世界和平的卫士”，德国军国主义反倒被说成是德意志 文化的救星。 在宣言上签名的德国科学家有：能斯特、哈伯、伦琴、瑞纳德、海克尔、 奥斯瓦尔德、普朗克等。就是，其中没有爱因斯坦。 爱因斯坦从幼年开始就憎恶战争。1911年，由于德国军国主义的挑衅， 引起了摩洛哥危机，他在同索末菲的交谈中，表露出对德国军国主义者的蔑 视。为了同93人的宣言分庭抗礼，他与柏林哲学家尼古拉共同起草《告欧洲 人民书》。他呼吁欧洲的科学家应该竭尽全力，尽快结束这场人类大屠杀， 认清自己的道德责任，同心协力把战争这一政治手段从世界人民的生活中清 除掉。欧洲不应重遭希腊的命运！至今，学者们却反其道而行之，这样会把发展文化的重要职责丧失殆尽。由于技术和交通事业的飞速发展，地球变得 小了，各国人民离得了。因此，我们彼此间必须和平共处，而不应该在 对所有参战者都无益的惨无人道的战争中互相厮杀。 这份 《告欧洲人民书》是爱因斯坦参与起草和签名的第一个政治文件。 可是，除尼古拉和天文学家弗尔斯特外，签名者中间再没有其他著名人士了。 与 93人宣言相比，它毫无成功的指望。因而，连它的起草人后来也不同意 公开散发了。在当时的形势下，可能也找不到一家德国报纸敢于和愿意刊登 这份反战声明。 1914年11月，反战的知识分子在柏林组成“新祖国联盟”。他们的纲 领是为尽快实现没有领土要求的正义和平，创建制止未来战争的国际组织。 爱因斯坦不仅是该联盟的创始人之一，还是一个最活跃的会员。 爱因斯坦与法国作家、反战的人道主义者罗曼罗兰很早就有书信往来。 1915年3月，他在信中写道：“似乎各国的科学家在8个月以前都丧失了理 性。”罗曼罗兰在日记中称赞了爱因斯坦敢于直率地讲出当时德国的情况。 认为任何一个德国人都不像他那样襟怀坦白。 在柏林的前几年，战争虽然给爱因斯坦的生活同样带来不少麻烦，但他 在学术上却异常丰产。1916年初，他在《物理学纪事》上发表长达50页的 论文《广义相对论基础》，以此暂时结束了他从1908年以来所从事的相对论 研究。这篇论文是20世纪理论物理学研究的峰巅。 1905年的狭义相对论仅仅适用于不存在引力的所有物理过程，研究的是 直线、匀速相对运动的参考系，而1915年的广义相对论，研究的是作任何运 动的参考系。广义相对论的方程与参考系的运动状态无关，也就是同样适用 于作加速运动和旋转运动的参考系。在某种程度上，它是1905年狭义相对论 的“推广”；此外，就像爱因斯坦所恰当比喻的那样，广义相对论这个新理 论就像是相对论大厦的第二层楼。爱因斯坦通过研究认识到，空间不是均匀 的，而是由物质的空间几何分布所决定，也就是由物质和场所决定的。从此， 普遍适用的欧氏几何学已经不再成立了。而欧氏定律成为物质作用很小时的 极限定律。从广义的角度看来，空间的确遵循着一种非欧几何学，爱因斯坦 则是第一个赋于非欧几何学以物理意义的研究家。 在非欧几何学中，人们所谓的“弯曲”空间就类似于一个曲面那样，欧 氏“平坦”空间中的直线不再存在了；“最直”的线只有所谓“测地线”， 它是两点间最短的距离。空间“弯曲”决定了引力场中物体轨道的几何状态。 可以把太阳系的行星轨道理解为由于太阳物质作用而产生的空间弯曲的体现 和结果。引力定律像是惯性定律的一种特殊形态。 爱因斯坦在广义相对论中阐明了引力的几何学理论，这是自然科学史上 最伟大的理论成就之一。1955年，玻恩在报告中曾讲道：“对于广义相对论 的提出，我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果，它把哲学 的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。” 如同所有划时代的发现一样，爱因斯坦的广义相对论也有着深远的影 响。它勾画出欧氏几何学和牛顿引力学说的适用范围，证明这两个学说是物 质世界在特殊情况下的图像。爱因斯坦提出的引力理论和运动定律反映了凌 驾于它们之上的更为普遍的自然规律。 广义相对论在哲学上也十分重要。以往那些从牛顿形而上学机械观出发 的哲学家，大多把空间和时间看作是相互独立存在的东西或是康德所认为的作为人们意识中的一种纯自觉的形式。这样，辩证唯物主义长期以来所主张 的、自然科学最初未能证明的论点得以验证，这就是空间和时间都是运动着 的物质的“存在形式”。 广义相对论的经验基础不够广泛，它主要来自思维揣测。爱因斯坦为了 验证这一理论指出三个“效应”。运用天文观测手段，验证了这三个效应。 于是，数学物理学家推崇为内部和谐、结论正确的新引力理论从而也得到了 验证。 第一个效应是水星近日点附加的运动，也就是向前推移。许多天文学家 曾经作过各种设想，企图解释这个迷惑人的多余值。爱因斯坦在他的理论中， 把它解释为由于太阳的存在引起了空间结构的改变，从而产生了这一附加结 果。观测到的数值与理论上算得的数值完全一致，这从开始起就成为爱因斯 坦学说的一根牢固的支柱。 检验相对性引力学说的第二个效应是太阳引力场中的光线的弯曲。恒星 发出的光线在太阳近旁掠过时稍有弯曲。这是一种日全食时通过照像刚刚能 观测到的效应。早在1911年，爱因斯坦就在理论上预言这一现象。但是，当 时他给出的数值太小了。1915年底，他重新算出了光线偏转的有效值是1.7 秒（弧度）。这一预言在1919年得到了证实，这是科学史上自然理论研究的 最伟大胜利之一。 验证引力新理论的第三个效应是相对论红移。也就是：邻近星体发出的 光谱线与地球上相应方式（由同类分子）产生的光谱线相比，谱线移向红端， 亦即向长波端移动。其原因在于，强引力作用使得发射出的光的振动频率减 少了，波长就相应地增大。天文学家在天狼星伴星中，首先验证了相对论红 移。天狼星伴星与白矮星相似，是一颗密度很大的星体。观测值大凡都与爱 因斯坦的计算值相靠近。在同一时期内，有人还通过地球引力场中的穆斯鲍 尔效应，验证了γ量子频率改变这一相对性红移。观测值与理论值完全一致。 正如爱因斯坦强调的那样，广义相对论的重要意义，不仅仅在于论证了 一些微小的效应，还由于它使整个物理学的理论基础大为单一化。不过，只 有少数一些人才懂得这后一个正确评价。 广义相对论发表以后仅一年，爱因斯坦又为科学界作出了另一革命性贡 献，这就是关于宇宙起源问题。要是无物质 （或场）的空间和时间根本不可 能存在的话，而且正如马赫原理所要求的那样，空间的力学特性完全由物质 所决定，那么就会像爱因斯坦所认为的那样，宇宙空间是有限但又是没有边 界的。一束光经过10亿年后，就会沿着一条“最直”的线回到其出发点。这 就好像是一个球面，它的面积是有限的，但却没有边界。从一点出发，经过 一定时间之后，可以返回到原处。 空间世界是闭合的假说，与一切寻常的、现有的想法截然相反，引起了 广泛的注意。同时与一切不寻常的事物一样，既得到了部分人的拥护，也遭 到了部分人的非议。爱因斯坦这一假说的主要反对者是一批哲学家。其中大 多数仍然被空间“无限”的这种机械观念捆住了手脚。他们从欧氏几何学出 发，分不清“有限”与“有界”之间的区别。因而，对爱因斯坦的思想根本 不理解。 爱因斯坦的第一部书在 1917年出版了，书名为《关于狭义和广义相对 论》，副题《通俗读本》，长达70页。尽管爱因斯坦本人风趣盎然地认为最 好把它称作 《通俗读本》。但是，这本小册子却是他最享盛名而多次再版的著作之一。这位多产的学者之所以在年近40时才写就一本书，主要原因是他 一直“害怕写书”（给索耳末的信），爱因斯坦满足于在杂志上经常发表精 悍的论文，而把根据他的思想撰写书籍的机会留给那些乐于写书的同行们。 |
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