愛因斯坦是曆史上繼(jì)牛頓之後最偉大的科學家。他是狹義相對論的重要發現者,他對量子理論的(de)創立具有重大的貢獻,而(ér)廣(guǎng)義相對論,亦即現(xiàn)代引力論的建(jiàn)立,則應全(quán)部歸功於他。
十九世紀末期(qī),麥克斯韋成功地把電(diàn)學和磁學統一在他的電磁理論中(zhōng),從(cóng)他的方程推導出,電磁波在真空中傳播的速度剛(gāng)好是(shì)光速,於是他斷定光波(bō)應是電磁波的一種。麥(mài)克斯韋因為家族遺傳的疾病,隻活了四十八歲,因此沒有看到電磁波實驗(yàn)的成功。在牛頓的絕對空間(jiān)、絕(jué)對時間以及伽利略(luè)的舊的相對性原理框架中,隻有以無限速度運動的物體,在相對勻速(sù)運動的坐標係中才具有相同的速度,即無限速(sù)度。而牛頓的萬有引力(lì)認為是(shì)以無限速度傳(chuán)遞的,所以在(zài)麥克斯韋之前,牛頓物理學被認(rèn)為是自洽(qià)的,而電磁波是以有限速度傳播的,在舊的相(xiàng)對論框架(jià)中,它的速度會因坐標(biāo)係的選(xuǎn)取而改變,這樣他的方(fāng)程隻能在一個特定的坐標係中成(chéng)立,這個坐標係被(bèi)認為是相對於一(yī)種稱為以太的媒介靜止。於是尋(xún)求以太(tài)的存(cún)在便成為科學的主題。邁克爾遜——莫雷實(shí)驗的結果否認了以太的存在。愛因斯坦在1905年發表(biǎo)了一篇題為“運動(dòng)物體的電動力學”的論文,指出如果將時間和(hé)空間組成(chéng)四維的(de)時(shí)空,而在參考係進行相對勻速運動時,時空坐標遵照所謂的洛倫茲線性變換,則一切(qiē)物(wù)理定律包括麥克(kè)斯韋方程(chéng)都應采取相同(tóng)的(de)形式。這(zhè)樣一來,以太的存在便完全是多餘的。愛因斯坦在(zài)發表狹義相對論(lùn)之前是否知悉邁克爾——莫(mò)雷的實驗仍是科學史(shǐ)上的一個懸(xuán)案。
這篇論(lùn)文拋棄(qì)了牛頓的絕對時空觀,導致物理學上的一場革命。由洛(luò)倫茲變換(huàn)導(dǎo)出的尺縮、鍾慢以(yǐ)及雙生子佯謬都和人們的直(zhí)覺相抵觸。而著名的質能等效公式(shì)則是核能乃至核武器的理論(lùn)根據。
1900年普(pǔ)朗克為了解決黑體(tǐ)輻射的紫(zǐ)外災難問題,提出了輻射的量(liàng)子理論,即是光輻射必須采取一種稱作量子的(de)波包(bāo)形(xíng)式。但是(shì)隻有(yǒu)在愛因斯坦提出光子理論之後,人們才真正接受光可以粒子(zǐ)即光子的形式存在。普朗克曾經是(shì)愛因斯坦關(guān)於狹義相對(duì)論第(dì)一篇(piān)論文的審稿人。既然光波可以作為粒子而存在,那麽電子等物質粒子能否以波動而存在呢?這是法(fǎ)國的一名研究生德·布羅依的設想,愛因(yīn)斯坦得知後(hòu)立(lì)即支持這一激進(jìn)的假說。這些都是量子理論發現的前奏。愛因斯坦因他的光子(zǐ)理論而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。其實愛(ài)因斯坦對相(xiàng)對論的(de)貢獻(xiàn)遠為重要,但是諾貝爾評獎委員會對激進的相對論持謹(jǐn)慎的態度。事實上迄今諾貝爾獎(jiǎng)從未(wèi)為理論(lùn)相對論家頒發過。終其一生,愛因斯坦從未接受量子理論為(wéi)終極理論,他認(rèn)為量子力(lì)學隻是一種唯象理論(lùn),而終極理論必須是決定性的。我們知道,就現狀而言,量子(zǐ)力學並不(bú)自(zì)洽。它仍然在忍受著愛因斯坦——羅遜——帕多爾斯基佯謬(miù)的(de)折磨。近年的一些(xiē)研究似乎在一定程度上解脫了薛定諤貓(māo)佯謬對它的折磨。
狄拉克把狹義相對論和量子力學相結合,得到了(le)極富成果的量子(zǐ)場論(lùn)。量子(zǐ)場論是描述一切微觀粒子的理論框架。從狄拉克方程可以推導出反粒(lì)子的概念。量子電動力學可能描述(shù)電子、光子、正電子的湮滅、創生和相互轉變。人們由此(cǐ)進而(ér)發(fā)展出當代粒子物理學。
愛因斯坦說過,如(rú)果他不發表狹義相對論,則(zé)在五年之內必有他人(rén)發表。其實當時洛倫茲和彭加萊已經非常接近這個結果了(le)。可惜洛(luò)倫茲無法掙脫舊的時空觀(guān),而彭加萊又主要(yào)是一位傑出的數學家,因此隻有眼光敏銳、思維深邃的愛因斯坦擔任這項(xiàng)曆史任務。值得提到的是,當時洛倫茲已是世界聞名(míng)的物理學(xué)家,彭加萊是法國首位數學家,而愛因斯坦大(dà)學畢(bì)業後,連中學教員的職(zhí)務都找不到,借助朋友介(jiè)紹才在伯(bó)爾尼專(zhuān)利局任一名職員。
他接著說,如果他不在1915年發表(biǎo)廣義相對論,則(zé)人(rén)們至少得等待五十年。這個估計是非(fēi)常合情理的。廣義(yì)相對論是狹(xiá)義相對論和引力論相結合的成果。它的(de)一個實(shí)驗基礎是(shì)伽利略在比薩斜塔進行的自由落體實驗,即(jí)引力質量和慣性質量的等效性。但是為了充分闡(chǎn)釋其物(wù)理含義,人們等待了三百年之(zhī)久,也就是等(děng)待到廣義相(xiàng)對論的發現。所以若不(bú)是愛因斯坦,再等待五十年是很有可能的。
我們在瀏覽愛(ài)因斯坦文集第六卷時,就可以看到他所進行的多(duō)次不成功嚐試,這是人類理智的蹣跚(shān)學步。他認為引力場和其(qí)他物質(zhì)場不同,它是以時(shí)空的曲率來(lái)體現的,物質使時空(kōng)彎曲,而時空又是物質的載體,脫離物(wù)質的時空曲率即是引力波。所謂(wèi)廣義相對論原理即(jí)是,物理(lǐ)定律(lǜ)對任何坐標變換都(dōu)采用相同的形式,而狹(xiá)義相對論原理是,物理定律隻對任何洛倫茲線性變換都采取相同的形式(shì)。引力場(chǎng)由所謂的愛因斯坦方(fāng)程所製約。它是非線性的,有別於以往所有的場方(fāng)程。所以物質的運動方(fāng)程被愛因斯坦方(fāng)程所隱含。引力(lì)場方程是二階的,以時空為(wéi)自變量,以度(dù)規(guī)為(wéi)因變量的帶有(yǒu)橢圓型(xíng)約束的(de)雙曲型偏微分方程。其複(fù)雜而美妙對任(rèn)何曾與之打(dǎ)交(jiāo)道的人都留下深(shēn)刻的(de)印象。在廣義相對論的框架內,愛因斯坦(tǎn)進行了引力紅移(yí)、水星近日點進動以及光線受引力(lì)場折射等計算。而他關於光線在太(tài)陽引力場附近受到折射的預言在(zài)1919年西(xī)非日食的(de)觀測中得到證實。他的方程如此(cǐ)難解,以至於他在這些計算中,使用的隻是一個近似解,所依賴的主要是他的無(wú)比的物(wù)理洞察力。而球麵對稱的準確解——史(shǐ)瓦茲解是在(zài)此之後才找到(dào)的。
他首次(cì)用引力場方程來研究宇宙的整體,開創了理論(lùn)宇宙學的新學科。可惜由於穩態宇宙的觀念是如此根深蒂固,使他(tā)拒絕了演化(huà)宇宙的解,他還為此在場(chǎng)方程中引進一項宇宙常數,從而人類失去了一項重(chóng)大的科學預言機遇!1929年哈勃觀察到星(xīng)係光譜紅移和距離的線性關係,即所謂(wèi)哈勃定律。人們把紅移歸結於(yú)宇宙的膨脹,並斷言宇宙是由(yóu)於一百多億年前的一次大爆炸(zhà)產生的,這就是所謂的(de)標準的大爆炸宇宙學。
他的場方程還得出緊致物(wù)體的引力(lì)坍縮(suō)的解,即史瓦茲解及其推廣,這就是描述黑(hēi)洞的解。但是愛因斯(sī)坦認為物質不可能(néng)如此緊致,並著文認為這是(shì)荒謬的。但是曆史(shǐ)證明,黑(hēi)洞是天體物理中最重要的物體,近年天(tiān)文觀測,使人們普遍認為在星係中心存(cún)在巨大(dà)質(zhì)量的黑洞。事實上,宇宙本身和黑洞正是理論物理學最美妙的研究對象。如(rú)果撇開宇(yǔ)宙和(hé)黑洞,則物理學的光彩將會大為(wéi)遜(xùn)色!
愛因斯坦在布朗運動、作為激(jī)光機製的基礎的輻射理論、玻色——愛因斯坦統計及其凝聚現象都有關鍵性貢獻。他和玻爾有關(guān)量子力學的論爭是科學史上曠日(rì)持久的影響深遠(yuǎn)的(de)事件。他堅信(xìn)自然界中的一切(qiē)相互作用(yòng)都可統一成一種作(zuò)用。統一場論是科學皇冠上的鑽石!當代的超對稱、超引力、超(chāo)弦理(lǐ)論都是統一場論路途(tú)上的(de)種種嚐試。
相對論在近四(sì)十年來有(yǒu)了長足的進展,尤其經典相對論已成為成熟(shú)的學科。相對論在近世的進步,主要歸功(gōng)於彭羅斯和霍金。彭羅斯利用全局分析以及拓撲工具,賦予高深的相對論計算以鮮(xiān)明的物理意義,以他命名的(de)彭羅斯圖對於時空猶如費因(yīn)曼圖對於(yú)粒子物理那樣重要(yào)。霍金和彭羅斯一道證明了奇(qí)勝定理。他單獨證明了黑洞麵積定(dìng)理以及黑洞視界麵積代表黑洞的熵。他(tā)的黑洞蒸發(fā)理論把量子場(chǎng)論、廣義相對論以及統計物理統一起來,其理論的瑰麗,猶如一道佛光,令人目眩神搖。而他的量子宇(yǔ)宙學的無邊界假說,是研究宇宙創生(shēng)的科學理(lǐ)論。
筆者認為,引導愛因斯坦以及後代科學家生涯的(de)最大動機,不是財富,不是名聲,也不是別的更高尚的目標(尤其是(shì)財富和名聲(shēng)可以憑借(jiè)其他更快捷的手段獲取)。他們(men)的主要(yào)動(dòng)機是科學的好奇心和科學的美學。我們(men)可以在曆史中找到許多例子,有多少人恰恰是為了科學犧(xī)牲世俗中的健康、財富和名聲。但是(shì)普天之下人們(men)所擁有的一切除了(le)科學發(fā)現和藝術創造的喜悅之外都(dōu)是可能被剝奪的。人類對好奇和(hé)美的不懈追求將把人類帶向更美妙的未來!
寫於愛因斯坦一百二十周年生日前夕