愛因斯坦，奇跡的人生演繹

劉夕慶

阿爾伯特·愛因斯坦

阿爾伯特·愛因斯坦 （Albert Einstein，1879年3月-1955年4月），德裔美國科學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人之一。

1999年12月26日，愛因斯坦被美國《時代》周刊評選為“世紀(jì)偉人”。他的名字與“相對論”密不可分——相對論包括兩種理論：一是1905年建立的狹義相對論;二是1915年創(chuàng)立的廣義相對論。后者，我們可稱之為愛因斯坦引力論。

2015年是愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論的百年紀(jì)念。從1905年建立“狹義相對論”，到1915年“廣義相對論”問世，愛因斯坦這段“奇跡的偉大演繹”究竟是如何發(fā)生的？

他的出現(xiàn)，讓物理世界別有天地

1905年，狹義相對論的建立為物理學(xué)界打開了一個新世界，但愛因斯坦對此并不滿意，他認(rèn)為物理世界還應(yīng)有更廣闊的天地。正是當(dāng)時相對論的不完備性，才成為今天我們稱它為“狹義”的原因。

雖然愛因斯坦在狹義相對論中已經(jīng)廢除了“以太”的觀念，但在物理學(xué)中是否就不再有任何絕對或特殊的情況？1907年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)答案是否定的——讓我們想一下伽利略的相對性原理，其中描述等速直線運動的船就像“不動似的”。為何等速直線運動擁有如此特權(quán)？如果所有的運動都是等價的（這里所說的等價是廣義相對論的相對性原理：所有非慣性系和有引力場存在的慣性系對于描述物理現(xiàn)象都是等價的），不是更令人滿意嗎？此后，愛因斯坦把相對性原理從等速運動推廣到加速運動，其基礎(chǔ)就是慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量的相當(dāng)性，因為他察覺到了廣義相對原理和重力謎題之間的關(guān)系。

加速運動與引力場的運動是等價的，要區(qū)別是由慣性力或者引力所產(chǎn)生的運動是不可能的。對此，愛因斯坦憑借驚人的想象力做了一個“理想實驗”。他設(shè)想有一個人乘坐摩天大樓的電梯自由降落，乘坐電梯的人不會感到自己在下降，因為電梯和人都依照重力加速度定律同時在下降，仿佛在電梯里不存在地球引力。反之，如果電梯以不變的加速度上升，那么在電梯里的人將覺得雙腳緊貼在地板上，好像站在地球表面一樣。這個等價原理是廣義相對論的基礎(chǔ)，它顯示了等速運動的一些基本原理也可以應(yīng)用到加速度運動中。

1912年開始，起初對數(shù)學(xué)不夠重視的愛因斯坦在他大學(xué)好友格羅斯曼的幫助下，用張量分析和曲面幾何作為數(shù)學(xué)工具嘗試建立廣義相對論。廣義相對論的推導(dǎo)過程歷經(jīng)千辛萬苦，其中涉及許多艱深的數(shù)學(xué)問題和運用不成功的數(shù)學(xué)方法。傳說當(dāng)時世界上只有三個人能理解這理論中的所有數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)。這種說法未免有點夸張，但愛因斯坦確實為它學(xué)習(xí)了許多新數(shù)學(xué)知識，比如黎曼幾何學(xué)等。

從1915年11月開始，愛因斯坦陸續(xù)公布廣義相對論的最新研究成果。普魯士科學(xué)院院士們每周四聚會一次（1913年愛因斯坦在德國的科學(xué)圣地柏林被正式提名為普魯士科學(xué)院的院士）。在連續(xù)的四次聚會中，這些院士親眼目睹了廣義相對論的誕生——這是20世紀(jì)最偉大和深刻的科學(xué)理論。

愛因斯坦在廣義相對論已發(fā)表的20多年后曾對自己的學(xué)生英費爾德說過：“要是我沒有發(fā)現(xiàn)狹義相對論，總有一天也會有別人來發(fā)現(xiàn)它;但是我認(rèn)為，廣義相對論的情況不是這樣。”

有人說，這句話直到今天還是正確的。也就是說，如果沒有愛因斯坦，人類恐怕直到今天也不會有廣義相對論。本來，一切重大的科學(xué)理論，都是科學(xué)發(fā)展到一定階段后的必然產(chǎn)物，說它完全依賴于某個人，這未免太絕對了，然而廣義相對論的誕生似乎確實是這樣。物理學(xué)當(dāng)時的發(fā)展基本沒有給創(chuàng)立廣義相對論以任何條件和機(jī)遇，它有點純粹或完全是愛因斯坦本人天才大腦的創(chuàng)造。可以說愛因斯坦的出現(xiàn)，讓物理世界具有了一番嶄新天地……

關(guān)于狹義相對論，有以下幾個結(jié)論：

鐘表慢走和尺子縮短現(xiàn)象，它是指物體高速運動的時候，運動物體上的時鐘變慢，尺子變短。鐘表慢走和尺子縮短現(xiàn)象就是時間和空間隨物質(zhì)運動而變化的結(jié)果。許多科學(xué)幻想作品用它作題材，描寫一個人坐火箭遨游太空回來以后，發(fā)現(xiàn)自己還很年輕，而孫子已經(jīng)變成了老頭。

狹義相對論還有一個質(zhì)量隨運動速度而增加的結(jié)論。實驗中發(fā)現(xiàn)，高速運動的電子的質(zhì)量比靜止的電子的質(zhì)量大。

愛因斯坦的感恩之情

愛因斯坦終身感謝格羅斯曼對他的幫助。在悼念格羅斯曼的信中，他談到這件事時說，當(dāng)他大學(xué)畢業(yè)時，“突然被一切人拋棄，一籌莫展地面對人生。他幫助了我，通過他和他的父親，我后來才到了哈勒（時任瑞士專利局局長）那里，進(jìn)了專利局。這有點像救命之恩，沒有他，我大概不至于餓死，但精神會頹唐起來。”

美名響徹世界

為了驗證廣義相對論的正確性，愛因斯坦對其效應(yīng)做了預(yù)測。他認(rèn)為，光線并不像學(xué)校教的那樣永遠(yuǎn)走直線，在引力場中它應(yīng)該沿著曲線傳播;并指出，當(dāng)從一個遙遠(yuǎn)的星球上發(fā)出的光在到達(dá)地球途經(jīng)太陽的時候，會由于太陽周邊空間彎曲而使這個星球看起來的位置與實際位置不符，而產(chǎn)生偏折，其偏折的弧度應(yīng)當(dāng)是1.75秒，因此他建議通過觀測日全食來驗證這個理論，然而觀測日全食的機(jī)會因為第一次世界大戰(zhàn)耽擱了。直到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，英國天體物理學(xué)家埃丁頓爵士才開始驗證這個理論。

1919年5月29日，埃丁頓率領(lǐng)兩個天文考察隊，擬定在日全食時分別在巴西和西非攝影，通過觀察日全食來驗證廣義相對論的正確性。在1919年11月6日，埃丁頓爵士發(fā)表了一份關(guān)于其考察的報告，該報告稱：在西非外海的葡萄牙屬小島普林西比上觀測到的結(jié)果，其光線偏轉(zhuǎn)度竟和愛因斯坦計算的非常一致。這份報告證實了愛因斯坦的時空新理論，同時也使牛頓的萬有引力學(xué)說失去了普遍的意義。

要說這種科學(xué)事件在平常是不會受到普通大眾注意的，但“一戰(zhàn)后的某些特殊情況”使得媒體史無前例地爭相報導(dǎo)。一夜之間，愛因斯坦從一個默默無聞的大學(xué)教授變成傳奇人物，全世界都為之轟動，他的名字在國際社會開始廣為流傳，幾乎家喻戶曉。

在廣義相對論中，空間不只會被物質(zhì)改變;同時，如果沒有物質(zhì)，空間就不可能存在。簡言之，物質(zhì)創(chuàng)造空間。另一種說法則是若沒有物質(zhì)，空間也不存在。所以無法去除空間中所有物質(zhì)，如同琴樂波動與時空傳播（這里談?wù)摰目臻g是狹義相對論中提出的時空）。當(dāng)我們除去空間中所有物質(zhì)時，不只是空間的消失，就連時間也會消失。換句話說，時間、空間與物質(zhì)（能量）是同時被創(chuàng)造出來的——這與我們的常識（統(tǒng)治人們觀念數(shù)百年之久的牛頓經(jīng)典物理體系）幾乎是背道而馳的，由此可見這一理論對人類觀念的更新。

關(guān)于彎曲時空概念，廣義相對論提出了四個可以驗證的實驗，并在其后由天文學(xué)家和物理學(xué)家實現(xiàn)了驗證。

引力紅移：廣義相對論認(rèn)為，引力勢強(qiáng)的地方，固有時間的流逝速度慢，也就是說離天體越近，時間越慢。這樣，天體表面原子發(fā)出的光周期變長，由于光速不變，相應(yīng)的頻率變小，就會向光譜中紅光方向移動。

引力場中的光線偏折：在現(xiàn)代，通過射電望遠(yuǎn)鏡可以觀測類星體的射電信號在太陽引力場中的偏折，而不必等待日全食這種稀有的機(jī)會。

水星近日點進(jìn)動：廣義相對論的計算結(jié)果與平方反比的萬有引力定律有所差異，這一差異剛好使水星的近日點每百年移動43角秒。

雷達(dá)回波時間延遲：廣義相對論認(rèn)為光子靠近引力場時，就會發(fā)生時間延遲效應(yīng)。光線軌跡在引力場中彎曲，使得其路徑延長。這種彎曲現(xiàn)象可以等價地看成是一種折射，相當(dāng)于有效光速減慢，因此從空間某一點發(fā)出的信號，如果途經(jīng)太陽附近，到達(dá)地球的時間將有所延遲。

巨星隕落，精神存續(xù)

1955年4月18日，偉大的科學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦因主動脈瘤破裂逝世于美國普林斯頓。巨星隕落，舉世同悲。

我們難以忘記，那是距今110年的1905年，這位瑞士專利局的小職員天才般地憑借狹義相對論改變了以往我們對物理世界運動狀態(tài)的看法;到了距今100年的1915年，他又憑借廣義相對論改變了人類對宇宙基本結(jié)構(gòu)和存在形態(tài)的認(rèn)識。直到跨入21世紀(jì)的今天，他的智力遺產(chǎn)仍然還是新一代物理學(xué)家的靈感源泉……

愛因斯坦如同藝術(shù)大師，將時間、空間、質(zhì)量、能量視為四種原基色，創(chuàng)作出“廣義相對論”這件科學(xué)與藝術(shù)融合的劃時代精品絕作。

愛因斯坦曾說過：“我自己不過是自然的一個極微小的分子。”是的，他把一切獻(xiàn)給了人類，從自然界獲得自由的征程，最后連自己的骨灰也回到大自然的懷抱。正如英費爾德第一次與他接觸時所感受到的那樣：“真正的偉大和真正的高尚總是并肩而行的。”愛因斯坦的偉大業(yè)績和精神，至此也永遠(yuǎn)留給了全人類。