四、爱因斯坦与相对论的创立 

阿尔伯特·爱因斯坦于1879年出生于一个犹太家庭。他在中学时,不喜欢各种强迫训练及形式主义的功课,但当他读几何时,立刻发生浓厚的兴趣,因为几何学中理论的明确,演证的步骤以及图形与说理的清楚,使他感觉到在这个杂乱无章的世界中还有秩序井然的存在。他从小对音乐有着特别的爱好。自六岁开始,他就迷上了小提琴。当他母亲在钢琴上弹奏一曲莫扎特或贝多芬的奏鸣曲时,他就一动不动地站在旁边听出了神。因此他对古典音乐有了深嗜笃好。到他14岁时,已经登台伴奏。这样,数学物理和古典音乐就成了他平生的两大伴侣。爱因斯坦在中学时代时性情孤僻,不喜欢同人交往,不为师友们所喜爱。老师认为他智力迟钝,同学们给了他一个绰号“孤独小老头”。当爱因斯坦15岁时,他考入了瑞士苏黎世工业专科学校专攻物理。在这里他除了狼吞虎咽地读完了数学物理这两门课程的有关书籍之外,他的知识胃口更扩大了,涉及哲学和科学的几个有关领域。18岁时他写出了题为《关于磁场中的以太的研究现状》的第一篇论文。由于是犹太人,他早年遭到希特勒的迫害,后来移居美国。他一生孤独,有一次爱因斯坦和喜剧大师卓别林一道参加一个庆祝会,受到了当地人民的热烈欢迎。卓别林开玩笑地说:“他们欢迎我是因为他们能理解我,而他们欢迎你是由于他们不理解你。”确实在科学与家庭面前,爱因斯坦选择了前者,正如他自己所说,由于科学,我成了一个永远踽踽独行的孤独旅者。

爱因斯坦根据新的科学实验事实,对牛顿经典力学作了深刻的反思,吸收世纪之交的科学新思想,发挥创造天才,经过十年深思创立狭义相对论,又经过十年钻研创立广义相对论。当然,相对论也是科学时代的产物,可谓是时代造英雄。爱因斯坦说过:“相对论的兴起是由于实际需要,是由于旧理论中的严重和深刻的矛盾已经无法避免了。新理论的力量在于仅用几个非常令人信服的假定,就一致而简单地解决了所有这些困难。”学过相对论的人一定会为爱因斯坦那天才的想象力所折服。相对论引起了古老物理学的彻底革命,完成了物理学第三次理论大综合,进一步奠定了日后物理学发展的基石。爱因斯坦的相对论毫无疑问具有创时代的深远意义。相对论是物理学革命的又一辉煌成就,爱因斯坦之所以被公认为本世纪最伟大的科学家,主要是因为他创立了相对论,使人类思维又进行了一次大变革。

早在1895年爱因斯坦在苏黎世读书时,他已经在研究光速和相对性原理问题。19026月到1909年,爱因斯坦的生活非常困难,在朋友的帮助下到瑞士专利局当了技术员,工作之余,他挤出所有可以挤的时间去研究他的物理学问题。经过长期的坚韧不拔的研究思考,1905年爱因斯坦的科学创造历程发生了根本性飞跃,实现了三个突破:光量子论、创立狭义相对论、提出测定布朗运动的方案。创立狭义相对论的30页论文《论动体的电动力学》于1905年发表在德国《物理学年鉴》上。同年还在该杂志上发表《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》,对相对论作了重要补充。根据前面的“以太”探测实验,爱因斯坦提出光的传播速度并不依赖于光源本身运动的速度,不管光源是静止还是高速运动,光的速度始终是30万公里/秒,这与伽利略经典的相对运动原理根本不同。经过深思熟虑,提出建立狭义相对论的两条基本原理。即:

①相对性原理:

物理学定律在所有惯性系中的描述形式是相同的,即所有的惯性系是等价的,不存在特殊的惯性系。

②光速不变原理。

在所有惯性系内,真空中的光速具有相同的定值。

从古至今,人们都认为空间就是容器里面的虚空,时间跟流水一样不停地流逝,它们之间没有任何关系,而从狭义相对论的角度来看,时间、空间、物质并不是相互独立存在的,而是紧紧地联系在一起。离开了物质或者时间来谈空间是没有意义的,同样地,离开了空间或物质来谈时间也是没有意义的。运动使时间变长,使空间变短。比如说,如果你坐上高速运动的宇宙飞船,飞行10年后回到地球,也许你会发现地球上已经过了20年,或者你去测量高速运动的物体,你会发现它比静止的同样物体小了。

历史上往往出现惊人的相似事件。牛顿在故乡乌尔索普避瘟疫的一年里,是他的最辉煌的科学创新时代,他一生的主要成果都是在这一年里酝酿出来的。爱因斯坦的1905年,在伯尔尼当专利员的业余时间从事科学研究,也进入他的最辉煌的科学创新年代,狭义相对论、光量子论、布朗运动测定三项成果,都是科学史上的重大事件,他一生的主要成就也是在这一年取得的。

狭义相对论诞生之后,很少受到物理学界的重视。有人说全世界上只有12个人理解他的理论。德国著名的物理学家普朗克最先意识到这个新理论的意义。在绝大多数物理学家还根本不能接受这个新理论时,爱因斯坦就已积极地把这一理论继续向前推进。1907年,他就把研究的兴趣从狭义相对论转向它的推广。这是因为狭义相对论的使用范围仅局限于匀速直线运动体系,还不能解释加速度运动体系和万有引力问题。狭义相对论已经在科学界赢得声誉的时候,1912年,爱因斯坦回到母校苏黎世工业专科学校任教后,在他的老同学、该校数学教授格罗斯曼的协助下,找到了“黎曼几何”强有力的数学工具。19153月,爱因斯坦在普鲁士学院宣布了他们找到的引力场方程。1916年正式发表了《广义相对论原理》这篇著名论文。1919年他在介绍相对论时说:“相对论有点象两层的建筑,这两层就是狭义相对论和广义相对论。狭义相对论适用于除了引力以外的一切物理现象;广义相对论则提供了引力定律以及它与自然界别种力的关系。”

爱因斯坦后半生一直致力于“统一场论”的研究工作,企图把引力理论和电磁理论统一起来,但他没能取得成功,同时令人遗憾的是他从1925年开始,成了量子力学的反对。但这并不影响作为20世纪的牛顿式的科学巨人爱因斯坦的光辉。爱因斯坦不但对现代科学作了伟大贡献,而且对世界和平和人类进步事业作了突出的贡献。爱因斯坦是人类历史上最受尊敬的科学家之一,不仅仅是因为他物理学上的巨大贡献,还由于他的品德是真善美的统一。他说:“看一个人的价值,应当看他贡献什么,而不应看他取得什么。”“人只有献身于社会,才能找出那实际上是短暂而有用的生命的意义。”“每个人都有一定的理想…。我从不把安逸和享乐看作是生活的本身——这种伦理基础,我叫它猪栏的理想。”他拒绝每分钟可得1000美元的电台演说的聘请,但却肯将他的狭义相对论重抄一遍,为的是把所得600万美元的报酬全部献给西班牙人民。爱因斯坦成名后,得到了全世界人民的热烈赞扬和尊重。对此,他深感不安。他说:“我的政治理想是民主主义。让每一个人都作为个人而受到尊重,而不让任何人成为崇拜的偶像。我自己受到了人们过分的赞扬和尊敬,这不是由于我自己的过错,也不是由于我自己的功劳,而实在是一种命运的嘲弄。”1955418日,他临终前最后一次谈话,还是谈他最关心的两个问题:公民自由和世界和平。爱因斯坦永远活在世界人民的心中,永远为世界人民所尊敬和怀念。