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    爱因斯坦的辉煌

    发布时间:2018-05-12 15:15:11 来源:E点计算器 作者:转 

    综观科学史,爱因斯坦或许是唯一能与牛顿相提并论的人:他们两人都是超一流的科学家。一般人也许以为爱因斯坦最大的贡献是发现相对时间和质能等价 (E0=mc2) 理论。其实从物理的观念来看,他最大的贡献是发明弯曲四维时空的观念来描述万有引力现象(即建立在黎曼几何上面的广义相对论),其次殊子的观念和效应。这些富有创始性的贡献显示出他独立非凡的洞察力,当然,并不是说相对时间、质能等价和其它成果没有创始性,但是程度上差一点:因为罗伦兹(Lorentz)和彭卡勒(Poincare)已经作了许多相对论的先驱性工作, 1 或许相对时间和质能等价比较富有普通人能领会的戏剧性结果- 一个人到太空以接近光速旅行可以延年益寿长生不老, (根据目前被接受的解释)原子弹爆炸威力无比,惊心动魄。如果他得三次诺贝尔奖,也不过份。但是,如果他没得诺贝尔奖,难道就会损害他的伟大和非凡的创造力吗?

     

    他的父亲曾写信对朋友说:「(爱因斯坦的中学)功课成绩并不完全符合我的希望和期待。很久以来,我已经看惯了他的成绩单上总是有不太好的和很好的成绩」。

     

    后来他和大学同学蜜列娃.玛里奇(Mileva Maric)的恋爱是热烈的、的、而且是非常痛苦的 2 ,在他写给蜜列娃的情书中也常提到他当时已经在思考的物理问题-光的性质,对「以太」存在的怀疑,绝对静止,相对运动和分子现象。例如说,他写信给她说:「我有一个好主意,可以研究一个物体与以太作相对运动时,光速在透明物体中将受到什么影响...」,「上次写信给妳,我说我怀疑相对运动的正确性,但这怀疑是来自于一个简单的数学运算错误。我从来没有像现在这样相信它的正确性。」 3 在通信中蜜列娃也跟爱因斯坦一样对无穷大的性质有兴趣,她写道:「人们不能理解无穷大,我不相信这不能理解可以归罪于脑筋的构造」。

     

    蜜列娃生长在匈牙利乡下,少女时代满怀求知的热诚到瑞士城市苏黎世读书。她眉目清秀、神采奕奕、外表质朴、说话坦白、简洁了当、爱思索、好梦想、不轻易开口说话,也不轻易显露笑容和相信别人。1896年底,联邦工业大学开学,她遇到同班同学爱因斯坦,他俩喜欢一起讨论课内和课外的物理和数学,成为好朋友,俩人都期望毕业后能在学校教书。后来变成一对情意绵绵的伴侣,喜欢一起去瑞士山林里徒步旅游。夏日携手漫游于清爽的林间小径,共享山林月夜,观赏夜雾如纱轻飘于山腰。大学时代的爱因斯坦:孤独、冷淡、不满、爱好思索与梦想、独立性很强、处处发生疑问、竭力探求答案。物理教授韦伯很讨厌爱因斯坦的不听话,不安分守规矩。 (后来甚至不让爱因斯坦毕业后当助教。) 4 蜜列娃时常与韦伯教授冲突,她指责他对爱因斯坦不公平。她原先跟韦伯教授作论文,闹到后来她竟然退选论文,拒绝跟他继续作研究。蜜列娃是受过物理和数学的训练,她了解爱因斯坦的思路,研究工作和价值。虽然她的才能不足以陪爱因斯坦在科研前线并肩作战,她在后方成功的建立一个休息、支持和补给的基地。她为自己的爱人辩护说:「他所坚持的,他都能证明」。爱因斯坦对朋友说过:「蜜列娃是个了不起的女人」。七年的互相认识和恋爱以及十六年的共同扶持的生活,让爱因斯坦经历了作为一个思想家在探索宇宙奥秘时所能期望的最雄伟壮丽的心路历程- 从艰苦孤军奋斗,开拓一大片物理新天地,一直到完成了他所有伟大的杰作。

     

    爱因斯坦轻视世俗人间争权夺利的忙碌活动,对于暴乱和不公平的事,他敢说话反对。他从青年到老年时代,扮演过种种不同的角色:粪土权威的叛逆、创始者、权威 (他终于也变成一个权威!),硬骨头的知识分子、绊脚石、老顽固。他完全不在乎别人怎么评论他,照样我行我素,可以说他是死不悔改的古典主义者。古典物理(基于牛顿力学) 和近代物理(基于量子力学)最根本的差别是:前者断言粒子运动(位置速度或动量) 具有绝对的精确性,后者断言粒子运动只能用机率来描述。他终生相信古典的确定论,极力反对量子力学的机率概念和测不准原理。他坚持「量子力学不是一套完整的理论」。 5 他实在是最后一位古典物理学家。

     

    在这里顺便说一下,爱因斯坦的那个「坚持」说法,可能是对的,因为现在量子力学沿着逻辑路线发展到量子场论时,碰到了一个基本的、深奥的、无法克服的发散困难。但他当时所讲的理由对物理学家并没有说服力。他后来扮演绊脚石和老顽固的角色,对物理界也有相当正面的影响。而且,事实上,他似乎也没有阻碍量子力学的发展 (如果有所阻碍的话,或许就是使他的老朋友波恩(M.Born)晚了很多年才得到诺贝尔奖。─想当然尔!) 6 回想当年量子力学的新思潮,像海啸一样, 波涛壮阔,浩浩荡荡,在实验与观察的大力支持下,所向无敌,谁也阻挡不了。这里顺便跑一下野马,把八十年代风起云涌的「弦理论」 (认为粒子不是基本的,弦才是真正基本的)拿来比较一下。这个玄奥的理论没有实验和观察的实力支持,几乎完全靠一个美丽诱人的外表(数学框架),再加上一帮人用纽约第五街那一套的宣传和推销技术造成好几年时髦风潮。到了九十年代,弦理论一下子就消生灭迹了。1989年筹备庆祝大久保进 (S.Okubo) 六十岁的国际研讨会时,拟定了一个会议主题:「从对称到弦:罗彻斯特会议的40周年」。当时认为很恰当。哪知到了1990年5月开会时,竟然没有一个人讲弦的理论。这正显示出物理不同于哲学和数学的地方,没有实验与观察的支持,再美妙的理论,即使说的天花乱坠,自圆其说,也不过是夏日草叶上闪烁几下的露水吧了,太阳照一下,就无影无踪了。

     

    青年时代默默无闻,挣扎向上的爱因斯坦,对物理问题作独立的,创始性的研究思考时,他内心应是极其自负、骄傲而且是目中无人(权威)的。这由他写论文 (例如:1905年建立的相对论)不引文献,可以感觉出来。后世人实在应该深深感谢那个审查爱因斯坦论文的,让它顺利发表-不管是因为慧眼识英雄或马虎了事。在目前物理刊物界照章行事的审查制度和保守的气氛下,一个默默无闻的研究者,写了一篇这类富有创始性和争论性,而且不引文献的论文,如果把它投稿到国际性或第一流的刊物去,肯定会被退回来而不见天日的。

     

    爱因斯坦的数学运算能力远不如他的物理直觉能力。后来他常需要用到某些很难的几何和张量关系。当时德国哥廷根大学有一帮一流的数学家们(A.E. Noether 和其它教授),帮他作数学运算。数学家们不知道什么数学运算结果是有意义或有关的,所以也就很愿听爱因斯坦的话。爱因斯坦需要什么,他们就算什么。数学家们写论文发表他们的运算结果,爱因斯坦就利用他们的结果来研究物理,各得所需,如鱼得水。他的广义相对论促进黎曼几何大大的进展。

     

    爱因斯坦在普林斯顿高等研究院时,名气虽大,也有难言的苦衷。他想要老朋友波恩来访问一阵子,他要研究助手恩菲尔德 (Infeld) 多留一年,都做不到也争取不到钱。为了钱,他只好和恩菲尔德一起写一本给普通人读的书《物理学的进化》,出乎意料的大受欢迎,成为一本当时的畅销书,真是塞翁失马,焉知非福。爱因斯坦是属于「爱惜羽毛」的那种人。他如果答应把名字卖给公司作广告(像目前网球明星,各种运动名手一样的做法)肯定马上变成百万富翁,也就用不着为了数千美元而呕气。不过话说回来,他如果会出卖名气,大约也就不会是神通物理学的爱因斯坦。这大约就是人世间所谓「没办法」的事情之一。

     

    有一次,爱因斯坦要一个回形针,好不容易找到一个坏的,需要修理一下才能用。他就说要找个工具来修理它。他的助手也帮他到处找,结果意外的找到一盒好的回形针,就把他拿给爱因斯坦,以为没事了。哪知爱因斯坦照样忙着东找西找的,助手很奇怪的问他干什么,他说他已经决心要找工具来修理那回形针,非找到不可,很难半途而废。这个故事,把爱因斯坦的内在性格赤裸裸地呈现出来。

     

    1905年爱因斯坦写了〈运动物体的电动力学〉,完成狭义相对论,这时他对「电磁王国」一切情形都已胸有成竹。1915年他完成了广义相对论,对「引力王国」的情况也以一目了然。中年以后的爱因斯坦,雄心万丈的迈向艰难无比的征途:要统一引力场和电磁场两个各自为政的:「独立王国」。好家伙,这种事也唯有他才能做,不像年轻的科研工作者,爱因斯坦不必担心研究有没有成果或找工作谋生,不必看任何人脸色。让我们来简略看一下他后半生三十多年的奋斗研究情况 7

     

    1922年初他写了统一场论的第一篇论文,一年后他写信给波尔 (N. Bohr) 时说:「我相信我终于了解引力与电磁的关系」。这个「了解」只不过是海市蜃楼吧了。不久,他看到卡路札 (T. Kaluza) 企图用5度时空中来统一引力与电磁力,他说「不太自然」,可是几个月后他写信给罗伦兹说:「引力场和电磁场可以在5度时空中完全满意的统一起来。」像这样子改变意见,对他来说已经不是稀罕的事了。 1925年时,他又写了一篇论文,开头就说:「两年来不断探讨,现在我相信,我已经找到了(统一场论的)真正解答」。这次他用非对称的联络(connection)和时空长度张量(metric tensor)来做统一场论的基础,但是不久他就把这个观念抛弃了。1927年他写信给朋友时,兴高采烈的说:「第5空间万岁!」但半年后,他又搞别的东西去了。1928年,他得意的宣布统一场论已经完成了,但一些科研同事们却很不以为然。例如说,泡利(Pauli)写信给爱因斯坦,追问道:「在这新理论中,水星近日点的移动,光的偏折和能量、动量守恒律都跑到哪去了?」爱因斯坦不能回答,后来他写信给泡利说:「你竟然是对的,恶棍!」。

     

    1945年,他已经六十几岁了,又回去找他的「旧情人」-基于非对称的长度张量和联络 (connection)的理论。1949年他写下最后一组统一场论的场方程式,还是不令人满意。因为从这些方程式出发,连电磁场的方程式都导不出来。

     

    每次爱因斯坦宣布他完成了统一场论,即使是错的,全世界的报纸,总要跟着热闹一下。可以想象他名气之大是空前的,无可比拟的。在他去世几前他还在思考统一场。一个人也许会说,「江郎才尽」或「浪费了半辈子」或者说「钻牛角尖」。这些或许都有几分真实,但都不是太恰当的,因为爱因斯坦以身作则的让世人知道,一个科研工作者应有的工作态度。虽然他的梦想没有实现,但他为后世物理学家开拓视野,建立了一个研究方向:统一场论。他死后不到二十年,在杨-密尔斯规范场的基础上, 8 统一场论终于破天荒的实现了一部分,这部分是电磁力与核衰变的弱作用力的统一,而且得到了许多优美而且惊人的结果。这次的统一,比当年牛顿统一苹果落地的力与行星绕日运动的力,和比麦克斯韦统一电磁和光都还要深奥而且是非常不寻常的。因为这理论空前准确的预言了三个全新的基本粒子(规范玻色子 W+W-Z0)的存在以及它们的质量和其它物理性质。这工作主要是由温伯格、萨拉姆和格拉肖做出来的。如果不是杨-密尔斯规范场的理论已经建立起来,电弱统一理论是绝对无法完成的。

     

    爱因斯坦是一位终生不懈的思索大自然奥秘的物理学家,他对个别现象没有太大兴趣,他要了解的是宇宙的根本原理,他的研究精神永垂不朽。

    更新:20181015 163244     


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