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题记:此文写于1996年1月,发表于钱临照、许良英主编的《世界著名科学家传记·物理学家》第5卷,1999年科学出版社出版。
提 纲
一、生平
平凡而独特的童年和学生时代
在逆境中创造科学史上的奇迹
科学与和平的交响曲
两次政治风暴中的生命撞击
二、科学贡献
初露头角
1905年的奇迹
(1)光量子假说
(2)分子运动论和原子的实在性
(3)狭义相对论的质能相当性
量子论的发展和引力理论的艰难探索
第二个高峰时期
(1)广义相对论的建成和引力波
(2)辐射的量子理论和激光
(3)宇宙学的创立
关于广义相对论的验证
量子论的发展和争论
统一场论的漫长探索
三、思想和人品
哲学思想
社会政治思想
人品
爱因斯坦,A.(Einstein,Albert)1879年3月14日生于德国乌尔姆;1955年4月18日卒于美国普林斯顿。相对论、量子论、分子运动论、宇宙学。
爱因斯坦是20世纪最有影响的科学家,物理学革命的先驱,狭义相对论和广义相对论的创建者,量子论的主要奠基者之一,现代宇宙学的开创者;同时,他是一位富有探索精神的哲学家和独立批判精神的思想家,一位具有强烈社会责任感,终生为和平、民主、自由、人权而斗争的世界公民。
一、生 平
平凡而独特的童年和学生时代
爱因斯坦的父母都是犹太血统。父亲赫尔曼·爱因斯坦(Hermann Einstein,1847—1902)是商人,当时与人合伙经营一家羽毛床垫小企业。母亲泡琳·柯赫(Pauline née Koch,1858—1920)也出生于商人家庭。不久赫尔曼接受弟弟雅各布·爱因斯坦(Jacob Einstein,1850—1912)的建议,去慕尼黑参加雅各布在那边开办的煤气和自来水安装公司。1880年6月,刚满一岁的爱因斯坦随父母迁居这座德国东南部的名城。雅各布是受过高等教育并有抱负的工程师,当时正在蓬勃兴起的电力工业强烈地吸引了他,于是他们的公司就转而生产电器,1882年的产品有发电机、弧光灯、白炽灯和成套电话系统等。雅各布在电工技术上有不少创新,在改进弧光灯、开关、电表等方面曾取得多项专利。这位当时处于“高技术”前沿、富有进取心的叔叔,对少年时代爱因斯坦的启蒙产生了重要影响。
爱因斯坦很迟才开始说话,而且学习说话很困难,父母为此担忧,曾问过医生。他童年时虽然发育缓慢,但完全正常。他不爱一般儿童打闹的游戏,而喜欢独自一人比较宁静的活动。四、五岁时,父亲给他看一个罗盘,他对指南针特殊的行为感到十分惊奇,甚至使他发抖和发冷。这种对自然界奥秘的“惊奇”,正是他以后终生献身科学事业的动力。
爱因斯坦小学时的学习成绩并不像以前所传说的那样糟,相反,他常常得全班第一名。不过,俾斯麦(Bismarck)时代渗透军国主义的德国学校教育,使他感到压抑和反感,教师对这个不顺从的学生也很恼火,他在中学时的班主任兼希腊文教师就曾斥责他不会有出息。
由于受到叔叔的启迪和引导,爱因斯坦从小对数学非常感兴趣。10岁以后,他又受到每周来他家作客的医科大学生塔耳穆德(Max Talmud,1869一1941,移居美国后改名 Talmey)的悉心引导,读了一系列数学、科学和哲学书籍。他12岁自学了平面几何,并自己证明了毕达哥拉斯定理。随后他又自学了微积分。读“神圣的几何学小书”,是他童年所经历的另一个“惊奇”。这个时期,他又读了A.伯恩斯坦(Bernstein,1812—1884)的多卷本《自然科学通俗读本》、L.毕希纳(Büchner,1824—1899)的《力与物质》和洪堡(Alexander von Humboldt,1769—1859)的名著《宇宙》。这些著作对爱因斯坦世界观的形成产生了深远影响。他在13岁时还读了I.康德(Kant,1724-1804)的哲学名著《纯粹理性批判》,并同塔耳穆德讨论书中的问题。
爱因斯坦的父亲和叔叔合开的“电工技术工厂”,工人不到200人,初期发展还顺利,但进入19世纪90年代后,与三家大公司竞争失利。1894年他们关闭了在慕尼黑的工厂,转到意大利北部南面的帕维亚(Pavia)开设工厂。爱因斯坦全家即迁到米兰(一年后迁到帕维亚,1896年又迁回米兰),他一人留在慕尼黑以结束中学最后一年的学业。但他无法继续忍受使他感到窒息的德国学校教育,而且德国男性公民必须服兵役更使他感到威胁,1894年12月他毅然放弃学籍和德国国籍,到米兰与家人团聚。他为了报考举世闻名的苏黎世瑞士联邦理工大学(Eidgenossische Technische Hochschule, ETH,创建于 1855年),自学了法国物理学家J.维奥耳(Violle,1841—1923)的多卷本物理学教程。受此启发,1895年夏天他写了一篇论文《关于磁场中以太状态的研究》送给他的舅舅。虽然一年后他发现此稿有错,但足以表明当时他已开始思考有关光的传播速度问题。随后,他想到这样一个问题:如果一个人以光速跟着光波跑,他就会处于一个不随时间而改变的波场之中。这个设想,10年后导致狭义相对论。
1895年10月他被特许参加苏黎世瑞士联邦理工大学的入学考试,由于文科成绩欠佳未录取。于是转学到瑞士阿尔高(Aargau)州的阿劳(Aarau)中学补习最后一年中学课程。这个学校的自由精神和教师的独立思想使他心情舒畅自在,如鱼得水。在他逝世前一个月写下这样愉快的回忆:“同我在一个处处使人感到受权威指导的德国中学的6年学习相比,使我深切地感到,自由行动和自我负责的教育,比起那种依赖训练、外界权威和追逐名利的教育来,是多么的优越呀。真正的民主决不是虚幻的空想。”
阿劳中学毕业后,爱因斯坦终于在1896年进入苏黎世瑞士联邦理工大学数理师范系(六系)A组学习。六系A组包括数学、物理、天文专业,B组包括其他各门自然科学。爱因斯坦的同班同学共5人,其中3人属于数学专业,物理专业的只有爱因斯坦和一位塞尔维亚血统的姑娘玛丽琦(Mileva Marić,1875—1948)。在班上,爱因斯坦年龄最小,玛丽琦最大,长爱因斯坦三岁半,3年以后他们开始相爱。
爱因斯坦在大学时对课堂听课没有多大兴趣,大部分时间在实验室里度过,“迷恋于同经验直接接触”,其余时间在家里阅读G.R.基尔霍夫(Kirchhoff,1824—1887)、H.L.F.von亥姆霍兹(Helmholtz,1821—1894)、H.R.赫兹(Hertz,1857—1894)、A.弗普耳(Föppl,1854—1924)等人的著作,以及 H.A.洛伦兹(Lorentz,1853—1928)和L.玻耳兹曼(Boltzmann,1844—1906)的论文,逐渐了解到当时物理学前沿的一些重大理论问题。大学的生活使他感到自由自在,但4年仅有的两次考试却使他大倒胃口。为了临时抱佛脚,他向同学格罗斯曼(Marcel Grossmann,1878—1936)借来听课笔记来读,往脑袋里塞进一堆“废物”。
在逆境中创造科学史上的奇迹
1900年7月毕业考试,玛丽琦因数学不及格未通过,爱因斯坦和另3位同学都通过了。那3位同学都被教授留下来当助教,唯有爱因斯坦,因其特立独行、离经叛道的性格,不见容于教授们,大学一毕业就失业了。那时,他父亲的工厂早已倒闭,而且负债累累,家境十分困难。爱因斯坦本来打算毕业后就同玛丽琦结婚,但遭到全家的坚决反对,他母亲责备他:“你在毁自己的前途,堵塞自己的人生道路。”“她像你一样也是个书呆子——而你应该有一个妻子。”这激怒了爱因斯坦,使他同家庭的关系濒于决裂,两人相爱反而更深。
生活的潦倒和婚姻问题的挫折并没有动摇爱因斯坦献身科学的决心。早在1897年春天他就写下这样的自白:“紧张的脑力劳动和对神圣大自然的审视,将是引导我通过此生一切烦扰的天使,它虽然冷酷严厉,但却使我心情安宁,信心坚定。”他不顾境遇的坎坷和感情上的冲击,在跨出大学校门不到5个月就完成了一篇研究论文《由毛细管现象所得出的结论》。这篇论文于1900年12月寄给国际物理学权威性刊物德国莱比锡出版的《物理学杂志》( Annalen der Physik),于1901年3月1日刊出。他用这篇论文向欧洲几个大学申请助教职位,都遭拒绝。4月中旬偶尔得到一个技术学校两个月代课教师的临时工作,他感到十分欣喜。在给人的信中说:“上午教了五、六节课以后,下午在图书馆里自己进修,或者在家里研究有趣的问题,……即使像现在这样的情况,我也还有足够的精力和愿望去为科学奋斗。”从此,他放弃了向大学求职的希望,一心想做个中学教师,虽然他已于1901年2月取得了瑞土国籍,但依然求职无门。1901年9月总算在瑞士北方一个小镇找到一个家庭教师的工作,可是3个月后又失业了。1902年1月玛丽琦生了一个女孩,但他们没有条件可以正式结婚,境况之窘迫,犹如雪上加霜。为了糊口,爱因斯坦搬到瑞士首都伯尔尼居住,在报上登“私人讲授数学和物理学”的广告。这则广告招来了两位工程技术人员来听课,每人每节课收费二法郎。随后又来了一个学哲学的大学生索洛文(Maurice Solovine,1875—1958),彼此热烈地讨论起科学哲学问题。不久另一个学数学的大学生哈比希特(Conrad Habicht,1876—1958)也参加进来。他们3人每天晚上一起阅读科学和哲学书籍,并进行深入的讨论。这项活动,他们戏称“奥林比亚科学院”,持续了3年多时间,对爱因斯坦早期的科学创造起了重要的启迪和推动作用。
经历了将近两年的失业生活以后,爱因斯坦终于在1902年6月找到了固定职业,被瑞士专利局聘任为三级技术员。这是通过格罗斯曼父亲的推荐并经过考试而被录用的。他的任务是对发明专利申请进行技术鉴定。他对这项工作很满意,使他有充分业余时间从事科学研究,而且有条件可以安家。1903年1月他和玛丽琦终于正式结婚了。
他在专利局工作了7年。这个时期是他科学创造最辉煌的时期,特别是1905年,他创造了科学史上一个空前的奇迹。这一年,他完成了6篇论文,3月至9月这6个月内,他在物理学三个不同领域取得了四项历史性的成就:光量子(光子)理论,布朗(Brown)运动理论,狭义相对论,以及物质与能量的相当性。这四项成就都够得上获诺贝尔物理学奖的水平;其中狭义相对论的建立,是他10年思索的结果,开创了物理学的新纪元,并对20世纪的哲学思想产生了深远的影响。这一年,他还在《物理学杂志增刊》(Beiblatter zu den Annalen der Physik)上发表了21篇书刊评论。被评论的论文和著作所用的文字,除德文外,还有英文、意大利文和法文,内容涉及当时理论物理学前沿的所有重大问题。由此可见,他是以极大的热情和惊人的精力密切注视着整个物理学的发展和所出现的问题。
1905年4月,爱因斯坦以论文《分子大小的新测定法》向苏黎世大学申请博士学位,1906年1月获批准。1908年,爱因斯坦在伯尔尼大学任兼职的编外讲师(Privatdozent)。这是一个没有正式工资的职位,教师的报酬完全来自听课学生所交的学费。这是爱因斯坦第一次进入学术机构工作,他每周去讲两次课,听课者仅三四人,讲课并不很成功。1909年爱因斯坦被苏黎世大学聘任为理论物理学副教授(ausserordentlicher Professor)。这一年是他学术生涯的转折点。7月他接受了日内瓦大学的名誉博土。9月他应邀去奥地利萨尔茨堡(Salzburg)参加德国自然科学家与医生协会第81次年会。这是他第一次参加学术会议,第一次见到许多知名的物理学家,特别是最早支持相对论的普朗克(Max Planck,1858—1947),他们神交已久。在会上,爱因斯坦作了重要报告,提出把相对论和量子论融合起来的设想。10月他告别伯尔尼的专利局,迁居苏黎世。
1911年3月爱因斯坦被布拉格德语大学聘任为理论物理学教授。1912年8月爱因斯坦回苏黎世,应老同学、联邦理工大学数理系主任格罗斯曼的邀请,回母校任教授。由于格罗斯曼专攻非欧几何,他的几何学知识对爱因斯坦试图建立的广义相对论产生了重要作用,于是爱因斯坦邀请他合作,一道进攻这一艰难的课题。他们紧张地工作了一年,取得了重大进展。1913年7月,普朗克和H.W.能斯特(Nernst,1864—1941)访问爱因斯坦,邀请他回德国工作。同月,普鲁士科学院选举爱因斯坦为院士。
科学与和平的交响曲
1914年4月爱因斯坦开始在柏林普鲁士科学院工作,任筹建中的威廉皇帝物理研究所所长,兼柏林大学教授(并无实际讲课任务)。玛丽琦和两个孩子也从苏黎世迁居柏林,当时德国是世界科学的中心,作为普鲁士科学院最年轻院士的爱因斯坦,在柏林受到科学界普遍的欢迎和尊重。可是玛丽琦对柏林的生活条件很不顺心,而留恋苏黎世的环境,1914年夏天她就带两个孩子回苏黎世居住。从此,她再没有与爱因斯坦共同生活。她对爱因斯坦感情上的疏离由来已久,早在1909年他们从布拉格迁居苏黎世后不久,她给女友的信中抱怨说:“由于声名远扬,(他)没有为他的妻子留下多少时间。……一个人得到了珍珠,另一个人得到的却是蚌壳。”信中还说,“我非常感到爱情的饥渴”,而且诅咒科学是“邪恶的”。
爱因斯坦到柏林后不到4个月,第一次世界大战爆发(1914年8月1日),他积极投身反战斗争。这是他第一次参加政治活动。1914年10月初,德国一批最有声望的知识分子发表了一个为德国侵占比利时等侵略行为辩护的宣言《文明世界的宣言》,声称“德国军民是一家”。在宣言上签名的有93个著名的科学家、艺术家、牧师等。爱因斯坦拒绝在这个宣言上签名,而在一个与之针锋相对的反宣言《告欧洲人书》上签了名。《告欧洲人书》是柏林大学生理学教授G.F.尼可拉(Nicolai,1871—1964)于 1914年 10月中旬起草的,提出“欧洲必须联合起来保卫它的土地、它的人民和它的文化”的信念。爱因斯坦是最积极的支持者。这个反宣言由于签名人数太少(只有4个人),当时未能正式发表。但爱因斯坦并不气馁,不久就参与发起组织反战团体“新祖国同盟”。这个组织成立于1914年11月 16日,爱因斯坦非常积极地参加它的各项活动。1916年2月这个组织被当局查禁,人员大批被捕,因而转入地下,1922年以后改组为“德国保卫人权同盟”。为了推进反战斗争,爱因斯坦还于 1915年主动给法国作家罗曼·罗兰(Romain Rolland,1866—1944)写信,并约他在瑞士会见。
爱因斯坦经历了8年艰难的探索,终于在1915年最后建成了广义相对论,达到了他一生科学成就的第二个高峰。类似于1905年,他也几乎同时在三个领域取得划时代的贡献,这就是1915年的广义相对论,1916年的受激辐射概念(成为60年代出现的激光技术的理论先导),以及1917年现代科学宇宙学的创立。
1917年初爱因斯坦完成第一篇宇宙学论文后就病倒了,这是由于他为建立广义相对论连续4年历尽坎坷困顿,随后一年既要忙于总结、写书,又要向至小的量子问题和至大的宇宙问题开展新的探索。而在这持续5年之久超负荷的紧张脑力劳动期间,家庭生活却遭到不幸,夫妻感情从疏离走向破裂,生活完全失调。他接连患肝病、胃溃疡和黄疸病,由于得到居住在柏林的堂姐爱耳莎·爱因斯坦(Elsa Einstein,1876—1936)的悉心照料,得以逐渐康复。病愈以后,迎来了两个喜讯:一个是1918年第一次世界大战结束,使他憧憬世界和平,并为之奔走呼喊;另一个是1919年日全食证实了广义相对论的预言,使他立即成为全世界最著名的人物。
爱耳莎实际上也是爱因斯坦的表姐,他们是同一个曾祖父又是同一个外祖父,从小就熟悉。她于1896年与一纺织商人结婚,1908年离婚。1919年2月爱因斯坦与玛丽琦离婚,6月与爱耳莎结婚。以前坚决反对玛丽琦成为儿媳的爱因斯坦的母亲,对儿子的第二次婚姻却非常满意,不久就搬到柏林与爱因斯坦夫妇一起生活,直至病逝。
爱因斯坦青年时代受到社会民主主义思想的影响,从那时起他就自称是社会主义者。他大学时的同学F.阿德勒(Friedrich Adler,1879—1960)是奥地利社会民主党领袖V.阿德勒(Victor Adler,1852—1918)的儿子,以后也成为奥地利社会民主党领袖,与爱因斯坦有着深挚的友谊。1917年俄国爆发十月革命时,爱因斯坦热情支持,认为这是一次伟大的社会实验。但他对斯大林统治时期愈演愈烈的政治迫害和意识形态上的专制深为不满。在十月革命影响下,1918年11月初,德国工人和士兵起义,推翻了威廉二世的统治,结束了第一次世界大战。在革命胜利后两天,他给母亲的明信片上写着:“运动正以真正壮丽的形式发展,这是可能想像到的最惊心动魄的经历。”“(战争的)失败创造了奇迹。学术界把我看作是一个极端社会主义者。”
爱因斯坦根据广义相对论,推断光线经过引力场要弯曲,预言日全食时所观测到的太阳周边的星的位置不同于原来的位置。1919英国派遣两个天文观察队分别赴西非和巴西观测5月29日的日全食。9月,天文学家A.S.爱丁顿(Eddingqton,1882-1944)代表观察队向英国皇家学会报告观测结果与爱因斯坦的预测一致。11月9日,伦敦《泰晤士报》(Times)以“科学中的革命”为题报道了这一结果,各国报刊都纷纷作了相应的报道,全世界为之震动,于是爱因斯坦就成了家喻户晓的人物,可是同时也招来了德国和其他各国的沙文主义、军国主义和排犹主义分子的恶毒攻击。
1920年8月柏林出现了一个所谓“德国自然研究者保持科学纯洁工作小组”,掀起反对爱因斯坦和相对论的运动。他们组织演讲会,散发宣传品,迫使爱因斯坦一度准备离开德国。参加这一反相对论行列的,除少数投机政客,还有两个著名的物理学家P.勒纳(Lenard,1862-1947)和J.斯塔克(Stark,1874-1957),他们分别于1905年和1919年获得诺贝尔物理学奖,而爱因斯坦迟至1922年才获得。由于许多正直德国物理学家主持正义,合力反击,这一反相对论运动未形成气候,爱因斯坦也就留在柏林。但在1922年和1923年一再受到法西斯分子的威胁,他曾两度离开柏林暂避。
第一次世界大战后,爱因斯坦致力于恢复和加深各国人民之间的相互谅解的活动,访问了很多国家。他于1921年第一次访问美国和1922年去日本讲学时,在街头巷尾受到群众自发的夹道欢迎。一位科学家在广大人民中间获得如此爱戴,是史无前例的。在他去日本讲学的往返途中,两次船过上海共停留了3天,他目睹处于水深火热的中国劳动人民的苦难,感到深切的同情和不平,对于他一心希望科学造福于人类,希望在全世界各处看到“社会幸福、经济公平、国际和平和阶级和平”的美好愿望,是一个沉重的打击。他在旅行日记中提到了当时中国所以爆发革命的理由,并说“这是一个勤劳的、在奴役下呻吟的、但却是顽强的民族。”
1920年国际联盟成立,曾引起爱因斯坦对世界永久和平的希望,1922年他出任国际知识界合作委员会委员,后曾因法国出兵占领德国鲁尔区而一度退出。1928年标榜“放弃以战争作为国家政策工具”的《凯洛格—白里安公约》(Kellogg-Briand Pact)的签订,以及1932年在日内瓦召开全世界裁军会议的计划,引起了爱因斯坦极大的幻想,以为从此可以一劳永逸地消灭战争。为此,他到处演讲,写文章。世界裁军会议期间,他还代表“反战者国际”列席会议。可是这次会使他大失所望,也使他多年来热情宣扬的和平理想化为泡影。严酷的现实是:1931年日本侵略军占领中国东北三省,他一再呼吁各国政府对日本实行经济制裁,迫使它撤军,但毫无回应;法西斯逆流到处泛滥,整个世界和平日益受到威胁。
两次政治风暴中的生命撞击
1933年1月纳粹攫取德国政权,爱因斯坦是科学界首要迫害对象,幸而当时他在美国加州理工学院讲学,未遭毒手。3月10日在启程回欧洲前夕,他发表了不回德国的声明,因为他只想生活在有“公民自由,宽容,以及在法律面前公民一律平等”的国家里,而“这些条件目前在德国都不存在”。3月28日爱因斯坦回到欧洲,避居比利时海滨一个村庄。4月1日普鲁士科学院发表声明,谴责爱因斯坦“参与了美国和法国的恶意诽谤宣传活动”。爱因斯坦即宣布退出普鲁士科学院和巴伐利亚科学院。不久,他接到挚友劳厄(Max von Laue,1879—1960)来信,劝他在政治问题上要明哲保身。他于5月26日的回信中,斩钉截铁地回答:“我不同意你的看法,以为科学家对政治问题——在较广泛的意义上来说就是人类事务——应当默不作声……试问,要是像乔尔达诺·布鲁诺(Giordano Bruno,1548—1600)、斯宾诺莎(Spinoza,1632—1677)、伏尔泰(Voltair,1694—1778)和洪堡这些人也都是这样想,这样行事,我们的处境会怎样呢?我对我所说过的话,没有一个字感到后悔,而且相信我的行动是在为人类服务。”
这个时期,爱因斯坦放弃了反对一切战争的绝对和平主义立场,向全世界大声疾呼:法西斯就意味着战争,面对法西斯的侵略威胁,和平必须用武装来保卫。他的这一转变,遭到许多和平主义者责难,有人甚至骂他是“叛徒”,连罗曼·罗兰也认为他“意志薄弱”,“自相矛盾”。可是以后的历史证明,真理是在爱因斯坦一边。
1933年9月9日,发现有奉命行刺他的盖世太保(Gestapo,纳粹德国的国家秘密警察)在跟踪,爱因斯坦全家星夜从比利时渡海到英国。10月17日他们到达美国,定居于普林斯顿。爱因斯坦就任刚成立的普林斯顿高等学术研究院(Institute for Advanced Study)教授,直至1945年退休。1940年爱因斯坦取得美国国籍,但仍保留瑞士国籍。
1939年,发现铀原子核裂变链式反应的流亡美国的匈牙利物理学家L.西拉德(Szilard,1898—1964)获悉纳粹德国正加紧研究链式反应,并禁止所侵占的捷克出口铀矿石,估计纳粹有可能企图制造原子弹,于是西拉德约另一位匈牙利物理学家E.P.维格纳(Wigner,1902-1995,获1963年诺贝尔物理学奖)一道去找爱因斯坦商量,想借助他的名望给美国总统写信,敦促美国赶在德国之前造出原子弹。爱因斯坦欣然同意。8月2日爱因斯坦签发了给罗斯福总统的信(此信由西拉德起草)。1945年7月(德国无条件投降后两个月)原子弹才制成,美国杜鲁门总统不顾直接参与原子弹研制工作的科学家J.夫兰克(Franck,1882—1964)、西拉德等人的一再反对,下令于8月6日和9日向日本两个城市投掷刚刚制造出的仅有的两颗原子弹,造成24万人的死伤,这对爱因斯坦是意外的沉重打击。由于他是原子能基本原理(E = mc2)的发现者和制造原子弹的倡议者,被人们称为“原子弹之父”,更使他感到痛苦和矛盾。战争结束后,他愤慨地指出:“战争是赢得了,但和平却还没有。……世界被许诺有免于恐惧的自由,但事实上战争结束后恐惧却大大增加。”为了防止威胁整个人类生存的核战争,爱因斯坦于1946年5月发起组织“原子科学家非常委员会”(直至1951年9月解散,他始终担任主席),刊行《原子科学家公报》(Bulletin of Atomic Scientists),以唤起科学家的社会责任感,广泛开展保卫世界和平运动。为便于控制核武器,他于1947年建议把1945年成立的联合国改组成他早在20年代就提出的世界政府,遭到了苏联科学家的批评。
50年代初,美国出现恐苏、恐共歇斯底里,麦卡锡(J.McCarthy,1908—1957)主义猖獗一时,爱因斯坦号召美国知识分子起来同这股反民主的法西斯逆流抗争。1953年5月爱因斯坦在给一位受到美国众议院“非美活动委员会”传讯的教师的复信中强调:“每一个受到委员会传讯的知识分子都应当拒绝作证,也就是说,他必须准备坐牢和准备经济破产,总之,他必须准备为他的祖国的文明幸福的利益而牺牲他的个人幸福。”“否则,我国知识分子所应得到的,决不会比那个为他们准备的奴役好多少。”这封信公开发表后,引起了巨大反响,成为美国知识分子保卫民主权利的战斗号角。参议员麦卡锡对他咬牙切齿,骂他是“美国的敌人”。在他逝世前10多天,有个退伍军人组织还公开骂他是“颠覆分子”。对所有这些罪名,他始终是横眉冷对,无所畏惧。
1955年4月11日,爱因斯坦在英国哲学家B.罗素(Russell,1872—1970)起草的阐明核战争的危险性并呼吁世界持久和平的宣言上签了名。这个宣言3个月后由罗素公布,原名《科学家要求废止战争》,通称为《罗素—爱因斯坦宣言》,对以后的核和平运动产生了深远影响。当时签名的11人中,有9人是诺贝尔奖获得者。90年代唯一健在的英国物理学家J.罗特布拉特(Rotblat,1908— )也于1995年获得了诺贝尔和平奖。签了这宣言后两天,爱因斯坦因动脉瘤破裂,卧床不起,1955年4月18日凌晨逝世于普林斯顿医院。遵照他生前遗嘱,死后不举行任何丧礼,不做坟墓,不立纪念碑,骨灰撒向天空,随风飘扬,为的是不使有任何地方可以成为“圣地”。
二、科学贡献
初露头角
爱因斯坦的科学生涯开始于1900年。当时他大学刚毕业,处于失业的痛苦之中;同时他又正在同玛丽琦热恋,但遭到父母反对而无法成婚。这种物质上和精神上的双重逆境阻拦不住他涉足科学的勇气,从1900年到1904年,他一连写出了5篇论文,发表在当时全世界最具权威性的物理学刊物德国《物理学杂志》上。他的研究工作没有得到任何名家指点,论文的发表也没有经任何人推荐。
他于1900年12月完成的第一篇论文《由毛细管现象所得出的结论》,基本思路是大学二年级时开始酝酿的。他用热力学和分子运动论相结合的方法,通过实验所观测到的毛细管现象,研究分子力与中性液体的化学成分的关系,用分子力概念推导出液体内能的表示式,企图由此揭示分子力与牛顿引力之间的内在关系,给化学以力学的基础。论文发表后,他在给格罗斯曼的信中表达了如此喜悦的心情:“从那些对于直接感官知觉来说似乎完全是各不相关的现象中间认识到统一性,是一种壮丽的感觉。”显然,这对于他失业的潦倒生活是莫大的安慰。
1902年在他进专利局工作之前又完成了两篇论文。一篇是遵循上述第一篇论文的思路,研究金属与金属盐溶液之间的电势差的热力学理论,进而研究分子力。随后他发现,这条思路不可能有多大进展,立即转而研究热力学的力学基础,即统计物理学的基础理论,目的是要用尽可能少的关于体系组成元素的假定,来建立任何宏观体系的主要热力学特性。在这方面,他在不到两年时间内写了3篇论文。1902年6月完成的第一篇论文,就是用概率运算从力学方程推导出热平衡定理和热力学第二定律,这是对麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831—1879)和玻耳兹曼的分子运动理论的重大发展。当时爱因斯坦不知道美国物理学家吉布斯(J.W.Gibbs,1839—1903)在一年以前已得到类似结果。吉布斯于1902年出版了一部全面论述统计力学理论的著作《统计力学基本原理》,几年后爱因斯坦说:“要是我那时读过吉布斯的书,我一定不会发表那些论文,而把我自己限于只处理少数几个有关的问题。”
上述论文完成后半年,他又写了一篇论文,把原有思路加以扩展,只用原子论的基本假设,而不需要运动论假说,推导出温度和熵这两个热力学的基本概念。这是他进了专利局后写的第一篇论文。1904年发表的关于统计力学的第三篇论文中,爱因斯坦着重研究了涨落现象,发现涨落能量(或体系的热稳定性)取决于玻耳兹曼常数,而后者又与阿伏加德罗数和单个分子质量有关。他不仅把这一结果用于力学体系和热现象,而且大胆地用于辐射,得出辐射能的涨落公式,从而推导出维恩(Wien)位移定律。
涨落现象的研究,使他于1905年在辐射理论和分子运动论两个领域同时作出重大突破。
1905年的奇迹
1905年,爱因斯坦在科学史上创造了一个无先例的奇迹。这一年,他写了6篇论文,在3月到9月这半年中,在三个不同的物理学领域中,作出了四个有划时代意义的贡献。同时,他还为《物理学杂志增刊》写了21篇对当时各国物理学家所发表的论文和著作的评论,而当时他同任何学术机构无缘,孤身一人在专利局当一名三级(两年后才升为二级)技术员,白天必须按时上班,为对各种发明专利的申请作出可靠的技术鉴定而绞脑汁,可用来进行自己的科学研究的,仅仅是8小时以外的业余时间,而且经常还要帮助妻子玛丽琦照料不到一岁的长子汉斯(Hans Albert Einstein,1904—1973)。他常常是一只手推着摇篮,另一只手在写他的论文。
(1)光量子假说
这一年他发表的第一篇论文是3月完成的《关于光的产生和转化的一个探测性的观点》,它把1900年普朗克的量子论大大推进了一步。普朗克发现,物体在发射辐射和吸收辐射时,能量不是连续变化的,而是以一定数量值的整数倍跳跃地变化的,这个能量的最小单元被称为量子。由于能量不连续性概念为经典物理学所不容,几乎所有物理学家都拒不承认,他们只接受普朗克那个与实验一致的经验性的辐射公式,而不接受他的量子假说。普朗克对自己这一“完全是一种孤注一掷的行动”而寝食不安,一有机会就想倒退到经典理论立场,直至1914年还在作这种徒劳的努力。习惯于特立独行、敢于离经叛道的爱因斯坦则完全不同,他意识到,量子概念所带来的,将是整个物理学理论的根本变革,需要建立新的理论基础,而不是某些定律的局部修改。他不满足普朗克把能量不连续性只局限于辐射的发射和吸收过程,而认为即使在空间传播的过程中,辐射也是不连续的。他把组成辐射的能量子称为“光量子”(1926年以后通称为“光子”)。对于频率为n 的辐射,它的一个光量子的能量为
E=hn ,
h为普朗克常数。
这篇论文表明:对于时间平均值(即统计的平均现象),光表现为波动;但对于瞬时值(即涨落现象),光却表现为粒子。这显然同19世纪已取得绝对胜利并为大量实验所证实的光的波动论和麦克斯韦电磁理论相冲突,因此,他当时意识到这篇论文是“非常革命的”。(值得注意的是,爱因斯坦对自己其他的工作(包括相对论)都不认为是革命的。)这篇论文还第一次把玻耳兹曼提出的“一个体系的熵是它的状态的概率函数”命名为“玻耳兹曼原理”。论文最后,用光量子概念轻而易举地解释了1887年H.赫兹(Hertz,1857—1894)发现的光电效应,推导出光电子的最大能量与入射光的频率之间的关系。这一关系,10年后才由R.A.密立根(Millikan,1868—1953)予以实验证实。主要由于“光电效应定律的发现”,爱因斯坦于1923年获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
(2)分子运动论和原子的实在性
1905年4月、5月和12月,爱因斯坦写了3篇关于液体中悬浮粒子运动的论文。这种运动是英国植物学家R.布朗(Brown,1773—1858)于1827年用显微镜观察花粉时发现的,称为布朗运动。但爱因斯坦在1905年5月以前并不知道这一历史事实,他当时的目的是要通过观测分子运动的涨落现象来测定分子的实际大小,以解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题。这个问题也是爱因斯坦在大学时代关心和讨论的一个重大问题。他读了玻耳兹曼的《气体理论教程》后,给玛丽琦的信中说:“我坚定地相信这种理论的原理的正确性,也就是说,我深信,就气体而论,我们实际上所处理的正是那些具有确定而有限大小的分立的质点在一定条件下运动的问题。”(1900年9月13日)当时,反对原子实在性的声势十分强大,孤军奋战的玻耳兹曼感到力不从心,他1906年的自杀可能与此有关。这场激烈的争论,由于爱因斯坦的介入,终于得到了彻底的解决。
爱因斯坦1905年4月向苏黎世大学申请博士学位的论文《分子大小的新测定方法》,用分子运动理论来研究体积较大的溶质分子在不离解的溶液中的运动,推导出溶质在溶剂中的扩散系数公式,从而推算出溶质分子的大小(10-8 厘米数量级)和克分子数(即阿佛伽德罗数N)。5月上旬他又写了一篇作为上述论文理论注释的论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》,借助于他自己两年前所建立的统计理论,推导出可以用显微镜观察到的悬浮粒子的平均位移公式,并由此推算出原子的实际大小。在获悉布朗运动发现的历史以及法国物理学家L.G.古伊(Gouy,1854—1926)1888年的论文以后,爱因斯坦于12月又写了一篇题为《论布朗运动理论》,从更宽广的视野对于由液体分子的无规热运动所产生的布朗运动进行全面论证,不仅研究了悬浮粒子的移动,而且研究了它们的转动。同时他还把所推导出的表示分子无规运动的热平衡方程用于空腔中辐射与气体的能量交换过程,得出长波高温条件下的热辐射极限定律,与普朗克的黑体辐射定律一致。
爱因斯坦关于布朗运动的论文发表后,立即引起物理学家和化学家的广泛注意,瑞典化学家T.斯维德伯(Svedberg,1884—1971)于1906年就以实验初步证实了爱因斯坦的理论。1908年法国物理学家J.B.佩兰(Perrin,1870—1942)利用 1903年才问世的超显微镜(分辨率比普通显微镜高20倍)进行了一系列观测,完全证实了爱因斯坦的理论预测。佩兰当年发表4篇论文,第二年又发表一篇长达114页的论文《布朗运动和分子的实在性》。佩兰的工作使爱因斯坦喜出望外,他于1909年给佩兰的信中说,“我原来以为研究布朗运动不可能如此精密”。他还认为,对分子大小的精密测定比通过测量辐射,能更明显地证实普朗克的辐射公式,这是具有头等重要意义的。
爱因斯坦的布朗运动理论及其实验验证,使各国科学家一致认为,分子和原子的实在性已没有怀疑的余地了。原来反对原子论最激烈的、“唯能论”的创导者德国化学家W.奥斯特瓦耳德(Ostwald,1853—1932),1906年还断言“原子不过是假说性的东西”,1908年读到斯维德伯的实验报告后,开始改变态度;随后又读到了佩兰的实验报告,他的转变更明显了。1908年11月奥斯特瓦耳德在他的《普通化学大纲》第四版序言中明确宣布:“原子假说”“已成为一种基础巩固的科学理论”。以后,奥斯特瓦耳德还建议爱因斯坦把历年发表过的有关布朗运动的论文汇集成册出版。这就是爱因斯坦一生最早的文集《布朗运动理论的研究》,收在奥斯特瓦耳德编的《精密科学经典》丛书(1889年开始出版)中,作为该丛书的第199种,于1922年出版。奥斯特瓦耳德还是第一个向诺贝尔委员会提名爱因斯坦的科学家。他自己1909年获诺贝尔化学奖,第二年开始一连三年推荐爱因斯坦为诺贝尔物理学奖候选人。由此可见,奥斯特瓦耳德对待科学真理的态度是光明磊落的,不像人们所说的他是一个“渺小的哲学家”。
(3)狭义相对论和质能相当性
爱因斯坦于1905年5月上旬完成了关于布朗运动理论的两篇论文以后,接着,用5—6个星期写出一篇开创物理学新纪元的长篇论文《论动体电动力学》,完整地提出了一个关于电动力学和力学基础的理论。这是他10年酝酿和反复苦思的结果。早在1901年12月他在瑞士一个小镇当家庭教师时给玛丽琦的信中就讲到,“我现在正非常热切地在研究动体电动力学,可望写成一篇大论文”。后因碰到无法克服的困难,未写成。1903年他也曾一再回到这个领域,但都未取得突破性的进展。直至1905年春,他在与同在专利局工作的挚友贝索(Michele Besso,1873—1955)讨论中得到启发,通过对空间和时间概念的适当修改,终于彻底解决了问题。爱因斯坦晚年对人说过:“正常的成年人决不会为空间–时间问题伤脑筋。在他看来,关于这个问题所应思考的一切事情,在童年时代都早已经思考过了。相反,我却发展得很缓慢,在我已经长大的时候才开始想搞清楚空间和时间问题,其结果,我钻研这个问题比通常的儿童要深一些。”
这篇论文在很大程度上解决了19世纪末出现的经典物理学的危机,推动了整个物理理论的革命。以牛顿力学为基础的经典物理学理论体系发展到19世纪70年代,在物理学各个领域都取得辉煌成就,使当时不少物理学家认为,物理理论已接近最后完成,今后只能在一些细节上作些补充,在常数的测定中增加几位有效数字而已。可是,80年代的“以太漂移”实验与理论预测相反,使人们感到沮丧和震惊。为解决实验与理论的这一矛盾,以洛伦兹为代表的老一辈物理学家采取修补漏洞的办法,提出名目繁多的特殊假设,结果使旧理论体系更是捉襟见肘。少年时代就开始阅读哲学著作并喜爱哲学思考的爱因斯坦,则以更高的着眼点和更广的视角来审视这个问题。他一方面接受了英国哲学家D.休谟(Hume,1711—1776)和E.马赫(Mach,1838—1916)的怀疑的经验论,主要是他们的独立批判精神和对先验论的僵化思想的批判,尤其是马赫对I.牛顿(Newton,1642—1727)的脱离任何物质的绝对空间和绝对时间的先验性的批判。另一方面,他又接受了17世纪荷兰哲学家斯宾诺莎的理性论,特别是关于自然界统一性的思想。爱因斯坦这篇惊世骇俗的论文就贯穿着这种理性论的统一性思想。论文的第一句话就是:“大家知道,麦克斯韦电动力学应用到运动的物体上时,就要引起不对称,而这种不对称似乎不是现象所固有的。”这里所说的“不对称”,是指自然现象的统一性遭到破坏。他举M.法拉第(Faraday,1791-1867)发现的电磁感应现象为例。
早在3个世纪前,伽利略(Galileo Galilei,1564—1642)就发现:力学运动定律,在任何静止的或者匀速运动的坐标系(即惯性系)看来,其形式都是完全一样的(这就是自然规律的数学形式的协变性)。这表明,用任何力学实验都是无法辨别惯性系本身的运动状态的。这种运动的相对性,在经典力学中是普遍成立的;可是在麦克斯韦电动力学中却不成立,因为麦克斯韦方程只适用于静止的坐标系。爱因斯坦根据法拉第的电磁感应实验(感应电流的强度只同导线与磁场的相对运动有关),认为这种“不对称”(即不统一性或不一致性)不像是自然界所固有的,问题大概出在我们了解自然界的概念和理论上。他经过多年探索发现,只要把作为经典理论基础的空间和时间概念加以适当修改,这种“不对称”就可以消除。他在一个最平凡、最简单,也似乎是最不成问题的问题上找到突破口,这就是所谓的“同时”问题。他发现,两个在空间上分隔开的事件的所谓“同时”,取决于它们相隔的空间距离和光信号的传播速度,在静止的观察者看来是同时的两个事件,在运动的观察者看来就不可能是同时的。这就是所谓同时的相对性。由此可见,对于不同的惯性系,时间的量度不可能是相同的。因此,牛顿所说的与任何物质运动无关的“绝对时间”是不存在的。同样,牛顿所说的与任何物质运动无关、静止的“绝对空间”也是不存在的。既然绝对静止的空间并不存在,爱因斯坦就直截了当地宣布:本来已被洛伦兹剥夺了各种力学性质而只留下一个“不动性”的以太的存在,根本是“多余”的。几十年来最令物理学家烦恼的“以太漂移”问题,就这样被爱因斯坦用快刀斩乱麻的办法一扫而清。
根据上述思路,爱因斯坦着手建立一个完整的理论体系。他把伽利略发现的力学运动的相对性这一“基本实验事实”所适用的范围加以扩充,使它不仅包括力学定律,而且包括所有的物理定律,并且把它提升为理论的逻辑前提,即公设或原理,称为“相对性原理”。此外,他经过一再反复之后,把所有以太漂移实验所显示的光在真空中总是以一确定速度传播的基本事实也提升为原理(即“光速不变原理”),而不像洛伦兹等人那样,企图在理论上为光速不变性寻找根据。爱因斯坦发现,要使这样两条原理同时成立,不同的惯性系的各个坐标之间必然存在这样的一种确定的数学关系:在两个以匀速v相对运动的参照系中,设其中一个参照系的坐标为x,y,z,t;另一个为 x',y',z',t',在两者的原点和坐标轴取向都相重合时:
这种坐标变换类似于洛伦兹于1904年所发现的变换。不过,爱因斯坦当时并不知道洛伦兹1904年的工作,而且两人最初所提出的变换形式只有在v/c的一次幂上才是一致的。后人就把更为优越的爱因斯坦的变换形式称为洛伦兹变换。洛伦兹是作为一种解释以太漂移实验的基本假设而提出的坐标变换,可是在爱因斯坦的理论中,它不过是一个必然的逻辑推论。这种变换,是适合于伽利略相对性原理的变换(即伽利略变换)的一种扩展。通过这种变换,他推导出:运动的尺要缩短;运动的钟要变慢;任何物体的运动速度都不可能超过光速。这样,本来只适用于静止坐标系的麦克斯韦方程,经过变换后,能同样适用于任何运动的惯性系了。也就是说,麦克斯韦方程对于洛伦兹变换是协变的。可是,原来对于伽利略变换是协变的力学定律,现在对于洛伦兹变换却不可能是协变的了。为了贯彻相对性原理,必须把力学定律一一加以改造,使它们对于洛伦兹变换也是协变的。这种改造的结果,实际上是一种扩展,就是把力学定律作为物体在低速(相对于光速而言)运动时的一种极限情况。由此,力学的一些基本概念,如质量、动量、能量等,都必须加以扩展。经过这样的改造,牛顿力学就扩展成为相对论性力学,原来牛顿力学和麦克斯韦电动力学之间的“不对称”也就不再存在了。
爱因斯坦这篇逻辑上十分严谨、文字上十分简洁的长达31页的论文于1905年9月在莱比锡《物理学杂志》发表后,立即引起普朗克深切的关注。普朗克虽然对爱因斯坦的光量子假说很不满意,认为这是一种“迷误”;但对这篇大论文却十分赞赏,意识到这是物理学的一次革命,并在自己主持的物理讨论会上介绍了爱因斯坦这篇论文。在普朗克的影响下,他的助教劳厄和一个大学毕业班的学生都选这个方向作为研究课题。劳厄随后去伯尔尼访问了爱因斯坦,两人从此成为至交。劳厄于1911年出版了专著《相对性原理》,这是关于相对论的最早教科书。普朗克自己也在这方面进行研究,把相对性原理应用于动力学。“相对论”(Relativtheorie)这个名称就是普朗克于1906年提出来的。以后有人建议改称“相对性理论”(Relativitatstheorie,theory of relativity,中译简称“相对论”),爱因斯坦自己从1907年开始采用此名。1910年,著名德国数学家F.C.克莱因(Klein,1849—1925)建议改名“不变论”(Invariantentheorie),爱因斯坦在内心上是喜爱这个名称的,因为它比较真实地反映了这个理论的方法和目的,可以避免许多哲学上的误解,但他担心改名又会引起另一种混乱,终于未被正式采用。1915年开始,爱因斯坦把1905年的理论称为“狭义相对论”,以区别于以后发展起来的“广义相对论”。
爱因斯坦1905年6月完成了狭义相对论长论文以后,9月又写了一篇短论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,作为相对论的一个推论,发现了质量(m)和能量(E)的相当性:
E=mc2 ,(c为光速).
由此,当时使物理学家迷惑不解的放射性元素(特别是镭)何以能释放出大量能量的问题,也就迎刃而解了。质能相当性是30年代开始蓬勃发展起来的核物理学和粒子物理学的理论基础,也为核能的释放和利用开辟了道路,使人类从用火以来进入一个新的能源时期。
相对论不仅冲击了牛顿以来经典物理学理论体系,改变了传统的空间、时间观念,而且深刻地影响了科学方法论和哲学的认识论。正如普朗克在1910年4月所说的,由相对论“所带来的物理世界观的革命,在广度和深度上,只有由于哥白尼的世界体系的提出所引起的革命可以相比拟”。
量子论的发展和引力理论的艰难探索
爱因斯坦1905年提出的光量子论遭到了几乎所有物理学家的反对。创立量子论的普朗克直至1913年还认为这是爱因斯坦在思辨中走得太远了,1915年证实爱因斯坦光电效应公式的密立根,在1916年还说光量子论“看来是站不住脚的”。可是,爱因斯坦不顾众人的反对,坚定地走他自己认定的道路,并且要把量子概念应用到辐射以外的领域。1906年11月他写了一篇论文《普朗克的辐射理论和比热理论》,通过量子论对热的分子运动论的修正,解决了几十年来一直困扰着物理学家的固体比热问题。
1819年法国物理学家P.L.杜隆(Dulong,1785—1838)和 A.T.珀替(Petit,1791—1826)发现:“所有简单物体的原子都具有完全相同的热容量。”大量实验证明,对于所有固体,原子量或分子量与比热的乘积是一个常数(大约 6卡/克分子·度)。玻耳兹曼于1876年通过统计力学的均分定理,成功地用分子运动论解释了杜隆–珀替定律,但在此以前人们发现,固体的比热在低温时并不符合杜隆–珀替定律,对这种偏离,始终找不到理论解释。1900年4月 27日英国科学界元老开耳芬勋爵(Lord Kelvin,1824—1907)在他著名的送别旧世纪的演讲《热和光的动力理论,天空上的19世纪之云》中,在欢呼动力学理论无往不胜的功绩之后,指出了万里晴空出现了两朵不测之云,一朵是以太漂移问题,另一朵就是与比热有关的能量均分定理问题。现在这两朵云都被爱因斯坦冲散了。爱因斯坦通过建立相对论和新时空观驱散了第一朵云,又坚持贯彻普朗克的量子论,通过对能量均分定理的修正而驱散了第二朵云。可是,驱散了这两朵云,并没有实现开耳芬所期望的那样恢复了经典动力学的万里晴空,而是引来了新世纪的物理学革命,开辟了物理学理论的新天地。
爱因斯坦把量子论用于三维晶体点阵中的单个原子的振动,所得出的比热公式与当时的实验数据符合得相当好。但随即发现,对于超低温并不符合。1911年,荷兰化学物理学家F.J.W.德拜(Debye,1884—1966)发展了爱因斯坦的比热理论,把固体的振动类比于一种具有原子性结构的连续弹性体的振动,得出更加符合实验的固体比热公式。普朗克虽然反对爱因斯坦把量子论扩展到辐射的传播,但对他的固体比热理论却很赞赏。
1909年爱因斯坦即将告别专利局去苏黎世大学任教时,在萨尔茨堡的德国科学家协会的年会上,他作了关于辐射的本质和组成的学术报告,指出:“理论物理学发展的下一阶段,将给我们带来这样一种光的理论,它可以被设想为波动论和发射论的一种融合。”他把相对论和量子论结合起来,用质能相当性来论证,不该“把光理解为臆想媒质的状态的结果,而是像物质一样是一种独立存在的东西”,并且论证辐射发射的基元过程是有方向性的。最后他强调:“波动结构和量子结构都应当适合于辐射,而不应当认为两者是彼此不相容的。”这明确揭示了微观客体的波动性和粒子性的并存(也可理解为统一或互补),这种并存称为“波粒二象性”。以后的历史发展表明,波粒二象性是微观世界的最基本的特征。
1912年,爱因斯坦把光量子概念用于光化学现象,建立了光化当量定律。
自从1900年普朗克创建量子论以后,直至1912年,真正坚持量子论并认真加以发展和推广的,可以说只有爱因斯坦一人。1913年N.H.D.玻尔(Bohr,1885—1962)提出原子结构理论,用量子跃迁假说完美地解释了氢原子光谱,局面才开始改变。当爱因斯坦得知玻尔这一工作,就称赞这是“最伟大的发现之一”。此后10多年,玻尔就成为量子论舞台上的主角。但爱因斯坦在1916年和1924年还是对量子论作出了两项重大贡献。
1905年狭义相对论建立后,爱因斯坦为发展相对论进行了不懈的努力。他试图把自然规律与参照系的运动状态无关的相对性原理的适用范围从惯性系扩展到非惯性系。1907年9月爱因斯坦接受斯塔克约请,为其主编的《放射性和电子学年鉴》(Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik)撰稿,花两个多月时间写了一篇长达50页的论文《关于相对性原理和由此得出的结论》。他要趁此机会全面总结两年来相对论的发展,但却得不到关于这个论题的各种出版物,“因为在我休闲时间图书馆是关着门的”,而且他能用来写作的,只有“少得可怜的休闲时间”。这篇综述性长论文全面论述了相对论的运动学基础,以及它在电动力学、质点动力学和热力学等方面的应用,最后探讨了引力问题。他1922年在东京讲学时回忆了当时的情况:“当我坐在伯尼尔专利局办公室的椅子上时,蓦地闪现出一个思想:‘如果一个人自由地降落,他就不会觉察到自己的重量。’我大吃一惊。这个简单的思想给了我深刻的印象,它推动我走向引力理论。”这一思想也可以表述为,对于一个从屋顶自由降落的观察者来说,不存在引力场。他认为这一思想是他“一生中最得意的思想”。
受此启发,他提出一个假设:“引力场与参照系相对应的加速度在物理上完全等效。”这个假设以后称为等效原理。通过这个假设,相对性原理就可以扩展到均匀加速平移运动的参照系,而且允许用一个均匀加速参照系来代替一个均匀引力场。他由此估算引力场对光的波长的影响,得出太阳表面发出的光比地球表面发出的光波长要大两百万分之一。这一现象以后通称为引力红移。
也就在这一年,爱因斯坦大学时的老师、德国著名数学家H.闵可夫斯基(Minkowski,1864—1909)提出相对论的四维空间表示形式。可惜爱因斯坦当时并未认识到它的价值,反而以为是数学家把物理问题搞复杂了。闵可夫斯基对这位不受教授们赏识的学生在毕业5年后所发表的相对论感到惊讶和赞叹,1907年他用自己专长的几何学给这个理论以一个非常美妙的表述形式。他在通常的空间三个坐标x,y,z之外,引进了表示时间(t)的第四
动状态,时间坐标与空间坐标不可分割地结合在一起。于是在闵可夫斯基的四维空间中,空间距离和时间间隔两者各自独立的不变性不复存在,但两者的结合体仍然是不变的。闵可夫斯基在逝世前不久(1908年)郑重宣告:“从今以后,空间和时间本身都消失在阴影之中了,只有两者的统一体才仍然是一种独立的实在。”他把空间和时间统一体的客观的绝对存在这一观点称为“绝对世界的假设”。这对那些把相对论和哲学上的相对主义(relativism)混为一谈的人是当头一棒。爱因斯坦经过一度犹豫之后才接受闵可夫斯基的四维空间观念,并认为它是发展相对论的必要工具。
1911年,爱因斯坦(当时在布拉格任教)把引力理论的探索推进了一步,发表了论文《关于引力对光传播的影响》。他根据1907年提出的等效原理和光传播的惠更斯(Huygens)原理,发现光经过引力场要发生偏转,并推算出光线经过太阳附近要受到0.83弧度秒的偏转,这可以在日全食时观测到。他迫切希望天文学家注意这个问题。
1912年春天,他一连写了两篇关于引力场的静力学的论文。他考查了均匀转动的刚性圆盘,发现由于洛伦兹收缩,欧几里得几何定律不可能严格成立,圆周和直径的比值不再是π.他还进一步发现,光速一般不是常数,因此洛伦兹变换不能普遍适用,必须寻求更宽广的不变群;为了保证能量–动量守恒,引力场方程必须是非线性的。而且在引力场中,等效原理只对无穷小区域有效。从此,他放弃了物理空间是平坦的欧几里得空间的传统观念,而认为空间是弯曲的。他想起了大学时听过 C.F.盖泽尔(Geiser,1843—1934)教授的微分几何课中提到的C.F.高斯(Gauss,1777—1855)曲面理论,对建立引力场可能有用,但由于他不熟悉这套数学工具,一时无从着手。他在7月间写的一篇文章中说:“无法了解普适的空间–时间变换方程可能具有怎样的形式。我企求所有同行都关注这个重要问题。”
1912年8月上旬,爱因斯坦带着这个问题回到苏黎世,任母校瑞士联邦理工大学教授,即向老同学格罗斯曼讨教。格罗斯曼介绍他学习 B.黎曼(Riemann,1826—1866)几何学,意大利数学家G.里奇–库尔巴斯特洛(Ricci–Curbastro,1853—1925)及其学生T.勒维–契维塔(Levi–Civita,1873—1941)的绝对微分运算(张量分析)。从此,他和格罗斯曼通力合作,以攻克引力理论的数学难关。1912年10月29日他写给年长的德国物理学家A.索末菲(Sommerfeld,1868—1951)的信中说:“现在我正全力投入引力问题,在这里一位数学朋友帮助下,我相信能够克服一切困难。但有一件事是肯定的:在我一生中以前从未碰到过什么事使我如此辛劳困苦,我已非常尊重数学,由于我的无知,在此以前我一直把数学中比较难以理解的部分看作是纯粹的奢侈品!与这个问题相比,原来的相对论不过是儿戏。”爱因斯坦在去世前一个月所写的回忆中说,格罗斯曼在同意合作研究引力问题时附有一个条件:“他对于任何物理学的论断和解释都不承担责任。”
爱因斯坦和格罗斯曼经过10个月紧张的艰辛劳动后,1913年5月终于完成论文《广义相对论和引力论纲要》。论文分物理学和数学两个部分,分别由爱因斯坦和格罗斯曼执笔。他们在这篇论文中提出了引力的度规场理论。在这里,用来描述引力场的不是标量,而是度规张量,即要用10个引力势来规定引力场。这是第一次把引力和度规结合起来,使黎曼几何获得实在的物理意义。可是他们当时得到的引力场方程只是对于线性变换是协变的,而不是广义相对性原理所要求的,应该对于任意变换群都是协变的。这是由于爱因斯坦当时不熟悉张量运算,错误地认为,只要坚持守恒定律,就必须限制坐标系的选择;为了维护因果性原理,不得不忍痛放弃普遍协变的要求。这一失误,使他继续走了两年多弯路,直至1915年7月以后才逐渐认识到错误。
第二个高峰时期
1915—1917年是爱因斯坦科学成就的第二个高峰时期。类似于1905年,他也在三个不同领域中分别取得了历史性成就。除了1915年建成了被公认为人类思想史中最伟大的成就之一的广义相对论以外,1916年在辐射量子论方面又作出了重大的突破,1917年又开创了现代科学的宇宙学。
1914年4月到柏林后,爱因斯坦把主要精力继续用于广义相对论研究。8月第一次世界大战爆发后,他积极参与反战活动。1915年初,他与荷兰物理学家、洛伦兹的女婿德·哈斯(W.J.de Haas,1878—1960)合作一项实验研究,以证实安培(Ampère)分子电流的存在。实验是爱因斯坦建议的,他们通过实验发现,悬挂着的铁圆柱体突然被磁化时会产生一个转矩。这个现象称为爱因斯坦–德·哈斯效应。这表明爱因斯坦对实验工作依然有浓厚兴趣。
(1)广义相对论的建成和引力波
1915年秋天,爱因斯坦对1913年他和格罗斯曼合作的以及1914年所提出的引力方程的不正确性逐渐有了朦胧的认识,使他进入了一个艰难时期。他认识到自己在此以前所使用的证明方法是靠不住的,粗心地引进了一个错误的假设,使引力场方程只对线性变换是协变的。早在1913年8月,他就已对这个理论的所有方程组不允许线性以外的变换感到不安,因为这有悖于他的初衷。1915年10月下旬他终于向广义协变性迈出了决定性的一步。11月4日、18日和25日,他一连向普鲁士科学院提交了3篇论文,成为广义相对论建成的最后里程碑。
1915年11月4日他向普鲁士科学院提交论文《关于广义相对论》,声明他对自己以前所提出的引力场方程己完全丧失了信心,因为它是建立在误解之上,现在“我回到了场方程一种更加普遍的协变性,而这是我3年前和我的朋友格罗斯曼合作过程中怀着沉重的心情勉强放弃了的要求”。他得到了满足守恒定律的普遍协变的引力场方程,但加了一个不必要的限制:只允许幺模变换(行列式为1的变换)。一个星期后,他对这篇论文加了一个补充,可是并没有前进一步,反而加强了这个限制。再过两个星期后(11月25日),他终于发现了这一错误。
11月18日他提交了第二篇论文《用广义相对论解释水星近日点运动》。他根据11月4日提出的对于行列式为l的任何变换都是协变的引力场方程,推算出水星近日点每100年的剩余进动值是43",与观测结果完全一致,完满地解决了60多年来天文学上一大难题。水星近日点的进动是法国天文学家U.J.J.勒未里埃(Leverrier,1811—1877)于 1859年发现的。勒未里埃根据自己发现海王星(1845)的经验,分析水星近日点的进动每100年38"(现代观测数值为43")的剩余数值,于是预测在水星轨道里面还有一个未知的行星或行星群存在。但这个预测始终未能证实,于是这个问题成为牛顿理论的一大漏洞,而爱因斯坦用广义相对论的引力论来计算,水星近日点的进动每100年本来就该比牛顿引力论的值多43".爱因斯坦认为这是对相对论的一个“最彻底和最完全的重要证明”,使他受到极大的鼓舞,一连几天都非常振奋激动。此外,这篇论文还提到,根据目前的理论所推算出的光辐射经过引力场所产生的弯曲,要比以前(1911)的结果大一倍,即不是0.83",而是1.7".
就在他为水星近日点进动的计算结果感到鼓舞的时候,他也最终完成了广义相对论的逻辑结构。11月25日他向普鲁士科学院提交了论文《引力的场方程》,放弃了对变换群的不必要限制,建立了真正普遍协变的引力场方程。论文中宣告:“任何服从狭义相对论的物理理论都能够融合于广义相对论;广义相对论不为那些物理理论的准入提供任何判据。”“广义相对论作为一种逻辑结构是闭合的。”3天后,他向索末菲诉述:“最近一个月中,我经历了一生中最激动和最紧张的时期之一,但也是最成功的时期之一。”
1916年初,爱因斯坦接受洛伦兹建议,写了一篇50多页的论文《广义相对论的基础》。有趣的是,当初对狭义相对论极为赞赏的普朗克,以后却劝阻爱因斯坦不要进行广义相对论研究;而对狭义相对论始终不赞同的洛伦兹,对广义相对论却大加赞赏,希望“用一种尽可能简单的形式来陈述它的原理,使每个物理学家都能熟悉它的内容”,并表示他很愿意做这项工作,但如果由爱因斯坦自己来做,一定会做得更漂亮。爱因斯坦在这篇论文中对他经历了8年艰辛探索而建成的理论作了全面的论述。为了帮助物理学家了解他们并不熟悉的绝对微分运算,专门用一章的篇幅,以简单、明晰的形式介绍建立广义协变方程的数学工具。论文最后,推导出三个可以实验验证的推论:(1)从巨大星球表面射到地球的光的谱线,必定显得要向红端移动;(2)光线经过太阳,要受到1.7"的弯曲;(3)水星轨道每100年转动43",这完全符合天文学家的观测。为了广泛传播相对论知识,年底他又写了一本普及性小册子《狭义与广义相对论浅说》。
1916年6月爱因斯坦发表了一篇关于引力场方程近似积分论文,推断一个力学体系变动时必然发射以光速传播的引力波。他还指出,原子中存在没有辐射的稳定轨道,无论从电磁观点还是从引力观点来看,是一样神秘的。因此,“量子论不仅要改造麦克斯韦电动力学,而且也要改造新的引力理论”。1918年l月,他又发表论文《论引力波》,作了进一步的阐述,并且改正了以前一个计算错误。关于引力波的存在,曾遭到一些物理学家怀疑,爱因斯坦也曾一度动摇。1936年他和美国物理学家N.罗森(Rosen,1909—1995)合作研究了柱面引力波的情况,得出了严格解,证明引力波是存在的。
由于引力波强度太弱,难以检测,长期来未引起人们注意。60年代,美国物理学家J.韦伯(Weber,1919— )设计了检测引力波的实验装置,在世界范围逐渐形成了检测引力波的热潮,但所有实验迄今都还没有达到检测所要求的最低精度。可是1974年开始,美国射电天文学家J.H.泰勒(Taylor,Jr,1941— )和他的学生R.A.赫尔斯(Hulse,1950— )对新发现的射电脉冲双星PSR1913+16进行连续四年的观测,终于在1978年从脉冲周期的变化,推算出确实有引力波存在。他们两人由于这项工作,获得1993年诺贝尔物理学奖。
(2)辐射的量子理论和激光
1916年秋天,爱因斯坦回到了量子辐射问题,写了一篇综合了十几年来量子论发展成就的论文《关于辐射的量子理论》,提出关于辐射的吸收和发射过程的统计理论,从玻尔1913年的量子跃迁概念,推导出普朗克的辐射公式。论文中强调:基元的辐射过程是一个有方向的过程;正确的辐射理论,除了考虑辐射与物质之间的能量交换以外,还必须考虑动量的交换(动量值为hv/c)。这一研究成果,增强了爱因斯坦对光量子实在性的信心,确信光量子确实是存在的。而当时只有他一人有此信念。论文中所着重提出的光量子的方向性问题,1923年美国物理学家A.H.康普顿(Compton,1892—1962)予以实验证实。从此,光量子论才开始为人们普遍接受。
这篇论文在考查通过辐射而发生的能量交换时,对两个能态之间的跃迁作了精密的分析,发现有三种不同方式的跃迁过程。一种情况是,跃迁过程与是否受到外界电磁场(辐射)的激发无关,称为自发辐射。另一种情况是,外界辐射的电磁场对谐振子作功,改变了它的能量;这个功根据谐振子的相与振荡场的相之间的关系而表现为正或为负。也就是说,在激发辐射作用下,分子可能吸收能量,从低能态跃迁到高能态;也可能释放能量,从高能态跃迁到低能态。他把激发辐射作用下的这两种状态变化过程统称为“受激辐射”。后人把这两种过程分别称为“受激吸收”和“受激辐射”。在这篇论文中,他还给出了自发辐射概率与受激辐射概率之间的关系。
爱因斯坦1916年提出的受激辐射概念,开始时并未引起多大注意。1924年美国物理学家 R.C.托耳曼(Tolman,1881—1948,他是最早把相对论介绍到美国的人)研究了受激辐射,指出处于较高量子态的分子可以通过受激辐射返回较低量子态,即通过负能吸收而补充初始的光束。这在理论上预示了通过受激辐射可以使光放大。以后,经过各国很多科学家的长期探索,特别是借助于微波波谱学的研究成果,终于在1960年制造成第一台激光器。由此出现了一门蓬勃发展的激光技术。由于激光具有高单色性、高方向性、高相干性和高亮度等特点,在科学研究、工业、通信、精密测量、医学、农业、军事等方面都有广泛的应用,成为继电子学、计算机之后20世纪第三个重要的新技术,而它的源泉却来自爱因斯坦辐射量子理论的受激辐射概念。
(3)宇宙学的创立
1917年初,爱因斯坦用广义相对论来探讨整个宇宙空间问题,发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》。论文揭示了,认为宇宙在空间上是无限的这一传统观念,无论与牛顿引力理论还是与广义相对论引力论都是不相容的。事实上,我们也无法给引力场方程在空间无限远处设立合理的边界条件。要摆脱这一逻辑困境,可能的出路是:把宇宙看作是一个“具有有限空间(三维的)体积的自身闭合的连续区”。以科学论据推论宇宙在空间上是有限无界的,这在人类历史上是一个大胆的创举,并且使宇宙学摆脱了纯粹猜测性的思辨,进入现代科学领域。这是哥白尼革命之后宇宙观的一次革命。根据当时天文观测到的星的速度都很小这一事实,爱因斯坦认为物质的分布是准静态的。为了保证这一条件,他在引力场方程中引进了一个未知的普适常数(宇宙学项),这相当于一种可以与引力相抗衡的“宇宙斥力”。
也在1917年,与爱因斯坦频繁通信的荷兰天文学家德西特(W.de Sitter,1872—1934),根据爱因斯坦的引力论提出另一种宇宙模型。这个宇宙的平均物质密度为零,它是非静态的,而在不断膨胀着。
1922年,俄国大气物理学家A.A.费里德曼(Friedmann,1888—1925)指出爱因斯坦的理论中引进宇宙学项是没有必要的,由此所得到的引力方程的解是不稳定解。因此,这个平均物质密度不为零的宇宙是不稳定的,它可能在膨胀,也可能在收缩,或者在脉动。当时爱因斯坦不同意费里德曼的论点,但一年后宣布撤回自己的意见,承认费里德曼是正确的。
20年代初,美国天文学家发现银河系以外星系的光谱线大多向红端位移,这表明这些星系正在退离我们。1929年,E.P.哈勃(Hubble,1889—1953)发现,星系退离的速度与星系离我们的距离成正比。这正证实了宇宙膨胀理论。1946年,从俄国逃亡到美国的物理学家G.伽莫夫(Gamov,1904—1968)又将宇宙膨胀理论发展成为大爆炸理论。1964年,相当于绝对温度3.5K的宇宙背景辐射的发现,为大爆炸理论提供了有力的证据。
关于广义相对论的验证
广义相对论的引力论虽然在本质上根本不同于牛顿的引力论,但在日常现象中却分辨不出两者的差异。爱因斯坦通过繁复的计算,提出三个可供实验验证的推论。其中关于水星近日点的进动,当时就已得到完满的解决。最早提出的验证是光线在引力场中的弯曲(偏转),他1911年预言光线经过太阳边缘要弯曲0.83".1914年德国天文学家 E.F.费罗因德利希(Freundlich, 1885—1964)为此带领观测队到克里木半岛准备对将在8月间出现的日食进行观测。不幸,8月1日爆发第一次世界大战,观测队全部被俄国俘虏。这次观测未能实现,对相对论倒是一件幸事。因为一年以后爱因斯坦根据引力场方程推算出的结果是这个数值的一倍。而且,早在1801年,德国大地测量学家兼天文学家佐耳德内(J.G.von Soldner,1776—1833)就曾根据牛顿的引力定律和光的微粒学说推算出,星光经过太阳边缘要偏转0.85".根据1915年11月建成的广义相对论,有物质存在的空间本身是弯曲的,光的传播也就不可能沿着直线,而是沿着短程线,在太阳边缘要出现1.7"的弯曲。当时是在战争期间,交战国之间不能通邮。通过中立国荷兰的天文学家德西特的介绍,爱因斯坦1915年的论文传播到英国,引起了英国天文学家爱丁顿的极大兴趣,并于1918年撰文称,广义相对论是一场对物理学、天文学和哲学都有深远影响的思想革命。战争一结束,他就率领观测队到西非几内亚湾的普林西比(Principe)岛准备1919年5月29日日全食的观测。英国皇家天文学会同时还派了一个观测队前往巴西的索布腊耳(Sobral)。两地的观测结果于1919年11月6日在伦敦公布,前者为1.61"±0.30",后者为1.98"±0.12",证实了爱因斯坦的理论预言。英国皇家学会会长J.J.汤姆孙(Thomson,1856-1940)在宣布这一结果时声称:爱因斯坦的理论是“人类思想史中最伟大的成就之一”,“它不是发现一个外围的岛屿,而是发现整个科学新思想的大陆”。
广义相对论另一个可以实验验证的推论是爱因斯坦早在1907年就已提出来的:在强引力场中,时钟要走得慢些,因此,从巨大质量的星体表面射到地球上的光谱线要出现红移,这就是光的引力频移。1925年美国天文学家W.S.亚当斯(Adams,1876—1956)观测了天狼星伴星(密度极大的白矮星)所发出的光的谱线的相对频移为6.6×10-5,与理论预测(5.9×10-5)基本上一致。
广义相对论以其思想的深湛、丰富和形式的完整、美丽,令人赞叹。可是,在广义相对论创立后将近半个世纪内,能够验证它的实验事实就只有爱因斯坦当初提出的三个。因此,有人慨叹地说:“爱因斯坦的广义相对论是何等美丽的理论,可是实验却少得令人羞愧。”有人甚至说,广义相对论是理论物理学家的天堂,实验物理学家的地狱。事实上,实验的困难也使人们对广义相对论的兴趣逐渐减弱,30年代以后,它几乎成了物理学的一个冷门。
50年代末以后情况发生了根本变化。这首先要归功于穆斯堡尔效应的发现。这个效应是德国物理学家R.L.穆斯堡尔(Mössbuer,1929— )于 1957年发现的,是放射性原子无反冲地发射或吸收g 射线的现象。他把发射低能g 射线的原子核嵌在晶格点中,使它在发射g 射线时不发生反冲,从而得到频带极窄的g 射线。1959年,美国物理学家R.V.庞德(Pound,1919— )等人用频带宽度为10-12,以 Fe57原子核发射出的无反冲g 射线来做引力频移实验。他们把射线源放在地面上,在垂直高度22.5米处测出相对频移为 2.5×10-15,与理论推算结果相符。
1966—1967年间,美国物理学家I.I.夏皮罗(Shapiro,1929— )利用雷达进行广义相对论的第四个验证。他们从美国发出雷达波,射向水星(或金星),然后反射回来。如果中途经过太阳边缘,雷达波的路程要受引力弯曲,往返的时间就要比不受太阳影响的情况延长200微秒。观测的结果与理论预言一致。利用雷达,不仅光(电磁波)的引力偏转的观测不再限于日全食,而且还可以直接观测水星近日点的进动。
进入60年代,广义相对论的实验犹如雨后春笋,其中最热闹的还是前面介绍过的关于引力波的实验。与此同时,由于天体物理学和宇宙学不断取得重大进展,广义相对论日益引人瞩目。这一方面是白矮星(密度大约106克/立方厘米)的研究,脉冲星(即中子星,密度达 1014克/立方厘米)的发现( 1969),类星体的发现(1963),黑洞的探索;另一方面是前面提到过的河外星系红移的发现和大爆炸理论的提出,以及3K宇宙微波背景辐射的发现(1964)。所有这些进展,使一度受到冷落的广义相对论重新形成了研究热潮。以前人们总是说相对论和量子论是20世纪物理学两大理论,现在则谈论20世纪物理学三大理论:量子论(主要是指1925-1926年发展起来的量子力学),狭义相对论,广义相对论。
量子论的发展和争论
量子论经历了爱因斯坦的发展,到1913年玻尔的原子结构理论,取得了惊人的成就。但玻尔的理论只能算出单电子原子的光谱线的频率,无法算出各条谱线的相对强度。为了弥补这一缺陷,玻尔于1918年提出对应原理,借助经典理论来计算辐射强度。这样,虽然能使量子论勉强处理一些以前无法处理的问题,但严格说来,它不过是一些各不相干的原理和计算方法的混合物,而不是一个逻辑上贯彻一致的理论。这种理论上的混乱,被人称为量子论的危机。为了摆脱这一困境,玻尔和其他一些物理学家曾根本怀疑能量和动量守恒定律在原子领域的基元过程中的可靠性。但这种怀疑不久就被实验事实断然否定了。
首先冲破旧量子论困境的是法国物理学家德布罗意(L.V.de Broglie,1892—1987)。他经过长期的思索和遐想之后,于1923年蓦然想到:“爱因斯坦在1905年所作出的发现(指光量子论),应当加以推广,把它扩展到一切物质粒子,特别是电子。”1923年9—10月间,德布罗意一连发表了3篇短论文,指出爱因斯坦的公式E=hn 不仅适用于光量子,也应适用于电子。也就是说,电子也应具有波动性质,其波长为 λ= h/p(p为电子的动量)。他预言,电子束穿过小孔时会显现衍射现象。借助于这种物质波,他很自然地解释了玻尔的定态概念,为量子条件提供了理论根据。在此基础上,他写了一篇提交给巴黎大学的博士论文。1924年春夏间,学位评审人、爱因斯坦挚友P.朗之万(Langevin,1872—1946)把论文稿转给爱因斯坦,爱因斯坦十分赞赏,使朗之万决定接受这篇论文。
当时爱因斯坦又收到印度青年物理学家S.N.玻色(Bose,1894—1974)寄来的短论文《普朗克定律和光量子假说》,提出关于光量子的统计理论,由此推导出普朗克辐射公式。爱因斯坦认为玻色的论文意义重大,把它从英文译成德文,并加了一个“译者按”,介绍给柏林《物理学期刊》(Zeitschrift für Physik)发表。同时,爱因斯坦把玻色的统计方法和德布罗意的物质波概念结合起来,于1924年9月提出单原子理想气体的量子统计理论。这就是关于光子和偶质量数原子核等粒子所适用的玻色–爱因斯坦统计法。
与此相对应的是,1926年由意大利物理学家E.费米(Fermi,1901—1954)和英国物理学家P.A.M.狄拉克(Dirac,1902—1984)独立提出来的费米–狄拉克统计法,它适用于所有服从奥地利物理学家W.泡利(Pauli,1900—1958)1925年发现的不相容原理的粒子,如电子、质子、奇质量数原子核等。
爱因斯坦1924年9月和12月发表的气体量子统计理论对奥地利物理学家E.薛定谔(Schrödinger,1887—1961)产生了深刻影响。薛定谔于1925年12月写了一篇题为《关于爱因斯坦的气体理论》的论文,强调必须“认真地接受玻色–爱因斯坦运动粒子的波动理论”。这推动了薛定谔去建立波动力学。他于1926年1月完成波动力学的第一篇论文《作为本征值问题的量子化》,文中郑重声明他的理论是德布罗意和爱因斯坦理论的一种推广。因此,美国物理学家兼物理学史家A.派斯(Pais,1918— )认为,“爱因斯坦不仅是量子论的三元老(指普朗克、爱因斯坦和玻尔)之一,而且是波动力学唯一的教父”。量子力学创始者之一、德国物理学家M.玻恩(Max Born,1882—1970)在40年代说过,爱因斯坦“在征服量子现象这个荒原的斗争中,他是先驱”,也是“我们的领袖和旗手”。
上述玻恩的话是在祝贺爱因斯坦70岁生日时说的,他的话还有一半是:“爱因斯坦比他以前任何人都更清楚地看到物理定律的统计背景”,“可是后来,当他自己的工作已显现出了统计原理和量子原理的综合,而这看来几乎为所有的物理学家认为可以接受的时候,他却对它敬而远之,并且表示怀疑。”这是指爱因斯坦对1925年建立的量子力学,尤其是以玻尔为首的哥本哈根学派对量子力学的哲学解释所持的批评态度。量子力学是德国青年物理学家W.K.海森伯(Heisenberg,1901—1976)于1925年7月创立的。海森伯在第一篇量子力学论文的开头宣称:“试图为理论量子力学建立一个仅仅以那些在原则上可观察的量之间的关系为根据的基础。”他抛弃了玻尔的电子轨道概念及其有关的经典运动学的量,而代之以可观察到的辐射的频率和强度这些光学量。1926年春天,海森伯应邀去柏林大学介绍他的理论,爱因斯坦找他深谈了一次,对他的上述论据感到极其离奇。海森伯表示他是从爱因斯坦建立相对论时否定绝对时间的处理方法中学来的。爱因斯坦回答:“可能,我是用过这种推理。但是这仍然是毫无意义的。……在原则上,试图单靠可观察量来建立理论,那是完全错误的。实际上,恰恰相反,是理论决定我们能够观察到的东西。……只有理论,即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象推论出基本现象。”1926年1月薛定谔建立了波动力学,爱因斯坦则大加赞赏,于1926年4月给薛定谔的信中说:“我确信,通过你的关于量子条件的公式表述,你已作出了决定性的进展;我同样确信,海森伯–玻恩的路线已经走向歧途。”
1926年6月玻恩提出量子力学的概率解释。玻恩认为,他是受到爱因斯坦的启发的,爱因斯坦曾经把光波的振幅解释为光子出现的概率密度。爱因斯坦虽然对玻恩这项工作持肯定态度,但仍然不同意他的基本思路,在1926年12月给玻恩的信中说:“量子力学固然是堂皇的。可是有一种内在声音告诉我,它还不是那真实的东西。这个理论说得很多,但是一点也没有真正使我们更加接近‘上帝’的秘密。我无论如何总是深信上帝不是在掷骰子。”
1927年3月海森伯提出测不准关系;9月玻尔又提出互补性原理,认为因果性描述与空间时间描述不相容。爱因斯坦对两者都表示不满。10月在第五次索尔威(Solvay)物理讨论会上,爱因斯坦第一次为量子力学问题与玻尔等人公开争论。他设计一个理想实验,试图否证测不准并系。结果,玻尔成功地捍卫了自己的论点。1930年10月第六次索尔威会议上,爱因斯坦又提出一个测量单个光子能量的理想实验。玻尔经过彻夜的苦思,用广义相对论来回应爱因斯坦的挑战,又取得了胜利。从此,爱因斯坦承认量子力学内在逻辑的一致性,但认为它只是一种过渡性的理论,而不是完备的理论。1931年9月爱因斯坦向诺贝尔委员会提名薛定谔和海森伯为诺贝尔物理学奖候选人,理由是他们建立的波动力学或量子力学“无疑含有部分终极真理”。值得注意的是,这里出现的“终极真理”这个词在他以前的著作中没有出现过。
1935年3月,爱因斯坦与俄裔美国物理学家B.波多耳斯基(Podolsky,1896-1966)和罗森联合写了一篇论文《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》。所谓完备,就是要求“物理实在的每一个元素都必须在这个物理理论中有它的对应”。论文分析了对两个曾经发生过相互作用而以后不再发生任何相互作用的体系的测量问题,证明了量子力学是不完备的。这个问题以后人们称为EPR悖论。玻尔当然不会服输,即以同样的题目发表了答辩文章,用他的“互补性”观点来反对爱因斯坦的物理实在观,认为曾经发生过相互作用的两个体系不可能再分离。显然,争论的不仅是物理学问题,而且是哲学问题。因此,EPR悖论成为半个多世纪以来物理学和哲学的长期争论的焦点。
在这场争论中,爱因斯坦十分孤立,支持他的,在物理学家中只有普朗克、薛定谔、德布罗意等少数几人。加上他倾注后半生精力的关于统一场的探索始终得不到实质性的成果,在30年代以后的物理学界中更显其特立独行。他在70岁生日时向青年时代的挚友索洛文诉述了这样的心情:“当代人把我看成是一个邪教徒而同时又是一个反动派,活得太长了,而真正的爱因斯坦早已死了。”
统一场论的漫长探索
爱因斯坦在1915年建成广义相对论后依然感到不满足,企图再进一步推广相对性原理,把广义相对论加以扩展,使它不仅包括引力场,也包括电磁场,就是说,要寻求一种统一场的理论。他认为这是相对论发展的第三个阶段,它不仅要把引力场和电磁场统一起来,而且要把相对论和量子论统一起来,为量子物理学提供合理的理论基础。
事实上,探索统一场论的尝试,爱因斯坦早在1909年就开始了。那年1月他的论文《辐射问题的现状》结尾中说,他在“寻找一个在我看来可以适合于构造电的基元量子和光量子的方程组,未获成功”。广义相对论建成后,他希望在试图建立的统一场论中能够得到没有奇点的解,可用来表示粒子,也就是企图用场的概念来解释物质结构和量子现象。
最初的统一场论是德国数学家H.韦耳(Weyl,1885—1955)于1918年通过把通常的四维黎曼几何加以推广而得到的。对此,爱因斯坦表示赞赏,但指出这一理论所给出的线索不是一个不变量,而与它过去的历史有关,这与一切氢原子都具有同样光谱这一事实相抵触。
接着,德国数学家T.卡鲁查(Kaluza,1885—1954)于1919年试图用五维流形来达到统一场论,得到了爱因斯坦的高度赞扬。爱因斯坦1922年完成的第一篇统一场论的论文就是关于卡鲁查理论的。
1925年以后,爱因斯坦全力投入统一场论的研究。开头几年非常乐观,以为胜利在望。以后发现困难重重,感觉到现有数学工具不够用,1928年以后转入纯数学的探索。他尝试着用各种方法,有时用五维表示,有时用四维表示,但都没有取得有真正物理意义的结果。
从1925年到1955年这30年中,除了关于量子力学的完备性问题,引力波,以及广义相对论的运动问题以外,爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。1937年,他与波兰物理学家L.英费耳德(Infeld,1898—1968)和英国物理学家B.霍夫曼(Hoffmann,1906— )合作,完成了论文《引力方程和运动问题》,从广义相对论的引力场方程推导出运动方程。论文证明了引力方程足以确定用场的奇点来表示的物质的运动,而不必假定某种表示物质结构的特殊的能量–动量张量。这是广义相对论的重大进展,它进一步揭示了空间–时间、物质、运动之间的统一性。
广义相对论的运动问题是爱因斯坦晚年在科学创造活动中所取得的最后一项成功的成果,可是在他费尽心力的统一场论方面,始终没有取得一个在物理上有实际价值的具体成果。他碰到过无数次失败,但从不气馁,每次都满怀信心地从头开始。由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻当时没有条件解决的难题,加上他在量子力学的解释问题与当时占主导地位的哥本哈根学派针锋相对,与20年代以前相反,他的特立独行在物理学界显得十分孤单寂寞。但是他不顾一切风言冷语,依然坚定地走他自己认定为探索真理的道路。他经常用18世纪德国启蒙思想家G.E.莱辛(Lessing,1729—1781)的名言“对真理的追求要比对真理的占有更为可贵”来勉励自己和别人。
他始终系念着统一场论,临终前一天还在病床上准备继续他的统一场论的数学计算。1948年11月他在给索洛文的信中说:“我完成不了这项工作了;它将被遗忘,但是将来会被重新发现,历史上这样的先例很多。”历史的发展没有完全辜负爱因斯坦。30年代在核物理学和粒子物理学领域中,发现粒子之间的相互作用,除了已知的引力和电磁力之外,又发现了弱相互作用和强相互作用。这似乎与统一场论的思路背道而驰,使统一场论成功的可能性更加渺茫。可是,60年代美国物理学家S.L.格拉肖(Glashow,1932— )、S.温伯格(Weinbeng,1933— )和巴基斯坦物理学家A.萨拉姆(Salam,1926— )在量子规范场理论的基础上提出电弱统一理论,把电磁相互作用和弱相互作用统一起来。这一理论已于70和80年代得到一系列实验的有力支持。在此鼓舞下,已有不少物理学家在探索把电、弱、强三种相互作用统一起来的“大统一理论”。也有人试图进一步建立把引力也包括在内的所有四种相互作用的“超引力理论”和“超弦理论”。虽然这些理论都还没有成功,而它们所根据的物理理论和所用的数学工具也不同于当年爱因斯坦的统一场论,但基本指导思想是一致的。这表明,爱因斯坦的世界统一性的信念已成为当前许多有远见的物理学家的共同信念。
三、思想和人品
哲学思想
爱因斯坦的科学生涯和为人处世都与他的哲学思想密切相关。他从小对自然现象有强烈的好奇心,爱好穷根究底地思考问题。少年时代通过阅读通俗科学书籍和康德著作,接触了一些哲学思潮。1902—1905年间,通过“奥林比亚科学院”的活动,又读了许多哲学名著,并热烈讨论了科学哲学问题,这直接推动了他的科学创造,使他能比当时所有的物理学家站得更高,看得更远,想得更深。他说过:“物理学的当前困难,迫使物理学家比其前辈更深入地去掌握哲学问题。”他曾对人说过:“与其说我是物理学家,不如说我是哲学家。”而索末菲就认为“爱因斯坦是当代最伟大的哲学家”。他70岁生日时,一批知名学者为他出版了一个祝寿文集,书名就是《阿耳伯特·爱因斯坦:哲学家–科学家》。
爱因斯坦一生没有发表过系统地阐述他的哲学思想的专门性哲学论文,他的哲学思想散见于他的许多学术著作、评论和书信中,看来似乎很庞杂混乱,甚至自相矛盾。他的传记作者、维也纳学派哲学家P.弗朗克(Frank,1884—1966)说过,像“形而上学”和实证论这样两种对立的哲学思想都可以在爱因斯坦的著作中找到有力的证据。爱因斯坦自己也承认,在认识论方面,在理性论和经验论“这两个极端之间摇摆是不可避免的”。理由是,作为一个科学家,“经验事实给他规定的外部条件,不容许他在构成他的概念世界时过分拘泥于一种认识体系。因而,从一个有体系的认识论者看来,他必定像一个肆无忌惮的机会主义者”,他有时像一个实在论者,有时像一个唯心论者,有时像一个实证论者,有时甚至像一个柏拉图主义者或毕达哥拉斯主义者。不过,经过全面的深入分析,爱因斯坦的哲学思想虽然兼收并蓄,显得庞杂,但其主导思想还是清晰可见的。
爱因斯坦的哲学思想主要受到三方面的影响。首先是作为一个严肃的科学家所必然具有的自然科学实在论(也可称为唯物论)的传统。这可以由他在1931年纪念麦克斯韦时所说的一句话为代表:“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础。”
其次是他一生景仰并作为自己人生榜样的17世纪荷兰理性论哲学家斯宾诺莎的思想。他多次宣称他信仰斯宾诺莎的“上帝”,这个上帝实质上就是自然界。他把斯宾诺莎的“对神的理智的爱”,即求得对自然界的统一性和规律性的理解,奉为自己生活的最高目标。他认为,“科学研究能破除迷信,因为它鼓励人们根据因果关系来思考和观察事物。在一切较高级的科学工作的背后,必定有一种关于世界的合理性或者可理解性的信念”。作为理性论标志的自然界统一性的思想,显然是他探索科学真理和创建相对论的指导思想。
第三方面的影响是休谟和马赫的经验论和他们的独立批判精神。休谟对传统观念采取怀疑的批判态度,要求一切被认为先验的东西都回到经验基础上来。马赫对牛顿的绝对空间概念的批判,也给爱因斯坦很大启发。由于爱因斯坦采用了不少马赫的语言,过去在苏联和中国把他作为马赫主义者来批判。事实上,爱因斯坦从来不是马赫主义者,他们对待原子论的截然相反的态度就是明证。广义相对论建立后,他更远离马赫哲学,认为它“不可能产生任何有生命的东西,它只能消灭有害的虫豸”。他对休谟也采取批判态度,指出,随着休谟的批判,“产生了一种致命的‘对形而上学(指本体论的研究)的恐惧’,它已经成为现代经验哲学推理的一种疾病”。同样,他对斯宾诺莎的理性论也不是全盘肯定的。他吸收了经验论的精华,用来改造斯宾诺莎的极端理性论,清除了它的先验成分,强调“唯有经验能够判定真理”,“一切关于实在的知识,都从经验开始,又终结于经验”。
1938年1月爱因斯坦在给匈牙利物理学家C.兰佐斯(Lanczos,1893—1974)的信中说:“从有点像马赫的那种怀疑的经验论出发,经过引力问题,我转变成为一个信仰理性论的人,也就是说,成为一个到数学的简单性中去寻求真理的唯一可靠源泉的人。逻辑上简单的东西,当然不一定就是物理上真实的东西。但是,物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西,也就是说,它在基础上具有统一性。”这表明,爱因斯坦认为自己后期(1915年以后)的主导哲学思想是理性论。最早系统研究爱因斯坦思想的美国物理学史家G.霍耳顿(Holton,1922— )把这种哲学思想称为“理性论的实在论”(rationalistic realism)。不过,大量的历史事实告诉我们,即使在早期,爱因斯坦的主导哲学思想就已经是理性论思想,只是1915年广义相对论的建成,使这种思想表现得更加明显。
爱因斯坦的科学工作对20世纪哲学产生重大影响。20年代兴起的作为第三代实证论思潮的维也纳学派,他们声称,是爱因斯坦的广义相对论使他们注意到逻辑和经验这两个要素的同等重要性,从而提出逻辑实证论。逻辑实证论是20世纪中叶在物理学界最有影响的哲学,开始时爱因斯坦与他们比较接近,后来逐渐疏远。40年代以后曾多次公开批判实证论,认为实证论必然走向唯我论。逝世前半个月他对一位科学史家说,本世纪初只有少数几个科学家具有哲学头脑,而今天的物理学家几乎全是哲学家,不过“他们都倾向于坏的哲学”,逻辑实证论就是这样一种坏哲学。
1927年出现了一种在美国物理学家和心理学家中间流行一时的哲学“操作论”(operationalism),它的创立者是美国高压实验物理学家P.W.布里奇曼(Bridgman,1882—1961)。他说,他的操作论思想来源于爱因斯坦建立狭义相对论时对同时性概念所进行的分析。他把这种分析方法推到极端,认为凡是不能用实验操作来定义的概念都是没有意义的。可笑的是,以狭义相对论作为其哲学支柱的布里奇曼,却坚决反对广义相对论,理由是广义相对论的一些基本概念不能用操作来定义。对于这种浅薄的哲学,爱因斯坦从来没有好感。
20世纪后半叶在科学哲学界有相当大影响的奥裔英国哲学家K.波普尔(Popper,1902—1994),也认为他的“证伪”(falsification)理论(亦称批判理性论)是来源于爱因斯坦,因为爱因斯坦对自己的理论有高度的批判精神,只要理论预见被实验否证了,他就放弃这理论。波普尔于1967年在对英国广播公司(BBC)的访谈中说:“爱因斯坦对我思想的影响是不可估量的,我甚至可以说,我所做的主要是使某些隐含在爱因斯坦工作中的论点明显起来。”“没有他,我永远得不到”我自己的那些论点。
社会政治思想
爱因斯坦的理性论思想不仅强烈地反映在他一生的科学研究中,也明显地贯穿在他的人生观、社会观、道德观、教育观和宗教观中。这也正是爱因斯坦和斯宾诺莎的一个基本共同点。作为历史上最彻底的理性论思想家的斯宾诺莎,他把几何学中的公理学方法用于伦理学,爱因斯坦也曾对科学定律和伦理定律进行比较研究,认为“从逻辑看来,一切公理都是任意的,伦理公理也如此。但是从心理学和遗传学的观点看来,它们决不是任意的”。“伦理公理的建立和考验同科学的公理并无很大区别。真理是经得住经验的考验的”。
1932年在纪念斯宾诺莎诞生300周年时,爱因斯坦说:“斯宾诺莎第一个真正贯彻一致地把一切事件的发生都是必然的这种想法用于人类的思想、感情和行动上去。”由此,斯宾诺莎否认自由意志,认为自由是被认识了的必然,“只有完全听从理智指导的人才是自由的”。他从天赋权利观念出发,认为思想自由、信仰自由和言论自由是个人不可剥夺的权利,认为“自由比任何事物都为珍贵”。他强调“政治的真正目的是自由”,“民主政治是最自然、与个人自由最相合的政体”。这些成为17和18世纪欧洲思想启蒙运动精华的信念,也深深印在爱因斯坦的思想中。
爱因斯坦的社会政治思想集中反映在他1930年前后发表的《社会和个人》和《我的世界观》两文中。这两篇总共不到10页的文章,论证严谨,文字简洁,有不少极其精辟隽永的警句,例如:
“个人之所以成为个人,以及他的生存之所以有意义,与其说是靠着他个人的力量,不如说是由于他是伟大人类社会的一个成员,从生到死,社会都支配着他的物质生活和精神生活。”
“一个人对社会的价值首先取决于他的感情、思想和行动对增进人类利益有多大作用。”
“只有个人才能思考,从而能为社会创造新价值,不仅如此,甚至还能建立起那些为公共生活所遵守的新的道德标准。要是没有能独立思考和独立判断的有创造力的个人,社会向上发展就不可想像,正像要是没有供给养料的社会土壤,人的个性的发展也是不可想像的一样。”
“社会的健康状态取决于组成它的个人的独立性,也同样取决于个人之间的密切的社会结合。”
“我从来不把安逸和享乐看作是生活目的本身——这种伦理基础,我叫它猪栏的理想。照亮我的道路,并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想,是善、美和真。”
“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。”
“强迫的专制制度很快会腐化堕落。因为暴力所招引来的总是一些品德低劣的人,而且我相信,天才的暴君总是由无赖来继承,这是一条千古不易的规律。”
“在人生的丰富多彩的表演中,我觉得真正可贵的,不是政治上的国家,而是有创造性的、有感情的个人,是人格。”
“一个人能够洋洋得意地随着军乐队在四列纵队里行进,单凭这一点就足以使我对他轻视。他所以长了一个大脑,只是出于误会;单单一根脊髓就可满足他的全部需要了。”
这个时期,他还说过:“一个人的真正价值首先取决于他在什么程度上和在什么意义上从自我解放出来。”
“只有伟大而纯洁的人物的榜样,才能引导我们具有高尚的思想和行为。金钱只能唤起自私自利之心,并且不可抗拒地会招致种种弊端。”
爱因斯坦的理性论信念和对社会、人生的理想,使他成为一个为自由而奋斗、有强烈社会责任感和正义感的人,一个以人类苦乐为苦乐的世界公民。他的社会政治思想可归结为:民主主义,和平主义,世界主义和社会主义。
爱因斯坦所说的民主是指以自由、人权和法治为基础的民主政治制度。他认为,古代希腊文明和欧洲近代文明的“真正基础在于个人解放和个人的比较独立”;20世纪20—30年代独裁制度所以兴起,是“由于人们对个人尊严感和个人权利感已不再足够强烈”。第二次世界大战前,他为先后出现在俄国、意大利和德国的政治迫害事件公开谴责,50年代又与在美国泛滥一时的践踏人权的恶行进行坚决斗争。1953年他在获得一个律师组织的人权奖时说:“在长时期内,我对社会上那些我认为是非常恶劣的和不幸的情况公开发表了意见,对它们沉默就会使我觉得是在犯同谋罪。”一个在科学创造上有划时代贡献的科学家,在社会政治问题上又如此严肃、热情,如此严格要求自己,历史上没有先例。
爱因斯坦憎恶人类自相残杀的战争,反对军国主义,反对义务兵役制。他认为战争是人类本性中一种兽性的表现,战争是人类所面临的最大危险,因此,反对战争呼吁和平,长期来是他首要的社会活动。核武器的出现,更使他义不容辞地担当起领导反对核战争的和平运动的责任,他呼吁人们超越意识形态的分歧,以及国家、种族之间的争端,通过协议,销毁会使人类同归于尽的核武器。
为了确保人类和平,爱因斯坦主张限制国家主权,建立世界政府。他把整个人类设想为一个“人类公社”,认为建立“一个自由幸福的人类公社”,也是犹太先知和中国古代圣贤所向往的目标,这要求人们“把自己从反社会的和破坏性的本能的遗传中解放出来”。他认为,“在技术发展的现阶段,只有一个具有足够强大的执行权力的超国家组织才能保护我们”。“只有创立一个以法律为根据的超国家制度来消灭兽性的暴力手段,人类才能得救”。
爱因斯坦青年时代就接受了社会主义,对俄国十月革命表示支持,对马克思和列宁表示尊敬,但他不赞同阶级斗争和无产阶级专政,而主张在政治民主、自由基础上的社会主义。1950年3月他给美国一位哲学教授的信中说,一个关心人民幸福的俄国人,在当时(指1917年)存在的条件下,自然会同布尔什维克合作,并且顺从他们。“对于一个独立的人来说,这确实需要暂时地、痛苦地放弃他的个人自由”。“可是这不应当理解为我赞成苏联政府在知识问题和艺术问题上所采取的直接和间接的干预政策。我认为这种干预是应该反对的,是有害的,甚至是荒谬的”。他在1949年发表的《为什么要社会主义?》一文中指出,由于近几个世纪来技术和人口的发展,“人类甚至目前就已经组成了一个生产和消费的行星公社”。可是,由于经济的无政府状态,人们的唯我倾向却在加强,他为此感到忧虑,指出“人只有献身于社会,才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义”。他认为,要解决大量失业问题和抑制个人社会意识的消沉,只有实行社会主义计划经济。但他又强调:“计划经济还不就是社会主义。计划经济本身还可能伴随着对个人的完全奴役。”建成社会主义,必须限制行政人员的权力,保障公民个人的权利,并且“对行政权力能够确保有一种民主的平衡力量”。
人品
把理性论信念贯彻于自己的思想、言论和行动的斯宾诺莎,经历了将近一个世纪的湮没以后,被后世思想家公认为人格最高尚的哲学家。同样坚持理性论信念的爱因斯坦,也在他一生的言行中贯彻了这种信念。他认为,科学和宗教、艺术一样,目的都是为了“使人类生活趋向高尚,把它从单纯的生理上的生存的境界提高,并且使个人导向自由”。这种提高包括知识、智力水平的提高和精神境界的提高,而在爱因斯坦看来,后者比前者更为重要。他在悼念 M.S.居里(Curie,1867—1934)夫人时说:“第一流人物对于时代和历史进程的意义,在其道德品质方面,也许比单纯的才智成就方面还要大。”他赞美居里夫人人格的伟大:“她的坚强,她的意志的纯洁,她的律己之严,她的客观,她的公正不阿的判断——所有这一切都难得地集中在一个人的身上。她在任何时候都意识到自己是社会的公仆,她的极端的谦虚,永远不给自满留下任何余地。……一旦她认识到某一条道路是正确的,她就毫不妥协地并且极端顽强地坚持下去。”现在看来,这些话也正是爱因斯坦的自我写照。综观他的一生,他自己确实也具备了这样的品格。所不同的是,他的社会责任感比居里夫人更为强烈,并且有主动出击精神。他1937年10月曾庄严宣告:“为了保卫公理和人的尊严而不得不战斗的时候,我们决不逃避战斗。”同时,他也比居里夫人和一般科学家更自觉地意识到提高人们的精神境界和道德品质对人类历史的重要意义;并且认识到,这种提高,主要靠启发,靠有影响人物的榜样。他认为,古代希伯来人领袖摩西(Moses),一生坎坷的荷兰哲学家斯宾诺莎,以及倡导非暴力主义的印度人民领袖M.甘地(Gandhi,1869—1948)就是这样的榜样。显然,他自己也要努力做一个这样的榜样。
正是由于爱因斯坦具有为正义和公理而战斗的精神,难免处处树敌,招来无尽的攻讦和诽谤。对此,他是有思想准备的,他从人类历史得出结论:“君子总是要遭到小人的猛烈反对。”有人说,爱因斯坦一生中,忌恨他的人可能和爱护他的人一样多。这固然有点夸大,但足以说明问题的严重性。从1920年到1955年,他能够宁静生活的日子不是很长,不时有各种污泥浊水向他泼来,有时甚至遭到生命威胁。
在生前,爱因斯坦所受到的攻击主要是政治和种族方面的。攻击他的多半是军国主义者、沙文主义者、种族主义者、排犹主义者、法西斯主义者,以及各色各样的极权主义维护者。那时攻击他品德方面的,似乎只有指责他多变,言论自相矛盾,主要指的是他1933年改变绝对和平主义的态度。这个问题,前面已经论述过,这里需要指出多变与他的治学精神的关系。
爱因斯坦决不是一个看风使舵、左右逢源的多变人物,无论在治学和为人上,他都有崇高的目标,处处显示出高度的原则性。他尊重别人,也尊重自己,但更尊重真理。在真理面前,他虚怀若谷,小心翼翼,他只有服从,没有自尊。他从来不以真理占有者自居,相反,他嘲笑和鄙视那种以为有权就有真理并以真理和知识的裁判官自命的人。他为追求真理的探索精神,使他对一切传统和现成的知识采取独立的批判态度。他嘲笑那些盲目顺从的人,慨叹“对暗示的顺从,人比马还要驯服。每个时代都有它的时髦的东西,而大多数人却从来看不见统治他们的暴君”。他用锐利的批判眼光去分析一切,也用同样锐利的眼光来剖析自己。他知错必改,闻过则喜,而从不文过饰非。他早期发表许多科学论文,往往随后又发表“更正”。在柏林曾和他多年共事的奥地利女实验物理学家L.迈特纳(Meitner,1878—1968,铀核裂变的发现者之一),回忆她在一次宴会上听到普朗克和爱因斯坦的谈话。普朗克说,在他的工作中出现错误时,总觉得很难堪;爱因斯坦笑着说,如果逐渐增长着的(自己的或别人的)知识否定了他的科学论断,他一点不会感到难堪。普朗克的感觉,属于人之常情,凡是有声望的人更是如此;而爱因斯坦却没有这种包袱!他的这种知错必改的光明磊落态度,正显示着他的自尊、自信和人格的力量。
爱因斯坦谢世之后,总算宁静地过了一段时期,但到60年代后期,在亚洲和欧洲先后出现了诅咒爱因斯坦的活动。首先是1968年发难于北京,上海后来居上,历时8年的批判爱因斯坦和相对论的运动。这是一次官方领导的服务于“无产阶级文化大革命”政治需要的意识形态运动。在运动中,爱因斯坦被说成是一个“一生三易国籍,四换主子,有奶便是娘,见钱就下跪”的小人,是“美帝侵略野心的辩护士”,相对论是一面必须打倒的“黑旗”。这场喧嚣一时的闹剧,在1979年纪念爱因斯坦诞辰100周年活动之后,只是成为中国历史上一笔可耻的黑暗记录。
无独有偶,1969年在南斯拉夫出版了一本名为《在阿耳伯特·爱因斯坦的阴影下》的书,作者是塞尔维亚一位已退休的中学女数学教师,是用塞尔维亚–克罗地亚语写的,内容实际上是爱因斯坦第一任夫人玛丽琦的传记。书中说,是玛丽琦首先提出以太问题,爱因斯坦抓住了这个问题,两人一道寻找答案;她给爱因斯坦的狭义相对论以数学表述。此书于1983年(作者已去世)在瑞士出版德译本后才引起注意,但多数科学史家和几乎所有研究爱因斯坦的物理学史家都认为上述这些说法毫无事实根据。1987年《爱因斯坦全集》(The Collected Papers of Albert Einstein,计划出40卷)第1卷出版,首次披露了1897—1902年间爱因斯坦和玛丽琦来往的41封信。这些信件一直由玛丽琦保管,迟至1986年4月才为全集的编辑发现。由于爱因斯坦于1901年3月给玛丽琦的信中提到“我们关于相对运动的工作将胜利地得到结论”,美国某一癌症研究所的一个医生于1990年在一次全国科学家集会上指责爱因斯坦对玛丽琦的帮助不公开致谢,是一种知识欺骗行为。这一指责立即遭到《爱因斯坦全集》第1卷和第2卷编辑J.斯塔切耳(Stachel,1928— )的反驳。理由是,爱因斯坦给玛丽琦的信中往往长篇讨论物理问题,但玛丽琦的信中从来没谈论过物理问题。而且玛丽琦大学毕业考试两次都没有通过,对科学事业已经失去了信心,爱因斯坦所说的“我们的工作”,只是表达一对在热恋中的青年的爱情。
爱因斯坦和玛丽琦的热烈的情书,特别是以前无人知晓的他们结婚前曾有一个女儿,成了好事之徒和一些新闻记者的热门话题,一时沸沸扬扬,似乎爱因斯坦是个没有私德的伪君子。1993年英国两个新闻记者就出版了一本《阿耳伯特·爱因斯坦的私生活》。这里没有必要去评论这类以小人之心度君子之腹的流言蜚语,而只要引述1995年出版的霍耳顿的新著《爱因斯坦,历史和其他激情》中的一段话:在爱因斯坦处于失业和父母坚决反对他与玛丽琦结婚的双重压力下,他得知玛丽琦已有身孕,“这是对他的基本道德的一次考验。在这样一些条件下许多正常的青年人会是怎么做的?对爱因斯坦来说,答案是清楚的”。他在1901年7月 7日给玛丽琦的信中说:“现在要为我已经作出的不可改变的决定而感到高兴!关于我们的未来,我作出了如下决定:我要立即寻找一个职位,不管如何卑贱。我的科学目标和我个人的虚荣心都阻止不了我去接受最末流的角色。只要我得到了这样一个职位,我就和你结婚,把你接到我这里来,而在一切都安排停当之前,不给任何人写一个字。这样就没有人能向你可爱的脑袋扔石头,而让那些胆敢反对你的人去悲伤吧。”
文 献
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