爱因斯坦:宇宙工程师
爱因斯坦(1879~1955),犹太裔著名物理学家。生于德国。1900年毕业于苏黎世工业大学并入瑞士籍。1933年迁居美国,任普林斯顿高级研究所教授,从事理论物理研究。1940年入美国籍。在物理学多个领域均有重大贡献,其中最重要的是建立了狭义相对论(1905),并在这基础上推广为广义相对论(1916)。因发现光电效应定律,获1921年诺贝尔物理学奖。著有《论动体的电动力学》《关于辐射的量子理论》《广义相对论的基础》《空间、时间和引力》《物理科学的哲学》等。
爱因斯坦(1879~1955),美籍德国犹太裔,理论物理学家,相对论的创立者,现代物理学奠基人。爱因斯坦发表了《狭义相对论》,革命性地改变了物理学的面貌。1921年他获得诺贝尔物理学奖,1999年被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。爱因斯坦同时也是一位著名的思想家和哲学家。在20世纪许多思想家的眼中,爱因斯坦就是公正、善良、真理和品格的化身。
爱因斯坦1900年毕业于苏黎世工业大学,入瑞士国籍。1905年获苏黎世大学哲学博士学位。曾在伯尔尼专利局任职,在苏黎世工业大学、布拉格德意志大学担任大学教授。1913年返回德国,任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。1933年因受纳粹政权迫害,迁居美国,任普林斯顿高级研究所教授,从事理论物理研究。
爱因斯坦不仅是推动物理学革命的一面光辉旗帜,也是一位杰出的社会活动家,他的科学无国界的主张和以人为本的人道主义思想,同样对人类的发展起了巨大的推动作用。
中学时爱因斯坦放弃了德国国籍,他在意大利生活,可他并没有申请加入意大利国籍,他要做一个不要任何依附的世界公民。第二次世界大战过后,爱因斯坦试图在现实的基础上建立他的世界和平的梦想,并且在“敌国”里做了一连串“和平”演说。他的思想和行动,使他险遭杀身之祸:一个抱有帝国主义野心的俄国贵族女刺客把枪口偷偷对准了他;德国右翼刺客的黑名单上也出现了阿尔伯特·爱因斯坦的名字;希特勒悬赏两万马克要他的人头。为了使自己与这个世界保持“和谐”,爱因斯坦不得不从意大利迁到荷兰,又从荷兰迁居美国,在1940年爱因斯坦加入了美国国籍。
为纪念爱因斯坦的贡献,于他去世后第四个月将第99号元素命名为Einsteinium(阿尔伯特·爱因斯坦的名字是Albert Einstein),其最初符号为“E”,后改为“Es”,汉字的写法是“锿”,读作āi。
人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星
1932年,美国两个富豪捐赠了500万美元,要在著名的普林斯顿大学的所在地办一所高等研究院,他们委托弗莱克斯纳办理这件事。弗莱克斯纳想要聘请世界上最伟大的学者到这个新创办的高等研究院来。他只考虑学术成就,不管种族、宗教和政治信仰。
他问语言学家:“世界上最伟大的语言学家是谁?”
答案各不相同。
他问历史学家:“世界上最伟大的历史学家是谁?”
没有得到统一的意见。
他问数学家和物理学家:“世界上最伟大的理论物理学家是谁?”
答案是一致的——爱因斯坦。
于是他决定聘请爱因斯坦,历尽波折,最终如愿。
就在前一年,即1931年,法国物理学家郎之万曾这样评价爱因斯坦:
在我们这一时代的物理学史中爱因斯坦将位于最前列。他现在是,将来也仍然是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说他究竟是同牛顿一样伟大,还是比牛顿更伟大。不过,可以肯定地说,他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构中。
使爱因斯坦闻名于世的最重要成果是相对论,相对论是那样深奥,以至于有人说:“全世界只有12个人懂相对论。”
还有人说:“不对,全世界只有两个半人懂相对论。”
爱因斯坦则说:“不是,每个学物理的人都能学懂相对论。”
即便如此,在人们看来相对论仍是神秘莫测、高不可攀的。爱因斯坦就常常遇到这样的问题:“能不能请您用几句话解释一下相对论?”
有时候,他说几句笑话,把话题岔开。有时候他一本正经地说:“不能用几句话解释一门科学。”
爱因斯坦还曾经这样回答过,那是在《泰晤士报》上,他写道:“亲爱的读者朋友们,如果你们还不明白相对论的话,我本人就是一个很好的例子。比方说,今天我在德国受欢迎,被大家认为是德国的科学家,而在英国却被称为是瑞士籍的犹太人。如果到了哪一天,你们不喜欢我了,那么我在德国会被认为是瑞士籍的犹太人,而在英国,就会被叫作那个德国佬了。”
还有一个故事,更显示了爱因斯坦的幽默和机智。一群大学生说说笑笑,跑来问爱因斯坦,什么叫相对论。爱因斯坦回答说:“你坐在一个漂亮姑娘旁边,坐了2小时,觉得只过了1分钟;如果你挨着1个火炉,只坐了1分钟,却觉得过了2小时。这就是相对论。”
事实上,相对论是高深的学问,专业人士读起来都要费力,我们只能在有限的篇幅中略略涉及,有兴趣的人只能寻求其严肃的著作认真研读了。
贫困不改凌云志
爱因斯坦一生最重要的贡献是相对论,相对论的诞生,彻底改变了人类对自然的认识。1905年后来也被称作“爱因斯坦奇迹年”,他连续发表了四篇划时代的科学论文,其中包括相对论论文《论动体的电动力学》。这一年爱因斯坦年仅26岁,他已经达到了自己科学生涯的顶峰。
爱因斯坦对天文学的发展也做出了很大的贡献。他创立了相对宇宙学,建立了静态有限无边的动力学宇宙模型,并引进了宇宙学原理、弯曲空间等概念,大大推动了现代天文学的发展。
爱因斯坦可称是智慧超群的人,但他四五岁时,还不大会说话,父母很为他着急,带他去看医生,医生确定爱因斯坦没有病。说他只不过是不善于说话,不喜欢说话,那不是病。
上了中学的爱因斯坦,因为不喜欢死记硬背,除了数学之外,其他科目的成绩都不好,老师嫌他“生性孤僻、智力迟钝”,责备他不守纪律、心不在焉、想入非非。有一次,爱因斯坦的父亲问学校的训导主任,自己的儿子将来应该从事什么职业。这位主任直截了当地回答:“做什么都没有关系。你的儿子将是一事无成的。”这是令人伤心的一个断语,类似于中国的“朽木之材,不可雕”,听到这话的爱因斯坦的父亲该是怎样沮丧的心情啊!不久,这位断定爱因斯坦终身一事无成的训导主任,勒令爱因斯坦退了学。
不过事实证明,这位训导主任在看人问题上走眼不轻。
退学的爱因斯坦,没有过多地忧伤,继续着他的思考,没学上似乎不是那么可怕,没有思想才是要不得的。萦绕爱因斯坦脑海的不是到哪里接续学业,而是早已超出一个中学生思考范围的光和“以太”问题。
“以太”是一个古老的概念,笛卡儿最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。在笛卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。
爱因斯坦对于这个无所不在,却又无影无踪的、光在其中传播的东西,追问究竟。16岁那年,他写了一篇《关于磁场中的以太的研究状况》的论文,寄给住在比利时的舅父。这是爱因斯坦写下的第一篇科学论文,题目惊人,但内容还很幼稚。这是相对论创立者迈出的第一个探索的步子,所以应该写下一笔,记录一个少年的成长,一个大师的起步。
爱因斯坦想要探索世界,但他必须解决面临的问题。爱因斯坦本来有着小康的生活,他父亲海尔曼·爱因斯坦与叔叔雅各布·爱因斯坦在慕尼黑经营新兴的工业,合开了一家电气工厂,生意兴旺。由于普鲁士的军国主义像洪水一样在德国泛滥,爱因斯坦父亲的工厂开不下去了,海尔曼·爱因斯坦带着妻子儿女远走他乡,到意大利的米兰,因为这里还有几个娘家的阔亲戚,他们的想法是或许这些亲戚会在危难之中伸出援手,帮助他们重振家业,不过残酷的现实很快就使他们明白“这世界从来就没有救世主”。爱因斯坦留在慕尼黑,找了一个地方借住,父亲的本意是要他读完高中,取得毕业文凭,然后进入大学,取得电机工程师的资格。这是父亲为爱因斯坦谋划的人生道路,现在此路不通,爱因斯坦退学了。
搬迁到意大利的父亲告诉爱因斯坦,意大利的经济也不景气,家里没钱供养他。没有高中毕业文凭,不能进德国的大学。不过,还有一个办法,那就是越过阿尔卑斯山,在瑞士的苏黎世有一所联邦工业大学。这所大学在中欧享有很高的声誉,18岁以上的同等学力的学生也能报考。
在父亲的支持下,1895年16岁的爱因斯坦登上开往苏黎世的列车。通过关系,爱因斯坦获准参加联邦工业大学的入学考试,可是由于他没有好好复习,结果没考上。
即便是爱因斯坦这样人类中少有的大智者,也有落榜的经历,也有因被认为“朽木不可雕”而被学校开除的经历,所以那些暂时的失败者,完全没有必要灰心丧气、一蹶不振,而应该咬定青山,勇往直前,不负大好青春。
没有考上大学,不是大不了的事情。不过还好,爱因斯坦的数学和物理成绩非常好,赢得了教授的称赞。韦伯教授派人通知他,如果留在苏黎世,可以破例特许他来旁听自己的物理课。校长也鼓励他,一年以后再考。
爱因斯坦只好先进入一所中学。这时候光和以太的问题并未走远,而且一个奇怪的问题又产生了:如果一个人以光的速度跟着一道光线跑,他将看到什么呢?
当时世界上没有一个物理学家能回答这个问题,爱因斯坦当然也不能回答,其实这种问题就是大胆的,一般人谁会和光赛跑?不过,这是同相对论有关的一个假想的实验,爱因斯坦已经在朝着相对论的路上走。他依旧是走自己的路,做自己的梦。这是他的个性,他始终未曾改变。
1896年夏,爱因斯坦如愿考入联邦工业大学,主修数学和物理。五年后,爱因斯坦以优良的成绩通过了联邦工业大学的毕业考试,他已经打下了从事理论物理学研究的基础。他决心终身从事理论物理学的研究,可是爱因斯坦没有立即投身到物理学的研究中去,他要吃饭,所以必须为生活奔波。
毕业即失业,这是爱因斯坦都没有逃过的问题。他想以教书为业,做一个普通的教师,在执教之余进行科学研究,可惜没有人给他这个机会。
爱因斯坦没有大富大贵的亲戚,不曾结识有权有势的朋友,他只能用秀丽的小字写下一封封求职信,寄到各地的中学。渐渐地,希望都变成了失望。
1901年2月,爱因斯坦终于取得了瑞士国籍。他希望这是个好的开始,但失望还没有离开他,“瑞士国籍”这张名片无助于他找到一份糊口的工作。
他在一个学校做了代课老师,却不如人意,待遇不好。看到报纸上登出招聘家庭教师的消息,他赶忙找过去。
生活虽然窘迫,爱因斯坦在科学道路上却没有停滞不前。1901年年初,爱因斯坦在《物理学杂志》上发表了第一篇科学论文——《由毛细血管现象所得到的推论》。尽管后来爱因斯坦对这篇论文的评价是“毫无价值”,但在当时,“阿尔伯特·爱因斯坦”这几个字第一次端端正正地印在这家权威的物理学杂志上,毕竟给了爱因斯坦许多温暖与希望。
他把这篇论文看作渡船,希望能载他渡过难关。他鼓足勇气,给著名的物理化学家奥斯特瓦尔德写信,说自己的研究工作是在这位教授的启发下完成的,并附上自己的论文,他谦恭地询问教授,是不是需要一位物理学家做助手。
没有回信。
爱因斯坦又写了一张明信片寄去,假装说第一次信封上忘了写明自己的地址,这次特意再告诉教授,顺便也介绍了自己生活的窘迫。
爱因斯坦还是失望了,即便这样还是没有回信。
爱因斯坦又转向荷兰的莱顿大学,把论文单行本寄给了卡墨林·昂内斯教授。这次他考虑得更加周到,把随论文寄去的信写在往返明信片上。正面是他写给教授的信,反面将是教授写给他的复信。
可怜的年轻人,在反面贴上邮票,还工工整整地在自己的地址下面写上“阿尔伯特·爱因斯坦收”。
但是,这张往返明信片也一去不回。
这样的窘境,岂止是欲哭无泪?这时候的爱因斯坦多么希望有人来扶持一把啊!爱因斯坦没有遇到能“扶持”他的人。贫病交加的父亲,看到这样的情况,心中悲伤,他瞒着儿子给一位教授写信求情:
亲爱的教授:
请原谅一个父亲为了他的儿子的事情来打搅您。
——我的儿子目前失业,这使他深感难过。他越来越觉得,他的事业已经失败,可也无可挽回。而最使他沮丧的是,他感到自己是我们的负担,因为我们的境况不好……
屡遭破产的老商人已经失去了脸上的笑容,他这封凄楚动人的信,有没有打动教授老爷的心,已经无从查考。但有一点是肯定的,爱因斯坦并没有因为父亲求情而当上助教。
贫困和屈辱,不能使爱因斯坦降低人格。他不自怨自艾,也不乞求怜悯。他用幽默来排遣愁闷,在给一位同学的信中这样写道:“上帝创造了驴子,给了它一张厚皮,这使驴子的处境比我有利……”
但爱因斯坦并没消沉,他把痛苦咽到肚里,化作微笑和玩笑,去安慰亲朋好友,他说:“我还有最后一条出路呢,我可以拿起小提琴挨家挨户去演奏,这总能挣几个钱吧!”
贫困、屈辱,并未使爱因斯坦放弃对物理学的热爱。他一次又一次地向迷人的科学殿堂发起冲击。
爱因斯坦做了代课老师,在温特图尔代课时,他写信给朋友说:“上午教完5~6小时的课之后,我依然神清气爽,下午或是去图书馆更进一步自修,或是在家研究些有趣的问题……我已经放弃去大学工作的野心,因为我认识到,在目前这种环境中,我还可以保存将来在科学上下功夫的精力和意愿。”
爱因斯坦所说的在科学上下功夫,正是他在致力于气体动力学理论,思考着物质相对于以太的运动。
伯尔尼的快乐时光
爱因斯坦没有走投无路,尽管一时窘迫,他的研究还在继续,他对生活充满信心,很快看到了希望之光,他的朋友——当上助教的格罗斯曼尽管没有能力为爱因斯坦在学校谋得助教的位置,但他没有忘记爱因斯坦这位闪着光芒的年轻人,他把爱因斯坦的情况告诉了父亲,老格罗斯曼伸出了“扶持”之手。
马耳塞罗·格罗斯曼作为我的朋友给我最大的帮助是这样一件事:在我毕业后大约一年,他通过他的父亲把我介绍给瑞士专利局(当时还叫作“精神财产局”)局长弗里德里希·哈勒。经过一次详尽的口试之后,哈勒先生把我安置在那儿了。这样,在我的最富于创造性的活动的1902~1909这几年中,我就不用为生活而操心了。即使完全不提这一点,明确规定技术专利权的工作,对我来说也是一种真正的幸福。它迫使你从事多方面的思考,它对物理的思索也有重大的激励作用。总之,对于我这样的人,一种实际工作的职业就是一种绝大的幸福。因为学院生活会把一个年轻人置于这样一种被动的地位:不得不去写大量科学论文——结果是趋于浅薄,这只有那些具有坚强意志的人才能顶得住。然而大多数实际工作却完全不是这样,一个具有普通才能的人就能够完成人们所期待于他的工作。作为一个平民,他的日常的生活并不靠特殊的智慧。如果他对科学深感兴趣,他就可以在他的本职工作之外埋头研究他所爱好的问题。他不必担心他的努力会毫无成果。我感谢马耳塞罗·格罗斯曼给我找到这么幸运的职位。
这是若干年后,爱因斯坦在《自述片断》中的记录,经历了种种求职的遭拒,他知道这份工作的重要意义,感谢朋友的出手相帮。他热爱这份工作,不仅因为能给他提供还算不错的报酬,还可以了解多方面的知识,这对于开阔思路,深入思考所研究的问题,都有积极作用。
工作稳定的爱因斯坦搬到了伯尔尼,未来物理学大师终于走到了辉煌的起点。在一幢破旧的小房子里,爱因斯坦住了下来。哈勒先生已经通知他,专利局一有空缺,他就可以正式上班,在待职期间,他可以当家庭教师,以此糊口。
首都有的是学生,爱因斯坦有的是丰富的物理学知识。于是,伯尔尼的报上出现了一则小小的广告:
“阿尔伯特·爱因斯坦,联邦工业大学毕业。讲授物理课,每小时3法郎,愿者请洽。”
广告吸引的学生寥寥无几,但此时的爱因斯坦已是一副坦然成熟的心态。
身高约5英尺10英寸,肩膀宽阔,腰稍微有点前曲,棕色的皮肤显得苍白,长着一张引起美感的嘴,上唇留着黑胡,鼻子稍带鹰钩,棕色的眼睛十分明亮,语音欢快、法语发音准确、但略带德语口音。
这是一个曾受业于他的学生笔下的爱因斯坦。
1902年3月底,一个应广告而来的学生结识了爱因斯坦,他是罗马尼亚人,到苏黎世上大学,同时希望加深自己的物理学知识。初次谈话导致后来不断见面以及随之而来的终身友谊,他就是莫里斯·索洛文。
索洛文在大学学习哲学、文学、希腊文、数学、物理学、地质学,还在医学系听课。作为阐明自然界一般观点手段的理论物理学引起了他的兴趣。当索洛文按广告找来时,虽然爱因斯坦是在半明半暗的楼道里迎接他,可爱因斯坦那双大眼睛射出的不寻常光辉使他感到惊讶。第一次谈话就确立了他们观点和兴趣的一致,此后会晤接连不断,他们以长时间的讨论代替了上课。
这样,私人授课变成了聚会、读书、讨论、探索和研究。几个星期后,另一个志趣相投的人——哈比希特也来参加他们的讨论,他到伯尔尼是为了完成大学学业。通常他们都在工余和课后见面,在一起散步或在某个人的寓所聚会、座谈和一起大量阅读。
授课收入差,课又少,爱因斯坦常开玩笑说,也许走街串巷演奏小提琴更好些。但他们感觉自己是幸福的,在谈及这几年的时候,索洛文曾引用伊壁鸠鲁的名言:“欢乐的贫困是最美好的事。”
精神的欢悦与物质贫困间的反比越大,人的身上就会产生奇迹。团结、友爱、共同的兴趣、思想,使三人间心心相印,他们干脆为三人世界起了个名字:奥林比亚科学院。
这是他们生命中一抹亮丽的颜色,是一段愉快的生活。
1953年,在给哈比希特和索洛文的信中,爱因斯坦说:
敬致不朽的奥林比亚科学院:
在你的生气勃勃的短暂生涯中,你曾以孩子般的喜悦,在一切明朗而有理性的东西中寻找乐趣。你的成员把你创立起来,目的是要同你的那些傲慢的老大姐开玩笑。他们这么做是多么正确,我通过多年的细心观察,懂得了对此做出充分的评价。我们三个成员至少都表现的是坚韧不拔的。虽然他们都已经有点老态龙钟,可是你所闪耀的明亮耀眼的光辉依然照耀着我们孤寂的人生道路;因为你并没有同他们一起衰老,而却像蓬勃生长的莴苣那样盛发繁茂。
我永远忠诚于你,热爱你,直到学术生命的最后一刻!
完全可以这样说:“奥林比亚科学院”是相对论的摇篮。
三人世界形成后不久,奥林比亚科学院又增加了新的成员,一个是爱因斯坦的同事,意大利人、工程师米开朗琪罗·温德勒的丈夫,还有一个是爱因斯坦的妹夫泡利·温德勒,他曾是爱因斯坦以前读书时的朋友。
1904年爱因斯坦向伯尔尼专利局推荐了他的意大利同学贝索,他们一起工作,一起下班。贝索在哲学、社会学、医学、技术、数学和物理学方面有渊博的知识,爱因斯坦与之共同探讨各种新思想。爱因斯坦说,贝索是他在全欧洲都找不到的“新思想更好的共振器了”。看来,贝索具有接受新思想和给它增加某些非常重要的欠缺的线条的惊人能力。
贝索本人说起过关于他同爱因斯坦的谈话:“这只鹰用自己的双翼把我——麻雀——夹带到辽阔的高空。而在那里,小麻雀又向上飞了一些。”
这是针对第一次口头解释相对论思想而说的,听完爱因斯坦的解释之后,贝索强烈地感觉到,科学史上一个新的时代开始了。贝索与爱因斯坦围绕这个新思想展开了持续的讨论,所以爱因斯坦在《论动体的电动力学》这篇著名论文中以这样一句话结尾:
最后,我要声明,在研究这里所讨论的问题时,我曾得到我的朋友和同事贝索的热诚帮助,感谢他一些有价值的建议。
伯尔尼时期的生活紧张而有趣。朋友们在谈论之余,开始恭听爱因斯坦演奏小提琴。有时他们一起到郊外散步,一路上会继续讨论话题。他们还在午夜后攀登过位于伯尔尼南面的古尔腾山,夜空的星辰把他们的思想吸引到天文学问题上,于是谈话又以新的活力重新开始了,他们在山上休息、讨论,一直到黎明到来。他们看见太阳如何从地平面冉冉升起,黑压压的隐约可见的阿尔卑斯山的轮廓染上一层迷人的绯红色彩,巨大的山国以深沉的宁静感召着一群新时代精英的灵魂。
他们以这样的方式迎接清晨的来临。
此时的爱因斯坦,说话缓慢、单调,时而缄默沉思,他常常会沉浸在思维过程中,对周围的一切变化都视而不见。
他们的生活充满知识和科学的名词,既有对各门类知识的回顾和讨论,也有对未来设想的探索与辩论,但他们的生活还有另一面,那就是多姿多彩,充满欢乐。
爱因斯坦生日那天,索洛文和哈比希特一起到他家吃晚饭,他们带去了爱因斯坦从未品尝过的鱼子酱,这是爱因斯坦早就想品尝的东西。吃饭前,大家一直谈着惯性原理的话题。朋友们入席后,爱因斯坦仍滔滔不绝地讲着惯性问题。他把鱼子酱送到口中,仍在继续评论:“牛顿说,物体的惯性是对绝对空间讲的。马赫说,物体的惯性是对遥远的星系讲的。到底谁对呢?”
鱼子酱吃完了,演讲的人停下来,用手在桌上画了一个大问号。朋友们问他:“请问爱因斯坦先生,你知道你刚才吃的是什么吗?”
“不知道,是什么东西?”爱因斯坦反问。
“是鱼—子—酱。”朋友们齐声告诉爱因斯坦。
“怎么?哎哟,是鱼子酱呀!”爱因斯坦惋惜地叫了起来。
沉默片刻后,他又说:“不必请我这样的家伙尝什么山珍海味,他反正也不知道它的价值。”
朋友们大笑起来。
在伯尔尼,常有一些大音乐家来巡回演出,朋友们常出席他们的音乐会。有一次,捷克交响乐队要来伯尔尼举行音乐会。音乐会前夕,索洛文提议大家去听音乐会,但恰好这些天他们正在津津有味地阅读休谟的书。遵照爱因斯坦的建议,他们决定放弃音乐会,代之以到索洛文那儿继续读书。可是第二天,索洛文弄到一张票,他预备好伙伴们爱吃的煮鸡蛋做晚饭,并留下一张便条:“亲爱的朋友们——请吃鸡蛋,并致敬意与歉意!”
按时来到索洛文家的爱因斯坦和哈比希特读了便条,用完晚饭后,在房间里抽够烟才走,走时也留下一张便条:“亲爱的朋友——请尝浓烟,并致敬意与歉意!”
第二天见面时,爱因斯坦紧皱双眉,气愤地责骂:“坏蛋!你竟敢为了什么音乐会就忽视了科学院会议!外国佬,蠢货!再有这种狂妄行为,你就要被开除了!”发泄之后,他们又一起坐下来研读休谟,直到午夜才分手。
爱因斯坦这一段的生活是舒服和安逸的,正是在这段时间他成了家,有了第一个孩子。
爱因斯坦在积蓄力量,很快人们就看到他们这段时间勤奋研读的结果,爱因斯坦完成了《论动体的电动力学》。以前他还写了三篇论文,连同刚写成的这一篇,一共有四篇了。在这四篇论文中,他挑了分量最轻的那篇寄到苏黎世的联邦工业大学。这次,大学的大门向他敞开了,他成了爱因斯坦博士。当不当博士,对此时的爱因斯坦来说无关紧要,他在最困难的时候、最需要帮助的时候,没有人伸出援手,现在他工作稳定、事业有成,这个博士不过是一盘红烧鱼中的几根香菜,有它不多,没它不少,还有在伯尔尼的专利局、邮政局里,博士多得是。对于爱因斯坦来说,重要的是另外三篇论文,他把它们寄到莱比锡去了。
这一切,都发生在1905年。就在这年,哈比希特和索洛文先后离开伯尔尼,富于创造性的奥林比亚科学院结束了辉煌的日子。
“相对论”横空出世
在伯尔尼的岁月里,爱因斯坦在科学上取得丰硕的成果,第一批研究结果的问世,就像闪电划破了时代的夜空一般。1905年,对于26岁的爱因斯坦来说,是硕果累累的一年,对物理学史来说,则是革命的一年:相对论诞生了!
在这一年,莱比锡出版的《物理学年鉴》杂志上发表了三篇论文,作者是同一个人——阿尔伯特·爱因斯坦。一篇是讨论布朗运动的,用最有力的证据证明了分子的存在,它的作者在物理学史上占有光荣的一页。一篇是发展普朗克的量子论,提出了光量子假设,它的作者将因此获得科学界的最高奖赏——诺贝尔奖奖金。第三篇就是《论动体的电动力学》,这是相对论的第一篇论文,它开创了物理学的新纪元,它的作者名字是和牛顿并列的。
一个26岁的青年,伯尔尼专利局里默默无闻的小职员,利用业余时间进行科学研究,在物理学三个未知领域里,齐头并进,同时取得巨大成果,这在科学史上,不能不说是一个奇迹。
天才,一个真正的天才!人们也只好这样解释。
爱因斯坦当然不这么看,他对为他写传记的作家塞利希说:“我没有什么特别的才能,不过喜欢寻根刨底地追究问题罢了。”
他对一位物理学界的同行幽默地说:“空间时间是什么,别人在很小的时候就已经搞清楚了;我智力发育迟,长大了还没有搞清楚,于是一直在揣摩这个问题,结果也就比别人钻研得深一些。”
爱因斯坦是物理学史上当之无愧的革命者。牛顿继承哥白尼、伽利略和开普勒,完成了物理学的第一次革命,创立了牛顿力学。法拉第、麦克斯韦完成了物理学的第二次革命,创立了电磁场理论。以爱因斯坦为代表的新一代物理学家,则进行了物理学的第三次革命,创立了相对论和量子力学。
从时间顺序看,爱因斯坦在1905年的创造性研究中,最早的研究工作是分子物理学。爱因斯坦关于热运动的主要研究内容,是用统计方法分析原子、分子运动问题以及研究运动和热之间的关系问题。在这方面,爱因斯坦的工作超过了奥地利天才的物理学家玻尔兹曼和美国科学家吉布斯的研究成果,他在物理学方面的探索深度胜过数学的论证。同时,在玻尔兹曼的思想引导下,他把概率作为热学的数学演算基础。
所有这些问题,都是爱因斯坦单独研究出来的,以致有人曾对玻恩说过,“统计力学的所有具有重要特点的新发现”全是爱因斯坦搞出来的。这位年轻的研究家研究分子物理学的明确意图是想借助于可靠的结果,为他笃信的原子论的正确性提供论据,因为当时原子论还处在争论之中。
许多人否定分子和原子的存在。他们说:“存在原子吗?存在分子吗?多大?什么样子的?”
爱因斯坦相信世界是物质的,他相信原子和由原子组成的分子是存在的。但是,怎样才能用最有力的证据证明原子和分子存在呢?他开始研究分子运动论。在那些失业的日子里,他已经开始研究分子运动论。现在,坐在专利局的办公室里,他要来研究布朗运动了。
1827年,英国植物学家布朗在显微镜下观察,发现在液滴中浸泡的花粉粒子不停地在做不规则运动。后来,以发现者的名字把这种粒子的乱动称之为布朗运动。粒子越小,液体温度越高,运动就越激烈。
几十年来,无数学者为解释这种现象,做了种种徒劳的努力。早在爱因斯坦前20年,法国物理学家曾经猜测,布朗运动是由于悬浮粒子受到显微镜下观察不到的液体分子的不规则碰撞所造成。这种富于想象的解释,在当时不仅缺少数学基础,而且没有任何的实验证明。
在《分子热运动论所要求的平静液体中悬浮粒子的运动》一文中,爱因斯坦以统计方法论证了悬浮粒子的运动速度及其颗粒大小与液体的黏滞系数之间存在着可用实验检验的数量关系。
爱因斯坦对于以前布朗运动方面的工作并不了解,他把显微镜下可见粒子的运动看作是显微镜下看不到的液体分子运动的表征。他用统计方法,解释了在他之前波兰物理学家斯莫鲁科夫斯基论证过的这种现象,并且做出数学表述。1908年,法国物理学家佩兰通过实验完全证实了“布朗运动的爱因斯坦定律”。由于这项工作,佩兰荣获1926年诺贝尔奖奖金。
爱因斯坦关于分子物理学的研究证明了下述观点是正确的,即热是能量的一种形式,它是由不规则的分子运动所引起。同时,还使原子论得到了充实,即从物理意义上说来,“物质”是由分子和原子构成。
根据爱因斯坦提出的测定分子体积方法,加上关于布朗运动的公式,能够数出分子的数目。过去,物理学一直依赖奥地利物理学家格施米德发明的近似方法,而现在可以根据爱因斯坦的理论,用精确的数学方法进行计算了。
爱因斯坦对热运动的研究,除了对专业学科十分重要,还在认识论上具有重大意义。它说明,某些自然科学家否定和怀疑原子论是没有道理的,爱因斯坦对分子观念的证明是令人信服的,以至连马赫和另一位原子论的坚决反对者奥斯瓦尔德也声称“改信原子学说”了。
爱因斯坦对布朗运动的理论研究,成功地继承了过去分子物理学的工作,并使它获得完满结果。他在光学理论方面的研究工作是同已经取得的发现分不开的。不过,这一研究工作,一开始就具有革命性:它意味着科学发展史上的一次“飞跃”。
后来,爱因斯坦也时常感到遗憾,因为人们都认为他是“相对论之父”。他在“相对论争论”中曾经对荷兰朋友说过:“为什么总是在我的相对论上饶费口舌?我还干了其他有用的、或许是更好的事情吗!”
确实,爱因斯坦如果不是相对论的创始人,他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他的有关热运动、光量子理论和固体比热等问题的研究,对于自然科学的进一步发展有着极其重要意义。然而,相对论无疑是他最重要的成就。与他其他的研究工作相比,相对论对自然科学思想体系产生了更深远的影响,它的作用远远超出哲学思想的范畴,它引起了一场最激烈的争论,也正是它点燃了爱因斯坦誉满天下的火炬。
1905年,爱因斯坦在《物理学年鉴》上发表了长达30页的论文《论动体的电动力学》。这篇文章宣告了相对论的诞生。这年,也还在这一杂志上,他以题为《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》一文又做了重要补充。
对于爱因斯坦在相对论中研究的问题,当时物理界的看法如何呢?19世纪,先是光学的机械理论居于统治地位。这种理论认为,光是一种称之为“光以太”或简称“以太”的弹性介质的波动。以太能穿透一切物体,而又不影响物体的运动。但是,事实上,光学研究的新成果愈来愈难以符合机械以太假说。于是,物理学家断言,可以把光看作是以太的一种特殊“状态”。这种状态被看成是电磁力场,法拉第把它抽象地引进自然科学领域,而后又被麦克斯韦用抽象得出奇的数学公式进行概括。
光以太学说与牛顿力学所引出的“绝对空间”理论紧密相连。牛顿认为:“绝对空间由于它的本性以及它同外界事物无关,它永远是同一的和不动的。”于是,牛顿认为可以把以太看作是绝对参考体系,它决定了世界上一切运动的永恒的绝对状态。
牛顿进而认为,也存在着“绝对时间”。他说:“绝对的、真正的数学时间自身在流逝着,它的本性是均匀的。它的流逝同任何外界事物无关。”
这种观点认为,时间在均匀地流逝,并且想象在宇宙中有一种“标准钟”,人们可以从放在任意地方的这种时钟上读出“绝对时间”。后来,牛顿又谈到了“绝对运动”,这是由“绝对空间”和“绝对时间”联想到的。他给“绝对运动”下的定义,亦即“物体从一绝对地点转移到另一绝对地点”。
绝对时间和绝对空间是牛顿力学的根基。然而,牛顿的绝对时间和绝对空间有明显的毛病:既然绝对时间和绝对空间同任何外界事物没有关系,那么怎样才能知道它们存在呢?这个问题,牛顿没有办法回答。他只能说,绝对时间和绝对空间是上帝的创造。后来,康德又把绝对时间和绝对空间说成是先验的。先验的意思就是先于经验,人一生下来就有的。这样,牛顿和康德把绝对时间和绝对空间捧上了先验的王国,不许人对它们有所怀疑。
不过,怀疑绝对时间和绝对空间的人还是有的。莱布尼兹就批判过绝对时间和绝对空间,但是没有把它们批倒。到19世纪,马赫又对牛顿的时空概念做了有力的批判,但还是没有批倒。这是因为要改变时间和空间的概念,客观条件还没有成熟。建立在绝对时间和绝对空间基础上的牛顿力学,两百多年中在解决宏观低速现象的问题中,取得了无比辉煌的成功。直到20世纪初,在物理学中,牛顿巨大的身影仍然君临一切,绝对时间和绝对空间的概念,在物理学家的心里依旧是神圣不可侵犯的。要等到物理学的研究对象,从宏观领域进入原子和电子的微观领域,从低速领域进入光速和近光速的高速领域,以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为基础的经典物理学,才暴露出严重问题。
此外,实验物理学也使人们对牛顿关于时空和运动的教条产生极大的怀疑。地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳转动。我们的太阳系以每秒20公里的速度在宇宙中飞驰。最后是我们的银河系,它与其他遥远的银河系相比,以相当高的速度不停地在运动。那么,要是光以太是静止存在于“绝对空间”之中,并且天体穿过它运行,这种运动的结果对于光以太来说必然是显著的,而且使用精密的光学仪器也一定能够验证“以太风”。
美国物理学家迈克尔逊做了第一个实验。但这次实验以及以后的多次反复实验,都没有看到那种现象。证明光速完全是恒定的、与光源和观察者的运动无关。“迈克尔逊实验”是物理学史上最著名的实验之一,也是相对论的基本实验。爱因斯坦十分钦佩迈克尔逊的实验技巧。
迈克尔逊的实验得到的结果,是彻底否定了光以太的存在。一开始,人们还想使虚构的以太假说与光速恒定的事实一致起来,从而来“拯救”以太。
迈克尔逊的实验结果使理论物理学家陷入难以自拔的思维困境,又像是一个无法解开的死结,但它被年轻的爱因斯坦,以无畏之剑一下砍断了。
爱因斯坦在学生时代就已经从《自然科学通俗读本》深知光速的意义,他一直在反复琢磨:倘若一个人以光速跟着光波跑,那将会看到什么结果呢?联想到麦克斯韦的电动力学和迈克尔逊实验的否定结果以及马赫对牛顿力学基础的批判,正是在这个早先的理想实验中,相对论应运而生。在自传中,爱因斯坦这样记述着他的相对论的出发点:“这样,人们搞清楚了物理学中某一事件与空间坐标的时间值的意义。”
对时间值的分析成为相对论研究的直接起点。爱因斯坦一开始就研究了同时性的概念。他的研究结果归纳如下:倘若有一种速度无限大的传递信号,那么在科学上是十分重要的,据此可以建立起相距遥远地方的两个事件的绝对同时性。不过,由于作为最大信号速度的光速是有限的,并且对所有的观察者而言又都是一样的,因而“绝对同时”没有什么物理意义,也丧失了理论依据。
所有涉及时间的判断,往往是关于同时事件的判断。因而,同时概念的相对性导致时间概念的相对性,这是逻辑的必然。绝对同时不存在了,那么也不会再有绝对的、对所有参考系全都适用的相同时间。从而,每一参考系都有它自身的时间,即它的“参考系时间”。
正如爱因斯坦后来发现的那样,整个问题的关键在于虚空的空间中光速是恒定的。假使承认这一恒定性(这点已被迈克尔逊实验所证实),时间相对性就是不可避免的。
爱因斯坦的时间学说是崭新的,在他以前还没有一位物理学家或哲学家这样彻底地研究过同时性,并且得出这样深刻的结论。
马赫要求,把物理学中无法由经验验证的荒唐的因素全部加以取缔。马赫的这一要求,导致爱因斯坦取缔牛顿“绝对时间”概念的想法。
由于时间和运动是彼此密切相连的,所以时间概念的相对论化,使“绝对运动”概念也失去了立足之地。一个物体或一参考系的运动,只有在与另一物体或参考系相比较而存在,并在其对比中数值也是适宜的,不存在什么“绝对运动”。
爱因斯坦的“狭义相对论”认为,在相互作直线——非加速运动的所有参考系中,自然规律是同样有效。在它们之间,时间和空间值可以用“洛仑兹变换”这一特别的等式进行换算。1905年,爱因斯坦提出了相对论,他把作为光波载体的以太,从物理学世界中清除出去了。爱因斯坦认为,光以太原本只是物理学界的一个“幽灵”,他把独立的物理实体——电磁场请出来,坐在以太的位置上,这也是崭新的、勇敢的行动。尽管法国物理学家彭加勒在他之前就曾提过应该抛弃以太假说,但是他没能把这种动议变成新的自然观的基底。
“无以太物理学”是爱因斯坦思想的成果。
爱因斯坦在光的学说中引起的革命性进展,这种物理学中不存在以太的观点,即使当时著名的物理学家也长时间接受不了。就连洛仑兹,这位在狭义相对论酝酿阶段起过重要作用的科学家,直到1928年,还表示对光学现象没有以太作载体不完全理解。
即使那些想沿着爱因斯坦所开辟的崭新道路共同前进的人们当中,也有一部分在相对论上难于跟上爱因斯坦的脚步。
其中一个“佯谬”便是快速运动着的一把尺子,它跟静止状态相比,在运动方向上长度缩短了。这个问题是从迈克尔逊实验结果提出来的,后来形成了洛仑兹的机械收缩假说。爱因斯坦认为,这种收缩可以用两个参考系之间存在着的相对速度来解释。
另一个“佯谬”是在快速运动的参考系中的钟,与静止参考系中的钟相比,它走得慢了。这涉及“时间膨胀”,也叫作时间延伸或时间失真。根据这一佯谬会得出诸如这样的结果:一个乘高速宇宙飞船长时期在太空遨游的人,当他返回地球时,与一直留在地球上的他的孪生兄弟相比,他应该年轻得多。这是因为宇宙飞行员的生物钟以及他的一切生理过程,比留在地球上的人要慢得多。但要想使生物钟佯谬和孪生兄弟佯谬产生的效应显现出来的话,宇宙飞船的速度一定要十分接近光速;可是这一条件与现实宇宙飞行的条件相距甚远。
只要相对时间膨胀得不到实验证明,激烈的争论就不可能中断。不过在30年代末,从激发氢原子的实验中,无可置疑地证实了时间的相对膨胀。后来,在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。由于宇宙线粒子的速度特别大,这一效应的数值也较大。
1905年,爱因斯坦的狭义相对论宣判了机械自然观的死刑,这是自然科学史上的一次大变革,也是辩证法在物理学基础中的胜利。它把牛顿经典运动定律中所说的那种关于时间和运动的形而上学的机械观点提高到辩证法的高度。牛顿定律是速度远远小于光速的极限定律。牛顿的形而上学观点方法,尽管是当时所公认的定律,但是由于物理学的发展,碰到了无法逾越的鸿沟。爱因斯坦运用辩证思维的冲击力量摧毁这些障碍,并为物理学的进一步发展开辟了道路。在爱因斯坦以前,虽然有其他一些研究家确实已经采用形式数学的方法解决了运动物体的电动力学问题,然而爱因斯坦的功绩仍是不可低估的。
学术生涯的高峰
1908年10月后,爱因斯坦的学术生涯开始了。
在此前两年,已在物理学界崭露头角的爱因斯坦仍生活在平凡的圈子里。每天上午9时准时到达专利局,那不得不挨过去的8小时是全家人的经济来源。下班以后,他还得听妻子愈来愈频繁的絮叨和抱怨,生煤炉,或带着儿子到阿勒河的河滨散步。河水静静地流去,日子单调得令人发狂。已一头撞开物理学新纪元大门的爱因斯坦,面对无法改变的现实生活,也一筹莫展。
在相对论几篇论文发表后的日子里,爱因斯坦曾在给索洛文的信中发过这样的牢骚:“……我快到不能动弹、无所建树,似乎到了只能对年轻人的革命精神发发牢骚的年纪了。”
物理学领域中读懂了相对论的人,都在探听《物理学年鉴》上的爱因斯坦究竟是何人?又处在何方?
听说爱因斯坦在伯尔尼。寻找爱因斯坦的人很自然就犯下一个可以理解的错误:爱因斯坦,这位相对论的创立者一定是伯尔尼大学的教授。
劳厄,这个后来也获得诺贝尔奖的物理学家,当时还很年轻,正在做普朗克的助手。刚到柏林大学,普朗克就讲了相对论,他没听懂,却知道了相对论的重要意义。他打定主意,一放假就去伯尔尼大学向“爱因斯坦教授”求教。伯尔尼大学没有爱因斯坦教授,伯尔尼专利局里倒有一位爱因斯坦公务员,劳厄愣了。赶到专利局,劳厄一头撞上一个年轻人,在走廊里来回踱步:一件格子衬衫,领子半竖半躺,头发乱得像团草,一撇不加修饰的小黑胡子随意地卧在上唇边。专利局的走廊上空荡荡的。劳厄只好拉住眼前这位梦游般的先生。
“爱因斯坦博士在哪里办公?”劳厄问。
梦游人半天才领悟到这句话的含义,大眼睛里泛出柔和的歉意。
“对不起,在下正是。”
劳厄惊讶了,但很快就笑了。相对论的创立者应该是这样的人。
几分钟后,一对同龄人在一家小餐馆的桌旁坐了下来,开始了他们的终生友谊。
1908年10月,苏黎世联邦工业大学终于向爱因斯坦敞开了大门,推选他为副教授。爱因斯坦辞别了哈勒局长和专利局的同事们,带领全家迁住苏黎世穆桑街12号。
爱因斯坦终于作为一个学者站在大学讲台上开始授课了。但爱因斯坦仍然是爱因斯坦,他的独特个性并没有为装腔作势的学者风范所污染。
爱因斯坦的授课,不仅课程的内容和风格,而且讲课和课间休息时的一举一动都符合于他那独特的个性和思想。“要是我们觉得有什么不明白的地方,我们有权在任何时候打断他。我们很快就不感觉拘束了,有时还提出一些简单幼稚的问题。在课间休息时,爱因斯坦也总是留下来和我们在一起,这使我们之间的关系更加随便了。他——活跃而朴实——常挽着学生的手,想用最亲密无间的方式来讨论未弄清楚的问题。”
1909年7月,爱因斯坦应邀到日内瓦,参加日内瓦大学350周年校庆活动,并接受日内瓦大学颁发给他的荣誉博士学位。在庆祝活动的游行中,学校里的显要人物和政府中的大人物都身穿燕尾服、头戴高礼帽,或者身穿中世纪的绣金长袍,而爱因斯坦却穿着一件平时上街穿的衣服,戴着一顶草帽。对这次庆祝活动所举办的盛大宴会,爱因斯坦很不以为然,他对坐在旁边的人说:“如果加尔文还活着,他会堆起一大堆柴火,因为搞这样的铺张浪费的盛宴而把我们全都烧死。”爱因斯坦甚至拒绝自己被排在上流社会中而居于与众不同的地位,对社会对他的特殊照顾感到愤怒。
1911年,爱因斯坦在《物理年鉴》上发表了《关于引力对光线传播的影响》的论文,这是他在布拉格期间最重要的成就,该文阐述了相对性引力理论的基本原理。结论的创新之处在于,由星体发射出来的光束在太阳附近掠过时必然会弯曲,这是由于光也有惯性,因而受到太阳引力场的巨大引力作用。爱因斯坦建议,在下次日全食时,通过天文观测来验证这个理论预见。但由于第一次世界大战的原因,1914年的考察工作半途而废。直到1919年,在爱因斯坦倡议下,两个英国考察队进行了观测,爱因斯坦的预言被证实了!
布拉格的短暂时期,爱因斯坦的名望已如日中天,世界认识了爱因斯坦。
欧洲的许多大学都向爱因斯坦发出讲学邀请,甚至大西洋彼岸、美国的哥伦比亚大学也发来邀请。苏黎世工业联邦大学——爱因斯坦的母校终于不敢怠慢自己的学生了,他们也打算请爱因斯坦来主持一个新开设的数学物理讲座。
面对这么多的邀请,爱因斯坦选择了母校。
爱因斯坦把苏黎世当作自己的故乡。爱因斯坦对于母校总有一种依恋之情,而且他觉得,那儿有格罗斯曼,解决引力问题需要他。
这一期间,爱因斯坦全身心扑入广义相对论的研究之中,与格罗斯曼合作写出了《广义相对论和引力理论纲要》,他在物理学研究领域中,正一步步走向辉煌的顶点。可就在这时,爱因斯坦的家庭生活走向了不可避免的结局,他与妻子米列娃越来越疏远了。
1913年夏天,两位年过半百的、德高望重的权威学者,风尘仆仆地从柏林来到苏黎世。这两个学者一个是普朗克,一个是能斯特。
普朗克是量子论的天才创始人,也是一个具有广泛科学兴趣和敏锐直觉的物理学家,他还是高度评价相对论的内在严整和谐的第一人。他理解到或者说感觉到爱因斯坦的理论将长期决定物理学的研究方向,这些研究将带来不能预先确定的、但对科学和文化的所有领域无疑是重大的成果。普朗克使用了他在科学院院士中无可争议的权威,不只是科学上的,还有道德上的权威,全力赞誉着爱因斯坦。普朗克出身贵族、循规蹈矩、举止文雅沉着、姿态端庄,在柏林官场以及德意志年轻军官中都广泛受到敬仰。
能斯特更是一个政治型的大学者。一方面,他是20世纪最伟大的化学家之一;另一方面,他又特别感兴趣于德意志民族的对外扩张。有人说能斯特是一个具有惊人的积极性和能量的人,是一个天生的组织家,一位深邃的和独创的思想家。
这两个大学者,是带着德意志的使命来拜访爱因斯坦的。普朗克、能斯特放出的“钓饵”是诱人的:
第一,请爱因斯坦担任正在筹建中的威廉皇帝物理研究所所长。这个建议似乎很奇怪。随便谁来领导一个研究机构,恐怕都比这位心不在焉、思想常在云端翱翔的爱因斯坦教授强。可是不要紧,所长是代表地位和荣誉。他如果高兴,可以出些主意;如果不高兴,也可以撒手不管,日常事务自有常务秘书办得妥妥帖帖。
第二,选爱因斯坦当普鲁士科学院院士。一般院士是没有薪水的荣誉头衔,但爱因斯坦就任的是实任院士,年薪丰厚。
第三,聘爱因斯坦为柏林大学教授。爱因斯坦教授有授课的权利,但却没有讲课的义务,讲多讲少,讲课的内容和时间,均由他自便。大学里的一切事务,他可一概不必过问。
这个一揽子方案,真不愧是网罗爱因斯坦的妙计。它是普朗克的浪漫主义和能斯特的实干精神合作的产物。
他们算是摸透了爱因斯坦的心思,爱因斯坦不能不动心了。
在这个世界上,还企求什么呢?安定的生活环境,良好的工作条件,充裕的研究时间,不受任何束缚和干扰,全心全意进行相对论研究,实在是巨大的诱惑。
可接受在柏林的工作,爱因斯坦的内心并不是坦然的。在他看来,移居普鲁士首府,这个德意志军国主义和帝国主义的老窝,像是背叛了自己的政治和道德信念。中学时代,他离开出生地,就是企图从那时起能放弃德国国籍,以便与军事操练和“黩武气息”一刀两断。可现在难道还要返回普鲁士军国主义的大本营去安家定居?甚至还要去当普鲁士皇家机构的官员?
爱因斯坦陷入了犹疑不定之中。
“你的出生之地,你真正的祖国在等待着你!”普朗克以他自以为最神圣的感情劝说着爱因斯坦。
“可是,我是个和平主义者,”爱因斯坦说,“德国真的会欢迎我吗?”
“德国欢迎的是物理学家,相对论的创立者……”能斯特的政治家风度与外交辞令恰到好处。
“但是,”爱因斯坦打断他们的话,笑着说,“这算得了什么呢?相对论是算不了什么的。郎之万说过,全世界只有12个人懂相对论。”
“这一点我们同意。可是,在这12个人里,倒有8个在柏林呢!”普朗克与能斯特自负地大笑起来。
爱因斯坦也笑了。确实,柏林是当时自然科学研究的中心。一流的设施,一流的人才,确实是研究与推广相对论的最佳地点。
“这样吧,”爱因斯坦面对难题时的幽默又表现出来了,“你们两位先生先去玩几天,等你们再回苏黎世,我到车站来接你们。”
普朗克与能斯特完全迷惑了。
“要是我手里拿一束白玫瑰花,就是‘不去柏林’;要是拿一束红玫瑰花,就是‘去柏林’。”
爱因斯坦做出了一个浪漫的决定。当普朗克和能斯特怀着忐忑不安的心情从郊外返回苏黎世火车站时,一束红玫瑰花在爱因斯坦手里盛开着,他们的心放下了。
柏林科学院早已盼望爱因斯坦了。1913年7月10日,在普鲁士皇家科学院学部全会上,爱因斯坦以44票对2票,荣膺为正式院士。
刚到柏林,爱因斯坦的生活比较平静,结识了许多新朋友,人们出于礼貌和景仰,也很少挑剔他、非议他。可没过多久,不拘一格的爱因斯坦式的生活习惯还是引起了刻板的德国先生们的议论,德国人的繁文缛节同样让爱因斯坦觉得别扭。
这时的爱因斯坦,只属于相对论。他的意识被加速运动的相对性问题、引力问题、空间几何属性对空间中发生的事件的依赖性问题吸引住了,他无时无刻不在思考这些问题。
有一次,普朗克约爱因斯坦一起去参观波茨坦天文台。他们说好在指定时间在一座桥上会面,普朗克恰好有些琐事,担心不能准时到。爱因斯坦说:“没关系,我在桥上等你就是。”
“不过这会耽误您的时间。”普朗克不安地说。
“一点儿也不!我不论在什么地方都可以做我的事。难道我在桥上考虑问题会比在家里少吗?这不可能。”爱因斯坦有他自己的道理。
还有一次,爱因斯坦得知他在柏林的同事,心理学专家施图姆普夫教授对与空间有关的感觉和表象感兴趣。本来按照礼仪,新院士应拜访老院士,爱因斯坦一直没完成这项他永远不会的活动。这下可好,礼仪拜访与感兴趣的话题正好结合起来。于是爱因斯坦在一天早晨前往拜访施图姆普夫教授。
由于没有预约,主人恰巧不在家,女用人问他要不要留话。他说不必了,过一会儿再来。独自一人在公园待了几个钟头后,爱因斯坦再次敲响了施图姆普夫教授家里的门。
女用人发窘地告诉爱因斯坦,说主人吃完午饭正在午睡。
爱因斯坦平静地说:“没关系,我过一会儿再来。”
下午4时,爱因斯坦收起手上计算的纸和笔,又去了施图姆普夫教授家。
女用人打开门,说:“主人起床了。”爱因斯坦微笑着对女用人说:“耐心和恒心是会得到酬报的。”
老院士见到闻名已久的新院士,十分高兴。不料刚一落座,客人马上就谈起广义相对论中的空间概念,而且是滔滔不绝。可惜这位著名的心理学家对数学一窍不通,客人满嘴的数学术语,使他堕入了云雾中。等到爱因斯坦发现主人的困窘,时间已过去了四十多分钟,拜访时间早就该结束了。爱因斯坦尴尬地起身告辞,连连道歉。
在柏林的前几年,战争的阴云虽给爱因斯坦带来不少生活上和研究上的麻烦,但他始终没有停止对相对论的研究。在隆隆炮火中,爱因斯坦取得了学术研究的丰硕成果。
1916年年初,爱因斯坦在《物理年鉴》上发表了长达50页的论文《广义相对论基础》,以此暂时结束了他从1908年以来所从事的相对论研究。这篇论文是20世纪理论物理学研究的峰巅。
狭义相对论仅仅适用于不存在引力的所有物理过程,研究的是直线、匀速相对运动的参考系。广义相对论的方程与参考系的运动状态无关,也就是同样适用于做加速运动和旋转运动的参考系。在某种程度上,它是狭义相对论的“推广”;此外,就像爱因斯坦所恰当比喻的那样,广义相对论这个新理论就像是相对论大厦中的第二层楼。
爱因斯坦一直把广义相对论看作自己毕生最重要的科学成就。他对自己的学生说过:“要是我没有发现狭义相对论,也会有别人发现的,问题已经成熟了;但是我认为,广义相对论的情况不是这样。”
爱因斯坦说这种话,是在广义相对论发表二十多年之后。
爱因斯坦的自信不是没有道理的。1919年,爱因斯坦9岁的儿子爱德华问父亲:“爸爸,你到底为什么这样出名?”
爱因斯坦笑了,然后半严肃半微笑地对儿子解释道:“你看见没有,当瞎眼的甲虫沿着球面爬行的时候,它没有发现它爬过的路径是弯的,而我有幸地发现了这一点。”
爱德华听懂了比喻本身,但他不理解其中的含义。这其中的含义,只有物理学家中的精英们才体会得到。照他们看来,如果没有爱因斯坦,至今世界上也断不会出现广义相对论。
当然,一个重大的科学理论,是科学发展到一定阶段后的必然产物,说它完全依赖于某个个人,这是让人难以相信的。然而,这种看法也说明了一个事实——广义相对论中包含着深刻的思想。没有大胆的革新精神和百折不挠的毅力,没有敏锐的物理直觉能力和高超的数学运算技能,是不可能建立广义相对论的。从1905年到1915年,爱因斯坦酝酿了整整10年时间——那是最富于创造力的成熟的10年——才建立起广义相对论。
广义相对论的提出需要太多的才能,几乎超出一个常人毕生所能掌握的知识的无数倍。人类不得不在大多数人平庸的事实面前赞美那些伟大的天才。他们的才能实在是让人高山仰止。拥有这样的天才,是人类的福分。
难怪1879年发现电子的英国物理学家汤姆逊说:“广义相对论是人类思想史上最伟大的成就之一。”
难怪创立相对论量子力学的英国物理学家狄拉克说:“广义相对论也许是人类曾经做出过的最伟大的科学发现。”狄拉克是物理学界最不爱说话,更不爱说恭维话的大师。所以,爱因斯坦在1917年大病之后,坦然地向朋友们说:“我死不死无关紧要。广义相对论已经问世了,这才是真正重要的。”
爱因斯坦现在走在一片坦途上,他成了柏林大学的教授。
有人说,柏林的大学教授分两类,一类是爱因斯坦一个人,另外一类是其他所有人。
有人以此来讥讽爱因斯坦。
有人以此来赞誉爱因斯坦。
不管怎么说,爱因斯坦即使在大科学家们中间,也显得是那么与众不同。一般的教授,把自己的时间一分为二:一部分教书,一部分研究。他们的讲课,一章章、一节节,分得细而又细,旁征博引,内容像图书馆一样丰富。他们的科学研究,也分成一个个小问题,手下的学生都能分到一个,大家津津有味地研究,论文一篇篇发表。
爱因斯坦也是既讲课又做研究。他那深刻的思想之链,一环一环展开,清晰地呈现在听讲者面前,再加上一些幽默隽永的趣谈做点缀,这使他的讲课具有一种特殊的魅力。
现在爱因斯坦是在面对浩瀚的星空发问:根据广义相对论,宇宙应该是什么样的呢?宇宙是什么样的?在人类居住的大地之外是什么?有什么?这些问题和人类的历史一样古老。
爱因斯坦分析了无限宇宙模型的困难,根据广义相对论空时弯曲的概念,提出了自己的宇宙模型。他的论文出现在1917年的《普鲁士科学院会议报告》上,论文的题目是“根据广义相对论对宇宙所作的考察”。在这篇论文中,爱因斯坦提出了一个有限无边的静态宇宙模型。
爱因斯坦的宇宙模型有三个重要的概念。第一个概念是“静态”。爱因斯坦提出了一个所谓的“宇宙学原理”。这个原理是说:宇宙间的物质均匀分布,从宇宙的随便什么地方观看宇宙,所看到的宇宙图像都是相同的,就像站在球面上观看球面,不论站在哪一点,看到的球面都是一个模样。
爱因斯坦的静态宇宙模型进一步假定:宇宙空间中的物质不但是均匀分布的,而且还是静止不动的。
第二个概念是“有限”。对这个概念的反对意见最为激烈:“难道说我们的宇宙四周围着巨墙,墙上写着一行巨字:‘呔!宇宙有限,墙外天国,人类止步!’吗?”
对待这些意见,爱因斯坦的宇宙模型中还有第三个概念呢。这第三个概念就是“无边”。爱因斯坦的宇宙虽然有限,却又是无边的。圆圆浑浑,没有边界,所以也就没有什么边界内外之分。和无限宇宙一样,有限宇宙也是可以没有“之外”的。无限宇宙排除了天国和上帝之类的东西,有限宇宙也不给它们容身之地。
爱因斯坦的静态、有限、无边的宇宙模型和牛顿式的无限宇宙模型一样,都是人类认识宇宙过程中的重要里程碑。它们都是把一定数量的观测事实做了某种外推之后得到的。结论虽然可能有错误,研究的态度和方法却是科学的。
事实上,爱因斯坦提出他的宇宙模型之后过了12年,天文学上有了一次重大的突破——美国天文学家哈勃发现,所有的星系,彼此之间的距离都在不断地增大。恒星不“恒”,我们看不到它们的分离运动,因为距离我们太远了。宇宙就像一个受热的肥皂泡,它在不停地膨胀。星系就像肥皂泡上的各个点,它们彼此之间的距离也在不停地增大。宇宙不是静止的,宇宙在膨胀。哈勃利用大口径望远镜做出这个重要发现后,爱因斯坦这位公认的最伟大的物理学家,非常坦然地承认自己的宇宙模型是错误的。为了从广义相对论中解出他的静态、有限、无边的宇宙模型,爱因斯坦甚至修改了自己心爱的引力场方程,在方程中增加了具有斥力性质的一项,叫作宇宙项。有人把引入宇宙项这件事,称为爱因斯坦平生所犯的最大错误。
爱因斯坦犯了一个大错误,提出了一个错误的宇宙模型,后果却是诞生了一门新的科学——现代宇宙学。研究宇宙的整体结构,以前没有适当的理论指导,从爱因斯坦开始,才有了强有力的理论做指导,那就是广义相对论。随着观测手段的不断发展和完善,更促使现代宇宙学蓬勃发展起来。在爱因斯坦提出自己的宇宙模型之后,又有别的学者提出了其他的宇宙学理论:从宇宙膨胀论到大爆炸宇宙论,从等级式宇宙论到物质反物质宇宙论,名目繁多,立论各异,众说纷纭,争论激烈。一门科学产生出各种各样的假设和理论,引起了激烈的争论,正说明它有光辉灿烂的发展前途。
从遥远的文明开端算起,人类研究宇宙的渴望终于在爱因斯坦这儿找到了一个新的科学起点。
爱因斯坦的另一面
后来,经过认真的选择,爱因斯坦来到美国的普林斯顿。这个僻静的小城和一个伟大的名字联系在一起,成了举世闻名的科学圣地。
爱因斯坦在普林斯顿留下了数不清的逸闻趣事。人们说他在比利时王后“御笔”题赠的诗的背后做计算;说他在鞋店的发票背面写上致答词,跑到庄严的授奖仪式上掏出来宣读;说他在朋友家吃饭,灵感来了,没纸就在主人家的新桌布上写下一行行公式;说他出外找不到回家的路,打电话去问研究院怎么回家;说他把一张1500美元的支票当书签用,丢了也不知道;说人家请他讲1分钟话,给100美元,他说他不需要钱……
爱因斯坦的节俭也非常著名,他用于计算的纸都是两面写,而且许多寄给他的信的信封被他裁开,当作草纸,如果出门,爱因斯坦总是坐二三等车,只吃一些简单的食物。
爱因斯坦在普林斯顿的高等科学研究所工作时,当局给了他相当的高薪——一万六千美元,他却说:“这么多钱,是否可以给我少一点?给我3000美元就够了。”
爱因斯坦给普林斯顿带来光荣,普林斯顿人以爱因斯坦为自己的骄傲。随意、温和的爱因斯坦爱上了普林斯顿,这儿没有繁文缛节,没有欧洲大陆上的呆板和清规戒律,他在这儿享受到一个普通人生活的欢乐。
爱因斯坦从不在意自己的衣着,常年披着一件黑色上衣,不穿袜子,裤子有时既没有绑皮带也没有吊带,他和人在黑板前讨论问题时,一面写字,一面把那像要滑下的裤子用手拉住。他长长的头发,不加修饰。这对当年“贵族学府”普林斯顿大学的学生来说是惊异的事,难怪他们甚至“希望上帝叫他把头发剪掉”。
普林斯顿有个12岁的女孩,放学回家后总是跑到爱因斯坦家里去玩,妈妈发现后,把孩子狠狠训了一顿,说:“你怎么能浪费爱因斯坦的宝贵时间呢?”并带着孩子向爱因斯坦道歉。爱因斯坦笑着说:“噢,不用道歉。她带甜饼给我吃,我帮她做算术题。我从她那儿学到的东西,恐怕比她从我这儿学到的东西还多呢!”
还有这样的故事:有一次,美国一家医院要聘请一位X光专家。一个犹太难民来求爱因斯坦帮忙,爱因斯坦立即写了一封推荐信。过了几天,又来了一个从希特勒铁蹄下逃出来的犹太人,请求帮忙。爱因斯坦又写了一封推荐信。这样,他给四个犹太人写了四封推荐信,让他们去争夺同一个职位,让大家哭笑不得。后来,这样的推荐信写得实在是太多了,以致拿推荐信去求职的人还没开口,人家就说,行了,行了,收起介绍信吧,这儿求职的人每人都有这样的一封介绍信。
英费尔德是爱因斯坦在普林斯顿时的助手,他在回忆录中,提到一个非常重要的问题,即爱因斯坦的诚恳与理智的关系,他认为这两者在爱因斯坦身上是和谐共处的,他写道:
很难找到一个学者,其思想能在这样的程度上充满情感,能具有这样明朗的表达激情的声调,能在这样的程度上以“为超个人的东西服务”的激情中,从对大自然的美的陶醉中汲取养料。同样,也很难找到一个人,他对人们的诚恳态度、对人们的爱、对人们的责任心,能在这样的程度上出自他的思想。
英费尔德对爱因斯坦的这一特点做了非常准确的说明:
在物理学方面,我向爱因斯坦学到了许多东西。但最珍贵的,却是在物理学以外学到的东西。爱因斯坦是——我知道,这样说多么平庸乏味——世界上最好的人。其实,看来这个定义也不那么简单,而且需要做些必要的解释。
同情——一般说来这是人的善良的源泉。对别人的同情,对贫困、对人的不幸的同情——这就是善意的源泉,它通过同情的共鸣器起作用。当我们看到别人在斗争和痛苦的时候,对生活和对人们的眷恋便通过我们对外部世界的联系在我们的感情中激起反应。
但是,善意还有完全不同的根源。这就是建立在独立清醒思考基础上的天职感。善意的、清醒的思想把人引向善,引向忠实,因为这些品质使生活变得更单纯,更充实,更完美,因为我用这种方法在消除我们的灾难,减少同我们生活环境之间的摩擦,并在增加人类幸福的同时,保持自己内心的平静。在社会事务中应有的立场、援助、友谊、善意,可以来自上述两个源泉,如果我们采用解剖学的话说,可以来自心灵或头脑。我一年一年地学得愈来愈珍视第二类善意——它来自清醒的思维。我曾多次看到不是由清醒的理智支持的感情是多么的有害。
在普林斯顿,人人都认识他。甚至在普林斯顿这个小小的大学城里,所有的人都是用贪婪的好奇眼光看着爱因斯坦。所以爱因斯坦在和朋友一起散步时,总是避开繁华的大街,专拣野外和行人寥落的小街。有一次,一辆小汽车里的人请散步的爱因斯坦和他的朋友稍等片刻,从汽车里钻出一位已经不年轻的带着照相机的妇女,由于激动脸都红了,她请求:“教授先生,请允许我给您拍一张照片。”
“请吧。”爱因斯坦安详地站立了几秒钟,然后继续自己的谈话。
爱因斯坦就是这样随和,没有一点儿架子。毫无疑问,爱因斯坦还是一个勤奋的人,一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘诀。爱因斯坦是这样回答的:“早在1901年,我还是22岁的青年时,我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你,那就是A=X+Y+Z!A就是成功,X就是正确的方法,Y是努力工作,Z是少说废话!这公式对我有用,我想对许多人也一样有用。”
爱因斯坦不喜欢应酬,后来他选择了到美国生活,到美国之后,他的生活相对安静下来,很少出门。
1934年1月,罗斯福总统在白宫接见爱因斯坦夫妇。1938年10月,在纽约东北郊预计于1939年春季开幕的世界展览会工地上,美国人把一些纪念品装在一个坚固的金属封包里,其中包括请爱因斯坦为5000年后子孙写的一封信,这封信将在5000年后,即6939年让后代子孙把它掘出来打开。
不过我们知道这封写给未来人们的信说了些什么:
我们这个时代产生了许多天才人物,他们的发明可以使我们的生活舒适得多。我们早已利用机器的力量横渡海洋,并且利用机械力量可以使人类从各种辛苦繁重的体力劳动中最后解放出来。我们学会了飞行,我们用电磁波从地球的一个角落方便地同另一角落互通讯息。
但是,商品的生产和分配却完全是无组织的。人人都生活在恐惧的阴影里,生怕失业,遭受悲惨的贫困。而且,生活在不同国家里的人民还不时互相残杀。由于这些原因,所有的人一想到将来,都不得不提心吊胆和极端痛苦。所有这一切,都是由于群众的才智和品格,较之那些对社会产生真正价值的少数人的才智和品格来,是无比的低下。我相信后代会以一种自豪的心情和正当的优越感来读这封信。
1940年10月1日,爱因斯坦在特伦顿大法官菲利普·福尔曼的主持下,宣誓成为美国公民。但爱因斯坦仍保留瑞士国籍。
1955年4月18日,爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于美国普林斯顿。
爱因斯坦生前不要虚荣,死后更不要哀荣。他留下遗嘱,要求不发讣告,不举行葬礼。他把自己的脑供给医学研究,身体火葬焚化,骨灰秘密地撒在不让人知道的河里,不建坟墓也不立纪念碑。在把他的遗体送到火葬场火化的时候,随行的只有他的妻子和大儿子汉斯·爱因斯坦,遗嘱执行人、经济学家纳坦,爱因斯坦最忠实的合作者杜卡斯,助手诺伊施泰因,图书管理员范托娃等最亲近的12人。没有奏乐,没有花卉,小教堂里一片寂静。只有遗嘱执行人纳坦在结束仪式时,朗读了歌德悼念席勒的诗,表达了人们的哀思:
我们全都获益不浅,
全世界都感谢他的教诲;
那专属他个人的东西,
早已传遍广大人群。
他像行将陨灭的彗星,光华四射,
把无限的光芒同他的光芒永相结合。
爱因斯坦在去世之前,把他在普林斯顿默谢雨街112号的房子留给跟他工作了几十年的秘书杜卡斯小姐,并且强调:“不许把这房子变成博物馆。”他不希望把默谢雨街变成一个朝圣地。他一生不崇拜人格化的神,也不希望以后的人把他当作神来崇拜。
爱因斯坦曾经说过:“我自己不过是自然的一个极微小的部分。”他把一切献给了人类从自然界获得自由的征程,最后连自己的骨灰也回到了大自然的怀抱。但是正如英费尔德第一次与他接触时所感受到的那样:“真正的伟大和真正的高尚总是并肩而行的。”爱因斯坦的伟大业绩和精神永远留给了人类。
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