《上帝的方程式,爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙》——第二章 早年的爱因斯坦

作者: [美]阿米尔·D·阿克塞尔 上海世纪出版 2015-09-01

导读:“上帝是狡猾的,但他并无恶意。”——阿尔贝特•爱因斯坦

上帝的方程式--爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙

第二章早年的爱因斯坦

“上帝是狡猾的,但他并无恶意。”

——阿尔贝特·爱因斯坦

宇宙常数是爱因斯坦插入―后来又被移去——他的引力场方程中的一项。这个场方程是爱因斯坦在20世纪20年代发展的广义相对论的结果,是他的研究工作的王冠上的明珠。这是一个如此强有力的,能洞察爱因斯坦之前无人能明白的潜在自然法则的方程,它的预见功能令人惊愕。自它问世以来,每隔10年,这个方程就会以预料不到的方式一次又一次显示它的正确性。一个人怎么会对我们宇宙的秘密了解得如此清楚?

阿尔贝特·爱因斯坦(1879-1955)于1879314日出生于德国西南部斯瓦比亚地区乌尔姆镇一个中等阶层的犹太家庭中,自人们能够记起来的年代起,他的祖先就已经生活在这个地区。当阿尔贝特还是一个婴儿时,他们全家搬到了德国南部的大城市慕尼黑。他的父亲赫尔曼·爱因斯坦(Hermann Einstein,1847-l902)和与他住在一起的兄弟共同拥有一家小企业。他们两人从事电化学工业,开办了一家小工厂。赫尔曼管理企业的商务,他的兄弟负责工程技术问题。阿尔贝特的母亲是保利娜(科赫)·爱因斯坦。爱因斯坦家还有一个小女儿马雅(Maja)。

年幼时,小小的阿尔贝特就显示了对周围世界的浓厚兴趣。在他5岁的时候,父亲给了他一个指南针,这个孩子就被这个仪器所陶醉,对指针服从一个不可见的场而总是指向北极的方向这个现象十分好奇。在老年追忆往事时,爱因斯坦提到这件小事,认为这也是很多年以后促使他研究引力场的因素之一。6岁到13岁期间,在有音乐天赋的母亲的鼓励下,阿尔贝特上过小提琴课。爱因斯坦成为一个出色的小提琴手,并且终身未停止过拉琴。1886年到1888年期间,爱因斯坦在慕尼黑的公立学校上学。由于州法律关于宗教的要求,他的家庭不得不在家里对他补充进行犹太教教育,尽管家里并没有非常严格地遵守这一点。1888年,爱因斯坦进人慕尼黑的卢伊特波尔德大学预科,该校的建筑在第二次世界大战中被毁,后来在另一地点重建了这所学校并改名为阿尔贝特·爱因斯坦大学预科。

在大学预科,爱因斯坦显现出他对权威的极大厌恶和对权威的不信任―种他终身都显露的性格。后来在谈到他的学生时代时,爱因斯坦将小学教师比作为军队中的军士,而大学预科的教师则是军队中的尉官。正是这种对压抑的普鲁士式的权威的厌恶,使得年轻的阿尔贝特在几年后放弃他的德国公民身份而申请瑞士公民资格。他常会忆起大学预科使用的充满恐惧、压力和权势的管教方法。正是在大学预科,爱因斯坦教会自己要质疑权威―事实上,质疑一切已接受的信念.如某些传记作者推测的,这种观念可能还对他的科学生涯产生了影响。1891年,另一件决定性的事情发生了,它就像指南针引起的兴奋那样深深地影响着爱因斯坦。爱因斯坦发到一本论述欧几里得几何的书作为他的一门课程的教科书。他在开学前拿到了这本书并饶有兴趣地读完了它。爱因斯坦开始怀疑欧几里得几何学的假定。加年后,根据我们生活的空间是一个非欧几里得空间的观点,他开创了一个革命性的理论。

1894年,爱因斯坦一家移居意大利。他的父亲在慕尼黑的事业失败以后希望在那里建立一个成功的企业。父母亲将马雅带在身边,而把阿尔贝特留在德国,与一个远房亲戚生活在一起,以便他能完成大学预科的学业。然而,爱因斯坦自己决定离开学校,想与在意大利的家庭团聚。他不能忍受大学预科的那些苛刻专横的纪律,他厌烦那些被特别强调的课程:古希腊语和拉丁语。他渴望学习更多的数学和物理——他也自幼就感兴趣的学科。6个月后,爱因斯坦设计了一场逃亡。一位医生给了他一份证书,说他由于体力不支需要离开一段时间回意大利家中。看来似乎让他离开反而使学校感到宽心,因为他的行为正引起学校纪律的混乱。

爱因斯坦非常喜欢意大利。盛行的文明——对使得生命值得生存的事物的赞美——与他影视的条顿人的秩序形成鲜明的对照。他在遍布意大利北部的博物馆中看到的奇妙的艺术作品令他陶醉。爱因斯坦甚至越过亚平宁山脉从米兰一直徒步旅行到利古里亚地区的地中海沿岸的热那亚。但是,赫尔曼的企业又失败了,他必须把他的儿子推回到现实中去,让他取得学校的毕业文凭,这将使他能继续他的学业,维持自己的生活。年轻的阿尔贝特相信自己出色的数学和物理成绩能让他无需他已经擅离的大学预科的毕业证书而被大学接纳。但是他错了——如果没有预科的毕业证书,他就不可能进人任何大学,这一点是明白无疑的。

1895年,爱因斯坦在瑞士理工学院(它的德文首字母缩略词为ETH)的入学考试失败,他当时曾希望以通过入学考试替代毕业证书的办法入学。他的数学成绩非常出色,但是在其他学科,诸如语言学、植物学和动物学,他的成绩都低于大学的要求。虽然如此,出于对这个年轻人的数学知识的深刻印象,大学校长建议他就读位于瑞士阿拉姆的州立中学以取得必需的毕业证书。爱因斯坦怀着惊惶的心情进人阿拉姆镇的这所学校——他仍然留有因德国大学预科中学生们受到的不可理喻的机械式待遇而遭受的精神创伤。然而,使他惊奇的是,他发现瑞士的学校是完全不同的。在这里军事化般的纪律不像在德国学校中那样被注重。在这里,他能够松弛一下,好好学习,还能交朋友。他住在他的一个老师家中,并且和这个老师的儿子和女儿成了好朋友,他和他们一起到山区去旅游。在阿拉姆镇的这所学校读了一年后,爱因斯坦取得了毕业证书并申请就读瑞士理工学院,这一次他被录取了。他决定学习数学和物理,并准备将来做教师。用简明的数学表达来解释世界,这种想法使他着迷。对于他来说,物理学是一门目的在于发现一个适当的数学方程去捕获真理的科学。

18961029日,爱因斯坦迁居苏黎世并在瑞士理工学院就读。在这里,他遇见两位他生命中的重要人物,两个瑞士理工学院的同学:米列娃·玛里奇——后来成为他的第一位妻子——和马塞尔·格罗斯曼,一位数学家。他的工作帮助爱因斯坦在毕业后的几年中发展了他的相对论。在爱因斯坦进人瑞士理工学院的第二年还遇到了米凯莱·安杰洛·贝索,他成为爱因斯坦的一位终身挚友,并在爱因斯坦初创狭义相对论时为他做宣传。

在瑞士理工学院的第一年中,阿尔贝特·爱因斯坦做出了他的科学生涯中的一次决定性的转向。之前,他一直对数学有兴趣,并对他在这个学科的知识感到自豪。然而,在理工学院,他认定他最感兴趣的是物理学,而数学只是使物理定律定量化的方法。数学是一种工具,它以简明的方式记录由物理科学发现的宇宙定律。但是,爱因斯坦对瑞士理工学院的教学并不满意。物理学教授们讲授一些旧理论,而不去讨论这个领域中的新发展。爱因斯坦开始做他一辈子都坚持做的事——通过独立看书和研究来自学理论。由于他不太注意听课,结果招致许多教师的反感。数学课的情况更为糟糕。由于爱因斯坦已经认定数学只是一种工具,而其本身不是一门有趣的学科,他几乎不去听课。这种行为在赫尔曼·闵可夫斯基授课期间最为明显,闵可夫斯基是一位原籍俄罗斯的著名数学家,这个年轻学生对他的课程漫不经心的态度使他非常厌恶,以致他后来将爱因斯坦说成是“一条懒狗”。如同命中所注定的,在爱因斯坦从瑞士理工学院毕业后的几年中创立他的狭义相对论时,正是闵可夫斯基创立了描述相对论物理学的一整套数学。

爱因斯坦对他在瑞士理工学院的课程的这种漫不经心的态度对他的毕业产生了负面影响。正如今天每一个大学生都知道的,听课并取得好分数是重要的,但是对于一个人的前程至少有一件事也是重要的——得到教师的出色的推荐信的能力。在爱因斯坦的那个年代,这种要求甚至更为重要得多。为了在有声望的大学里继续研究生学习,一个大学生必须得到一位这个学生曾作为助手为之工作过的教师的推荐。使爱因斯坦大为失望的是他的教授中没有一个同意接纳他。爱因斯坦不得不离开瑞士理工学院并寻找一个作为教师或助教的职位。由于他的父亲经济困难,以及他的家庭甚至已无力在他求职期间给他丝毫资助,爱因斯坦的境况更为窘迫。

爱因斯坦在1900年的夏天从瑞士理工学院毕业,但由于他未能在该大学得到助教的位置,他必须努力寻找别的谋生方法。在以后的几年中,他在瑞士得到过一些临时的教师职位,但没有一次是长期的。

1902616日,已取得瑞士公民资格一年多的阿尔贝特·爱因斯坦被瑞士伯尔尼专利局雇用,这个职位是他的好朋友马塞尔·格罗斯曼的父亲安排的。这个职位开始是临时的,但在1904年成为永久职位。他被冠以技术专家的头衔,他的职责是评估专利提案的价值。在这之前的两年中,爱因斯坦的生活发生了变化:1902年,他父亲在米兰去世,1903年,阿尔贝特和米列娃结婚。米列娃跟随他来到了伯尔尼。不顾爱因斯坦母亲的反对和她对儿子的未婚妻的厌恶,他们结婚了。

瑞士专利局为这位年轻的科学家提供了一个他感兴趣的机会。他似乎很满意他的工作。爱因斯坦终身都十分爱好摆弄为特殊目的而发明的装置和尝试估量它们的用处。这一职位给了他一些空间时间——他很好地用来学习和研究的时间。在晚年,爱因斯坦向年轻的研究工作者们建议,一个有创造力的科学家最好是找一个能有一些空间时间搞研究的低级的或“非脑力的”职业,而不是去找需要教书、为单位服务和懂校园权术的传统的大学职位。

爱因斯坦在瑞士专利局的大部分时间用于读书和做研究。与某些他的传记作者所说的相反,爱因斯坦很清楚地了解他的同时代的以及更早一些的物理学家和其他科学家的工作,他也阅读包括伊曼努尔·康德、奥古斯特·孔德、大卫·休漠和尼采在内的著名哲学家的著作。在物理方面,对爱因斯坦影响最大的是伽利略·伽利莱、恩斯特·马赫(和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的著作。伽利略是考虑运动系统的相对性的第一人,爱因斯坦在他的开创性工作中常常提及伽利略参照系。奥地利物理学家恩斯特·马赫对伊萨克·牛顿的力学做了仔细的分析。马赫注意到,牛顿根据几条简单的原理组织了对运动的观测,然后由此做出预言。但是,马赫提出一个问题:是否只要牛顿叙述的经验是止确的,这些预言就是惟一正确的。马赫强调说,在科学中我们必须遵循一种节省思维的原则―建立的模型应该是极其节俭的,包含尽可能少的参数。这是数学中的“奥卡姆剃刀”——“最简单的理论最有可能是正确的理论”这条众所周知的原则。在数学科学中,这意味着应该选择最简单的模型或方程来描述自然界中的现象。在爱因斯坦的主要工作出现之前,马赫就批评牛顿对绝对空间和绝对时间的依赖。在这方面,马赫的关于科学的哲学思想具有相对论的性质,尽管由于当时(19世纪70年代)还没有直接的观测证明原子的存在,马赫是原子论的早期反对者。在马赫看来,所有的科学的结论都是从物理的观测中提取出来的。爱因斯坦吸取马赫的坚持以经验为根据的观点,使物理学相对化和精确化,并且将牛顿的理论作为当涉及的速度是日常生活中遇到的那种速度时的相对性的极限而保留下来。

对爱因斯坦的工作影响最大的科学家是苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。麦克斯韦开创了场(几记)的思想,这种思想对于阿尔贝特·爱因斯坦的整个工作是必不可少的。麦克斯韦的理论通过一个描述力场的方程组解释了电磁现象,力场就像当你将一块磁铁置于一张上面散布着铁屑的纸下面时你所看到的许多线条。铁屑自身会以清晰的方式排成从一个磁极到另一个磁极的一行行线条。这个看得见的图形正是磁铁产生的磁场的描绘。麦克斯韦的工作为科学开辟了结束如以太之类的虚构概念的道路,以太曾被认为是光在空间运动所凭借的不可见的介质。麦克斯韦的工作可以被认为爱因斯坦相对论的前驱,在相对论中场是该理论的基本要素。不过另一些科学家也对爱因斯坦的知识储备做出了贡献,在爱因斯坦受雇于瑞士专利局期间,曾将这些知识用于建立狭义相对论。这些科学家包括海因里希·赫兹;荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹,他的关于变换的工作在解释狭义相对论的数学中起了关键性的作用,伟大的法国数学家亨利·庞加莱,以及另外几位。

爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论,这一年里他还完成了另外3篇也发表在那使人惊愕的一年里的开创性的论文:关于布朗运动的论文、关于光量子理论的论文,以及关于分子大小的博士学位论文。爱因斯坦关于相对性的论文改变了我们的运动、空间和时间的概念。空间再也不被视为绝对的,而是与参照系有关的。参照系的思想与三个世纪以前伽利略提出的类似概念相呼应。伽利略考虑过如果一个球从一艘船的桅杆顶上掉下来,与一个在陆地上从同一高度掉下来的球相比会发生什么现象。在第一种情形下,参照系——船——是运动着的,而在第二种情形下,参照系——大地——是不动的。伽利略问:球会发生什么现象?它会笔直地下落到运动着的船上,还是会描绘出一条向后的路线,仿佛它是在坚实的地面上掉下来的?爱因斯坦接受运动的参照系这种想法并且将它带领到一片尚未开发的领地——以接近于光速的速度运动着的物体。

在这个相对论的世界中,爱因斯坦已经告诉我们只有一样事物是绝对的:光速。所有别的事物都和这最终的速度极限有关。空间和时间被统一起来给我们以时空。已经证明,双胞胎中在高速的太空飞船上旅行的一位,比留在地面上的另一位老得慢。当物体的速度接近光速时,运动着的物体会改变而时间会膨胀。时间变慢。如果有什么东西能比光还快(相对论是不允许这种现象的),那么它将走进过去。空间和时间不再是刚性的——它们是塑性的,与物体的速度接近光速的程度有关。

时间的绝对性和普遍性曾经是物理学神圣的信条,没有人对这个假定怀疑。时间是处处相同的,时间的流逝是稳定不变的。爱因斯坦证明这些假定根本是不对的。不变的量是光速——任何别的东西,空间和时间,都要围绕着这个宇宙的常t调节它们自己。爱因斯坦的狭义相对论使得历史上一个极其使人困惑的否定性实验结果——迈克耳孙·莫雷以太探索——变得显然。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦为我们的物理学做出了如此多的贡献,他的理论鼓舞着爱因斯坦,但如同在相对论之前的世界上其他的科学家一样,他也是起源于古希腊的以太论的信仰者。在他为1878年版的《不列颠百科全书》撰写的一个条目中,麦克斯韦写道:“整个空间到处弥漫着以太。”但这个以太是什么?人们认为光和其他的射线和粒子需要凭借某种媒质来运动。这类媒质从未有人看到过或感觉到过,但不管怎样,它必须存在。这个假设如此盛行,一些受人尊敬的科学家也非常认真地接受了它,著名的美国物理学家艾伯特·A·迈克耳孙就是其中的一位。1881年时他正在柏林实验室工作,得悉麦克斯韦在1879年写的一封信,信中麦克斯韦询问是否能够用天文学的测量法来探测太阳系通过以太的速度。迈克耳孙是侧光速的专家。这引起了他的兴趣。

他做了一系列提高精确性的工作,目的在于探测出光速的改变,这种改变将表明存在以太漂移。大部分实验是在他回到美国以后与美国化学家爱德华·W·莫雷在1886年共同完成的。迈克耳孙和莫雷既在地球旋转方向上,又在反方向上测t了光速,期望能发现光速上的差别。但是他们没有发现这种差别。没有以太漂移,因而显然不存在以太。1907年迈克耳孙成为获得诺贝尔奖的第一位美国科学家。那时,爱因斯坦的狭义相对论已经向世界解释了为什么迈克耳孙和莫雷会得到他们未预料到的结果。

还不清楚爱因斯坦是什么时候知道迈克耳孙·莫雷实验的.这个实验发现了考虑地球转动和不考虑地球转动时测得的光速之间的令人吃惊的无差异。爱因斯坦用纯理论的思考——书也的“思想实验”——认定:不管光源如何快地迎着或背离观测者运动,光的速度总保持不变。爱因斯坦的传记作者奥尔布雷克特·弗尔辛描述了19055月中旬的一天,那天在伯尔尼瑞士专利局的爱因斯坦终于意识到狭义相对论的原理。”那是美妙的一天,爱因斯坦后来在1922年东京的一次演讲中回忆道。他和他的朋友米凯莱·安杰洛·贝索花了许多小时一起讨论空间和时间的问题,然后,突然的,他想到了答案。下一天,招呼也不打,爱因斯坦猛地一把抓住他的朋友,向他解释相对论的原理:“谢谢你!我已经完全解决了问题。对时间概念的分析就是我的答案。时间绝不能绝对地确定,时间与信号的速度之间有着不可分割的关系。”爱因斯坦向贝索解释同时性的思想。在相对论中,时间不再是处处相同的,爱因斯坦用伯尔尼的钟楼和邻村的钟楼来说明他的观点。不变的不是时间,也不是空间―而是光速。狭义相对论解释了这一切。但是,如果探测到以太,那么又怎么解释呢?多年以后,在1921年,当时相对论已被大多数人接受,正是在听说有这样一个实验的传闻时,爱因斯坦说了他这句现在很著名的话:“上帝是狡猾的,但他并无恶意。”这句话镌刻在普林斯顿大学数学系的一间休息室的壁炉上方的石壁上―表明狭义相对论的永恒性。

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