• 《相对论之父爱因斯坦》在柏林的最后岁月

  • 发布时间:2015-12-03 23:11 浏览:加载中
  •   这是爱因斯坦一生中的转折时期。他目睹了民族复仇主义情绪高涨的严重局面,经历了法西斯主义上台的痛苦。这使他对社会的认识有了很大的提高。在科学创 作上,广义相对论在发展,它的工具日益完备。但是,他的科学兴趣的重心却转移到了另一个领域——对统一场论的探索。这是一场旷日持久的攻坚战,是一个极其 艰难、复杂有时是折磨人的过程。

      1938年2月14日,爱因斯坦从普林斯顿写给一位朋友的信很好地反映出了他在创立广义相对论之后从事统一场论研究的过程:

       “我同这个根本问题已经搏斗了20多年,现在已经相当失望,虽然还不准备罢休。我认为现在需要一种全新的令人茅塞顿开的灵感。另外我认为,如果用统计学 作为逃遁的办法,那只能是一种权宜之计,它不可能触及问题的实质。”过去,法拉第和麦克斯韦所发现的电磁场与牛顿、爱因斯坦所研究的引力场从来都是互相分 离、毫无关联的。爱因斯坦的广义相对论的创立告诉我们,可以把引力与空间的弯曲看作是同一的。能不能找到空间的另一些几何属性,并把它和除引力场以外的电 磁场也看成是同一的呢?能不能用这种方法把引力场和电磁场归结为统一的几何关系式,并把它们统一到表现为空间的某种几何属性的统一场之中呢?

       早在1918年,苏黎世的盖尔曼·魏尔已经着手把电磁场几何化,即把电磁现象想像为空间几何属性的变化。在广义相对论中,引力场在其中起作用的空一时不 遵循欧几里德几何学而遵循黎曼几何学。在黎曼几何中,矢量沿着封闭线改变自己的方向,空间的弯曲就是由此得到表现的。不过,在黎曼几何中,这样改变了自己 方向的矢量仍保持着起初的长度。而在魏尔的几何学中,这个矢量已不再保持自己起初的长度了。矢量方向的改变是和引力场同一,它的长度的改变是和电磁场同一 的。

      这样,统一的几何图式、空一时的几何属性的统一概念,就既可求出引力场方程,又可求出电磁场方程。

      爱因斯坦 从“大自然应该是统一、和谐、简单的”信念出发,认为引力场和电磁场之间必然存在某种内在的联系,它们肯定可以通过一些“本质上是简单统一的东西”来认 识。因此,他对盖尔曼·魏尔探索的方向是欣赏的。他也赞赏几何学解法的严谨和精巧。但对爱因斯坦来说,重要的不是理论的几何学的,而是物理学的“内在完 备”。后来,魏尔“对逻辑的方法失去了信心”,放弃了发展自己的努力的方向,而爱因斯坦则把自己的主要精力集中到把统一的物质的这两种性质不同的、连续的 存在方式统一起来的理论探索上——即把主要精力集中到致力于统一场论的研究上。无论是出访期间,无论是遇到其他什么事情,他的头脑都始终再没有离开过这一 题目。这一课题几乎耗尽了他整个后半生的精力,尽管这一探索始终也未能取得任何可靠的具体结果。

      在去日本访问期间,在从科伦坡到上海 的漫长的海上旅途中,他就一直在紧张地思索这一问题。头等舱的甲板上只有他一个人。他时而踱步沉思,时而找出某本书翻到某个地方,时而坐在安乐椅里把草稿 纸垫着膝盖赶紧记下点什么,时而演算、推导一会儿。这时,邮船运行发出的隆隆声、海面的波涛声及波浪撞击邮船发出的响声,他什么也听不见了。

       科学探索是十分艰苦的、紧张的。然而这种紧张又是内在的。人们常常问爱因斯坦一天工作多长时间,而他总觉得这个问题很难回答,因为对他来说工作就是思 考。有时他自己也问某个朋友:“你一天工作多少小时?”而当他得到的答复是8小时或10小时的时候,他耸耸肩说:“我可不能干那么长时间,我一天工作不能 超过四五个小时,我不是一个勤劳的人。”

      能力,使他后来在科学探索的道路上取得了许多惊人的成就,成了划时代的大思想家、大科学家。 热爱思考也成了大思想家、大科学家爱因斯坦的一个显著特征。对于他来说,“为了思维而思维,如同音乐一样!”爱因斯坦一生酷爱音乐,还是一个出色的小提琴 手。长期以来,他形成了一个习惯:科学研究搞得太累了,就拉一会儿提琴放松一下。此外,他还喜欢用思考别的问题的方式来休息。他于1918年春从柏林写给 他在苏黎世的朋友亨利希·粲格尔的信就说过:“每逢闲暇,我就喜欢重新验证数学和物理公式,虽然我对它们早已熟谙。这种验证并没有什么目的,仅仅是一种机 会,它使我又重新沉溺于那种令人舒畅惬意的思维中。”

      一篇揭示了形成新的波动力学基础的思想论文。由于爱因斯坦看出了它的重大意义,于是他在1925年2月9日出版的《普鲁士科学院会议报告——物理数学部分》上发表了一篇备忘录。

      德布罗依后来这样写道:“就使人们注意到这个新的波动力学观点来说,毋庸置疑,爱因斯坦的文章大大地加速了这个观点的发展。”

       德布罗依的工作是爱因斯坦所开辟的科学工作的继承和发展。除了爱因斯坦相对论的影响外,还受到他光微粒理论的影响:在波动力学中,原子以及更小的基本粒 子开始被描述成同时是不连续的物质粒子,是一种特殊的波——即所谓的“山”波,或叫“德布罗依波”。两年之后,埃尔文·薛定谔在苏黎世又搞出了波动力学较 完善的数学结构。

      这样一来,被物理学作为工具的“力学”一共就有了三个:这就是适用宏观世界的牛顿经典力学,能准确计算快速(接近光 速)运动的、适用于宇观世界的爱因斯坦力学和反映微观世界如原子、电子、核子等运动规律的薛定谔一德布罗依力学。薛定谔一德布罗依力学成功地解释了先前未 受到重视的许许多多原子现象,并预言了一些后来为实验所成功地证实了的新现象。

      但薛定谔一德布罗依力学也存在一个明显的不足:即它们 提供的是原子世界发生的事件的集体的规律,即统计规律,而在相当大程度上对每一个个别事件的进程却不能提出确切的答案。这就使有的人能由此认为严格的因果 律、决定论在原子世界是不存在的,从而导致强调“观察者的感觉”、“仪表的读数”等等的主观主义。此外,这些力学用来演算的“巾中子”是分布在具有无限多 数量的维的假定空间的,因此,它不能反映直接的物理实在性。因此,爱因斯坦始终坚定不移地拒绝接受波动力学的“纯粹概率的处理方法”,坚信原子运动除了受 统计规律支配外,同样也受严格的因果律的支配。在这里,与其说是他的深厚的科学功底起了作用,不如说是他的科学的唯物主义世界观起了决定性的作用。只要实 事求是地从总的倾向上看,爱因斯坦承认客观世界是不依人的意志为转移的客观存在,人们的认识不过是对它的反映,人能正确认识这个客观世界,对此他从来没有 动摇过,虽然他主要作为一个科学家,也有“思想的自由创造”、“相信神”等不确切的说法,这是我们不能苛求于他的。但只要研究一下,这里的“自由”实际上 也是指冲破马赫哲学影响,按正确的逻辑规律“自由地”进行推理等意思;而神,实际上是指存在于我们之外,不以我们的意志为转移的自然界。所以他自己就曾多 次对英费尔德说:“我主要是个哲学家而不是物理学家。”哲学家汉斯·莱欣巴赫也说:“爱因斯坦的工作中隐含的哲学要比创造出许多哲学体系的工作中所含的还 要多。”这些说法是有道理的。任何一个有一定哲学素养的人只要认真读懂了狭义相对论和广义相对论,就一定会感到这与其说是理论物理问题,不如说是哲学问 题;就会感到爱因斯坦在哲学上的贡献,比所有自认为是哲学家、其实不过是平庸的鹦鹉学舌的宣传者加起来还要大。历史是公正的,在他逝世近50年后的今天, 全世界在评选千年十大思想家时,他名列第二。

      正是基于这样的立场,在1927年的索尔维会议上,他坚决反对把原子理论局限在统计概率 的框框里,反对夸大原子世界中的偶然性的作用,尽管当时赞同他的主张的人是少数。然而,爱因斯坦深深地懂得,批判的武器还不能代替武器的批判,物理学的问 题最终还必须靠物理学自身的发展去解决。在这种情况下,爱因斯坦更感到找出建立在决定论基础上的原子理论的重要。这时他更是全神贯注到证明下述问题上了: 不仅是宏观物体的质量,连微观世界的电荷也能使空间的几何图形改变,电磁场中原子、电子、粒子的运动规律,也可以用使行星和恒星引力规律与空间曲面结合起 来的那些原理与空时的构造规律结合起来。同时弄明白物质的不连续性与连续性之间的辩证统一,证明为什么除了连续的场外,还存在着与之相结合的各具特点的物 质物体,揭开这种本质,从其中引出以扬弃的方式包含着量子力学的统计规律在内的原子世界的精确规律。

      在对统一场论探索的过程中,爱因 斯坦对数学的信任不断增强。有一段时间他认为数学才是“真正的创造原理”。他甚至确信,用纯粹的数学构造,人们就能发现那些概念和支配它们的定律,数学是 给我们打开一切自然现象大门的钥匙。所以他越来越多地注意从数学家中挑选自己的助手。当时被他挑选上的最重要的一个就是瓦尔特·迈尔教授,一个胖胖的小个 子。后来爱因斯坦对人介绍说:“正是这个人推演了我的全部计算。知道吗?他的技巧简直妙极了。”正当爱因斯坦在为统一场论苦苦思索的过程中,意外的情况发 生了。事情是这样的,当时在达沃斯的山里,不少有病的年轻人在那里疗养。与世隔绝的环境,使他们难以继续学习。爱因斯坦本人虽然很健康,但他对在疾病中长 期或短期远离生活圈子的年轻人的痛苦,却寄予了深切的同情。“如果他们的身体状况容许,继续学习对他们无疑是大有好处的”,爱因斯坦想。于是这位认为“道 德行为不仅在于放弃某些生活的乐趣,而更可以说是乐善好施地热心于为一切人更幸福的生活”的人热情地拥戴达沃斯的大学课程基金会,并决定到那里亲自为病患 者开设几次讲座。

      1928年初,爱因斯坦就在去达沃斯讲课的过程中,也许是因为长年艰苦的脑力劳动,体质本来就大大下降了,也许是那 地方海拔太高他适应不了,也许是二者兼而有之,总之,他就在当地的一家旅馆里,因怜悯一个看门老头,没让他提箱子,自己把箱子提上楼,心力衰竭而病倒了。 诊断后,按医生的要求绝对卧床了好几个月才得以恢复。他是一个很难对付的病人,只要体力稍有恢复就拒绝小心谨慎,他常常背着医生和埃丽莎跑到外边去。咖啡 和酒是被禁止了,可烟却怎么也戒不了。每次当埃丽莎问他:“你今天抽了几袋了?”他的回答总是一袋。“但是,我刚刚看到你……”“噢,那可能是第二 次……”“至少是第四次”,埃丽莎说。“你不要告诉我,你的数学比我好吗?”这时,他幽默地说着,笑了起来。
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