狭义与广义相对论浅说-第22章
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目前在公众中广泛地流传着一个错误的见解，认为相对论同牛顿、伽利略以来的物理学格格不入，同他们的推理完全对立。而实际情形与此相反，没有伟大的物理学前辈的发现，没有他们建立的前导理论，相对论简直是不可想像的，它没有赖以生存的基础，凭心而论，没有以往必须作的工作，相对论不可能适时出现。那些为建立相对论奠定基础的人有伽利略、牛顿、麦克斯韦和洛伦兹。
米歇尔。布宾在哥伦比亚大学介绍爱因斯坦时说，他是一种理论的创立者，而这种理论是“动力学的一次进化，而不是一场革命”。当时他对爱因斯坦的立场一定会心领神会的。
上述爱因斯坦的见解表明，用一句话来概括爱因斯坦是否相信科学中发生了革命是多么困难。他一定知道大多数人（不论是科学家还是非科学家）都认为相对论是一场革命，因此他不厌其烦地（在不少场合下）指出相对论迈出的是逻辑的、进化的一步，而不是与旧观念的直接决裂的一步。他不只一次说有麦克斯韦革命，而且在1953年他毫不含糊地介绍伽利略的《对话》时运用了“革命性”一词，语气显然比他半个世纪前称自己的光量子为“富有启发性的”加重了许多。
探讨爱因斯坦有关科学革命和科学进化的思想，我们不该忘记，爱因斯坦从未写过有关文章，也没有在有记录的谈话中，或在我们能收集到的信件中专门讨论这一主题。而且我们知道爱因斯坦在许多方面都是一位很谦虚的人，因此他会极力反对在报刊上宣传他发动了科学革命。在他的一次最为坦率的表态中，他突出反对的是新闻媒介给人造成了这样一种印象：科学革命“每五分钟”就会发生一次。但应当注意的是，即使在爱因斯坦尖锐反驳对薛定谔的成就过分渲染时，他也没有完全排除发生科学革命的可能性。天件谦和与对新闻机构作法的反感很可能是爱因斯坦把自己开创的革命看作为“进化”的主要原因。
此外，对年轻的富有理想的知识分子来说，在1905和1906年出现“革命”一词，同1917年后的意义完全不同。爱因斯坦把他的工作看作是进化的而不是革命性的主要论述，是在1917年俄国革命和第一次世界大战结束后很快遍及中欧的革命夭折后做出的，当时柏林的大街上还在进行着血腥的战斗。从2050年代，正如我们所知，爱因斯坦乐于撰写论述伽利略（也许还有牛顿）革命的文章，他还多次写过评述麦克斯韦革命的文章。我认为，重要的是在爱因斯坦40年代写的自传中，占有突出鲜明地位的，是他对麦克斯韦革命的论述，那是一种强烈而明快的论述。当爱因斯坦谈到麦克斯韦革命是由法拉第、麦克斯韦和赫兹共同做出（还附加了麦克斯韦具有“狮子般的领袖地位”）的时候，毫无疑问他强调的是观念变革的深度，而没有顾及时间的跨度。因为法拉第的论文发表于19世纪3O年代，赫兹的论文发表于19世纪90年代，这场革命横跨半个多世纪的漫长时间。这个例子表明爱因斯坦思想中的伟大科学革命不能同突发性的、剧烈的政治事件进行严格的类比，政治变革是以统治形式的更替为特征的。
爱因斯坦先前的助手巴纳什·霍夫曼曾写过几部关于爱因斯坦和现代物理学的书。他告诉我他从未听到爱因斯坦说过任何反对发生科学革命的话。在霍夫曼同爱因斯坦长期的秘书和朋友合作写的一本书中，霍夫曼依据大量有关爱因斯坦革命的论述，发现爱因斯坦的科学观并不自相矛盾。霍夫曼把爱因斯坦曾用于伽利略和麦克斯韦的科学但没有用于他自己的科学的那些评语照搬于爱因斯坦的科学。英费尔德在他所写的论述爱因斯坦和相对论的书中，称狭义相对论是“第一次爱因斯坦革命”（1950，23；40），广义相对论是“第二次爱因斯坦革命”。英费尔德是爱因斯坦的亲密助手，并和爱因斯坦合作完成了《物理学的进化》（1938）一书。英费尔德评价爱因斯坦对量子理论的贡献是量子理论“这场未完成的伟大革命”的一个主要步骤，它是“革命的同时也是调和的”。记者亚历山大·莫斯柯夫斯基曾报道过大量同爱因斯坦谈话的内容，他说狭义相对论体现了“物理学思想的革命性转变”（1921，113），广义相对论要求“革命性的自然观念”（p．6），“我们中间很少有人意识到沿着爱因斯坦观念的发展线索，等待我们的是更深刻的内在革命（p．141），普朗克，这位在思想和言论上均比较保守的人在宣称爱因斯坦工作的极端革命性方面显然没有丝毫的犹豫（霍尔顿1981，14）：
这种关于时间的新的思维方式极大地要求物理学家具有抽象和想像的能力。他远远超过在理论科学研究中甚至在知识论中取得的任何惊人的成就……，相对论引起的世界观的革命，就其影响的深度和广度来说，只有哥白尼引进的新的宇宙体系所导致的革命可与之相比。
但丹尼斯·西夏马（1969，ix）发现：“牛顿运动定律其自身的逻辑是不完整的，从中产生的问题一步步导致了极端复杂的广义相对论”。有许多科学家和历史学家认同爱因斯坦的观点，认为相对论是已有科学观念的扩展和改进，同样也有许多证据表明相对论是本世纪最伟大的革命之一，是一场主要的科学革命。
爱因斯坦在大量文章中以及自传中都认为，进化和革命均是科学发展的要素，现今已经成为两项重要的研究课题。吉拉德·霍尔顿（1981）集中研究爱因斯坦关于相对论进化性质的表述和他1947年声明反对薛定谔宣称的革命的立场。因此他只是提到了但并没有讨论爱因斯坦致哈比西特的有关量子理论的信，也没有考察爱因斯坦许多关于麦克斯韦革命的论述。另一方面，马丁·克莱因（互975）在了解到爱因斯坦关于相对论是科学进化过程中的一部分这一思想的同时，他也研究了爱因斯坦关于革命的论述——这类论述同麦克斯韦、薛定谔和爱因斯坦自己的光量子假说联系在一起。
爱因斯坦的科学成就
吴 忠 超
爱因斯坦是历史上继牛顿之后最伟大的科学家。他是狭义相对论的重要发现者，他对量子理论的创立具有重大的贡献，而广义相对论，亦即现代引力论的建立，则应全部归功于他。
十九世纪末期，麦克斯韦成功地把电学和磁学统一在他的电磁理论中，从他的方程推导出，电磁波在真空中传播的速度刚好是光速，于是他断定光波应是电磁波的一种。麦克斯韦因为家族遗传的疾病，只活了四十八岁，因此没有看到电磁波实验的成功。在牛顿的绝对空间、绝对时间以及伽利略的旧的相对性原理框架中，只有以无限速度运动的物体，在相对匀速运动的坐标系中才具有相同的速度，即无限速度。而牛顿的万有引力认为是以无限速度传递的，所以在麦克斯韦之前，牛顿物理学被认为是自洽的，而电磁波是以有限速度传播的，在旧的相对论框架中，它的速度会因坐标系的选取而改变，这样他的方程只能在一个特定的坐标系中成立，这个坐标系被认为是相对于一种称为以太的媒介静止。于是寻求以太的存在便成为科学的主题。迈克尔逊——莫雷实验的结果否认了以太的存在。爱因斯坦在1905年发表了一篇题为“运动物体的电动力学”的论文，指出如果将时间和空间组成四维的时空，而在参考系进行相对匀速运动时，时空坐标遵照所谓的洛伦兹线性变换，则一切物理定律包括麦克斯韦方程都应采取相同的形式。这样一来，以太的存在便完全是多余的。爱因斯坦在发表狭义相对论之前是否知悉迈克尔——莫雷的实验仍是科学史上的一个悬案。
这篇论文抛弃了牛顿的绝对时空观，导致物理学上的一场革命。由洛伦兹变换导出的尺缩、钟慢以及双生子佯谬都和人们的直觉相抵触。而著名的质能等效公式则是核能乃至核武器的理论根据。
1900年普朗克为了解决黑体辐射的紫外灾难问题，提出了辐射的量子理论，即是光辐射必须采取一种称作量子的波包形式。但是只有在爱因斯坦提出光子理论之后，人们才真正接受光可以粒子即光子的形式存在。普朗克曾经是爱因斯坦关于狭义相对论第一篇论文的审稿人。既然光波可以作为粒子而存在，那么电子等物质粒子能否以波动而存在呢？这是法国的一名研究生德·布罗依的设想，爱因斯坦得知后立即支持这一激进的假说。这些都是量子理论发现的前奏。爱因斯坦因他的光子理论而获得诺贝尔物理学奖。其实爱因斯坦对相对论的贡献远为重要，但是诺贝尔评奖委员会对激进的相对论持谨慎的态度。事实上迄今诺贝尔奖从未为理论相对论家颁发过。终其一生，爱因斯坦从未接受量子理论为终极理论，他认为量子力学只是一种唯象理论，而终极理论必须是决定性的。我们知道，就现状而言，量子力学并不自洽。它仍然在忍受着爱因斯坦——罗逊——帕多尔斯基佯谬的折磨。近年的一些研究似乎在一定程度上解脱了薛定谔猫佯谬对它的折磨。
狄拉克把狭义相对论和量子力学相结合，得到了极富成果的量子场论。量子场论是描述一切微观粒子的理论框架。从狄拉克方程可以推导出反粒子的概念。量子电动力学可能描述电子、光子、正电子的湮灭、创生和相互转变。人们由此进而发展出当代粒子物理学。
爱因斯坦说过，如果他不发表狭义相对论，则在五年之内必有他人发表。其实当时洛伦兹和彭加莱已经非常接近这个结果了。可惜洛伦兹无法挣脱旧的时空观，而彭加莱又主要是一位杰出的数学家，因此只有眼光敏锐、思维深邃的爱因斯坦担任这项历史任务。值得提到的是，当时洛伦兹已是世界闻名的物理学家，彭加莱是法国首位数学家，而爱因斯坦大学毕业后，连中学教员的职务都找不到，借助朋友介绍才在伯尔尼专利局任一名职员。
他接着说，如果他不在1915年发表广义相对论，则人们至少得等待五十年。这个估计是非常合情理的。广义相对论是狭义相对论和引力论相结合的成果。它的一个实验基础是伽利略在比萨斜塔进行的自由落体实验，即引力质量和惯性质量的等效性。但是为了充分阐释其物理含义，人们等待了三百年之久，也就是等待到广义相对论的发现。所以若不是爱因斯坦，再等待五十年是很有可能的。
我们在浏览爱因斯坦文集第六卷时，就可以看到他所进行的多次不成功尝试，这是人类理智的蹒跚学步。他认为引力场和其他物质场不同，它是以时空的曲率来体现的，物质使时空弯曲，而时空又是物质的载体，脱离物质的时空曲率即是引力波。所谓广义相对论原理即是，物理定律对任何坐标变换都采用相同的形式，而狭义相对论原理是，物理定律只对任何洛伦兹线性变换都采取相同的形式。引力场由所谓的爱因斯坦方程所制约。它是非线性的，有别于以往所有的场方程。所以物质的运动方程被爱因斯坦方程所隐含。引力场方程是二阶的，以时空为自变量，以度规为因变量的带有椭圆型约束的双曲型偏微分方程。其复杂而美妙对任何曾与之打交道的人都留下深刻的印象。在广义相对论的框架内，爱因斯坦进行了引力红移、水星近日点进动以及光线受引力场折射等计算。而他关于光线在太阳引力场附近受到折射的预言在1919年西非日食的观测中得到证实。他的方程如此难解，以至于他在这些计算中，使用的只是一个近似解，所依赖的主要是他的无比的物理洞察力。而球面对称的准确解——史瓦兹解是在此之后才找到的。
他首次用引力场方程来研究宇宙的整体，开创了理论宇宙学的新学科。可惜由于稳态宇宙的观念是如此根深蒂固，使他拒绝了演化宇宙的解，他还为此在场方程中引进一项宇宙常数，从而人类失去了一项重大的科学预言机遇！1929年哈勃观察到星系光谱红移和距离的线性关系，即所谓哈勃定律。人们把红移归结于宇宙的膨胀，并断言宇宙是由于一百多亿年前的一次大爆炸产生的，这就是所谓的标准的大爆炸宇宙学。
他的场方程还得出紧致物体的引力坍缩的解，即史瓦兹解及其推广，这就是描述黑洞的解。但是爱因斯坦认为物质不可能如此紧致，并著文认为这是荒谬的。但是历史证明，黑洞是天体物理中最重要的物体，近年天文观测，使人们普遍认为在星系中心存在巨大质量的黑洞。事实上，宇宙本身和黑洞正是理论物理学最美妙的研究对象。如果撇开宇宙和黑洞，则物理学的光彩将会大为逊色！
爱因斯坦在布朗运动、作为激光机制的基础�
