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超越时空的科学家爱因斯坦

已有 1463 次阅读 2021-10-19 21:16 |系统分类:科普集锦



超越时空的科学家爱因斯坦

 

文 / 杨天林

 

谨以此文献给所有热爱爱因斯坦和对相对论感兴趣的人

 


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1900年,英国物理学家瑞利根据经典统计力学和电磁理论,推出了黑体辐射的能量分布公式。该理论在长波部分与实验比较符合,但在短波部分却出现了无穷值,而实验结果是趋于零。在这个波段,理论值与实验值严重背离的现象,就是物理学上所谓的“紫外灾难”(紫外指短波部分)。

同一年,德国物理学家普朗克(1859-1947年)采用拼凑的办法,得出了一个在长波和短波部分均与实验相吻合的公式,但该公式的理论依据尚不清楚。不久,普朗克发现,只要假定物体的辐射能不是连续变化,而是以一定的整数倍跳跃式地变化,就可以对该公式做出合理的解释。普朗克将最小的不可再分的能量单位称作“能量子”或“量子”。这年的12月14日,他将这一假说报告了德国物理学会,宣告了量子论的诞生。

量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”直接矛盾。因此,量子论出现之后,许多物理学家难以接受,普朗克本人也非常动摇,后悔当初的大胆举动,一度放弃了量子论思想,试图继续用能量的连续变化来解决辐射问题。

第一个意识到量子概念的普遍意义,并将其运用到其他问题上的物理学家是阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955年)。他建立了光量子论以解释光电效应中出现的新现象。光量子论的提出使光的本性的历史争论进入了一个新的阶段。

自牛顿以来,光的微粒说和波动说此起彼伏,爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义,它们均反映了光的本质的一个侧面:光有时表现出波动性,有时表现出粒子性,但它既非经典的粒子也非经典的波,这就是光的波粒二象性。主要由于爱因斯坦的工作,使量子论在提出之后最初的十年中得以进一步发展。

爱因斯坦对物理学的贡献远不止这些。

爱因斯坦是20世纪最伟大的物理学家。他热爱物理学,研究理论物理学是终其一生的伟大事业。或许可以这么说,爱因斯坦是20世纪唯一可以与哥白尼和牛顿比肩的人物。

爱因斯坦成长和生活的时代,物理学正在发生剧烈的变革,那是科学的富有理性的革命。当时涌现出了一大批人物,由于他们的不歇努力,物理学的发展进入了一个新的历史时期。这些人物还包括玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克,等等。他们不仅改变了我们对物理学本身的认识,也改变了我们对遥远宇宙的认识。

由伽利略和牛顿建立的古典物理学理论体系,经历了近200年的发展,到19世纪中叶,由于能量守恒和转化定律的发现,热力学和统计物理学的建立,特别是由于法拉第和麦克斯韦在电磁学上的发现,取得了辉煌的成就。在这些成就面前,不少物理学家已经非常满足,他们认为,物理学领域中的理论框架已经搭建好了,留给后人的,只是在细节方面的修修补补和进一步完善了。

可事实并非如此,接踵而来的却是一系列古典物理学无法解释的新现象:以太漂移实验、元素的放射性、电子运动、黑体辐射、光电效应,等等。在这一系列新现象面前,绝大部分物理学家企图在既成理论的框架内发现不足,寻求解决的办法。

1905年,爱因斯坦还在瑞士的伯尔尼专利局上班。在半年之内,他利用每天八小时工作以外的业余时间,在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献,他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论四篇重要论文。

1905年3月,爱因斯坦将自己认为正确无误的论文送给了德国《物理年报》编辑部。那时的爱因斯坦还有些腼腆,他对编辑说:“如果您能在你们的年报中找到位置发表这篇论文,我将感到很愉快。”这篇论文就是《关于光的产生和转化的一个推测性观点》。

这篇论文把普朗克在1900年提出的量子概念推广到光在空间中的传播情况,提出了著名的光量子假说。爱因斯坦在论文中说,对于时间平均值,光表现为波动性;而对于时间瞬时值,光表现为粒子性。在历史上,爱因斯坦第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一,这一假说经德布罗意的进一步发挥,提出了微观世界普遍存在的波粒二象性。

在论文的结尾,爱因斯坦运用光量子概念成功的解释了经典物理学无法解释的光电效应,推导出了光电子的最大能量同入射光频率之间的关系。10年之后,物理学家密立根才从实验上证实了这一关系。1921年,爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

这只是一个开始。接下来,爱因斯坦在物理学的光、热、电三个领域进行了卓有成效的研究。1905年4月,爱因斯坦完成了《分子大小的新测定法》,5月完成了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。这是两篇研究布朗运动的论文。爱因斯坦当时的目的是,通过观测由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的无规则运动,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。

三年后,法国物理学家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测。从而毫无疑义的证明了原子和分子的客观存在,这使最坚决反对原子论的德国化学家、唯能论的创始人奥斯特瓦尔德于1908年主动宣布:“原子假说已经成为一种基础和牢固的科学理论”。

1905年6月,爱因斯坦完成了开创物理学新纪元的长篇论文《论运动媒质的电动力学》,首次提出了狭义相对论。这是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果,它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机,改变了牛顿力学的时空观念,揭示了物质和能量转化的可能性和相互关系,提出了著名的质能关系式( E = m c 2 ),创立了一个全新的物理学世界,是近代物理学领域最伟大的革命。

狭义相对论不但可以解释经典物理学所能解释的全部现象,还可以解释一些经典物理学所不能解释的物理现象,并且预言了不少新的效应。狭义相对论最重要的结论是质量守恒原理失去了独立性,他和能量守恒定律融合在一起,质量和能量是可以相互转化的。在他的理论框架内,古典力学就成了相对论力学在低速运动时的一种极限情况。这样,力学和电磁学也就在运动学的基础上统一起来了。

1905年9月,爱因斯坦写了一篇短文《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。质能互相转化的假说是原子核物理学和粒子物理学的理论基础,也是利用原子能以及制造原子弹的理论依据。

只用了半年时间,就取得了如此辉煌的成就,可以用“石破天惊”来形容。这一年,爱因斯坦才26岁。有这么辉煌的事业作陪衬,又是一个如此令人羡慕的年龄。爱因斯坦对当时和未来一定是充满信心的。即使他就此放弃物理学研究,即使他在上述三个领域只突破了其中一个,在物理学上,他都会留名青史。因此,在很大程度上,可以说,是爱因斯坦成就了物理学的新时代。

爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设之上的。第一个假设是相对性原理,即物体运动状态的改变与选取任何一个参照系无关;第二个假设是光速不变原理,即对任何一个参照系而言,光速都是相同的。在这两个基本假设中,爱因斯坦已经抛弃了经典物理学中的“以太”假说和绝对时间、绝对空间的概念。

爱因斯坦从这两个基本假设出发,很自然地得到了洛伦兹变换,并由此得出如下新的结论:(1)运动物体在运动方向上长度缩短。(2)运动着的时钟要变慢。(3)任何物体的运动速度都不可能超过光速。(4)同时性是相对的,在一个惯性系中同时发生的事情,在另一个运动着的惯性系中测量便不是同时发生的。(5)如果物质运动速度比光速小得多,相对论力学就变为牛顿力学,比起牛顿力学来,相对论力学具有更普遍的意义。(6)物体的能量等于物体的惯性质量乘以光速的平方。

在日常生活中,我们很难理解爱因斯坦的狭义相对论,因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动,根本无法察觉到爱因斯坦所描述的相对论效应:长度变短、时钟变慢。但如果接近光速的运动能变成现实的话,一个以这样速度运动的人,在另一个静止的观察者看来,就只能是一条线。另外还会出现这样的景象:一个人坐上光子火箭,以接近光速去星际旅行。一年后他回来,发现自己的儿子已是白发苍苍的老人,而自己还是那样年轻。古代中国人的“天上一日,世上一年。”的传说在爱因斯坦这里找到了理论根据。确实是科学上的一个奇迹了。

在这一年,爱因斯坦的大学老师、著名几何学家闵可夫斯基提出了狭义相对论的四维空间表示形式,为相对论进一步发展提供了有用的数学工具,可惜爱因斯坦当时并没有认识到它的价值。

爱因斯坦的狭义相对论成为当时物理学界革命性的成果。正当人们对他的这一成果议论纷纷时,他又向着新的目标前进了。他力图把相对性原理的适用范围推广到非惯性系。1907年,爱因斯坦发表了长篇论文《关于相对性原理和由此得出的结论》,论文指出,自然规律与参照系的运动状态无关,相对性原理不仅对做匀速运动的参照系成立,而且对做加速运动的参照系也同样成立。

我们或许还记得,伽利略曾在一实验中证明,在引力场中,一切物体都具有相同的加速度,与它们的组成、结构和质量大小无关。绝大多数人只用接受的眼光看问题,爱因斯坦却用发现的眼光看问题,他从伽利略的这一发现中找到了突破口,这意味着惯性质量与引力质量相等。据此,爱因斯坦提出了等效原理:即引力场同参照系的相当的加速度,在物理上完全等价。这样他就把相对性原理扩大到匀加速的参照系中,并指出匀加速的参照系和均匀引力场等效。这构成了广义相对论的基础。

等效原理的发现,给爱因斯坦带来了一段愉快的时光,但以后的工作却十分艰苦,并且走了很大的弯路。1911年,他分析了刚性转动圆盘,意识到引力场中欧氏几何并不严格有效。同时还发现洛伦兹变换不是普适的,等效原理只对无限小区域有效,等等。这时的爱因斯坦离提出广义相对论已经不远,但他还缺乏建立广义相对论所必需的数学基础。

1912年,爱因斯坦回到位于苏黎世的母校(苏黎世联邦工业大学)工作。在同班同学、也同在该校任数学教授的格罗斯曼的帮助下,他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。经过一年的努力,于1913年发表了重要论文《广义相对论纲要和引力理论》,提出了引力的度规场理论。这是首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。

不过,他们当时得到的引力场方程只对线性变换是协变的,还不具有广义相对论原理所要求的任意坐标变换下的协变性。这是由于爱因斯坦当时不熟悉张量运算,错误的认为,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,不得不放弃普遍协变的要求。

1916年,爱因斯坦完成了总结性论文《广义相对论的基础》的写作。这篇论文的发表标志着广义相对论的诞生。

广义相对论实际上是关于空间、时间与万有引力关系的理论,它指出空间与时间不可能离开物质而独立存在,空间的结构和性质取决于物质的分布。狭义相对论已经指出,时间、空间是一个整体,即四维时空。广义相对论进一步指出,物质的存在会使四维时空发生弯曲,万有引力并不是真正的力,而是时空弯曲的表现。如果物质消失,时空就回到平直状态。

广义相对论认为,质点在万有引力作用下的运动,如地球上的自由落体,行星围绕太阳的运动等,是弯曲时空中的自由运动——惯性运动。它们在时空中描出的曲线,虽然不是直线,却是直线在弯曲时空中的推广——短程线,即两点之间的最短线。当时空恢复平直时,短程线成为通常的直线。

广义相对论指出,在引力场的区域,空间的性质不再服从欧几里德几何,而是遵循非欧几何。并由此得出结论:现实的物质空间不是平直的欧几里德空间,而是弯曲的黎曼空间(即三角形三个内角之和大于180°、曲率为正的空间),它的弯曲度取决于物质在空间的分布情况。物质密度大的地方,引力场的强度也大,空间弯曲也厉害,时间也要相应地变慢。

广义相对论虽然深奥难懂,但爱因斯坦根据广义相对论所做的三个预言后来都被实验所证实,人们开始把爱因斯坦与牛顿相提并论。这三个预言是,水星近日点的进动、光谱线的引力红移和引力场使光线偏移。

爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一,它呈现给我们的不是一个孤岛,而是一片富含科学思想的新大陆。相对论提供的新的自然观,在其发展进程中,必然深刻地影响我们对于物质和宇宙的观念。在解释万有引力时,广义相对论用引力场中呈现弯曲的自然路径的理论去代替吸引力的观念。完全改变了我们关于广袤宇宙的看法。

如果采用欧几里德的空间与牛顿的时间,我们自然以为存在是无穷的,空间无限地延伸到最遥远的恒星以外,时间则通达过去与未来,一切都均匀而永恒地流逝着。但是,如果我们进入连续时空区,由于物质在空间的分布情况而造成时空的弯曲,我们就进入另一思想境界了。时间或许仍然是无止境地流逝着,而空间的弯曲则告诉我们,宇宙似乎是有限的了。

1915年,爱因斯坦又回到普遍协变的思想。他集中精力探索新的引力场方程,在一篇论文中,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。在另一篇论文中,他根据新的引力场方程,推算出光线经过太阳表面所发生的偏转是1.7弧秒,同时还推算出水星近日点每100年的进动是43秒,成功地解决了60多年来天文学的一大难题。

1916年,爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时发现,一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波,从而提出引力波理论。约60年后,引力波的存在得到了间接证明。

1917年,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构,发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。论文分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念,指出它同牛顿引力理论及广义相对论都是不协调的。他认为,可能的出路是,把宇宙看作一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区。由此得出了一个重要推论,即宇宙在空间上是有限无边的。在人类的科学思想史上,这是一个大胆的创举,它使宇宙学摆脱了纯粹的猜想和思辨状态而进入现代科学领域。

构筑了广义相对论的大厦之后,爱因斯坦依然感到不满足,他要把广义相对论再加以推广,使它不仅包括引力场,也包括电磁场。他认为,这是相对论发展的第三个阶段,统一场论就是在这个思想背景下提出来的。

1925年以后,爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。开头几年他非常乐观,以为胜利就在眼前,后来才发现困难重重,他认为现有的数学工具不够用,于是,从1928年以后,开始转入纯粹数学的探索。他尝试着用各种方法,但都没有取得具有真正物理意义的结果。

在此后的二十多年里,除了关于量子力学的完备性、引力波以及广义相对论的运动问题以外,爱因斯坦几乎把他的全部精力用于统一场论的探索。

统一场理论成为晚年爱因斯坦梦想超越的高峰,但他最终没能如愿。由于他远离了当时物理学研究的主流方向,想独自去搬走一座大山。因此,在物理学界,晚年的爱因斯坦非常孤单,甚至有些孤立。可他依然无所畏惧,毫不动摇地走自己认定的道路,直到临终的前一天,他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。

不论从哪个角度看,爱因斯坦都是一个伟大的科学家,是一个富有哲学头脑和探索精神的杰出的思想家,也是一个有高度社会责任感和正直的人,还是一个多才多艺和富有生活情趣的人,他甚至超越了家庭、超越了国界而关注整个人类的命运。在下这些评语时,意味着我们正在给爱因斯坦身上笼罩更多美丽的甚至充满神性的光环。把一个人性格的两重性和人生观的两重性给忘了。

当我们说爱因斯坦4岁还不会说话和中学成绩平庸时,在我们的心里,爱因斯坦是那么的可爱和特异,似乎不再是一个缺点。这多多少少映衬着我们的心理向往和情感寄托。事实上,爱因斯坦小时候未必就那么愚笨,他可能并不引人注意,说话也不够伶俐。但他的天分和后来的勤奋都是一个不可忽略的因素。明白了这一点,我们也就能大致明白自己在社会的定位和在未来发展中所扮演的角色了。

 




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