阿爾伯特·愛因斯坦，1879年3月14日出生在德國西南的烏爾姆城，一年後隨全家遷居慕尼黑。他父母都是猶太人。愛因斯坦小時候並不活潑，3歲多還不會講話，9歲時講話還不很通暢，所講的每一句話都必須經過吃力但認真的思考，這使得他的父母甚至擔心他可能是智力遲鈍的兒童。據說在1894年愛因斯坦還被慕尼黑中學斥退，學校認為他“調皮搗蛋”。他對德國事物的仇恨加深，不願再作一位德國公民。他說服他的父親，為他申請放棄公民資格，這個要求1896年得到當局批準。他事實上沒有國籍，直到1901年他才獲得瑞士公民資格。愛因斯坦在瑞士阿勞受完中學教育後，於1896年在第二次嚐試中通過了入學考試，進入蘇黎世瑞士聯邦理工學院。畢業後愛因斯坦因沒有得到一個學術職位，隻好以做家庭教師為業，直到1902年他才在伯爾尼瑞士專利局得到一個第三等技術員的職務。他在這裏繼續思考和研究物理學上的問題。1905年，他在《物理學年鑒》雜誌上發表了4篇論文，都是指導20世紀物理學前進的著作。1905年，愛因斯坦在狹相對論、光電效應和布朗運動三個不同領域裏取得了重大成果，表現出驚人的才智。但是，當時科學界對此作出響應的人寥寥無幾，法國著名科學家朗之萬曾對愛因斯坦說，全世界隻有幾個人知道什麼是相對論。大多數人是懷疑的，有的甚至堅決反對。這是因為伽利略和牛頓創立的古典力學理論體係，經曆了200年的發展後取得了輝煌成就。盡管舊的理論體係和新的事實之間出現了尖銳的矛盾，但許多物理學家仍不能擺脫它的束縛。他們力圖把新的實驗事實和物理現象容納在舊的理論框架中，但愛因斯坦卻不迷信前人，他探索著把相對論推廣到更為廣泛的運動情況中去。為此他又研究了整整10年。1916年，愛因斯坦發表了總結性論著《廣義相對論原理》。19世紀末，麥克斯韋電磁場理論和牛頓力學趨於完善，一些物理學家認為“物理學的發展實際上已經結束”，但當人們運用伽利略變換解釋光的傳播等問題時，發現一係列尖銳矛盾，對經典時空觀產生了疑問。愛因斯坦針對這些問題，提出物理學中新的時空觀，建立了可與光速相比擬的高速運動物體的規律，創立了狹義相對論。狹義相對論的基本原理是：（1）在一切慣性係中，基本物理定律都是相同的，稱為狹義相對性原理。（2）在任何慣性係中，真空中的光速都相同，恒定地等於c，且與光源的動無關，稱為光速不變原理。由此得出時間和空間各量從一個慣性係變換到另一慣性係時，應滿足洛侖茲變換，而不是伽利略變換，並導出許多重要結論，主要有：量度物體長度時，運動物體沿運動方向的長度比靜止時縮短，即尺縮效應；量度物體的時間曆程時，運動物體的時間進程比靜止時長，運動的鍾比靜止的鍾走得慢，即鍾慢效應；物體的質量隨運動速度的增大而變大；質量為m的物體具有的總能量為E=mc2（質能關係式）；任何物體的速度不可能超過光速c等，這些結論與大量的高速（接近光速）運動的粒子的經驗事實相符合，特別是在原子核能釋放中，質能關係式被具體化，使人類進入原子能時代，為電磁場、核力場和弱力場理論的進一步發展奠定了基礎。上述理論從相對性原理出發，而且隻對慣性係有效，稱為狹義相對論。相對論使人類的時空觀發生革命性變化，摒棄了牛頓提出的時間、空間與物質運動無關的所謂絕對時間和絕對空間觀念，發現時間、空間、物質及其運動的緊密聯係，為辯證唯物主義提供了典型事實。在狹義相對論基礎上，愛因斯坦根據同一物體的慣性質量（由牛頓第二定律決定的質量）和引力質量（由萬有引力定律決定的質量）總相等的實驗事實，運用“思想實驗”得出重要結論：在局部空間裏，加速係統中的觀察者看到的所有物理現象等同於在引力場中靜止觀察者看到的現象。如一個升降機在沒有引力的空間上升，加速度與地球重力加度相同，機內觀察者觀察到自由釋放的物體下落的規律與站在地麵上的人觀察自由落體運動所得的規律完全一樣。這時機內的人可以認為物體下落是受一個力（慣性力）作用的結果。愛因斯坦引入等效原理，即在一個小體積範圍內萬有引力和某一加速係中的慣性力互相等效，同時把狹義相對論原理推廣為廣義相對性原理，即物理學的基本規律乃至對於任何參考係都相同的自然規律，具有相同的數學形式。以這兩個原理為基礎建立的理論，適用於一切參係，稱為廣義相對論。廣義相對論得出一係列重要結論，認為時間空間將因物質的存在和分布變得不均勻，即發生“時空彎曲”，揭示物質與其存在形式的緊密聯係，空間並不是歐幾裏德的“平直空間”或牛頓的“絕對空間”；並認為這種“時空彎曲”是產生萬有引力的原因，據此建立了引力場論；認為狹義相對論是廣義相對論在沒有萬有引力場時的特殊情況。廣義相對論對現代物理學和現代哲學產生了巨大影響，奠定了現代理論天體物理學基礎。廣義相對論作出三個重要實驗預言：光線在引力場中將彎曲，水星近日點的移動和光在引力場中光譜線會發生紅移。愛因斯坦建立廣義相對論時認為：宇宙中不僅充滿運動著的物質——電磁場，同時存在另一種運動著的物質——引力場。運動的帶電粒子產生在空間傳播的變化的電磁場，形成電磁波；運動的物體產生在空間傳播的變化的引力場，形成引力波。一切具有質量的物質都應相互吸引，而不管該質量的起源如何。光既然具有質量，也應和其他物質通過引力場的傳遞相互吸引，得出引力場和電磁場的存在導致“時空彎曲”結論，物質集中的地方是引力場“濃密”的地方，也是時空彎曲最大的地方，這種時空彎曲產生質量的吸引效應——萬有引力。愛因斯坦在建立電磁場和引力場統一理論——統一場論（愛因斯坦認為，電力、磁力與重力是一個東西的三種表現，如同水、冰和水蒸氣都是由H2O組成一樣。統一場就是要把電力、磁力與重力聯係在一起，而成為宇宙中的一個基本的宇宙力場，也就是統一場。反過來說，統一場是由電力、磁力和重力這三個基本力互相演變與斥合來決定宇宙的性質。宇宙中充滿許多重力波和磁力線，隻要你知道怎樣去利用，它就可以為你服務。）中進一步認為，場和實物沒有本質區別，實物所在地就是場聚集的地方，“拋出去的石子就是變化著的場（引力波），在變化著的場中場強最大的態以石子的速度穿過空間。”連續的“場是惟一的實在”。愛因斯坦相對論的計算方法，實在令人不可思議：如果以每秒26萬公裏的速度移動，其相對位置的鍾表就會以二倍的速度運轉。在移動的速度上，不僅時間，就是物體的大小和質量也會發生變化。假如在這種超高速下，把頭部向前傾並繼續前進，身長可能會比平常縮短一半（有個人為證明這點，嚐試用尺測量了一下，結果無法測量出來，因為尺子也受到同樣作用的影響）。總之，沒有絕對的時間、空間，也沒有絕對的運動；一切可觀察的原理都是相對的。可是，除了說明水星軌道的特殊性以外，幾乎無法推測這個理論的正確性。而要抓住以光速運動的物理動態來印證這個理論的機會，幾乎等於零。所以，愛因斯坦起初也不敢相信，後來經過長期的觀察，發現了光線接近太陽時所產生的折射狀態，才敢確定自己的想法是正確的。然而，大多數科學家對此推論不置可否。1919年出現的日蝕現象，提供了證實的良機。通常日蝕時，赤道地帶都是日全蝕。英國皇家學會派了兩支觀測隊到赤道地區，一隊到巴西，另一隊到幾內亞灣。最終驗證了愛因斯坦理論的正確。量子物理與相對論同為近代物理兩大支柱，不過前者為集體創作，後者卻幾乎是愛因斯坦一人的心血。單憑這一點，若要挑選本世紀最具代表性的物理大師，愛因斯坦就當之無愧。愛因斯坦在科學思想上的貢獻，在曆史上也許隻有牛頓和達爾文可以媲莢。相對論原理的建立是人類對自然界認識過程中的一次飛躍。相對論圓滿地把傳統物理學包括在自身的理論體係之中。廣義相對論開闊了人類的視野，使科學研究的範圍從無限小的微觀世界直至無限大的宏觀世界。今天，相對論已成為原子能科學、宇宙航行和天文學的理論基礎，被廣泛運用於理論科學和應用科學之中。愛因斯坦的偉大成就——相對論，是自然科學發展史上的一個劃時代的裏程碑。
正文 第42章 阿爾伯特·愛因斯坦：改變人類宇宙觀的巨匠（1 / 2）