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爱因斯坦的科学成就
来源: 本站原创   点击数:10863   更新时间:2005-09-07

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的辐射理论、玻色——爱因斯坦统计及其凝聚现象都有关键性贡献。他和玻尔有关量子力学的论争是科学史上旷日持久的影响深远的事件。他坚信自然界中的一切相互作用都可统一成一种作用。统一场论是科学皇冠上的钻石!当代的超对称、超引力、超弦理论都是统一场论路途上的种种尝试。 
      相对论在近四十年来有了长足的进展,尤其经典相对论已成为成熟的学科。相对论在近世的进步,主要归功于彭罗斯和霍金。彭罗斯利用全局分析以及拓扑工具,赋予高深的相对论计算以鲜明的物理意义,以他命名的彭罗斯图对于时空犹如费因曼图对于粒子物理那样重要。霍金和彭罗斯一道证明了奇胜定理。他单独证明了黑洞面积定理以及黑洞视界面积代表黑洞的熵。他的黑洞蒸发理论把量子场论、广义相对论以及统计物理统一起来,其理论的瑰丽,犹如一道佛光,令人目眩神摇。而他的量子宇宙学的无边界假说,是研究宇宙创生的科学理论。 
      笔者认为,引导爱因斯坦以及后代科学家生涯的最大动机,不是财富,不是名声,也不是别的更高尚的目标(尤其是财富和名声可以凭借其他更快捷的手段获取)。他们的主要动机是科学的好奇心和科学的美学。我们可以在历史中找到许多例子,有多少人恰恰是为了科学牺牲世俗中的健康、财富和名声。但是普天之下人们所拥有的一切除了科学发现和艺术创造的喜悦之外都是可能被剥夺的。人类对好奇和美的不懈追求将把人类带向更美妙的未来! 
     写于爱因斯坦一百二十周年生日前夕

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