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数理化通俗演义: 第六十二回太阳作证 相对论颠扑不破，纳粹逞凶 科学家流落异国——广义相对论的创立
上回说到普朗克和能斯特专程到苏黎世劝说爱因斯坦到柏林来工作。盛情难却，爱因斯坦便于1914年4月走马上任，从此在柏林渡过了十九个年头。 爱因斯坦刚到柏林不久就遇到两件大事，一是爆发了第一次世界大战；二是他的妻子米列娃与他分居，带着两个孩子回苏黎世去了。米列娃是他大学时的同学，俄国血统，性格倔强，她带认为自己也是很有科学天才的，而爱因斯坦这样把孩子和家务都压在她身上，耽误了她的成就，便决定分手。好不聪明的女人！其实，这样一个世界伟人整个都是属于你的，你与他已溶为一体，复又何求呢？纵然不能如玛丽与居里那样比翼齐飞，就如爱玛与达尔文那样红花绿叶，也同样会家庭幸福，有功于世，何必要单枪匹马自闯江湖呢？青年读者中或许从这三个科学家的家庭组合中能悟出一点道理。不过这是说书人的闲话，暂且不表。 再说1914年米列娃带看孩子走后，第二年九月，爱因斯坦想子心切，又回苏黎世探亲一次，顺便拜访了正住在日内瓦附近的法国大作家罗曼•罗兰。幸好这个大作家在他的日记里为我们留下一幅爱因斯坦的素描像，而我们只顾讲他的理论，却倒忘了介绍他的外貌，现正好录存于下： 爱因斯坦依旧是个年轻人(他当时36岁)，个子不高，长方脸，深黑的、略微夹杂着几根灰白的头发，长而且密，鬈曲着耸在高高的眉毛之上，他的鼻多肉且凸，他的嘴小而唇厚。双颊丰满，下巴圆润，留下一小撮剪得短短的胡子。一口生硬的法语，不时穿插一两句德语。他活泼、富有朝气，喜欢笑。不时在最严肃的思想(交换)中，夹杂着几句俏皮话。 ……没有任何德国人的言行能像他这样自由自在。换一个人也许会在去年这一可怕的时期里深受孤立的折磨，但他却毫不如此。他大笑。他发现在战时仍有可能撰写自己最重要的科学著作。 罗曼•罗兰这里说到爱因斯坦一到德国就受“孤立的折磨”，又说他在写重要著作，是怎么一回事呢？ 原来大战一爆发，在“保卫祖国”的幌子下德国军队疯狂地向外侵略，国内实行总动员，许多科学家也穿上军装。而当时最著名的学者文人联合发表了一个为德国扩张政策辩护的声明，说：“要不是由于德国的赫赫武功，德国文化早就荡然无存了。”这个声明共有93人签名，学术界的显要人物几乎全包括在内，连普朗克、伦琴的名字也赫然其上，这就是历史上有名的“93人宣言”，它使一些科学家留下了终生遗憾的污点。 声明起草者也找到爱因斯坦，他虽然新来乍到，却义正辞严地宣布：“我是和平主义者，我反对一切战争！”接着他也出面起草了一份与“93人宣言”对抗的“告欧洲人民书”，但是除他一人签名外，其余只有三人，都没有什么名气。一时他确很孤立。 爱因斯坦就在这样孤立的情况下写他的科学著作，这回是一枚重量级的炸弹——广义相对论。 问题还是从一般人认为最平常、最不注意的地方提出的。 牛顿第一定律即惯性定律告诉我们，在作匀速直线运动的惯性系中，物体在不受外力的情况下或者静止或者作匀速直线运动，这早已是一条检验过无数次的真理。假如现在我们坐在一个匀速直线运动的火车上，拉紧窗帘，你感觉不出车在动，你自己坐得很稳，地板上放一个小球，也稳稳地停在那里，就是说都保持一个静止状态。这时突然来一个急刹车，你向前跌了一下，球也向前滚去。你和球都没有受到什么外力呀，为什么会改变这种静止状态呢？难道牛顿的惯性定律不适用了吗？对，就是不适用了，牛顿这条定律只适用于匀速直线运动的惯性系，刚才火车一加速，参照系已经变成非惯性系了。这就像我们在前面讲过的“黑体辐射”问题一样，瑞利公式只适用于较长的波长、较高的温度，反之就立即失灵，现在惯性定律一到非惯性系也就立即失灵了。那么能不能像普朗克导出一个两全其美的公式那样，也有一个既适应惯性系又适应非惯性系的办法呢？爱因斯坦正是想到了这一点，于是他要把适用于匀速直线运动的相对论推广到在非惯性系也能适用，这就是广义相对原理。 狭义相对论是从人们习以为常的“同时”，即绝对时间观上找见突破口的，广义相对论也在一个人们司空见惯的问题上找见了突破口。比如手里拿着一粒石子，一松手，石子直线下落。这可以有两个解释，一是地球的吸引，就是说石子有引力质量；二是石子自由落体，有惯性质量。这在牛顿定律里分成两条来表达，但是这两个质量怎么这样一致呢？看来它们的效果是一样的，这就是“等效原理”。 说起这个原理还有一段故事。1913年夏天爱因斯坦邀请居里夫人到瑞士来渡暑假。他们带着两家人的孩子高高兴兴地登上了阿尔卑斯山。脚下白云缭绕，深谷千仞，孩子们高兴地喊着、叫着。突然，爱因斯坦一把抓住居里夫人的手臂说道：“要是我们坐着升降机从山谷底上来，突然吊索断了，会有什么感觉呢？” 居里夫人先是吃了一惊，然后笑道：“我想您不会让我们现在就来亲身试验一下吧。” 爱因斯坦笑了，孩子们也都哈哈大笑起来。这就是那个有名的“爱因斯坦升降机”实验，虽没有谁亲身去试，但是其中的道理却完全能想得出来。假如有一个升降机处在宇宙空间，你站在里面就会失重，身体飘在空中。这时升降机开始以刚好等于地面重力加速度9.8米/秒^2匀速直线上升，你就会恢复重量，重新站在了地板上。换一个方法，升降机下降，降到地面时你也会恢复重量，站在地板上。前一种情况人受到惯性力，后一种情况人受到引力，只要加速系的加速度等于引力场强度(都是9.8米/秒^2)惯性力场就等于引力场，也就是说是等效的。因为人被关在升降机里是根本区分不出是哪种力生成作用的。根据同样道理，这个升降机里不是坐着人，而是一枚向斜上方抛出的匀速直线运动的石子，那么这石子也会改变方向而成抛物线弯曲下落。如果是一条平行射入的光线，这光线也会弯曲向下。 好了，爱因斯坦那天马行空般的思维立即又推出下一步极重要的结论。既然惯性力场和引力场是等效的，那么我这个实验就不必非在加速的升降机里做不可了，在任何引力场中都会发生这种光线弯曲的现象。既然星球有引力能使周围的光线、空间、时间弯曲，那就可以直接表述为星球的质量使周围的时空弯曲，连“引力”这个概念也不必要了。——好个爱因斯坦，他在狭义相对论里开除了“以太”，在广义相对论里又要开除“引力”，将牛顿时空观、经典力学彻底改造了。他解释道，地球绕太阳转动不是什么引力，是因为太阳巨大的质量使周围时空弯曲，地球只能按曲线运动。同样，开普勒给众星制定的那些轨道也都能这样解释，牛顿万有引力公式作的那些计算也都可以用这个理论去解释。 难怪波恩称广义相对论是：“认识自然的人类思维最伟大的成就，哲学的深奥、物理学的洞察力和数学的技巧最惊人的结合。” 这个伟大的理论是爱因斯坦在研究完狭义相对论后又经过十年的思考于1916年最后完成并公布的。与实验物理学家在实验室里具体操作不同，爱因斯坦是做着“思维实验”。对他来说宇宙是一个实验室，那些星球简直如伽利略手中的一粒石子，如法拉第手中的一块磁铁，他将以往别人都认为是正确的最不怀疑的结论一起拿到这个最广大的实验室里一一验证。他不用像玛丽．居里那样住在烟熏火缭中炼镭，也不用像卢瑟福那样去费力地打碎原子，他将自己关在书房里，展开思想的翅膀，尽情地想着“爱因斯坦升降机”的运动。这正中了郭沫若先生在科学大会上的那句祝词：“科学家也需要幻想，不要以为幻想只是文学家的事。”不过文学家所幻想的是比真实生活更离奇的情节，更完整的形象；而科学家所幻想的是比常见的现象更本质的规律，更抽象的公式。 经过这样冥想了十年之后，有一天爱因斯坦穿着睡衣走下楼来吃早饭，但是他对着盘碗却不动刀叉。夫人爱丽莎以为他病了，忙用手试试他的额头，问他什么地方不舒服。爱因斯坦拉着她的手说：“不，亲爱的，我有一个奇妙的想法。”说罢，他使走到钢琴边弹起琴来，弹几下，又停下来自语一句：“一个好想法，真是一个美妙的想法！” 爱因斯坦弹了半个小时的琴翻身上楼去了，临走时告诉爱丽莎：“请不要打扰我”。从这一天起，爱丽莎每天上楼给他送三顿饭，其余的话不敢多说一句。爱因斯坦竟两个星期没有下楼。这天他终于出现在楼梯口，脸色苍白，身子疲惫，体重足减少了十几公斤。他将两页纸放在餐桌上说：“亲爱的，就是它。广义相对论就要问世，现在我死不死都无关紧要了。” 天才的思考抵得过一百个实验，一个理论物理学家的思想往往够实验物理学家去忙几十年。爱因斯坦创立广义相对论后，立即提出三个预言让人们去证明。一是水星近日点的进动会是由于太阳本身引起了空间结构的改变而造成的；二是引力场会使时钟变慢，即会使原子的振动变慢，光的频率变低，光谱红移；三是，引力场会使光线偏折。这三个预言很快被一一验证(不过请读者注意，爱因斯坦这里说的引力场其实并没有引力，就是指的空间弯曲)。 1911年爱因斯坦就曾在一篇论文中提出恒星发出的光由于受太阳的影响会发生弯曲，所以我们看到的恒星位置与实际位置会有一点误差，但由于平时日光太强，只有在日全蚀时才好观察，天文学家们如若不信，请去验证。这可真比当年勒维烈测算海王星还要神奇。于是，1914年有一批好奇的德国天文学家便组成考察队前往俄国(因为预计在那里将可以看到一次日全蚀)，以便乘机验证爱因斯坦的神话。但他们刚到俄国，第一次世界大战就爆发了，德、俄两国成了敌国，他们也就被当作战俘拘留，仪器全部没收。 1919年5月29日，又一次日全蚀的大好时机降临。英国剑桥大学天文台长埃丁顿立即率领一支观测队携带了大批器材赶到西非几内亚普林西比岛。那天这里本来是朗朗晴空，忽然太阳就如一块冰被慢慢溶化一般失去了自己的形象和光彩，最后全部被阴影遮住，只在四周留下一团蔚为壮观的日珥火焰，全蚀时间共302秒钟。片刻白日里看不见的星斗却又神奇般地重现天空。埃丁顿和他的队员们顾不得欣赏这一生难遇的奇景，他们屏息静气，只听见计时节拍器的滴塔之声，和迅速拍照、换底片的喀嚓声。16张照片送到英国皇家学会，结果证明爱因斯坦的理论没有错，而牛顿错了。一个英国天文学家、皇家学会会员用自己的观察数据证明了一个德国人的正确，却推翻了自己的同胞——伟大的牛顿，皇家学会的老会长——的经典理论，科学是多么无私，多么公正。但这件事实在关系重大，英国皇家学会与英国皇家天文学会专门举行联席会议，讨论埃丁顿的考察报告。会议气氛紧张而微妙，它将决定在这场理论物理的角逐中，英国人手中的金杯是否要乖乖地交出来。幸亏我们现在还可以看到当时与会的怀特里德留下的一段记录： 整个充满浓烈兴趣的气氛犹如一出希腊的戏剧。我们则是给在超级市件发展中所揭示出的天意下注释的合唱队。在现场中充满着戏剧性色彩：传统的仪式，背景中有一幅牛顿的画像，它彷佛在提醒我们，二百多年前所作出的最伟大的科学总结现在要接受第一次修正。 而在这次会议召开前洛伦兹就得到了埃丁顿的分析数据，他第一个给爱因斯坦打电报，报告这个天大的喜讯：“埃丁顿在太阳边缘发现恒星位移。”爱因斯坦看完后将电报随手丢在窗槛上。这时，他的一个学生无意中见到这张电报纸，惊喜地喊道：“先生，多么重要的消息，考察结果与您的计算完全一致。” “我知道是会这样的。”爱因斯坦却无动于衷。 学生对老师的平静感到吃惊，又问：“假使这次观察并不能证实您的预言，那怎么办呢？” “那么，我将为上帝感到遗憾——我的理论肯定是正确的。” 但是，在这扭转乾坤的大发现面前都保持了平静的爱因斯坦，在人为刮起的旋风中却再不能平静了。这次科学验证，还有其他两个预言的证实给他带来了巨大的荣誉，就像当年伦琴、居里夫人所遇到过的那样，欧美各国立即掀起一股爱因斯坦热，这对他真是一场灾难。1920年2月他在一封信中写道：“随着报刊文章的浪潮而来的谘询、请帖和要求，恐怖地淹没着我，以致我夜夜梦见自己好像在地狱中受熬煎，而邮递员——这个魔鬼——还在不断地咆哮着，向我头上扔来一叠新的信件。” 但是真正的灾难还不止于此。就在埃丁顿验证了相对论的第二年，柏林立即出现了一个反对相对论联盟。这个卑鄙的组织有反犹太势力做后台，谁要在报上写一篇反相对论的文章，就给谁发一笔奖金。爱因斯坦幽默地称它为“反相对论公司”，公司的一员干将是曾获1905年诺贝尔物理奖和1919年诺贝尔物理奖的勒纳德和斯塔克。这个斯塔克获奖后公然违背基金会的规定，把科学奖金拿去开设瓷器厂，做买卖赚起钱来。爱因斯坦曾当面斥责他的这种行为，因此他更怀恨在心。后来爱因斯坦又获1921年诺贝尔物理奖，在这帮人眼里，低劣的犹太人哪儿配这份重奖？因此排犹和反相对论的叫嚣更加猖狂。 这天在柏林大音乐厅里又在举行声讨相对论的报告，这是最近在全国各大城市举行的20场这样的报告会中的一场，因为是在首都就更显得热闹。斯塔克挺胸上台开始了声嘶力竭的报告： “正如政治上我们遇到一个危险的敌人马克思主义一样，现在我们在科学上也遇到了一个危险的敌人，这就是爱因斯坦东拼西凑的相对论。凡是相信这样一个理论的人就不配作一个好的德国人，更不配作一名德国科学家。这个理论不过是爱因斯坦大肆剽窃，故弄玄虚，披上科学外衣的政治阴谋，这是犹太复国主义国际阴谋的一个组成部分……。” 于是坐在台下的啦啦队跟着大喊起来：“对，什么科学理论，根本不符合德意志精神。”“早该绞死这个臭犹太！” 这时爱因斯坦也坐在楼上的包厢里，面对这群无知而又狂妄的人能说什么呢，他怜悯地笑了笑，还想听听他们的奇谈。陪同前来的物理学家芬厄见势不妙忙拉他起身说：“我们走吧，这班家伙什么坏事也敢干的。” 希特勒的势力在一天天地抬头，他公开喊叫，一旦他上台，就要让马克思主义者和犹太人人头落地。爱因斯坦的处境越来越不好。1932年秋天，他按合同准备出门到美国讲学。正是秋风落叶，冬寒将到之际，爱丽莎收拾着行袋，她拿起一本书《反相对论百人集》，这是勒纳德那个公司的杰作。爱因斯坦刁着烟斗走进来，他接过书掂了掂说：“才凑了一百个，质量还不够啊！”啪地一下扔到了纸篓里。 他刚到美国不久，1933年1月30日这天，希特勒就正式宣布上台。这个疯子就要给地球上制造一场灾难。爱因斯坦立即在报纸上发表自己的声明，严厉指责德国纳粹主义的危害： “只要我还能选择，我就将只生活在这样的国家——在那里普遍遵循的准则是公民自由、宽容和法律面前人人平等。公民自由就是人们有用语言和文字来表达个人政冶信念均自由；宽容就是尊重他的任何信仰。这些条件当前在德国是不存在的。那些对于国际谅解有杰出贡献的人——其中有一些是第一流的艺术家——正在德国受迫害。" 这一下坏了，爱因斯坦在柏林的家立即被查封，他的著作被冲锋队堆在广场上烧成灰烬，他永远不能回到祖国了，从此就在美国定居下来。而美国能收留这个科学伟人真是求之不得。他来到普林斯顿高等研究院，表示每年只要三千美元薪金就足够了，但是院方决不答应，坚持要付年薪一万六千美元，他们认为再少一元就与爱因斯坦的名声不符了。德国柏林，这个世界物理研究中心渐渐就要转移到美国来了。 爱因斯坦这根物理世界的大柱子既然已经移到美国，那么欧洲物理界这时正在做什么事呢？且听下回分解。 |
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