世紀(jì)偉人愛因斯坦
1999年12月26日,愛因斯坦被美國 《時代周刊》評選為 “世紀(jì)偉人”。
阿爾伯特·愛因斯坦于1879年3月14日,上午11:30誕生于德國烏爾姆市火車站大街135號。小阿爾伯特到了四五歲時還不大會說話,父母為之擔(dān)心著急,唯恐兒子會是低能兒甚至是個傻子。但這個不善言談的小孩,卻常常自發(fā)地對周圍的事物感到特別的好奇。愛因斯坦本人曾這樣寫道:“當(dāng)我還是一個四五歲的小孩,在父親給我看一個羅盤的時候,就經(jīng)歷過這種驚奇,這只指南針以如此確定的方式行動,根本不符合那些在無意識的概念世界中能找到位置的事物的本性的 (同直接 ‘接觸’有關(guān)的作用)?!被蛟S這種“驚奇”正是促使人們進(jìn)行創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)的原始動力!當(dāng)牛頓對于蘋果為什么會落地而感到驚奇時,促使他通過對開普勒三定律的數(shù)學(xué)分析而揭示出萬有引力定律。瓦特通過對水蒸氣推動壺蓋的 “驚奇”,而發(fā)明了蒸汽機,從而有力地推動了人類的第一次工業(yè)革命。
除了對大自然的驚奇,使人們產(chǎn)生另一種完全不同的驚奇,那就是人類思維對大自然的準(zhǔn)確把握。愛因斯坦也這樣寫道:“在12歲時,我經(jīng)歷了另一種性質(zhì)完全不同的驚奇:這是在一個學(xué)年開始時,當(dāng)我得到一本關(guān)于歐幾里得平面幾何的小書時所經(jīng)歷的。這本書里有許多斷言,比如,三角形的三個高交于一點,它本身雖然并不是顯而易見的,但是可以很可靠地加以證明,以致任何懷疑似乎都不可能?!?/p>
愛因斯坦又寫道:“在12~16歲的時候,我熟悉了基礎(chǔ)數(shù)學(xué),包括微積分原理。這時,我幸運地接觸到一些書,他們在邏輯嚴(yán)密性方面并不太嚴(yán)格,但是能夠簡單明了地突出基本思想??偟恼f來,這個學(xué)習(xí)確實是令人神往的;它給我的印象之深并不亞于初等幾何,好幾次達(dá)到了頂點——解析幾何的基本思想,無窮級數(shù),微分和積分概念。我還幸運地從一部卓越的通俗讀物中知道了整個自然科學(xué)領(lǐng)域里的主要成果和方法,這部由伯恩斯坦創(chuàng)作的 《自然科學(xué)通俗讀本》幾乎完全局限于定性的敘述,這是一部我聚精會神地閱讀了的著作?!?/p>
17歲的愛因斯坦作為數(shù)學(xué)和物理學(xué)的學(xué)生進(jìn)入了瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué),當(dāng)時愛因斯坦已經(jīng)學(xué)過了一些理論物理學(xué)了。在那里,愛因斯坦遇到了幾位卓越的老師,如著名的數(shù)學(xué)家胡爾維茲和閔可夫斯基,但愛因斯坦由于迷戀于同經(jīng)驗直接接觸,大部分時間耗在物理實驗室里工作。而在一定程度上忽視了數(shù)學(xué),他認(rèn)為數(shù)學(xué)分成了許多專門領(lǐng)域,每個領(lǐng)域都能費去人們所能有的短暫的一生。愛因斯坦自己描述說:“因此,我覺得自己的處境像布利丹的驢子一樣,它不能決定究竟該吃哪一捆干草?!辈祭锏な?4世紀(jì)法國的哲學(xué)家,他傾向于決定論,認(rèn)為意志是環(huán)境決定的。而反對他的人提出這樣一個例證來反駁他:假定有一頭驢子站在兩堆同樣大、同樣遠(yuǎn)的干草之間,如果沒有自由選擇的意志,它就不能決定究竟該先吃哪堆干草,結(jié)果就會餓死在兩堆干草之間。后人就把這個論證叫做 “布里丹的驢子”。我們這里引用愛因斯坦上面的表述,是想說明愛因斯坦確實在開始對數(shù)學(xué)有所忽視,以至于在1908年,當(dāng)他的數(shù)學(xué)老師閔可夫斯基針對他1905年的著名論文 《論動體的電動力學(xué)》發(fā)表的 《時間和空間》,利用四維偽歐時空,對愛因斯坦的狹義相對論中的時空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一種美妙的數(shù)學(xué)表述。愛因斯坦卻說:“閔可夫斯基把我的相對論,弄得我自己都不懂了。”據(jù)說,當(dāng)閔可夫斯基第一次讀到愛因斯坦關(guān)于狹義相對論的論文時,并不知道作者愛因斯坦竟會是他自己的學(xué)生,因為愛因斯坦很少去上這位老師的數(shù)學(xué)課,因此當(dāng)愛因斯坦第一次讀到閔可夫斯基的文章時,也不知道自己還有這樣一位杰出的數(shù)學(xué)老師。今天,我想大多讀者是會知道歐幾里得幾何的,或者大多數(shù)中國人知道我國古代人創(chuàng)立的勾股弦定律:勾3、股4、弦5。
我們知道,初等幾何學(xué)是從平面上的度量關(guān)系開始,它包括對于一個確定方向 (即沿某一確定的 “直線”)長度(距離)的測量,和不同方向長度測量間的關(guān)系。并引入角度和多邊形及圓 (包括橢圓)的概念,并進(jìn)一步研究表征這些圖形的參數(shù)及各參數(shù)間的關(guān)系。再進(jìn)一步的發(fā)展,就是將平面上的結(jié)果擴展到三維空間 (及多維空間)。多維空間的引入,從數(shù)學(xué)觀點看,僅僅是形式上的廣延,而在物理學(xué)看來則是對包含多個獨立參數(shù)之物理體系表述的需要。
對于三維空間,將平面上的關(guān)系推廣到三維立體空間關(guān)系,就可建立空間度量關(guān)系。而物理學(xué)是在時間和空間中來表述物質(zhì)的運動和演化過程的。即除了上面的空間距離,還要包括時間t。而牛頓力學(xué)認(rèn)為時間和空間是互相獨立的。而愛因斯坦的狹義相對論的時空結(jié)構(gòu)是利用羅侖茲變換加以表述的。閔可夫斯基發(fā)現(xiàn):狹義相對論的時空結(jié)構(gòu)從幾何上意味著存在一個時空間隔S,它滿足特定的代數(shù)方程,并可用不同形式加以表述。此關(guān)系包含了現(xiàn)代物理學(xué)的時間和空間的重要法則。此時愛因斯坦超光速運動不可能存在的推斷就可表述為時空間隔的號差不變來表述。
如果說,在牛頓力學(xué)的歐幾里得三維空間中,基本長度的度量取決于空間距離r,它和時間度量t是獨立無關(guān)的,也就是通常說的絕對時間。那么,在愛因斯坦相對論中,它將被擴展為閔可夫斯基的四維時空間隔。而歐幾里得三維空間的度量特征,仍保留在四維時空的三維子空間中。
將前面討論的,在平直的閔可夫斯基時空結(jié)構(gòu),推廣到彎曲的四維偽黎曼時空結(jié)構(gòu)中,就是廣義相對論的全部數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在愛因斯坦1916年發(fā)表的 《廣義相對論的基礎(chǔ)》的文章中,愛因斯坦一開始就寫道:“下面所要論述的理論,是對今天一般稱之為 ‘相對論’的理論做的可能想象得到的最為廣泛的推廣;為便于區(qū)別起見,以后我們把上述‘相對論’稱為 ‘狹義相對論’,并且假定以為大家所熟悉。用了閔可夫斯基所給予狹義相對論的形式,相對論的這種推廣就變得很容易;這位數(shù)學(xué)家首先清楚地認(rèn)識到空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)形式上的等價性,并把它應(yīng)用在建立這一理論方面。廣義相對論所需要的數(shù)學(xué)工具已經(jīng)在 ‘絕對微分學(xué)’中完全具備,這種 ‘絕對微分學(xué)’以高斯、黎曼和克里斯托菲關(guān)于非歐幾里得流形的研究為基礎(chǔ),并由李奇和勒維·契維塔建成一個體系,并且已應(yīng)用于理論物理的一些問題上?!睆倪@里,我們可以看出閔可夫斯基所表述的時空形式對廣義相對論建立的重要性。實際上,這種表述形式,對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展都是十分重要的?,F(xiàn)代物理學(xué)中比較成功的理論幾乎都是在閔可夫斯基的時空框架中構(gòu)成的。
愛因斯坦的科學(xué)成就可以說是到廣義相對論的完成就到頭了,后來他試圖建立的統(tǒng)一場論,盡管在概念上十分吸引人,并且在后來人們借用了這個思想從別的角度出發(fā)取得了一些成就,但就統(tǒng)一場論的整體而言,至今仍是不成功的。有一次我與陳省身先生討論愛因斯坦的相對論需要發(fā)展時,他回憶說:“我剛到美國時,去拜訪過愛因斯坦,他勸我搞點統(tǒng)一場論,我才不上他的當(dāng)哩!”所以,盡管愛丁頓的日食觀測,把愛因斯坦推向了名人的寶座,但并不可能把愛因斯坦推上神壇。把愛因斯坦推向神壇的是政治和輿論!科學(xué)成果往往是人類研究成果中的 “陽春白雪”,只為少數(shù)人所理解。就像卓別林所說:“你的相對論世界上沒有人能弄懂,但是你已經(jīng)成為一個偉人?!钡@個偉人并不是靠他的理論完全被人理解所形成的,而是靠政治和輿論塑造的。
在第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束時,德國那個似乎十分牢靠的國家大廈坍塌了。圍繞著政治生活應(yīng)采取什么新形式展開了激烈的爭論。在藝術(shù)和文學(xué)中也試圖為新的尺度開辟道路——那么愛因斯坦的相對論——它往往被人們誤解為:“愛因斯坦的理論斷定或證實了 ‘一切都是相對的’。”它直接威脅的各類權(quán)威的神圣地位,因此自然會遭到各類獨裁主義者的強烈反對。
然而在贊成或反對相對論的爭論中,愛因斯坦的和平主義和反軍國主義,以及他的猶太出身在那緊張的政治氣氛中起著重要的作用。愛因斯坦并非本心所愿地獲得了巨大的名聲,但卻被他的敵人說成是代表典型的猶太精神的江湖騙術(shù)。他們還宣布愛因斯坦的相對論為 “猶太物理學(xué)”。
在20世紀(jì)20年代到30年代初期,愛因斯坦可以說原是一個和平主義者。但是,侵略和掠奪戰(zhàn)爭不斷發(fā)生的現(xiàn)實,打破了他那美好的夢想。特別是1933年希特勒上臺后,德國日益法西斯化,使愛因斯坦意識到新的野蠻戰(zhàn)爭不可避免。他明確表示:“當(dāng)法律和人類尊嚴(yán)必需保衛(wèi)時,我們一定要戰(zhàn)斗。自從法西斯的危險到來后,現(xiàn)在我不再相信絕對的被動的和平主義是有效的了。只要法西斯主義統(tǒng)治歐洲,那就不會有和平。”
由于愛因斯坦的進(jìn)步活動,又因為他是猶太人,因而被德國納粹分子列為重要的迫害對象,幸而他1932年底離開德國到美國講學(xué),才未遭毒手。他在柏林的住屋被查抄和搗毀,他的財產(chǎn)被沒收,他的著作被焚毀,納粹還懸賞2萬馬克要殺害他。面對納粹分子暗殺的危險,愛因斯坦沒有絲毫的畏懼,而是更堅定地戰(zhàn)斗。當(dāng)他的摯友勞厄?qū)懶艅袼麑φ螁栴}采取明哲保身的態(tài)度時,他不顧個人安危,大聲疾呼,指出法西斯就意味著戰(zhàn)爭,和平必須用武裝來保衛(wèi),呼吁美國人民起來同法西斯作斗爭。
在為人類的進(jìn)步事業(yè)而戰(zhàn)斗的歷程中,愛因斯坦一直關(guān)心著被壓迫、被奴役的國家和民族。他反對法西斯滅絕猶太人的暴行,為爭取猶太人的生存權(quán)利而大聲疾呼。但他也反對狹隘的猶太民族主義,希望看到猶太人 “同阿拉伯人在和平共處的基礎(chǔ)上達(dá)成公平合理的協(xié)議,而不希望創(chuàng)立一個猶太國”。這大概是他后來拒絕擔(dān)任以色列總統(tǒng)的重要原因吧!
希特勒的迫害,使愛因斯坦從一個單純的和平主義的科學(xué)家成為了反法西斯的和平斗士。這在公眾的心目中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一個閉門苦思的學(xué)者。
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