书城传记告诉你一个爱因斯坦的故事
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第14章 战争中的广义相对论

提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决问题也许仅仅是一个教学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性,从新的角度去看旧的问题,都需要有创造性的想像力,而且标志着科学的真正进步。

——爱因斯坦

(一)

当学术界还陶醉于相对论带来的欣喜时,爱因斯坦的目光已经投向了更为广阔的宇宙空间。在那里,恒星、行星、星系以无比宏大的方式运动着,牛顿的万有引力定律早就已经揭示了它们的运动规律,但狭义相对论却无法容纳万有引力定律。而且在考察非惯性系的运动时,狭义相对论也无能为力。

这让爱因斯坦感受到了自己提出的理论的缺憾:一个物理规律,应该在一切参考系中都是相同的,而狭义相对论却如此地偏爱惯性系(匀速运动体系),这不能不说是一种遗憾。

于是,崇尚和谐、完美的爱因斯坦又开始了对广义相对论的研究。

爱因斯坦关于广义相对论的研究早在伯尔尼专利局时就开始了。有一天,他正坐在一把椅子上,突然一个想法从脑海里蹦出来:如果一个人自由下落,那么他就不会感受到自己的重量。

爱因斯坦吃了一惊,这个简单的思想实验对他产生了深刻的影响,将爱因斯坦引入了引力理论。他继续想:一个下落的人被加速,那么他的感觉和判断就都发生在加速的参考系当中。

于是,爱因斯坦决定将相对论扩展到有加速度的参考系中。他感到,这样做也许就能同时解决引力问题。一个自由下落的人感受不到自己的重量,因为可看做在他的加速度参考系中有一个新的引力场,它抵消了地球的引力场。这样一来,在加速度的参考系中,就需要一个新的引力场。

经过进一步的思考,爱因斯坦将思考的结果写入发表在1907年发表的《关于相对论原理和由此得出的结论》论文中。在这里,他提出了一个问题:

“是否可以设想,相对性原理对于相互做加速运动的参考系也仍然成立?”

这也就是说,应该成立一条“广义相对论”原理,即所有参考物体,不论它们的运动状态如何,对于描述自然现象(表述普遍的自然规律)都是等效的。惯性系不应该是自然界中的一种具有特殊地位的参照系。

1913年秋,爱因斯坦从苏黎世前往维也纳参加自然科学家会议时,在会上作了一个关于广义相对论的比较通俗的报告。尽管他的这一理论还没有最终完成,但爱因斯坦已经等不及了。

由于爱因斯坦的反经典意念太强烈,大会因为他的报告而成了一场辩论会,有支持的,有怀疑的,而更多则是反对的。爱因斯坦很喜欢这种场面,因为辩论是人的感官最亢奋的时候,也往往会给自己带来稍纵即逝的灵感。

辩论实在是太激烈了,几乎收不了场。最后,爱因斯坦站起来,在黑板上画了一个示意图,然后说:

“感谢各位,我用我的理论初步推导出天体上星球微弱的光线,从地球上测得,光曲折的角度应该是1.74秒。明年将会有一次日蚀,天文学家们都将会抓住这个观察测量星球的好机会,到时就会测出我计算出来的数据。朋友们,让天文学来结束这次辩论吧!”

第二年,也就是1914年,一群德国天文学家募足了可以从事这项研究的资金,整理好他们珍贵精密的望远镜,动身前往俄国。

这群天文学家安全地抵达了俄国,但却没有带回他们所希望看到的日全食的结果,因为这一年的8月,第一次世界大战爆发了,人类陷入一场浩劫之中,俄国、法国和英国一起向德国宣战。

所以,这群德国天文学家刚刚跨过俄国边境线,就被俄罗斯军队当成间谍逮捕,并关进了监狱。他们携带的仪器也全部被砸碎。一直到4年后战争结束,和平来临,他们才被释放,回到德国。

(二)

爱因斯坦是一位彻底的和平主义者。许多年来,他一直认为,没有任何事情能够使他参加任何战争来对抗自己的同类。他发现,住在德国这样一个好战的国家实在为难,尤其是战争期间,更是尴尬。

战争期间,他再也不能像从前那样与同事们自由地交往了。因为在原来的朋友当中,反战的人太少了。他每天就像躲避瘟疫一样,避开普鲁士科学院和威廉皇家学会那些数不清的研究炮弹、飞机和潜艇的委员会。他将自己锁在工作室里,夜以继日地紧张地进行着广义相对论的研究工作。

这时,爱因斯坦在给朋友的信中写到:

在惊慌失措的欧洲,正在发生某种难以置信的事情。这样的时刻表明,我们是属于多么卑劣的生物品啊!我沉默地继续进行和平的研究与思考,但却被怜悯和厌恶所笼罩。

可在当时,战争的如此浩大,爱因斯坦就算想不予理会也是不可能的。所幸的是,他所从事的研究工作并不会与战争发生关联。他很庆幸自己不是实用科学家,虽然他的同行们由于对毒气及炸药的研究作出杰出贡献而获得莫大的荣誉,但爱因斯坦却不想得到这种殊荣。不过,在舆论方面,有关单位还是希望他能站在德国一边的。

1914年,德国宣称,他们与孤独无助的小国比利时签订的合约只不过是一张废纸。后来,德国侵入了比利时,并给比利时无辜的人民带来了毁灭性的灾难,世界各国对德国的这一卑劣行径深感震惊。全世界的舆论都一致指责德国:

“只有野蛮的人才会这样做,为我们带来文学、科学和音乐的德国人怎么能这样做?这并不是歌德和贝多芬的德国,这是野蛮人的德国!”

德国政府企图在世界舆论法庭上为自己辩护,证明不仅政治家和军事领袖支持他们的这项行动,就连作家、科学家和音乐家也同样支持。

于是,德国文学界的一些人在军国主义分子的操纵下,炮制了一份颠倒黑白的《告文明世界书》,为德国的侵略行径辩护,鼓吹“真正的德国精神”、“德国利益高于一切”的论调,并且煽动和威逼利诱德国科学家的一些名人在《告文明世界书》上签名,表示支持。

这天,三辆军用吉普车闯进了皇家科学院,并直接停在了物理研究所门口。

爱因斯坦正站在窗口想问题,一群黑衣军人忽然进来了,其中的一个挂着少将军衔的人不客气地拉过所长的办公椅坐了下来。他从副官的手中拿过一沓文件,扔到爱因斯坦面前,说:

“爱因斯坦院士,请阅读,请签字。”

爱因斯坦仍然靠在宽大的窗台前,他不是失礼,而是大脑还沉浸在一大堆演算公式当中没回过神来。现在屋子里突然闯进一大群黑衣人,他有些本能地排斥。

爱因斯坦眯着眼睛,看到文件硬皮封面上有几个粗大的字——《告文明世界书》。他拿了起来,冷静地一页页翻过去。到最后的签字页,他匆匆地扫了一眼,非凡的记忆力让他马上就数出一共有92个人。

爱因斯坦猛烈地咳嗽起来,这其实是一种掩饰。因为他突然感到胸闷疼痛沉闷,他尊敬的朋友普朗克、能斯特、奥斯特瓦尔德……的名字,都赫然在目!

爱因斯坦并没有签字,而是礼貌地合上文件,交给了副官。

将军看了看,又说:

“院士先生,请签字吧!”

爱因斯坦沉默了片刻,然后像平时在讲台上一样,提了提裤子,说:

“阁下,战争发生后,再来宣扬自己无罪、别人有罪,已经毫无意义了。现在最紧要的是,在世界各国的监督下,交战各国立即停止战争,销毁武器,致力于恢复和平的工作。所以,我认为,签署这份文件毫无意义!”

将军听了,毫无表情地站了起来,礼貌性地向爱因斯坦行了一个举手礼,然后带着随从离开了。

因为爱因斯坦现在已经不再是德国公民,他是瑞典人,所以政府对他也无可奈何,不能将他当成叛国者。

望着军车的离去,爱因斯坦透过窗户,伸了伸他的大舌头。

(三)

面的侵略战争给人们带来的灾难,爱因斯坦觉得沉默是有罪的,在这样的时刻应该站出来大声疾呼,唤醒那些受到蒙蔽的人民。

于是,他与三位不大有名的人针对《告文明世界书》,发表了一份《告欧洲人民书》,号召整个欧洲人民团结起来,争取和平。这也是爱因斯坦一生当中所签署的第一个政治宣言。

1914年11月,爱因斯坦作为“新祖国联盟”的创始人之一,组织德国反战的知识分子为正义与和平工作。

当然,在参与正义事业的同时,爱因斯坦也没有放弃自己关于相对论的研究。为了能够尽快解开谜团,他努力地钻研格罗斯曼介绍给他的数学工具——黎曼几何和张量分析。

格罗斯曼说得没错,后来爱因斯坦就是利用这两种数学工具创立了广义相对论。广义相对论中的一些方程式就包含了他所寻求的“时空连续性”结构依赖于物体分布的规律。

“时空连续性”在巨大的物体存在的情况下,原来真是非欧几里德的“思维连续统一”。物理学从此得出了这样的推论:三维空间在接近巨大物体时就会发生弯曲,物体时间的进行速度在这种情况下也会引起变化,而弯曲的发生遵循的是黎曼定律。

这就是说,任何物体在进入非欧几里德领域,就开始以曲线运动,就像在弧形路线上的列车顺着给定的弯曲轨道曲度行进那样。而引力之谜,就正好隐藏在这里。

当爱因斯坦熟练地掌握了一系列的数学工具后,他的新思想也渐渐清晰起来。但掌握工具是一回事,利用这一工具来达到预期的目的却需要长期艰苦的、创造性的劳动。对此,爱因斯坦也曾在不少场合以不同方式谈到了这一研究的甘苦与艰辛,这也反映了伟大科学家在科学探索过程中不屈不挠、坚忍不拔的顽强意志和毅力。

后来,爱因斯坦在他的《广义相对论来源》一书中,在谈到他在解决“黎曼度规(即gvu)本身的微分定律是怎样的问题”时,曾经说到:

“它们消耗了我两年极端艰苦的工作,直到1915年底,我才最后终于认清它们的本来面目。”

在这篇文章的结尾,爱因斯坦写到:

从目前已得到的知识看来,这愉快的成就好像是理所当然的。而且,任何有才智的学生不需要碰到太多的困难就能掌握它。但是,在黑暗中焦急地探索的年代里,怀着热烈的向往,时而充满自信,时而筋疲力尽,而最后终于看到了光明——所有这些,只有亲身经历过的人才会懂。

功夫不负有心人,更不会辜负聪明过人而又锲而不舍的伟大科学家。通过整整10年的努力,爱因斯坦终于研究出了广义相对论。其内容主要反映在1913年发表的与格罗斯曼合作的《相对论与引力理论综合理论草案》,以及在这之后发表的一系列关于引力理论的论文中,即1914年的6篇关于引力的文章,1915年发表的《论广义相对论》和《水星近日点运动的解释》等。

由于参加反战事业,为了保护爱因斯坦,皇家科学院中的一些有良知的官员以爱因斯坦不是本国国民为由,设法让他出国讲学,其实是为他的安全考虑,想让他远离德国柏林这个是非之地。他们甚至集体向军政府担保,让爱因斯坦到远离战火的南美洲阿根廷去讲学,讲学期安排了三个月。

1915年底,爱因斯坦来到了阿根廷。这里的人们热情地接待了爱因斯坦。

讲学的环境条件非常好,可爱因斯坦根本顾不上领略异国的风情,而是将余暇时间全都放在即将完成的课题研究上。

1916年,从阿根廷回国后,国内的形势仍然让爱因斯坦感到压抑。每天,螺旋涡轮式双翼飞机的噪声照样搅得城市不得安宁;各大报纸还在用大篇幅的版面鼓吹战绩。

爱因斯坦只好将自己关在书房中,整理手稿,然后在很短的时间内完成了一份总结性的论文《广义相对论基础》。

这篇论文发表于1916年3月。论文注重实例,成功地解释了水星近日点的一系列活动,与历来人类进行天文观察得来的数据完全吻合。而且爱因斯坦还肯定地指出,经过一系列的计算,星球上发出的微光到达地球,光曲折的角度是1.74秒!

爱因斯坦确信,相对论已经成为一个系统的物理理论了!