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爱因斯坦的科学功绩

 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。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。他们的主要动机是科学的好奇心和科学的美学。 

   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。它仍然在忍受著爱因斯坦 —— 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。

   他接著说,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

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