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在“时间机器”岁末追忆青年和老年爱因斯坦

作者:邓如山

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就像在“马克思研究”中可以按年龄的不同阶段划分成“青年马克思”和“老年马克思”一样,我们也可以将“爱因斯坦研究”划分为“青年爱因斯坦”和“老年爱因斯坦”,显然,就像在“青年马克思”和“老年马克思”之间划分一个“中年马克思”一样,我们也可以在“青年爱因斯坦”和“老年爱因斯坦”之间划分一个过渡阶段的“中年爱因斯坦”。不同的马克思研究学派侧重于不同年龄阶段的马克思思想,同样,不同的爱因斯坦研究学派倚重于不同年龄阶段的爱因斯坦思想。就像社会大众接受的马克思主义主要是中年阶段的马克思思想一样,人们对爱因斯坦物理思想的理解主要集中在他在青年阶段取得的成就。40岁之前的“青年爱因斯坦”已经完成了一生中的主要成果,1921年42岁的爱因斯坦由于提出光子假设,成功解释了光电效应,获得了1921年的诺贝尔物理奖。“青年爱因斯坦”至少可以获得4次、5次以上的诺贝尔物理学奖,而“老年爱因斯坦”只能获得诺贝尔和平奖,因为晚年的爱因斯坦没有取得年轻时期的那种成果。晚年的他是一名著名的和平主义者,发表了大量反对制造和使用核武器、反对美国制造氢弹、支持建立世界政府——联合国的言论,1951年,爱因斯坦连续发表文章和信件,指出美国的扩军备战政策是世界和平的严重障碍,1955年,他与罗素联名发表了反对核战争和呼吁世界和平的《罗素—爱因斯坦宣言》。

爱因斯坦1879年出生在德国乌尔姆市的一个犹太家庭,1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,1905年获得苏黎世大学哲学博士学位。1905年3月,26岁的爱因斯坦提出光量子假说,解决了光电效应难题,1905年4月向苏黎世大学提交论文《分子大小的新测定法》,取得博士学位,1905年5月完成论文《论运动体的电动力学》,独立而完整地提出狭义相对性原理,开启物理学的新纪元,物理学界将1905年称为“爱因斯坦奇迹年”。1915年11月,36岁的爱因斯坦发表了经典论文《引力的场方程》,标志了广义相对论的建立,成功地解释了水星近日点的进动。1916年3月,37岁的他完成总结性论文《广义相对论的基础》,1916年5月,提出空间有限无界的宇宙模型,1916年6月,爱因斯坦通过对引力场方程的分析,发现引力源的质量四极矩能产生引力辐射,会像电磁波一样以光速向外传播,这种时空的涟漪被称为引力波,1916年8月,完成论文《关于辐射的量子理论》,提出受激辐射理论,为激光技术的产生奠定了基础。爱因斯坦一生最重要的科学成就体现在1905年创立的狭义相对论,在1915年创立的广义相对论,此外,他还是量子物理和引力波物理学的奠基人。经过了1905年前后和1915年前后的两个高峰期,晚年的他发生研究方向的转向,也许由于“爱因斯坦大厦”的理论体系建立起来,从大约1925年开始,“老年爱因斯坦”一方面对相对论和量子论的研究做些“修修补补”的工作;另一方面致力于物理学统一理论的探索,始终没有取得实质性的成效。

“青年爱因斯坦”成为人类历史上最伟大的科学家,他早年成名,应该可以走得更远,但是,“老年爱因斯坦”放弃了过去“轻车熟路”的研究路径,将自己的后半生放在了寻找大统一理论的研究工作,试图把自然界中的电磁、引力、弱、强相互种作用统一起来。二十世纪以来的最大科学之迷就是统一场论,爱因斯坦是统一场理论的创始人。他在建立了狭义和广义相对论之后,着手构建引力场和电磁场的统一理论,作为哲学家的爱因斯坦坚信物质运动规律性的简单、和谐与统一,极力追求简单与完美相结合的统一理论体系。从1925年到1955年的30间,除了关注量子力学的自洽性、广义相对论的物体运动之外,爱因斯坦几乎把全部的热情和精力投入到统一场论的探索中,尽管没有获得成功,却从不气馁,从未放弃,一次次地从头开始。从公开展示的爱因斯坦晚年生活的一些手稿和信件来看,在1933年至1954年,尽管凭广义相对论一举成名、奠定了他在科学界的泰斗地位,但是,晚年的爱因斯坦曾有好多年深陷挫败感之中,不能自拔,因为他无法用一个适用于世间万物的统一理论来超越广义相对论。&160;从欧洲来到美国的普林斯顿大学,爱因斯坦脱离了当时主流的物理学界,独自寻求一个通用而简单的“大一统”理论框架,晚年的他在物理学界非常孤立,却无所畏惧,毫不动摇地走自己认定的学术之路,直到临终的前一天,还在病床上准备统一场理论的数学计算。

从广义相对论转向统一场理论的研究形成了“青年爱因斯坦”和“老年爱因斯坦”之间的“分水岭”,为什么发生研究方向上的重大转换?本作者猜想可能是由于广义相对论在解释时空、引力和天体运动规律方面获得了巨大成功,狭义相对论在创新的层次上统一了牛顿经典力学和电磁理论的解释,广义相对论则在创新的层次上统一了狭义相对论和万有引力理论的解释,爱因斯坦渴望延伸广义相对论的解释,在更大和更高的物理层次上将引力和电磁力统一起来,不仅建立“小统一理论”——引力和电磁力的统一;而且致力于建立“大统一理论”——引力和和其它三种基本力的统一。“老年爱因斯坦”不是放弃了“青年爱因斯坦”的相对论,而是试图将得到验证和赞誉的广义相对论推广到所有力学和运动学的领域,建立和谐的、一致的物体运动规律。爱因斯坦晚年的科学梦想是建立物理学的统一理论,政治梦想是建立统一的政府——联合国。从1925年开始,他义无反顾、全力以赴地投入到统一场理论的研究,开始的阶段,他非常乐观,感到一路坦途、胜利在望,后来发现困难重重、力不从心,&160;即使付出后半生的全部心血,也未能获得有价值的进展,巨大的挫败让他的内心承受了常人难以理解的孤独和疑惑,数学知识的不足也让他感到捉襟见肘。他始终坚信物质运动规律的统一性,为后来的理论物理学家树立了继续探索的榜样,1967年,美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆建立了弱相互作用与电磁场相互作用的规范理论,在统一场论的研究中取得了实质性进展。目前,包括弦理论家在内的许多物理学家一直在探求将各种基本力统一起来的规范场论,比如:三位弦理论物理学家获得了今年《科学》杂志颁发的科学突破奖。

“青年爱因斯坦”奠定了量子和引力波物理学的基础,然而,“老年爱因斯坦”没有在量子和引力波物理的研究道路上继续前行,在当时的物理实验和认识水平不成熟的条件下,“提前”转换到了统一场理论的研究,这可能是晚年的爱因斯坦不能取得更多成就的主要原因。晚年的他痴迷于超越广义相对论的“统一理论”,站到了量子物理的反面立场,让我们感到无比惊讶的是他犯下的每一个错误都成为了推动物理理论进步的源泉,科学史家通常认为爱因斯坦在物理学领域犯下的一个“最大错误”是在广义相对论的场方程中引进了一项“宇宙学常数”,他本人得知哈勃对宇宙膨胀的观测结果后承认了这一错误,本作者了爱因斯坦的一些生平资料后发现,他晚年犯下了一个与量子物理学家“对决”的错误,“老年爱因斯坦”没有沿着“青年爱因斯坦”开创的道路走下去,这可能是他一生犯下的“最大错误”,虽然晚年的爱因斯坦只能获得诺贝尔而和平奖,但是,他以“论战者”的角色,从反面的立场推动了量子物理的巨大进步,堪称科学史上的一大奇迹。伟大的爱因斯坦怎么说、怎么做都能形成科学与和平进步的力量,这难道不是科学史上的“另类”奇迹?历史上的主要量子物理学家正是仔细研究爱因斯坦在“论战”中发表的各种观点之后,提出了一个又一个改变经典物理学概念的量子物理定律。晚年的爱因斯坦“没资格”获奖,但是,却把一位又一位的量子物理学家推上了诺贝尔奖的颁奖台。

爱因斯坦开创了量子物理的研究领域,却走向了它的反面,他和波尔的“世纪之争”堪称物理科学史的经典案例。量子物理学从建立到体系的形成充满了物理学和哲学意义的严重分歧和激烈争辩,在这场科学史上罕见的、广泛而深刻的“大辩论”中,爱因斯坦和波尔是两个引人瞩目的代表人物,他们两人的争辩起始于1926年的9月,当时的物理学家对量子行为描述的连续性和非连续性产生了分歧,1926年12月,爱因斯坦在写给波尔的一封信中有一句名言,“上帝不会掷骰子”,他对以波尔为代表的量子物理学家提出的测不准关系和量子行为的几率解释极为不满,认为量子力学的描述方式不正确、不完备,经典物理描述的必然性和连续性是正确的、完备的,他赞成量子力学系统性的几率解释,反对将量子力学看成是对单个粒子行为的解释。1927年10月,在布鲁塞尔召开了主题为“电子和光子”的第五次索尔维物理学大会,爱因斯坦和波尔先后发言,围绕对量子力学的不同解释展开了火药味十足的公开争论,在1930年10月召开的第六次索尔维物理学大会上,两人的公开争论达到了高峰。1955年,爱因斯坦离世,1962年,波尔离世,直到他们去世时,两位私下亲密的朋友没有放弃各自的观点,这场旷日持久的科学论战以量子力学的胜利宣告结束,双方争辩的焦点是科学规律的因果性本质、还是概率性本质的问题,爱因斯坦对经典物理的因果律深信不疑。以波尔为代表的一批杰出的量子物理学家应该感谢的是作为“伟大的对手”的爱因斯坦。

将资料“堆积如山”的爱因斯坦研究划分为“青年爱因斯坦”和“老年爱因斯坦”,这还是科学学说史上的头一次,这种划分借鉴了马克思研究的方法。教育工作者对学生时代“愚笨”的爱因斯坦为什么在青年时代表现出超人的智慧感到迷惑不解,需要反思的是:怎样的教育才能适合每个学生的成长。将爱因斯坦研究划分成青年、中年和老年时期,可以帮助我们看清他一生思想和研究方式的变化。爱因斯坦在非常年轻时写出了光电效应方程,预示了量子力学的诞生,在比较年轻时写出了广义相对论场方程,预言了引力波的存在,基本完成了一生中最重要的科学发现,晚年的爱因斯坦没有在引力波物理学和量子物理学领域深入地研究下去,而是选择了超越时代的统一场理论,我们很难判断他的选择是正确的,还是错误的,如果选择引力波物理学,他可以在量子波动理论方面获得更好的成果;如果选择光电效应物理学,他可以在量子粒子理论方面获得更多的成就,但是,中年以后的爱因斯坦选择了更为艰难的物理统一理论,虽然没有获得成功,但是,他是统一场理论的奠基者,爱因斯坦晚年没有完成的使命直到今天仍然是大片的空白。从他1955年去世到现在,时间过去了61年,世界的统一性在于物质性,马克思早已证明了这一哲学命题,但是,所有力和运动统一性的物理学命题依然困惑着世界上的科学家,这是爱因斯坦理论没有完成的“最后一块拼图”,也是他留给科学世界最后的、最大的遗产。

(邓如山2016-12-30&160;邮箱:[email protected]&160;)

(year-endreminiscingabouttheoldandyoungEinsteinInthe"timemachine")

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