爱因斯坦的成功故事例子

1900年爱因斯坦从联邦工业大学毕业以后,几乎有两年时间,就像他早年作为一个“差生”的历史所预计的那 样,没有什么成就。他申请当助教,但助教的位置给了别人。在这段时期里,他在知识分子的圈子里找些临时工作以维持生计。瑞士一所中学里有位教师服两个月的 兵役,他就补缺去代课。他也曾在一所私立的寄宿学校当补习老师,还曾替苏黎世联邦观象台做过一些计算工作,而一直未能立即投身到物理学的研究中去。

最后,到1902年春,爱因斯坦的好朋友,留校当了助教的“无可挑剔的学生”格罗斯曼帮了他的忙。格罗斯曼的父亲把爱因斯坦推荐给瑞士伯尔尼专利局局 长,经过一番严格的考试,他被任命为专利局三等技术员,干起了专利审查员的工作。这使他解除了经济上的困难,也提高了他的工作兴趣,并时时激发他的科学想 象力。除了8小时的工作,他有充分的空余时间来思索宇宙之谜了。

在伯尔尼专利局的7年业余时间里,这位年轻的专利审查员创造了举世瞩目的科学奇迹。他简直把20世纪中理论物理发展的主要方向都勾划出来了,开创了物理学的一个新时代。

爱因斯坦真是生逢其时!在联邦工业大学学习和进入伯尔尼专利局工作的那些年,他跨越着一个动荡的激动人心的世纪之交,而这也正是他思想活跃、青春勃发的 年代。物理学历史的发展正经历着一个令人困惑、危机四伏,并预示着一场伟大的革命即将到来的时期。当历史的需要呼唤一位伟人出现时,他正以矫健的步伐走向 历史舞台了。

历史的车轮进入19世纪下半叶,由牛顿奠基,并经过数代物理学家的艰苦努力,一座庄严雄伟、美丽壮观而又动人心弦的经典 物理学的殿堂骄傲地耸立起来了。大至恒星和星系,小至分子和原子,遍及声、热、光、电磁,物理学似乎都已给出了完满的解释。正如美国著名物理学家迈克尔逊 在1894年所说:“虽然任何时候也不能担保,物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹,但是似乎十分可能,绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起 来了,下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。”在19世纪70年代,当普朗克进入慕尼黑大学向自己的老师约里表示, 决心献身于理论物理学时,约里回答说:“年轻人,你为什么要断送自己的前途呢?要知道,理论物理学已经终结。微分方程已经确立,它们的解法已经制定,可供 计算的只是个别的局部情况。可是,把自己的一生献给这一事业,值得吗?”面对着经典物理学的完美的大厦,几乎所有的物理学家都心满意足了,他们思考着往后 的研究怎样去追求更高的精确性和在小数点后更多的位数去寻找物理学的真理。

正当物理学家们还沉浸在沾沾自喜之中的时候,新的发现和新的实验事实就开始接二连三地冲击经典物理学的大厦了。

1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了惊人贯穿能力的X射线年法国物理学家贝克勒耳发现了铀元素具有放射性;1897年英国的汤 姆孙和荷兰的塞曼通过测定阴极射线的荷质比确证了电子的存在;1898年居里夫妇又发现了放射性极强的新元素钋和镭;1902年卢瑟福和索迪根据对放射性 进行的实验研究提出了元素嬗变理论新的物理事实展示了物质结构隐藏着更深层的秘密。与此同时,黑体辐射、光电现象、原子光谱等一系列实验事实与经典物 理学的理论产生了尖锐的对立。

在历史跨入新世纪的日子里,英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵于1900年4月27日在皇家学会发表 了一篇著名的讲演,并以这次讲演为基础撰写了题为“悬浮在热和光动力理论上空的19世纪的乌云”的文章,刊登于1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学 杂志》合刊上。文章一开头,开耳芬写道:“动力学理论断言热和光是运动的方式,可是现在,这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌 云是随着光的波动论而开始的,菲涅耳和托马斯扬研究过这个理论。它包括这样一个问题:地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动的呢?第二朵乌云 是麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说。”

19世纪末的物理学界根深蒂固地确立了一种思想,认为有一种到处存在的、能穿透一切的介 质,它充满所有物质的内部和它们之间的空间,惠更斯把这种介质称为宇宙以太。以太是传播光波的基础。由于遥远的星光可以传播到地球,所以以太应当充满整个 宇宙。因为光是横波,所以作为传播光的介质,以太应具有固体的性质;同时由于光速非常大,所以不得不认为以太的弹性系数极大,它应当是绝对刚性的。而另一 方面,宇宙天体包括地球和太阳等在运动过程中似乎又并没有受到以太的阻力,因此又必须假定它的密度几乎为零,或者如开耳芬勋爵所假定的那样以太有着类似胶 状物质的性质,但这样就会同以太具有绝对刚性的假定发生矛盾。如果以太不阻碍物质的运动,说明以太和物质粒子之间没有任何相互作用,可是当光穿过玻璃或水 时速度又变了,这又得假定以太同物质之间有着相互作用。此外,还得要求以太具有绝对透明的性质总之,以太到底是什么东西,它有什么性质?这本身就充满 着混乱和矛盾。

关于“第二朵乌云”,开耳芬在文章中简单回顾了能量均分学说产生的过程,分析了该理论所遇到的困难,特别指出了一些理 论计算值与实际观测值之间的偏离。他说:“事实上,玻耳兹曼麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大。”并断言:“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼 麦克斯韦学说。”

经典物理学遭遇到了一场深重的危机,而危机正是科学革命的前夜。尽管开耳芬勋爵只提到了两朵乌云,实际上19世纪 物理学的上空几乎已是乌云密布了。然而这位在物理学史上素以保守著称的英国爵士,似乎以超人的洞察力揭示的两个难题,竟与此后物理学上两个伟大的理论革命 有着密切的联系。

1905年作为物理学史上光辉灿烂的一年,永久载入了科学史册。在这一年,爱因斯坦完成了6篇使科学领域发生巨变的 划时代论文,其中3篇发表在德国莱比锡出版的《物理学杂志》的同一卷上。1905年的第一篇论文,他是在26岁生日(3月14日)之后的第3天完成的。它 证明光是由不连续的微小颗粒或者叫做光量子的微粒所组成的。今天,量子原理几乎影响了所有的物理学分支,它阐明了自然界中连续体所具有的基本的微粒状态。 在3篇论文中,爱因斯坦提出了一种测量分子大小的新方法,并证实布朗运动显示原子是存在的,大大推动了原子理论和统计力学的发展。而其余两篇论文,爱因斯 坦创立了狭义相对论,引起了物理学思想和观念的革命,开创了物理学的新纪元。他几乎同时在相对论、光量子理论和分子运动论这三个不同领域里齐头并进,并取 得具有重大意义的成果。自从23岁的伊萨克牛顿在1665年到1666年由于鼠疫流行而避居乡间期间,发明微积分并发展了引力理论以后,科学界一直没有 取得过如此丰硕的创造性成果。

1905年快过去100年了,我们即将跨越一个新的世纪之交。我们回首这要过去的一个世纪,物理学取得 了惊人的进展,这些进展是与一个伟大的名字爱因斯坦分不开的。1949年获得诺贝尔奖的法国物理学家戴布劳格利说过一段线世纪上半叶取得了物理学 上最惊人的突破,这成为科学史上辉煌的一章。就在这短短的几十年中,物理学中耸立起两座丰碑,它们在今后几个世纪中将一直巍然屹立着,这就是相对论和量子 理论。相对论是阿尔伯特爱因斯坦富有创造力的思想的成果。量子理论的首块基石由普朗克奠定,但量子理论中的最重要的进展也应归功于爱因斯坦。”而爱因斯 坦在这两个伟大理论中的贡献,正是发端于他在1905年所写的论文。

在1905年短短的几个月中,爱因斯坦创造了如此丰富的科学研究 成果,确实是科学史上的奇迹。更令人钦佩的是,所有这些贡献竟是一个在学术机构大门以外默默无闻工作于伯尔尼专利局的年轻小职员做的。他在完成本职工作的 前提下,完全靠利用业余时间自己摸索,没有任何的学术联系,甚至和这一行的前辈也基本上没有接触,更没有名师指导。若干年以后,他在与自己的学生利奥波 特英费尔德谈起自己的科学经历时说,一直到30岁左右,他还从来没有见到过一位真正的理论物理学家。英费尔德曾风趣地补充说:“除非是在镜子里。”然而 爱因斯坦成功了。这需要多么大的毅力!他付出了多么大的代价!正如爱因斯坦自己在1933年所写的那样:“一旦这种想法的正确性得到了承认,最后成果就水 到渠成了。任何聪明的大学生理解这些成果都不会有什么困难。但是,在一个人茅塞顿开、恍然大悟之前,在黑暗中探索他能感受到但又表达不出的真理的那些年代 里,那种强烈的求知欲望,那种时而有信心时而又产生疑虑的心理变化,只有亲身经历的人才能知道是什么滋味。”

爱因斯坦是相对论的创始人,相对论无疑是他最重要的成就。与其他研究工作相比,相对论对自然科学思想体系产生了更深远的影响,它的作用远远超出哲学思想的范畴。它引起了一场最激烈的争论,也正是通过这场争论及以后的实践,让全世界的人都了解到了爱因斯坦的伟大。

1905年,爱因斯坦在《物理学年鉴》上发表了长达30页的论文《论动体的电动力学》。这篇文章宣告了相对论的创立。1905年,还是在这一杂志上,他 以题为《物体的惯性同它所包含的能量有关吗》一文又作了重要补充。这两篇论文都收集在1913年相对论重要的历史文献《相对论原理》一书中,与读者再次见 面。对于爱因斯坦在相对论中研究的问题,当时物理界的看法是不同的。

19世纪,先是光学的机械理论居于统治地位。这种理论认为,光是 一种称之为“光以太”或简称“以太”的弹性介质的波动。以太能穿透一切物体,而又不影响物体的运动。但是,事实上,光学研究的新成果愈来愈难以符合机械以 太假说。于是,物理学家断言,可以把光看做是以太的一种特殊“状态”。这种状态被看成是电磁力场,法拉第把它抽象地引进自然科学领域,而后又被麦克斯韦用 抽象得出奇的数学公式进行概括。

光以太学说与牛顿力学所引出的“绝对空间”理论紧密相连。牛顿认为:“绝对空间由于它的本性以及它同外界事物的无关。它永远是同一的和不动的。”

牛顿进而认为也存在着“绝对时间”。他说:“绝对的、真正的数学时间自身在流逝着,它的本性是均匀的,它的流逝同任何外界事物无关。”

这种观点认为,时间在均匀地流逝,并且想象在宇宙中有一种“标准钟”,人们可以从放在任意地方的这种钟上读出“绝对时间”。后来,牛顿又谈到了“绝对运 动”,这是由“绝对空间”和“绝对时间”联想到的。他给“绝对运动”下定义,亦即“物体从一绝对地点转移到另一绝对地点”。

绝对时间 和绝对空间是牛顿力学的根基。然而牛顿的绝对时间和绝对空间两者之间有明显的缺陷:既然绝对时间和绝对空间同任何外界事物都没有关系,那么怎样才能知道它 们存在呢?这个问题,牛顿没办法回答。他只能说,绝对时间和绝对空间是上帝的创造。后来,康德又把绝对时间和绝对空间说成是先验的。先验的意思就是先于经 验,人一生下来就有的。这样,牛顿和康德把绝对时间和绝对空间捧上了先验的王国,不许有人对它们加以怀疑。

到了19世纪,马赫又对牛 顿的时空概念做了有力的批判,但还是没有推翻。这是因为要改变时间和空间的概念,客观条件还没有成熟。此外,实验物理学也使人们对牛顿关于时空和运动的教 条产生极大的怀疑。地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳转动。我们的太阳系以每秒20公里的速度在宇宙中飞驰,最后是我们的银河系,它与其他遥远 的星系相比,以相当高的速度不停地在运动。那么,要是光以太是静止存在于“绝对空间”之中,并且天体穿过它运行,这种运行的结果对于光以太来说必然是显著 的,而且使用精密的光学仪器也一定能够验证“以太风”。

美国物理学家迈克尔逊做了第一个实验。他出生于波兰,1881年曾在柏林和波斯坦做过亥姆霍兹奖学金的研究生。

他的实验由于实验装置不够齐全,结果说服力不够强。6年以后,迈克尔逊在美国使用亲自设计的高精度镜式干涉仪,同莫勒合作重复了他以前的实验。这台新式 测试仪是如此的精确,以致于仪器本身受“以太风”的影响都能清晰地显示出来。但是这次实验以后的多次反复实验,再也没有看到那种现象。这个实验证明光速完 全是恒定的,与光源和观察者的运动都无关。“迈克尔逊实验”是物理学史上最著名的实验之一,也是相对论的基本实验。爱因斯坦十分钦佩迈克尔逊的实验技巧。

迈克尔逊实验得到的结果彻底否定了光以太的存在。此后还有人想使虚构的以太假说与光速恒定的事实一致起来,从而来“拯救”以太假说。1895年,荷兰物 理学家洛伦兹假定,快速运动物体在运动方向上会产生机构收缩(“洛伦兹收缩”)。为的是用这种方法在机械世界观范畴内把迈克尔逊实验结果跟光以太和绝对空 间捏合起来。这种设想尽管十分巧妙,但这种人为的假想,不仅明显带有目的性假说的性质,而且从长远看来不会使理论物理学家满意。

迈克尔逊的实验结果使理论物理学家陷入难以自拔的思维困境,它像是一个系在人们心头达10年之久的、无法解开的死结,但这个死结被年轻的爱因斯坦解开了。

1905年,爱因斯坦提出了相对论,他把作为光波载体的以太,从物理学世界中清除出去了。他认为,光以太原本只是物理学界的一个“幽灵”,他把独立的物 理实体电磁场请出来,坐在以太的位置上,这也是崭新的、勇敢的行动。尽管法国物理学家彭加勒在他之前就曾提过应该抛弃以太假说,但是他没能把这种想法 变成新的自然观的基础。

爱因斯坦狭义相对论思想的产生,最早源 于16岁时一直困扰着他的一个问题。在1895年进入阿劳中学上学时,他已比同龄的中学生掌握了更多的物理方面的知识。他对探索自然奥秘有着无比浓厚的兴 趣,时常一个人静静地思考一些科学特别是物理学方面的问题。一天,他突然想到这样一个问题:假如一个人以光速跟着光波跑,那么他就处在一个不随时间而改变 的波场之中。也就是说,应该看到这条光线就好像一个在空间振荡而停滞不前的电磁场。然而看来不会有这种事情。这个问题他一直想弄清楚,并为此思考了10 年。

1896年爱因斯坦进入苏黎世联邦工业大学以后,继续思考着关于运动物体的光学特性的问题。对于当时物理学中流行的光是通过以太 这种特殊的介质来传播的观点。一开始他也是毫不怀疑的。但他想,光通过以太的海洋传播,那么地球也应是在以太中运动的,反过来说,以太应有相对于地球的运 动。这应该可以通过实验来加以验证。因此他就去查阅有关这方面的资料。可是他查遍了所能找到的物理学文献,都没有找到关于以太的明确的实验证据。于是他想 亲自来验证一下。为此,他设计了一个使用两个热电偶的实验:用几面镜子,把来自同一个光源的光反射到两个不同的方向,一个与地球运动方向平行,另一个则方 向相反。如果假设在两条光束之间存在能量差,那么就能用两个热电偶测出所产生的热量的差别,从而检测出地球相对于以太运动而引起的光速的变化。可是他的老 师不支持他,他也没有机会和能力建造这种设备。事情就这样不了了之。后来,当他正在学校思考以太流的问题的时候知道了迈克尔逊实验的“零”结果。他很快意 识到,如果承认迈克尔逊实验的“零”结果符合事实的话,那么认为地球相对于以太运动的想法就是不正确的,应该抛弃以太这个顽结。但是,如果没有以太充满整 个宇宙空间,也就不可能有什么绝对的静止和绝对的运动了,因为物体不可能相对于虚无运动。所以他认为,只能是谈一个物体相对于另一个物体,或者一个参照系 相对于另一个参照系的相对运动。处于这两个参照系中的观察者都有同等的权利说:“我是静止的,对方在运动。”如果没有宇宙以太作为物体在空间中运动的公共 参照系,我们就无法探测到这一运动。所以迈克尔逊的实验没有探测到地球相对于以太的运动,也就不足为奇了。

数学家闵可夫斯基曾是爱因 斯坦在联邦工业大学上学时的老师。当年爱因斯坦经常逃课,闵可夫斯基骂他“懒胚”。当爱因斯坦的《论动体的电动力学》发表以后,闵可夫斯基很快理解了,并 看到了这篇论文的深刻意义。他实在没有想到,曾被他骂为“懒胚”的学生,现在竟写出了如此深刻的论文。闵可夫斯基是研究数学的,他从数学的角度认真地思考 了爱因斯坦的理论,结果得到一种非常美妙的描述狭义相对论的数学方法。

闵可夫斯基的论文在1907年发表。第二年夏天,在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第80届年会上,他做了一个报告,宣传相对论的思想,题目是“空间和时间”,其中有一段著名的话:

“先生们!我要向诸位介绍的空间和时间的观念,是从实验物理学的土壤中生长起来的,这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起,空间自身和时间自身消失在阴影之中了,现实中存在的只有空间和时间的统一体。”

闵可夫斯基的报告引起了与会者的巨大反响。可惜3个多月后,疾病就夺去了他年仅44岁的生命。去世前,他万分遗憾地说:“在发展相对论的年代里死掉,真是太可惜了。”

闵可夫斯基所提出的思想是将时间作为三个空间坐标之外的第四个坐标,这样,一个系统相对于另一个系统的运动,可以看成是这个四维坐标架的转动。由此就可以很清晰地刻画狭义相对论的原理和相对论效应。

爱因斯坦的狭义相对论把长度缩短看做是观察者从一个运动的系统去观察物体时所看到的一种表观的空间收缩。空间的收缩和时问的膨胀对于两个处于相对运动状态的系统来说是对称的。空间距离一缩短,时间间隔就加长。

要使一种变革传统观念的新思想或新理论为人们普遍所接受,往往需要一个相当长的过程,这在科学史上是不乏先例的。爱因斯坦的论文发表以后,大约经过了4 年光景才开始较多地引起人们的关注。然而,《论动体的电动力学》这篇论文的理论并不深奥,数学运算也极为简单,以致德国著名数学家希尔伯特说:“在我们数 学的哥廷根大街上任何一个男童的四维几何知识都比爱因斯坦多。尽管如此,在这方面成绩卓著的却是爱因斯坦,而不是数学家。”问题就在于,爱因斯坦具有超人 的对自然奥秘的深刻洞察力,敢于冲破传统的创造精神和深信宇宙完美和谐的坚定信念。

什么叫做“参照系”呢?我们说,火车向前行驶了多少公里,这是相对于地面来讲的。研究火车在地面上的运动,是以地面为参照物的。研究乘客在火车上的运动,就是以火车为参照物的。在参照物上安放一个可以量度运动物置的假想的坐标系之后,就叫做参照系。

现在假定有一列火车沿着直线轨道匀速行驶,车厢里有一位乘客向上抛出一个小球,那么这位乘客所看到的小球的运动情况,和他在地面上向上抛出一个小球后所 看到的情况是完全一样的。这是因为他的火车参照系相对于地面参照系在做匀速直线运动。“在两个相互做匀速直线运动的参照系中,力学定律是相同的。”这是伽 利略早在17世纪就已经提出来的相对性原理。爱因斯坦把伽利略的相对性原理推展为:“在两个相互做匀速直线运动的参照系中,一切自然定律都是相同的。”

把一个力学定律推展为一切自然定律,这是一个巨大的飞跃,为了实现这个飞跃,整整用了200年。这200年正是牛顿机械物理学统治的200年。这样,不 单是力学实验,连光学实验、电磁学实验,以至任何其他一切实验,都不能测出绝对运动来。一切都是相对的,因此也就否定了绝对空间、绝对时间、绝对运动和光 以太的存在。

所谓光速不变原理是指:光在真空中的传播速度是一个不变的常数,它和光源的运动速度没有关系,和观察者的运动速度也没有关系(指的都是匀速直线运动)。

经典物理学对粒子的运动(如炮弹)和波的运动(如声音)都进行了长期的周密的研究,这两种运动的本质是完全不同的。粒子运动是粒子本身在运动,如炮弹;波的运动必须靠介质来传播,如声波是靠空气来传播的。

那么光的传播是属于哪一种运动呢?首先,光在真空中的传播和声音在空气中的传播是不一样的,因为光没有介质。旧物理学原来一直认为光是波的传播方式,介质就是以太。但是迈克尔逊1897年进行的地球在以太中的漂移速度实验已经彻底否定了以太的存在。

那么光是不是像粒子那样靠放射传播的呢?我们来进行一个实验:假如有一艘炮舰,首尾各有一门相同的大炮,发射出的炮弹速度是W,当炮舰以V的匀速向前行 驶时,舰首大炮炮弹的速度是W+V,舰尾大炮炮弹的速度是W-V,这就是粒子的速度合成定理。但是光的运动服不服从速度合成定理呢?1054年天文学上曾 发生过一次著名的超新星爆发。残骸就是现在金牛星座中的蟹状星云,如果光线服从速度合成定理,这颗超新星爆发时向着地球方向飞来的物质A发出的光。速度将 是光速C加上飞散物质的速度V,而背离地球方向飞去的物质B发出的光。速度将是C-V,那么地球上将先看到A发来的光,按照计算,得等几十年后才能看到B 发出来的光。这样,在地球上几年中都能看到这颗遥远的超新星爆发时所发出的强光。然而实际情况却是:这颗超新星爆发时发出的强光,只过了一年多就消失了, 就像我国《宋史》上记载的那样:“年余稍没。”这就说明A和B发出的光都是以C的光速向着地球传来的。

光在真空中传递,既不像波,也 不像粒子,它只遵循一条特殊的规律:光速不变原理(科学史上第一个想要测定光速的人是伽利略,他和他的助手各举一盏灯站在两个山头上,由于光速太快,和它 相比两个山头之间的距离实在太小了,这个测量当然失败了。第一个测定光速获得成功的是1676年丹麦的天文学家罗迈,他通过观测木星和它的卫星这样的天文 规模的距离,第一次测出了光的速度,但由于当时仪器不够精密,测得的数值为225000公里/秒。直到1899年。美国科学家迈克尔逊才用他改进了的精密 光学仪器测得了光速的最精确值:299796公里/秒。在不用于精确计算时,经常只说它的近似值:300000公里/秒)。

这两条基本原理和经典物理学都是势不两立的,特别是光速不变原理。它和牛顿的绝对时间和绝对空间更是水火不容。

假若有一条平直的铁路穿过车站,站台两边A、B两点各立有一根柱子,一个手拿信号灯的工人站在A、B的中点C发出一个信号,他将看到:信号以相同速度C 通过相同距离同时到达A、B两点。如果在他发出信号的同时,正好有一列火车从他身旁经过,车上坐着的一位乘客将看到:这个信号以C的光速离开自己向火车两 头A、B两点飞去,由于火车是向着A点奔去,所以对于他来说,信号到达A点走过的距离短,到达B点的距离长。他将看到信号先到达A点,然后到达B点。信号 到达A和B是不同的两件事,在以地面为参照系的工人看来,这两件事是同时发生的;在以火车为参照系的乘客看来,它们却不是同时发生的。这只是一种纯理论设 想,在实际生活中,工人、乘客都不可能用肉眼观察到信号到达A、B两点的时间。而且光速是那样快,对于相距不远的两个目标来说,也根本无法量出信号到达的 先后。一个同时,一个不同时,到底哪个对,在经典物理学看来,事物的是非只有一个绝对标准,要么就是对,要么就是错。那么对于这个问题如何判断呢?经典物 理学回答不上来了。

爱因斯坦也为这个问题进行了长期的思索。1905年的一天,他终于想通了,他解决了这个既同时又不同时的问题,因此也创立了相对论。

如果两件事发生在同一个地点,还容易比较,如果两件事是发生在两个地方呢?不能只是想当然,必须给予严格的定义,赋予它以物理意义。爱因斯坦是这样给同时性下定义的:

还是以火车通过车站为例,如果这时突然雷电大作,两个雷电一个击中车头A,一个击中车尾B。车头A遭受雷击时,正好经过站台A点,所以A点的柱子 也同时遭受了雷击。车尾B,遭受雷击时正好经过站台B点,所以B点的柱子也同时遭受了雷击。我们把车头A和柱子A遭受雷击称为事件Ⅰ,把车尾B和柱 子B遭受雷击称为事件Ⅱ。那么就可以得出定义:“如果柱子A和柱子B遭受雷击时发出的闪光信号同时达到AB的中点C,我们就说,事件Ⅰ和事件Ⅱ对于地面参 照系来说是同时发生的。同样,如果这两个闪光信号同时达到AB的中点C,可以说事件Ⅰ和事件Ⅱ对于火车参照系是同时发生的。”

下面再回答既同时又不同时的问题。对于牛顿经典力学是无法回答这个问题的,在爱因斯坦相对论里却成了最基本的原理,那就是:“在两个相互做匀速直线运动 的参照系里,对一个参照系同时,对另一个参照系就必然不同时。”地面上C点的铁路工人和火车中C,点的乘客是分别在两个相对做匀速直线运动的不同的参照 系中,如果地面上C点铁路工人,看到事件Ⅰ的光信号和事件Ⅱ的光信号同时到达,那么对于行进中的火车中央C点的乘客来说,因为火车运动是向着A点,离开 B点的,事件Ⅰ的光信号到他那里走过的距离近,事件Ⅱ的光信号到他那里走过的距离远,而光速又是不变的,所以他看到事件I的光信号比事件Ⅱ的光信号先到 达,两者必然是不同时的。

原来,在相对论里,两个地方遭受雷击这两件事,在以地面为参照系的C点上看是同时的,在以火车为参照系的C 点上看就必然不同时,这根本不是什么自相矛盾,而是千真万确的真理。所以爱因斯坦说:“两个地方发生的两件事情没有绝对的同时性。同时性是相对的。”这 正是他在相对论运动学第二小节中解决的问题。

同时性是相对的,多么简单的一句话,但这是多么革命的思想,和我们的经验相距多么远,需要多么丰富的想象力!时空观念从此和牛顿的绝对时间和绝对空间决裂了。新的相对论的时空观念建立起来了。

按照牛顿的说法,全宇宙只有一个时钟,它指示的时间就是绝对时间。如果绝对时间是8点钟,那么宇宙间任何地方,无论是在地面上、火车上,还是在其他星球 上,通通都是8点钟(这里不考虑地球上经度造成的时间差,绝对时间就是8点,可能在A地8点是在早上,B地8点是在下午)。既然时间是绝对的,同时性当然 也是绝对的。如果两件事都发生在8点钟,不管它们是不是发生在同一地点,也不管我们是在地面上看,还是在火车上看,它们通通都是同时的。如果两件事发生在 不同的时间,不论它们发生在什么地方,也不管我们是在哪里进行观察,它们通通都是不同时的。这就是牛顿的绝对时间概念,也是几千年来人们所习惯了的、从现 实生活中直接获得的关于时间的概念。直到今天,在爱因斯坦的相对论发表之后,可以这样说:地球上大多数没有学过相对论的人,在时间概念上依旧停留在牛顿时 代。即使有些已经学过了或者知道了相对论的人,自己也认为已经打破了牛顿的绝对时间概念,但是往往在碰到一些具体问题时,又会糊涂起来,在自觉或不自觉中 又回到了牛顿的绝对时间里去。举一个最普通、最简单的看法:一个时钟,不管你把它放在中国还是美国,也不管把它放在火车上还是飞机上,它所显示的时间不都 是相同的吗?时间和地点无关,和参照系的运动也无关,这不是明明白白的吗?这不正是牛顿的绝对时间吗?

有这个看法是很正常的,它确实 是从我们生活经验和实践中产生出来的,但是我们拥有的只是低速运动状态下的经验和实践。牛顿力学也是从低速运动中总结出来的,它的运动三大定律对于低速运 动世界确实是有效的,是接近真理的科学定律;但是在高速运动状态下它就成为谬误了。我们坐过每小时100多公里的特快列车,磁悬浮列车最高时速现在也只能 达到500多公里;我们坐过每小时1000多公里的超音速飞机,最快的航天飞机速度也不过每小时20000公里,相当于每秒5000多米。可是你坐过每秒 钟行驶近30万公里的火车或飞机吗?当然不可能。但是,如果你想象真的坐在了这样一列飞驰的火车上,那么你就会看到:这列火车上的时钟所指示的时间和地面 上的时钟所指示的时间会有明显的不同。地面上的人会看到火车乘客手上的表比自己手上的表慢了许多(当然也只能是在想象中)。

也只有在高速运动状态下,才可以准确无误地证实时间是相对的:每一个参照系里有它自己的时间标准;两个地点发生的两件事情的同时性也是相对的,每一个参照系里有它自己的同时性标准。

阿尔伯特爱因斯坦在发表了他第一篇相对论研究论文之后的几年当中,分别把家搬往三个文化迥异的城市:瑞士的苏黎世、捷克的布拉格(当时仍在强大的奥匈帝国统治之下)以及德国的柏林。在五年当中,爱因斯坦担任了四项学术性的职位,每一项工作都比前一项更重要。

在他的相对论论文发表之后,爱因斯坦博士继续在伯恩的专利局工作了一段时间。指导爱因斯坦研究而使他获得博士学位的苏黎世大学的克雷勒教授,对于他这位 杰出学生所做的研究工作深感兴趣。他坚持说,这位年轻人应该放弃他在专利局的那些不重要的工作。克雷勒教授宣称,爱因斯坦所发表的论文当然可以使他在大学 里获得一个教书的工作。

但是,根据大学法规,研究生在成为教授之前,必须先担任讲师。讲师的薪水则来自前来听课的学生们所付的学费。 由于参加听课是自愿性的,听课学生人数的多寡也就决定于讲师的名气。只有极少数的大学生听说过爱因斯坦,因为他的研究工作在当时只有杰出的物理学家们才能 够讨论得了。

所以,刚开始经常去听课的只有两个人而且这两个人都是他的老朋友。爱因斯坦对讲课实际上并没有太大的兴趣,他把讲课 当作是一项展览。他经常说,讲课像是“在马戏团里表演”。有一天,克雷勒教授前去听课。也许爱因斯坦在他的老师面前感到有点不自在,也许他凑巧在当天没有 充分准备,克雷勒教授严厉地对他说,他的课讲得并不好。他怀疑是否应该推荐爱因斯坦担任物理系的教授。

爱因斯坦回答说:“我并不要求在苏黎世被任命为教授。”他的兴趣主要在于研究工作,而不在于成为教授后所获得的高薪及荣誉。

佛来里契亚德勒是爱因斯坦在联邦理工学院时最亲密的朋友之一,此时他是苏黎世大学的副教授。亚德勒不愿和他的老朋友竞争,当他听说自己已被提名为教授 时,他立刻向大学董事会提出申请,但不是为自己而是为他的老朋友说好话。亚德勒说:“如果我们的学校不能聘请到像爱因斯坦这样的人才的话,那么,请我担任 教授则未免太可笑了。因为,我的能力根本比不上爱因斯坦。”

因此,在1909年,爱因斯坦获得了副教授的职位。他写信告诉母亲,他终于享受到她在多年以前梦想他拥有的荣誉。

米列娃不愿斥责他,也不愿去争辩。他太忙于在宇宙中遨游了,因此不曾注意到她被迫在很多地方省吃俭用,才能使收支平衡。

“从现在起,生活要更加困难了!”米列娃忧愁地说,“当你还在专利局当一名小职员时,我们的朋友大多数是跟我们一样穷的研究生,因此也不必装阔。但现在你已经是一位教授,应该穿得如同其他教授那般讲究,而且我还必须举行晚间宴会,招待他们的太太。”

“你的意思是说,我可以想法子?”米列娃嘲笑他。她实在十分担心,而且尽力四处张罗,很快就使收入增加了。因为她招了几个学生住在家里。

“这个办法真是太好了!”爱因斯坦高兴异常,“现在我可以跟这几个学生一起吃晚餐,并且像老朋友似的和他们聊天,而不是像教授对学生说话。他们也会开开玩笑,向我提出问题,并且前来向我请教。”

他很讨厌繁文缛节,在学生时代就是如此。学生们很喜欢他,因为他从不要求他们尊敬他。爱因斯坦十分狂热地讲求民主,因此对较资深的教授,也是同样自然而亲切。虽然爱因斯坦因此结交了许多朋友,但像他这样不拘小节、我行我素的人,免不了会在无意间得罪某些人。

苏黎世的生活过得相当愉快,最后在布拉格的德国大学请他担任正教授时,他才于1910年离开瑞士。倒并不是薪水多才使他动心,因为他非常欣赏19世纪的英国物理学家法拉第,他的个性和法拉第十分相似。法拉第曾经说过:“我一向热爱科学甚于金钱我绝不会致富的。”

“我现在必须写信告诉妈妈,我即将成为一所德国著名大学的正教授了!”他轻轻笑着说,“我小学时候的老师曾取笑我口齿不清,而且害羞,还说我是她所教过的学生当中最笨的一个。而我妈妈却认为我将会成为一名正牌教授。”

“让你们的爸爸去收拾他的文件和书籍吧。”米列娃对他的孩子说,“他必须自己收拾才行。”她并没有说出如果爱因斯坦不收拾文件和书籍的话,这件工作将要落在她原已过度负荷的肩膀上。因为在处理家务上,她已经知道绝不可依赖她那位喜好做梦的学者型丈夫了。

一到布拉格,米列娃先找了几个房间让全家人住下来,等家具从瑞士运来后再作安排。但很不幸的,邻居们对于孩子们的吵闹行为提出抗议,房东很有礼貌但却坚决地要求爱因斯坦一家人搬走。

“我们搬到什么地方去呢?”米列娃深感焦急地说,“两个小男孩吵得要命,又没有办法让他们安静下来。我已租了一间公寓,但是家具还没有运来,我们怎么办呢?”

这时,爱因斯坦第一次担负起家庭责任。“我去买些简单家具暂时用一阵子,等我们自己的东西运到就好了。不,不会太贵的,只是用一阵时间,我去买些二手货好了。”

米列娃看到他如此实际,心里倒是十分高兴。但等到他们一家人在布置简单的公寓里睡了一个晚上后,她就改变了这种想法。某些小东西随着其中一张旧床闯了进来,汉斯和爱德华整晚辗转反侧,第二天早上向母亲展示他们的手上、腿上密密麻麻的可疑红色小点。

“不要担心,”爱因斯坦对她说,“它们一定是捷克臭虫,等到它们发现我们是真正友善的德国人时,就不会再咬我们了。”

他已经知道,布拉格的捷克人是如何地痛恨他们的外来统治者。在他们到达的当天晚上,爱因斯坦全家到一家小餐馆吃晚饭。

“你可曾看过如此怪异的菜单?”米列娃惊叫说,“瞧,这儿的菜名用德文写的只占半页。把菜单倒过来,就是用捷克文写的另一份菜单。”

爱因斯坦把侍者叫到餐桌边来,这位教授很高兴地发现,这位侍者会讲德语。爱因斯坦现在能说流利的法语,而且也学过意大利语。他一向觉得语言是个困难的问题,他也听说,捷克语不好学,因此他很高兴能够使用他的本国语言。

“你们为什么把菜单印成这样子?”他问道。他的声调和表情都极其和蔼,因此那位一向以有礼但冰冷的态度对待其他奥地利及德国客人的侍者,也对他报以微笑,说:“先生,因为我们的顾客包括德国人、奥地利和捷克人,他们全都喜欢见到菜单上印着他们本国的文字。”

“由此可以看出布拉格的气氛是多么恶劣!”米列娃说,“我比较喜欢瑞士,在那里,各个种族的人都能相安无事。”

从此以后,爱因斯坦经常去那间小餐馆,不仅是为了享受它特有的菜肴,也常和那位侍者及他在那儿遇到的捷克朋友谈谈天。爱因斯坦教授跟布拉格的许多德国人 和奥地利人不一样,他没有种族歧视的观念,他并不轻视那些被统治的捷克人。他发现,德国大学在奥地利人的控制下,只能讲德语。所以,德国大学的教授、学生 和捷克人的古老捷克大学之间,存在着一股互不信任甚至是互相仇恨的感觉。

有几位学生前去听爱因斯坦讲课,并接受指导从事研究。因为其 他许多德国教授的态度都很傲慢,起初这些年轻人反而怀疑爱因斯坦如此和善是否别有企图,等到他们知道可以信任这位德国人之后,这些学生就对他坦白地谈起他 们的人民长久以来对自由的争取以及这种奋发的热忱一直未曾消失。

虽然,爱因斯坦远离犹太人已经有好多年,但在布拉格他开始觉得与他的同胞越来越亲近了。奥地利皇帝弗兰茨约瑟夫规定,任何一位大学教授必须属于他帝国所承认的任何一种教会,否则就不承认他的教授资格。爱因斯坦自己登记为犹太人,但这纯粹只是表面上的。

有一次,他沿着狭窄的圆石街道,走入以前的犹太人聚集区,站在那儿,仿佛回到了几世纪前。这个古老的犹太区高墙上的时钟,用希伯来文标明时刻,犹太教会 堂的石墙,坚固得犹如堡垒,因为当布拉格的犹太人为了躲避他们的敌人追击而逃到会堂时,就把会堂作为抵抗的据点。附近有处墓园,从里面崩塌的墓碑,可以知 道有多少圣徒及学者成为痛恨犹太人的血腥暴民的牺牲者。

走在这些坟墓之间,犹太人的历史对爱因斯坦来说,变得比他以前听慕尼黑的犹太教士所讲述的更为真实。

“犹太复国主义”这项运动的主要目的,是要将犹太国家重建于犹太人在几世纪以前被逐出的巴勒斯坦地区第一次使爱因斯坦对它产生兴趣。爱因斯坦在 布拉格的一些新朋友,都是犹太复国主义者。某些晚上,他们坐在一位朋友的家中,讨论在古犹太地区建立一个犹太国家的梦想。爱因斯坦坐在一旁,抽着他的烟 斗,默默地沉思。

表明宗教信仰,并不是爱因斯坦获准进入布拉格德国大学执教所必备的正式申请手续之一。另外有一项要求,使这位憎恨战 争的科学家深感震惊,且视之为最愚蠢的做法,那就是要求他购买一件制服。这种制服跟奥地利海军军官的制服十分相似三角形的羽毛帽、饰以穗带的外套和长 裤,以及一把长剑。跟所有奥地利教授一样,爱因斯坦被要求穿上这件华丽的制服,宣誓效忠,然后才获准开始在大学执教。当然,他以后再也不曾穿过那件制服。 但他的大儿子汉斯却非常喜欢他的那套制服。

“爸爸,”他请求说,“在你卖掉或送走那件可爱的制服之前,我希望你把它穿起来,佩上你的剑,然后带我出去走一走。我希望我的所有朋友都能看到你穿上这件制服。”

爱因斯坦认为十分愚蠢的另一项布拉格风俗,是新进的教授必须去拜访与他在同一学校任教的每一位教授。爱因斯坦感叹地说:“老天爷!要连续去拜访四十个 人,多么讨厌呀!”另一方面,他也在心里愉快地想,在从事这种令人厌烦的拜访时,可以顺便欣赏一下布拉格各区不同的景象,也是挺不错的。因此,他开始愉快 地展开漫长的拜访活动,他总是挑选可以供他散步而且是他所急于去看看的区域。当这些“观光活动”结束后,爱因斯坦立即把访问名单撕掉,不再继续这种正式的 访问。他未去访问的那些教授们自觉受到了侮辱,可是他们怎会知道,爱因斯坦博士之所以不去拜访他们,只不过是因为他们所住的地区引不起爱因斯坦的兴趣而 已。

布拉格也有一些人,经常受到爱因斯坦的一再拜访,这些人都是科学家,他可以和他们交换意见,再不然就是同样有着音乐嗜好的好朋友们,尤其是后者他更喜欢和他们接近。爱因斯坦曾接受邀请,加入了一个由极有天分的业余音乐家所组成的四重奏小组。

爱因斯坦住在布拉格期间,继续进行研究工作。他不仅在书房内研究,而且在曲折蜿蜒的街道上散步时,或漫步在可爱的小山丘时,他的头脑也在不停地思索着新的问题。他有一次告诉与他共同工作的一位物理学家说:“我所从事的工作,在任何地方都能进行。”

爱因斯坦在布拉格定居后不久,他的母校(苏黎世联邦理工学院,已经升级为大学)却在这时请他回去担任教授。回想过去,他未能通过理工学院的入学考试,后 来这家学校的部分教授又不愿推荐他担任最卑微的教职。如果爱因斯坦的天性中存有一丝一毫的褊狭,就一定会对这项胜利抱着骄矜自喜的心理,但爱因斯坦并没有 这样想。

他一直怀念那个可爱的瑞士城市,他在当地有许多朋友和同事。而且米列娃在布拉格始终觉得不很愉快,当爱因斯坦正在犹疑不决之时,她主动说服他回到那个她深深喜爱的城市。于是爱因斯坦教授在1912年离开布拉格,接受苏黎世的教职及研究工作。

几年以前,杰出的德国物理学家马克斯普朗克曾这样说:“如果爱因斯坦的理论被证明为正确的线世纪的哥白尼。”虽然爱因斯坦只是三十 出头,但他的声誉却与日俱增。由于他的新理论引起全球科学家的最大兴趣,于是获得了每位科学家终生追求的最高荣誉应邀前往布鲁塞尔举行的世界著名物理 学家大会索维尔会议上发表演说。

1913年夏天,两位年过半百、德高望重的权威学者,风尘仆仆地从柏林来到苏黎世。这两位学者一个是普朗克,一个是能斯特。

普朗克是德国《物理学年鉴》的编辑委员。一天,当他在柏林大学的家中养病时,印刷厂送来了《物理学年鉴》的清样,上面登载着爱因斯坦的论文《论动体的电 动力学》,他随手翻了翻,立即被爱因斯坦的思想吸引了。他忘记了医生的忠告,急忙移到书桌边,全神贯注地读了起来。过了好一会,这位素以严格稳重著称的教 授猛然跳起来,叫道:“简直是哥白尼!作者是什么人?他在哪儿?”普朗克的心里怎么也平静不下来,他马上按杂志提供的地址给从未见面的爱因斯坦写了一封 信。普朗克写道:“你这篇论文发表以后,将会发生这样的战斗,只有为哥白尼的世界观进行过的战斗才能与它相比”能斯特更是一个政治型的大学者。一方 面,他是20世纪最伟大的化学家之一;另一方面,他对德意志民族的对外扩张又特别感兴趣。有人说能斯特是一个具有惊人号召力和能量的人,是一个天生的组织 家,一位深刻的思想家。

当时的德国,专门的国家科学机构或由政府倡议私人投资建立的科学机构不断涌现,在这些机构中,理论研究也受到执政者的高度重视。为了从英国那里夺取科技 和工业发展的优势,以“铁腕政策”重新划分市场、原料产地、投资场所,日耳曼帝国特别希望使理论思维的实力集中在扩张工业和军事竞争上。

金融寡头热心支持日耳曼皇帝的计划,宣布建立协会和研究所,并以受过加冕礼的倡议者的名字来命名。“威廉皇家协会”便是由银行家和工业家们组成的,他们 对研究所提供赞助,给他们中的每一个人援予元老称号,赠送特制的长袍,授予任意参加有皇帝出席的隆重午宴的权利。在德意志狭隘民族主义甚嚣尘上的当时,有 谁会反对这种做法呢?威廉皇家协会准备吸收最优秀的科学家们参加,他们可以获得比较优厚的酬劳,没有教学任务,有权进行任何个人感兴趣的研究。设想这些研 究将会带来累累硕果不是没有根据的。

挑选学者的具体工作就由普朗克和能斯特负责。普朗克和能斯特联名向上司报告:只有把爱因斯坦请来,柏林才能成为世界上绝无仅有的物理学研究中心。

但是,这需要勇气和非凡的眼力。在德国人的眼里,爱因斯坦无疑是一个“怪人”。年纪小小就毅然放弃自己的出生之地,不做德国人。忠君、爱国、英勇、服 从,这些德国人心目中的崇高品德,常常受到他的嘲笑,他把这些东西叫做愚蠢和盲从。然而,要把这样一个“怪人”拉回到德国精神文化生活的中心,要具有极大 的吸引力才行。普朗克、能斯特放出的“钓饵”是诱人的。

第一,请爱因斯坦担任正在筹建中的威廉皇家物理研究所所长。这个建议似乎很奇 怪,随便由谁来领导一个研究机构,恐怕都比这位心不在焉的爱因斯坦教授强。可是不要紧,所长代表地位和荣誉。如果他高兴,可以出些主意;如果不高兴,也可 以撒手不管,日常事务自有常务秘书打理妥当。

第二,选爱因斯坦当普鲁士科学院院士。一般院士是没有薪水的荣誉头衔,但爱因斯坦就任的是实任院士,年薪1200马克。

第三,聘爱因斯坦为柏林大学教授。他有授课的权利,只要他有兴趣。但却没有讲课的义务,讲多讲少,讲课的内容和时间,均由他自己决定。大学里的一切事务,他可一概不必过问。

这个方案,真不愧是网罗爱因斯坦的妙计。它是普朗克的浪漫主义和能斯特的实干精神合作的产物。他们算是摸透了爱因斯坦的心思,爱因斯坦不能不动心了。

在这个世界上,还祈求什么呢?安定的生活环境,良好的工作条件,充裕的研究时间,不受任何束缚和干扰,全心全意地进行相对论研究,实在是巨大的诱惑。可 接受在柏林的工作,爱因斯坦并不是坦然的。在他看来,移居普鲁士首府,这个德意志军国主义和帝国主义的老窝,像是背叛了自己的政治道德信念。中学时代,他 离开出生地,就是希望从那时起能放弃德国国籍,以便与军事操练和“黩武气息”一刀两断。可是现在难道还要返回普鲁士军国主义的大本营去安家定居?甚至还要 去当普鲁士皇家机构的官员?再说米列娃怎么办呢?虽说此时两人关系紧张,但米列娃毕竟还是自己的妻子。德国人看不起斯拉夫人,斯拉夫人也不喜欢德国人。柏 林那种匆忙和刻板的生活,米列娃是永远不会喜欢的。还有一点,爱因斯坦对自己的创造性有了一种隐隐的忧虑。他曾对苏黎世的挚友说过:

“柏林的先生们把我当做豢养的产卵鸡,可连我自己也不知道,我还能不能下蛋!”爱因斯坦陷入了犹疑不定之中。

“德国欢迎的是物理学家,相对论的创立者”能斯特的政治家风度与外交辞令隐藏了他真正的目的。

“但是,”爱因斯坦打断他们的话,“这算得了什么呢?相对论算不了什么的。朗之万说过,全世界只有12个人懂得相对论。”

爱因斯坦也笑了。确实,柏林是当时自然科学研究中心,有一流的设备,一流的人才,确实是研究与推广相对论的最佳地点。

“这样吧,”爱因斯坦面对难题的幽默又表现出来了,“你们二位先生先去玩几天,等你们再回苏黎世,我到车站来接你们。”普朗克和能斯特完全迷惑了。

“要是我手里拿一束白玫瑰花,就是不去柏林;要是拿一束红玫瑰花,就是去柏林。”爱因斯坦做出了一个浪漫的决定。

当普朗克、能斯特怀着忐忑不安的心情从郊外返回苏黎世火车站时,一束红玫瑰在爱因斯坦手里盛开着,他们的心放下了。柏林科学院早已盼望爱因斯坦的到来 了。1911年,诺贝尔奖金获得者范特霍夫逝世后,柏林科学院就想物色一位继承人担任常务院士。当年老力衰的伦琴谢绝这个职务后,柏林科学院想到的首要人 选就是爱因斯坦。1913年7月10日,在普鲁士皇家科学院学部全会上,爱因斯坦以44票对2票,荣膺为正式院士。爱因斯坦在1914年4月去了柏林,并 且在柏林一直定居到1932年12月。遗憾的是,米列娃没有再跟随爱因斯坦,他们分居了,一个家庭终于破裂了。

在狭义相对论发表以后,爱因斯坦科学研究的主流就在于探索更广泛的理论,这就是广义相对论。但是这个理论只 局限于彼此做相对运动的参考系,而不能用于参考系的一般运动。他力图突破这种限制,设法解决在一般情况中的相对论问题。1907年约翰斯塔克要爱因斯坦 为《放射学和电子学年鉴》写一篇关于狭义相对论的专题论文。在写这篇文章时,他忽然想到,几乎所有自然规律都可以在狭义相对论的框架内加以讨论,而惟独引 力定律不行。最令他不满意的是,虽然狭义相对论对惯性和能量之间的关系已经做了明确的阐述,但是对惯性和重量或引力场能量之间的关系并没有阐述清楚。他意 识到这个问题不可能在狭义相对论的框架内得到解决。如何下手呢?

有一天,这个问题忽然有了突破。爱因斯坦在伯尔尼专利局,正坐在一把 椅子上,突然一个想法打动了他:如果一个人自由下落,他就不会感觉到自己的重量。他吃了一惊。这个简单的思想实验对他有极深刻的影响,它把爱因斯坦引向了 引力理论。他坐在椅子上继续思考: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中。他决定把相对论扩展到有加速度的参考系。他感到,这 样做就有可能同时解决引力问题。一个正在下落的人感觉不到自己的重量,因为可看作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,在加速度 的参考系中,看来需要一个新的引力场。

爱因斯坦做了进一步的思考,将思考的结果写入发表在德国《放射学和电子学年鉴》1907年第四 卷的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中。在该文的第五部分“相对性原理和引力”中,他一开始就提出一个问题:“是否可以设想,相对性原理对于相互 做加速运动的参照系也仍然成立?”也就是说,应该成立一条“广义相对性原理”:即所有参考物体K、K等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。惯性参照系不应该是自然界中的一种具有特殊地位的参照系。

同时,在该部分,他明确提出了“等效原理”: 引力场同参照系的相当的加速度在物理学上完全等价。所谓等效原理,即认为从时空小范围来看,一个没有引力场的匀加速运动的坐标系同有引力场的惯性系是等价 的。也就是说,可以在任何一个局部范围内找到一个坐标系,使引力在其中被消除。其合理性可以通过一个理想电梯实验来说明。比如,一个人处于密闭的电梯内, 在地球引力场内让电梯处于静止或匀速运动的状态,此时电梯是一个有引力场的惯性系,电梯内的人受到引力作用,使他的脚同地板间产生的压力等于他的重量。另 外再设想若不存在地球引力场,而使密闭的电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动,此时电梯是一个没有引力场的非惯性系,电梯里的人在惯性的作用下使 脚同地板间也产生一个压力,其数值显然也等于他的重量。处于上述两种情况的人将无法区别电梯到底是处于加速运动状态还是处于引力场中。假使处于地球引力场 中的电梯绳索断了,那么电梯将做自由落体运动,这时处于密闭电梯中的人将看不到任何引力存在的现象,即处于失重状态。这说明,可以通过选择某种坐标系,在 局部范围内使引力完全消除。这个理想实验也说明,任何可以归属于加速参照系的效应都可被看做是一种引力效应。

1913年秋,爱因斯坦从苏黎世前往维也纳出席自然科学家会议。他在这个会议上做了一个关于广义相对论的比较通俗的报告。尽管理论还未最终完成,但爱因斯坦等不及了。

1915年,是爱因斯坦在探索广义相对论的道路上富有成果的一年。他先发表了一篇《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文,不用任何特殊假设就成功解 释了水星在近日点的运动:每100年大约转43。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近时弯曲的错误数值0.83,新结果比原先大1倍即 1.7。当年11月,爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文《广义相对论的基础》,该文发表于1916年的德国《物理学杂志》上。在这篇论文 中,他终于得到了正确的引力方程式。从此,他暂时结束了从1907年以来对广义相对论所进行的艰苦卓绝的探索。

要了解广义相对论,必须先从牛顿力学谈起。运动三定律和万有引力定律是牛顿力学的两大支柱,狭义相对论已经对运动三定律做了改造,而万有引力定律却还是原封未动。可是,万有引力定律与相对论之间是有矛盾的。

任何两个物体,大到天体,小到尘埃,不管它们相距有多远,彼此之间都有吸引力。地球和太阳相距1.5亿多公里,茫茫太空,没有任何传递的媒介,引力是怎 样传递到地球上来的?光从太阳传递到地球上还需要8分多钟,而引力的传递却连一秒钟也不要。对于这种超距即时作用的万有引力,实在令人感到难以理解。

在狭义相对论中,光速是速度的极限,没有任何东西的速度能够超过光速,力的传递速度当然也不能例外。可是根据万有引力定律,我们在地球上进行任何活动,月球的引力都将立即随之而起变化,这样,信号的传递速度是无穷大的。这和相对论是矛盾的。

既然引力定律和相对论有矛盾,那就一定是引力定律有什么地方不对头。在爱因斯坦的观念里,就是这么简单。因此爱因斯坦想到要来重建一个全新的,和相对论协调一致的引力理论。这是建立广义相对论的目的之一。

狭义相对论的两条基本原理之一,相对性原理说:在两个相互做匀速直线运动的参照系中,一切物理定律都是相同的。为什么一定要是相互做匀速直线运动呢?相 互做加速运动行不行呢?在建立狭义相对论以后,爱因斯坦一直在想这个问题。他想,自然界为什么要给匀速直线运动以一种特殊优越的地位呢?为什么要给惯性系 以一种特殊优越的地位呢?他认为,大自然是统一的、和谐的、简单的,不应该优待某一类参照系,歧视某一类参照系,所有的运动都是相对的,所有的参照系都具 有平等的权利。在每一个参照系中物理定律都应该成立,而且应该具有某种相同的形式,不论它是惯性系还是非惯性系。现在,非惯性系中的物理定律和惯性系中不 同,有的干脆不成立,爱因斯坦认为那是因为表示物理定律的方法不好。如果用更好的方法来表示物理定律,那么,物理定律就应该在所有的参照系中都成立,而且 具有某种相同的形式。这就是广义相对性原理,又称广义协变原理。它的严格表述式是:客观的真实的物理定律在任意坐标变换下形式不变广义协变。它是狭义 相对论中的“相对性原理”的推广。

物体的质量具有两重性质,它具有惯性,同时产生引力。我们分别把它们称做惯性质量和引力质量。惯性质量出现在牛顿力学第二定律中:

在牛顿力学中,惯性质量与引力质量之间并没有内在的联系,可是却又巧得很,二者偏偏完全相等。在牛顿力学的时代,谁也不会去怀疑这二者是相等的,惯性质量和引力质量不加区别,统称为质量。

爱因斯坦想,惯性质量和引力质量之间,如果没有某种内在的联系,为什么会那么精确地相等呢?人们手里拿着一块石子,松手就往下掉,做匀加速直线运动。在 这里地球吸引石子,是在召唤石子的引力质量,石子的落体运动。却是以惯性质量来回答。二者之间一定有着某种内在的联系,必然会包含着某种深刻的道理。爱因 斯坦穷追到底,终于发现,这内在的深刻的道理就是:“等效原理”。现在我们不去讲述爱因斯坦得到等效原理的繁琐的实验和推理过程,只讲一讲等效原理的本 身,什么是等效原理呢?

相等于惯性系做加速运动的参照系是非惯性系,但是它和惯性系平权。不能站在惯性系的立场上否定加速系中切切实实感觉得到的惯性力。惯性力是存在的,加速系中物体受到惯性力的作用:

因为惯性质量等于引力质量,只要加速系的加速度等于引力场强度,惯性力就等于引力,所以加速系的惯性力场等效于引力场。这就是等效原理。根据等效原理, 密闭实验室里的人,根本不可能区分引力场的作用和加速运动,根本不可能弄清楚自己是在加速实验室中还是在引力实验室中。对等效原理一般的表述为:惯性力场 与重力场的动力学效应是局部不可分辨的。这是等效原理的弱形式。如果将“动力学效应”换为“任何物理效应”,就是等效原理的强形式。

有了等效原理和广义相对性原理这两个基本原理,爱因斯坦就又可以着手建立他的广义相对论了。这和他在相对性原理和光速不变原理这两个基本原理的基础上建立 狭义相对论的情况完全相同。整个建立相对论的过程也十分相像:从经过实验验证的基本原理出发,大胆突破旧的物理概念的框框,引进全新的物理概念,经过复杂 的数学推导和运算,最后得到需要的结果。这就是爱因斯坦建立两个相对论的工作方法。相对论的结果,几乎每一个看起来都十分荒诞,但是从相对论中能推导出一 个又一个经得起实验验证的结果,能推导出牛顿力学,但它又能给出牛顿力学中没有的东西。用数学名词来说,牛顿力学是相对论的一级近似。

爱因斯坦建立狭义相对论是从讨论“同时性”突破的。那么他建立广义相对论又是以什么作为突破口呢?那就是“等效原理”。从惯性质量等于引力质量,到惯性 力等价于引力,到加速参照系等价于静止在引力场中的参照系,这是多么大胆、多么富有想象力的一步!然而从等效原理到建立起完整的广义相对论,还有更艰苦的 路程要走。在建立狭义相对论过程中,从解决同时性问题到写成《论动体的电动力学》。爱因斯坦只用了五个星期的时间。可是,从1907年建立等效原理到 1915年建立引力场方程,引出空间时间的弯曲,最终写成广义相对论,却用了整整八年时间(正式发表是在1916年)。

根据等效原 理,引力场的每一点附近局部地等价于一个惯性力场,也就是等价于一个相对于惯性系做加速运动的非惯性系,但惯性系与非惯性系之间是可以通过坐标变换变过来 变过去的。这样,不存在引力的惯性系和局部等价于引力场的非惯性系之间的不同,只有空间时间结构的某种不同。既然引力场的每一点附近都归结为一个非惯性 系,整个引力场也就十分自然地归结为空间时间的某种内在结构,也就是空间时间的弯曲了。

从牛顿力学出发,承认牛顿的引力,得到等效原理,然后又根据等效原理,把引力场归结为空间时间的弯曲,从而取消牛顿的引力,改造牛顿力学,这就是爱因斯坦以等效原理为突破口,建立广义相对论,把引力场当做空间时间内在结构来处理的基本思想。

先来做一个实验:将一束水平方向的光线射进一个惯性实验室。根据狭义相对论,光在惯性系中将以不变的光速做直线运动。现在实验室向上加速,成了加速实验 室。它就相当于爱因斯坦在构思相对论过程中经常思考的电梯实验中的电梯。1913年爱因斯坦和居里夫人在阿尔卑斯山上谈话时,就向居里夫人讲述过这个实 验,现在物理学界已经把这个著名的电梯称做“爱因斯坦电梯”。这束光在原来的惯性系中是水平向前运动的,现在对于加速系来说,它的运动必然要向下弯曲。根 据等效原理,加速实验室等价于引力实验室,因此这束光要是射进引力场,它也会向下弯曲。人们从来就知道光是沿着直线传播的,现在爱因斯坦却向全世界宣布: 在引力场中,光线是弯曲的。

再做一个实验:一个人在惯性实验室里向斜上方抛出一个小球,抛出以后小球不再受力,它遵从惯性定律做匀速直线运动。现在实验室向上加速,成了加速实验室,他再向斜上方抛出一个小球,小球将怎样运动呢?显然小球将做抛体运动。

二、加速实验室是非惯性系,它是不好的参照系,在这里惯性定律不成立,小球不服从惯性定律,不做匀速直线运动而做抛体运动。

相对论认为:惯性定律应该适用于一切参照系,不论它是惯性系还是非惯性系。因为引力场中每一点的附近都局部地等价于一个加速系,所以惯性定律在引力场中 也同样适用。在三个实验室中,惯性定律全部应该成立。在这三种情况下,小球都没有受到外力的作用。惯性实验室中的匀速直线运动和加速实验室、引力实验室中 的抛体运动,本质上是相同的,都应该服从同一个惯性定律。那么怎样才能满足这个要求呢?爱因斯坦提出了两点:

第一点,四度空时是弯曲的,曲率由物质的分布决定。在这里,牛顿所说的物质产生引力变成了物质引起空间与时间的弯曲,也就从根本上取消了引力。

第二点,牛顿的惯性定律修改为“不受外力作用的时候”,质点的运动在四度空时中的轨迹是一条“短程线”。这样一来,惯性定律就在这三个实验室里都成立了。

平面几何里就有这条最基本的概念:“两点之间直线最短”。这里为什么不直接把短程线叫做直线呢?不行,因为它只是平面几何的概念,在相对论里讨论的是空 间曲面,而在球面上,最短连线就不再是直线,而是大圆弧了。在广义相对论中,引力场方程的基本思想就来自第一点,运动方程的基本思想就来自第二点。 1939年,爱因斯坦又直接从引力场方程推出了运动方程,这样,第二点就不再必要了。

在平面上,任何一个方向的运动都可以分解为平直 两个垂直方向的运动,因此它是一个二度空间。球面也是一个二度空间,它是弯曲的二度空间。我们生活的世界是一个三度空间,所以我们能够从外部观察到二度的 平直空间是如何弯曲成二度的弯曲空间的:能够观察到平面上的短程线直线是如何弯曲成球面上的短程线螺线的。但是,生活在三度空间里的我们,就难以直观 地想象出三度空间的弯曲,也难以直观地想象出弯曲的三度空间里,两点之间有一条最短的曲线短程线。如果三度空间再加上一维时间,构成四度空时,对于四度空 时的弯曲,我们当然就更难直观地想象出来。但是我们可以通过物理测量来测定三度空间和四度空时究竟是不是弯曲的?弯曲到什么程度?也可以用数学的方法来描 述弯曲的三度空间和弯曲的四度空时,就像可以用数学方法来描述弯曲的二度空间曲面一样。有了一些对于空时的弯曲和短程线的概念之后,就可以来进一步了 解爱因斯坦对于惯性实验室等三个实验室里小球的运动所做的统一解释了。在惯性实验室中,空间时间是平直的,所以小球做匀速直线运动;在加速实验室和引力实 验室中,空间时间发生了弯曲,所以小球做抛体运动。匀速直线运动在平直四度空时中的轨迹是短程线;抛体运动在弯曲四度空时中的轨迹也是短程线。这样,在三 个实验中,小球都没有受到外力的作用,都服从惯性定律做惯性运动。三个实验室完全平等了,引力消失了,物理定律在三个实验室中具备了相同的形式,所不同的 只是空间时间的结构。空间时间结构的变化,在加速实验室中是运动引起的,在引力实验室中却是物质引起的。

以地球围绕着太阳转动为例,在牛顿看来,这是由于太阳对于地球的引力造成的;在爱因斯坦看来,引力这种神秘的东西是根本不存在的,地球绕太阳转动,是因 为太阳巨大的质量,使太阳周围的空时发生了弯曲。弯曲的四度空时中只有曲线,没有直线,地球不可能沿着四度空时的直线做匀速直线运动,它只能沿着最“直” (也就是最短)的一条曲线短程线做转动。

爱因斯坦把生活在三度空间的地球上的人带进了四度空时的浩渺无穷的宇宙。要三度空间的人去思考四度空时的问题需要极大极大的想象力。

对这个问题,爱因斯坦曾经打过一个比方:一只压扁了的生活在二度空间的一张纸上的臭虫,它面前的这张纸就是它的整个宇宙,只有平面,只有长度和宽度。如 果有人对它讲讲三度空间里的事,什么立体,什么高度,它会觉得简直是天方夜谭。这也就是爱因斯坦另外一句名言的意思:一只在地球仪上爬行的甲虫,它不知道 自己脚下的地面是弯曲的。如同这只甲虫一样,我们这些生活在三度空间的人,叫我们去想象四度空时里的事,也同样会感到很困难。这没有什么值得奇怪的。于是 有人也许会问:既然四度空时的图像是三度空间的人很难想像的,而且几乎是无法验证的,那么我们又怎么能知道爱因斯坦想出的这些理论是不是正确呢?

事情的确是这样,爱因斯坦的理论有些确实是无法去验证的。但是,根据他的理论推导出来的一些结论有时却是可以验证的。这同样也可以证明他的理论是正确的。

对于狭义相对论的验证,就够困难的了,广义相对论讨论的问题要深奥得多,验证起来当然也就更加困难。但是爱因斯坦还是为它找到了一个最有说服力的验证办 法,用日全食时观测经过太阳旁边的星光是否真的会弯曲和它的弯曲度是多少,来验证广义相对论的光弯曲现象和宇宙弯曲理论。

恒星光谱线的引力位移,是爱因斯坦在星光位于太阳附近会发生偏转的预言之外,做出的另一个可以验证广义相对论的科学预言。在高温下,每一种气态的化学元素都会辐射出几种一定频率的光线。通过对恒星发出的光线进行光谱分析,就可以知道恒星上有什么元素存在。

根据广义相对论,引力场会使时钟变慢,因此在原子中,电子的振荡频率变低,辐射出的光线的频率也随之变低。所以,引力场很强的恒星发出的光谱线,应该向 低频端也就是红端移动。这个预言提出后,立即受到了天文学家的注意。果然,在1924年,第一次在观测中发现了引力红移现象。1959年在观测太阳的光谱 中、1971年在观测一颗密度很大的白矮星的光谱中,又都进一步证明了引力红移。

广义相对论原理发表后,爱因斯坦又去研究更新更难的问题了,少年时代的独立沉思又一次出现。不过,现在爱因斯坦是面对浩瀚的星空发问:根据广义相对论,宇宙应该是什么样呢?

爱因斯坦分析了无限宇宙模型,根据广义相对论时空弯曲的概念,提出了自己的宇宙模型。他的论文出现在1917年的《普鲁士科学院会议报告》上,论文的题目是《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。

在这篇论文中,爱因斯坦提出了一个有限无边的静态宇宙模型。“宇宙有限”这几个字渐渐传到牧师、神父们的耳朵里。他们的耳朵竖起来了,而且竖得很长。“什么?宇宙有限?嗯好极了!”他们满意地笑了。

罗马教廷的天主哲学家发表了长篇大论,对爱因斯坦大加恭维,仿佛有限宇宙之外就必有一个天堂,这样,他们的上帝就有适当的住处了。

对于这一类上帝的代言人,有什么好说的呢?他们曾经把布鲁诺活活烧死,把伽利略关进监狱,只是因为他们宣传科学的真理哥白尼的日心地动说。而当哥白 尼的学说经过艰苦斗争,获得胜利之后,这些神学家们又摇身一变,说什么哥白尼的学说并不和《圣经》矛盾,反而给上帝开天辟地、创造日月星辰提供了科学依 据。对于宗教界这些荒谬的说法,爱因斯坦从来都抱着一种冷漠的态度。

遗憾的是,有些唯物主义阵营里的人,不断地攻击爱因斯坦的“唯心主义”,特别是在宇宙有限这个问题上。

但是说来也怪,他们提出的问题同神学家们同样浅薄:“在有限宇宙之外是什么?”他们给出的答案也和神学家们一样武断:“上帝。”

这些唯物主义者给宇宙有限论贴上了一条标签“唯心主义”。谁说宇宙有限,谁就犯下了唯心主义的弥天大罪。也许他们太性急了,还没有弄懂爱因斯坦的宇 宙有限论是什么意思,就根据现成的公式:“宇宙无限=唯物主义”,“宇宙有限=唯心主义”,赶紧提笔上阵,对宇宙有限论展开了批判。其实,他们都没有弄清 什么叫宇宙有限。

第一个概念是“静态”。他提出了一个所谓的“宇宙学原理”。这个原理是说,宇宙间的物质均匀分布,无论从宇宙的随便什么地方观看宇宙,所看到的宇宙图像是相同的,就像站在地面上观看球面,不论站在哪一点,看到的球面都是一样的。

宇宙学是从大处着眼,研究整个宇宙结构,它所使用的宇宙观尺度比太阳系大得多。小范围里的不均匀,并不妨碍大范围里的均匀。

譬如地球表面,有的地方是崇山峻岭,有的地方是旷野平川,各个地点的海拔高度是不均匀的。但是如果在人造地球卫星上远远地观看地球的整体结构,那么各地 海拔高度的差异就微乎其微了,地球就是一个相当均匀的球,严格地说,应是椭圆球。爱因斯坦的静态宇宙模型进一步假定:宇宙空间中的物质不但是均匀分布的, 而且还是静止不动的,读者可能又要反对说:“月亮绕着地球转动,地球绕着太阳转动,宇宙间的一切物质都在运动,怎么能说是静止的呢?”

这又是从太阳系的小范围来考虑了。用太阳系的小尺度衡量是运动的,用宇宙观的大尺度衡量就是静止的了。就像站在海边观看大海,以米作为衡量的尺度,那么 海水是大浪滔滔,做着激烈的运动。但是如果在人造地球卫星上观看,以公里或更大的距离作为衡量的尺度,那么海水就是静止的了。总之,爱因斯坦认为,宇宙的 总的图像就像从卫星上观看地球一样,大体上是均匀、静止不动的。你看,那些恒星不是像宝石一般镶嵌在深邃的夜空中,彼此之间的位置不是几乎从不变动吗?

对这个概念的反对意见最为激烈:“难道说我们的宇宙四周围着巨墙,墙上写着一行巨字:嗨!宇宙有限,墙外天国,人类止步!吗?”

对待这些意见,爱因斯坦的宇宙模型中还有第三个概念。这第三个概念就是“无边”。爱因斯坦的宇宙虽然有限,却又是无边的。圆圆浑浑,没有边界,所以也就 没有边界内外之分。和无限宇宙一样,有限宇宙也是可以没有“内外”的。无限宇宙排除了天国和上帝之类的东西,有限宇宙也不给它们容身之地。爱因斯坦的静 态、有限、无边的宇宙模型和牛顿式的无限宇宙模型一样,都是人类认识宇宙过程的重要里程碑。它们都是把一定数量的观测事实做了某种外推之后得到的。结论虽 然可能有错误,研究的态度和方法却是科学的。事实上,爱因斯坦提出他的宇宙模型之后过了12年,天文学上有了一次重大的突破美国天文学家哈勃发现,所 有的星系,彼此之间的距离都在不断地增大。恒星不“恒”,我们看不到它们的分离运动,因为距离我们太远了。宇宙就像一个受热的肥皂泡,在不停地膨胀。星系 就像肥皂泡上的各个点,它们彼此之间的距离也在不停地增大。宇宙不是静止的,宇宙在膨胀!哈勃利用大口径望远镜得到这个重要发现后,爱因斯坦这位公认的最 伟大的物理学家,非常坦然地承认自己的宇宙模型是错误的。

为什么不承认呢?难道最伟大的物理学家就不犯错误了吗?为了从广义相对论中解释出他的静态、有限、无边的宇宙模型,爱因斯坦甚至修改了自己心爱的引力场方程,在方程中增加了具有斥力性质的一项,叫做宇宙项。有人把引入宇宙项这件事,称为爱因斯坦平生的最大错误。

爱因斯坦犯了一个大错误,提出了一个错误的宇宙模型,后果却是诞生了一门新的科学现代宇宙学。奇怪吗?不,历史上有不少这样的事情。哥白尼的日心地 动说揭开了近代天文学的序幕,但是他的不朽巨著《天体运动论》中说行星绕着太阳做圆周运动是不对的,行星运动的轨迹应该是椭圆的。

研 究宇宙的整体结构,以前没有适当的理论指导,从爱因斯坦开始,才有了强有力的理论做指导,那就是广义相对沦。随着观测手段的不断发展和完善,更促使现代宇 宙学蓬勃发展起来。在爱因斯坦提出自己的宇宙模型之后,又有别的学者提出了其他的宇宙学理论:从宇宙膨胀论到宇宙大爆炸论,从等级式宇宙论到物质反物质宇 宙论,名目繁多,立论各异,众说纷纭,争论激烈。一门科学产生出各种各样的假设和理论,引起了激烈的争论,不正说明它有光辉灿烂的发展前途吗?从遥远的文 明开端算起,人类研究宇宙的渴望终在爱因斯坦这里找到了一个新的科学起点。

在20年代初,爱因斯坦已经享有任何一位学者都未曾获得过的盛誉。1919年日全食的观测结果证实了广义相对论之后,爱因斯坦的声誉空前增长。他的学生和助手英费尔德曾发表过一些有趣且有一定道理的看法:

“这件事是在第一次世界大战结束时发生的。人们厌恶战争、屠杀和国际阴谋。战壕、炸弹、屠杀留下了悲惨的余悸。谈论战争的书籍没有销路和读者,每一个人 都在期待一个和平的时代并想把战争遗忘。而这种现象能把人类的幻想完全吸引住。人们的视线从布满坟墓的地面转移到满天星斗的天空。抽象的思想把人们从日常 生活的不幸引向远方。日食的神秘和人类理性的力量、罗曼蒂克的场景、几分钟的黑暗,之后是弯曲光线的画面这一切和痛苦难熬的现实是多么不同啊!”

爱因斯坦瞬间成为公众偶像的原因很多,但直接的原因是通过对日全食的观测,证实了光线在太阳引力场中发生弯曲。

一直到1919年5月,两支英国远征队才获得第一批有用途的照片。而这一重要的观察成就很大程度上归功于爱丁顿。

爱丁顿经过反复计算、核对,排除一切误差、干扰,最后他完全有把握了:日全食的观测,精确地证实了爱因斯坦的广义相对论。

1919年11月6日下午。皇家学会和皇家天文学会在伦敦举行联席会议,听取两个日食观测的正式报告。会议厅里济济一堂,英国科学界的泰斗们都在这里 了,会场就像一幕古希腊的戏剧那样庄重。这些教授各个都压低了嗓门说话,仿佛连空气都感染了一种焦急的期待心情。观测的结果虽然早就从各种渠道泄露出去, 可是这件事实在太重大了,所以正式宣布的时刻,就具有了重大的历史意义。

皇家学会会长、电子的发现者汤姆逊教授在全场肃穆中起立致词。他的背后挂着一幅巨大的牛顿像,这位巨人曾经连续24年任皇家学会会长。现在正俯视着自己的后继者。

汤姆逊说:“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一也许是最伟大的成就这不是发现一个孤岛,而是发现了新的科学思想的新大陆。”

接着,皇家天文官代逊代表两位观测队长宣读观测报告。他讲道:“日食观测的数据和爱因斯坦预言的174十分吻合;空间是弯曲的,爱因斯坦的新的引力理论是正确的;牛顿为我们勾画的宇宙图像应该改变了”

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