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第14章 晚年的贡献

爱因斯坦在他人生的最后20年,在物理学中取得了哪些巨大成就呢?这20年中他的研究工作集中在两个主要的方面:一个是统一场论的建立,实际上是相对论的继续。另一个是对量子力学的正确解释。

1935年9月,爱因斯坦同波多尔斯基和罗森合作,发表向哥本哈根学派挑战的量子力学论文,宣称哥本哈根学派的量子力学对实在的描述是不完备的。

1936年,爱因斯坦开始同英费尔德和霍夫曼合作,研究广义相对论的运动问题。

1937年3月至9月,爱因斯坦与英费尔德合作编写《物理学的进化》。

1937年6月,爱因斯坦同英费尔德和霍夫曼合作完成论文《引力方程和运动问题》,从广义相对论的场方程推导出运动方程。

1938年,爱因斯坦同英格曼合写论文《卡鲁查电学理论的推广》。

1940年5月15日爱因斯坦发表论文《关于理论物理学基础的考察》。

1948年8月,爱因斯坦发表《量子力学和实在》。

1952年4月,爱因斯坦发表《关于一些基本概论的绪论》和《相对论和空间问题》。

1953年5月20日,爱因斯坦发表关于量子力学解释的论文。1953年5月,爱因斯坦发表《“空间概念”序》。

1954年11月,爱因斯坦完成《非对称的相对论性理论》。

1950年4月,爱因斯坦发表《关于广义引力论》。这篇论文,总结了爱因斯坦自1922年发表第一篇统一场论的论文以来长达28年的统一场论的研究。这是他继1905年的《论动体的电动力学》、1916年的《广义相对论基础》这两部划时代的文献之后,第三部最主要的科学文献。这是他长期为宇宙中存在的两个独立的场——电磁场和引力场去寻找一个最终的统一形式而做的艰难探索的成果,是他后半生中最重要的理论巨著。

爱因斯坦在他当年的信中说:“统一场论现在已经完成……虽然我付出了全部心血,还是不能用任何办法去验证它。这种状况将长年累月地持续下去。因为数学上的困难不容许赋予它以单值的评价的形式。何况物理学家们不理会逻辑的和哲学的论据。”

不过,对于爱因斯坦毕生追求的终极目标:建立起一个能够统一宇宙中所有已知的力的综合数学框架,而且可以解释一切基本粒子的存在和性质,推导出一切重要的自然常数,并将相对论和量子力学最终结合在一起的这样一个“解释世界的理论”或“整个物理学的基本理论”来说,这篇论文还远不是最后的完满的结果。直到爱因斯坦去世之前,他的这个理想也没有最后完成。在他去世的前一天,他还叫他的助手把大统一理论的最后计算结果拿到他的病床边来。

他最终未能完成大统一理论,实现他的理想,并不是因为他的智慧和能力不够,而是由于时代的限制。

他生活和工作的年代还是在20世纪的前半个世纪,那时人类拥有的科学技术手段还根本不可能对自然最深的奥秘,特别是对宇宙深处星球的奥秘和原子内部粒子的奥秘这两项最重要的自然奥秘进行更深层次的开掘,人类对宇宙和原子核内部奥秘的了解还非常肤浅。因此尽管爱因斯坦具有超人的对于事物的洞察能力和预见能力,但他毕竟还是一个人,他无法超越他的时代,无法用他的理论去预知一个完全未知的世界。

在爱因斯坦建立能统一宇宙中各种已知的力的统一场论时,宇宙中已知的力只有两种:引力和电磁力。而在他去世后的半个世纪中,特别是近20年来的科学的飞速进步(包括宇宙学和基本粒子理论)已经使宇宙中已知的力发展成为四种:除引力和电磁力以外,还有弱核作用力和强核作用力。因此,人类今天追求的终极的统一场论,不但要能将引力和电磁力统一起来,还要能将弱核作用力和强核作用力统一起来。爱因斯坦在他的统一场论研究工作中,已经对引力和电磁力的统一做出了巨大的贡献。

在他后半生中一直为之奋斗的伟大的统一场论,包括对他在普林斯顿最后22年的全部物理学研究工作的评价,都曾经在很长一段时间里遭受人们的误解和不公正的冷遇,有时甚至还有嘲笑。在很长一段时间里,他自己曾经参加创建的量子力学成为了物理学发展的主流,而他追求的统一场论则被看成是虚幻的梦想。最后他虽然完成了他的统一场论理论,但也只是纯数学计算,难以取得实验验证。

当时以波尔、海森堡以及狄拉克等伟大的物理学家为代表的近代量子力学,在物理学所有领域中几乎是无往而不胜。狄拉克甚至大胆地预言:量子力学可以使全部化学简化为一组数学方程!它几乎在40多年里主宰了物理学的进程。

爱因斯坦几乎是孤独一人站在反对的一面。他并不是全盘否定他自己曾经亲自参加创建的量子理论,他否定的只是量子力学在后期发展中所具有的几个他不能接受的问题。

首先,他反对的是量子力学把概率看做是整个理论的牢靠的基础,而他决不能接受概率论里的机会的观点,他给波恩的信中写到:“我确信上帝不会掷骰子。”其次,他认为量子论是不完全的,他认为“物理现实中的每一个对象在物理理论中都应该有其对应”,而量子力学处理的仅仅是集体行动,这是一个不能对个体事件做细节描述的理论体系。第三,爱因斯坦是一个因果律的坚定信仰者,他无法接受世界是非客观的观念。

爱因斯坦对自己在物理学界的孤立状态并不在乎,他在给朋友的一封信中嘲弄地写道:“我在我的同事们的眼中成了一个顽固的异教徒。”然而这并不能使他有所动摇,1948年他尖锐地指出:“暂时的成功为大多数人带来的,是使他们更加信服的力量而不是在原理上的思索。”在谈到牛顿的旧引力理论时,他指出:“在它的不完备性暴露之前,它在两个多世纪的时间里一直是成功的。”

不过,爱因斯坦对量子力学的方程是接受的,他只是觉得量子力学是某个潜在理论(指统一场论)的一个不完全的表现形式,在那个理论中对现实的客观描述是可能的。他也从未放弃过对量子现象和相对论进行融合的理论探索。

随着历史的进程,随着物理学在近二三十年中在天体宇宙学和原子内部粒子理论上的飞速发展,人们终于发现:

量子力学本身并不是一个完备的理论,只是当物理学家用它来分析速度远比光速小的现象时才是有效的。

量子力学在20世纪三四十年代所取得的巨大成就只是一种侥幸,氢原子中的电子运动的典型速度是光速的百分之一,如果我们遇到的是这样的原子,其中电子运动的速度接近光速,量子力学就远远不会那么成功,而狭义相对论效应就会变得重要了。

在地球上很少看到速度接近光速的现象,因此量子力学在解释像激光和半导体这样的日常现象时是有用的。但是当分析宇宙中运动很快而能量很高的粒子时,量子力学就无处用力,就只能求助于狭义相对论了。

时间终于宣布了爱因斯坦的相对论和统一场论的胜利,在几十年的冷遇之后,科学重新回到了爱因斯坦的身边。20世纪末新发展起来的超弦理论,把物质的基本单元看成是由一些微小的振动着的弦所组成,而不是由微小的粒子所组成。这意味着所有物质中的一切粒子,包括质子和中子,最终都是由弦所组成,从我们的身边直到遥远的星系中的一切都是如此。没有人能看到这些弦,因为它们太小而无法观察,它们比质子还要小一万亿亿倍。根据超弦理论,我们的世界看上去像是由许多点粒子所组成,其实是由许多更小的振动着的弦所组成。只是我们的测量仪器无法达到那样精确的程度,看不到这些弦而已。

一个如此简单的概念:将点粒子用弦来代替,就能解释自然界中丰富的粒子和由粒子交换而产生的力的多样性。它是如此优秀而具有综合性,可以简单地解释为什么宇宙中存在如此众多的(数以亿万计)不同类型的粒子和物质,而每一种又在其特点上具有巨大的差别。

超弦理论可以产生关于自然的一个相互关连而又包容一切的图像。它的出现震动了整个物理学界,美国普林斯顿大学的物理学家爱德华·威顿宣称:“超弦理论将会在未来的50年中主导物理学界,它是一个实实在在的奇迹。在一次世界物理学会上,我更宣称我们正在经历一切与相对论和量子力学的诞生同样伟大的物理学革命。”这可能会让人们对什么是真正的时间和空间产生新的理解,是自爱因斯坦的广义相对论以来最为激动人心的变革。

但是整个世界的物理学家对这个新理论感到如此兴奋的根本原因还在于:它看来能最终解决也许是本世纪最为重要的科学问题,即爱因斯坦梦想和追求的——如何将自然界已知的各种力统一到一个综合的理论中。现在正在发展的大统一理论,已经马上就会实现电磁力、弱核作用力和强核作用力这三种自然力的统一(引力还不能包括其中,但引力的绝对值与三种力的绝对值相比十分渺小,在进行微观世界的研究中可以忽略不计)。

现在的物理学已经比历史上的任何时期更加接近爱因斯坦的梦想。

爱因斯坦在晚年一个人孤立地面对整个物理学界时,没有丝毫的动摇和退缩,始终坚信他的统一场论是正确的,是达到整个宇宙的和谐的必经之途。正因为如此,虽然他已经逝世了半个多世纪,可是他的名声至今不衰。如果要进行一次有史以来对人类贡献最大的100人评选,包括古往今来一切著名的文学家、艺术家、科学家、政治学、军事家,排在第一名的必然是爱因斯坦。

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