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第24章 20世纪最伟大的科学家:爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦于1879年3月14日出生于德国的马尔姆,双亲都是犹太人。父亲赫尔曼·爱因斯坦是一个小业主,依靠亲戚的资助经营一家电器设备工厂。

幼年的爱因斯坦略显迟钝,四五岁时还不大会说话,在学校里表现也极为平常。4岁那年,父亲给了他一个指南针,引起了他强烈的好奇心,他觉得似乎有一种神秘的力量支配着那枚指南针,这种惊奇感构成了他探索事物的原委的初始动力。

尽管双亲完全没有宗教信仰,但爱因斯坦在幼年时却深深地笃信宗教。到了12岁,他在阅读通俗科学书籍的过程中认识到,《圣经》里的许多故事都不是真实的。于是,他终止了宗教信仰而产生了一种真正狂热的自由思想,其结果是对一切权威的怀疑。

后来在求学过程中他接受了父亲的劝告,认识到想谋求职业必须先取得大学文凭,于是投考瑞士苏黎世联邦工业大学。他优异的数学成绩给人留下了深刻印象,却因其他成绩的拖累而没通过入学考试。大学校长建议他去中学补习一年,再来投考。他在瑞士阿劳市的阿尔高州立中学学习一年,17岁的时候终于考入苏黎世联邦工业大学师范系,学习物理和数学。在此期间,爱因斯坦生活窘迫,每月靠亲戚资助的100瑞士法郎生活,还要省20瑞士法郎缴纳加入瑞士国籍的归化费。1901年爱因斯坦取得瑞士国籍,同年毕业。

毕业后,他想留校担任助教,但遭到拒绝。随后他试图谋求中学或技校教师的职位,也没有成功,于是,他只得担任家庭教师,偶尔也在中学替别人代课。1902年,他在朋友的帮助下得到一份固定的工作——瑞士伯尔尼市专利局专利审查员。1903年结婚,新娘是他在苏黎世的同学——塞尔维亚姑娘米列娃·玛丽琦。

专利局的工作使爱因斯坦有了可靠的经济保障,而且工作并不繁重,使他能有许多空闲时间从事研究。爱因斯坦对此非常满意,甚至认为这是最适合物理学的工作方式——从事与物理无关的职业,闲暇时从事研究。

爱因斯坦博采众长为我所用。他广泛接触了各种不同的文化:牛顿、安培、休谟、斯宾诺莎、莱布尼兹、康德、马赫等各流派哲学著作,许多文学名著、德国古典音乐……他从这些不同的文化中,孜孜不倦地汲取营养,但从不定于一尊。如马赫对牛顿力学的批判对他很有启发,但马赫不重视理论思维,不承认原子存在,这一直受到爱因斯坦的批判。多元的文化品种、活跃的文化因子,在爱因斯坦的头脑中通过随机碰撞,产生出新的组合,于是创新力喷薄而出。1901年起,他开始在德文科学杂志《物理年鉴》上发表研究成果,1905年他的研究达到高峰。

那一年,《物理年鉴》发表了他的5篇论文。第一篇——《分子大小的新测定法》使他获得了博士学位。第二篇——《关于光的产生和转让和一个启发性观点》成功地把两个相互矛盾的光学理论——波动说和粒子说结合在一起,大胆地提出了光的量子化理论。这一学说澄清了长期存在于光学中的理论混乱,令人信服地解释了诸多费解的实验现象。值得一提的是,他的研究奠定了量子论的基础,由此衍生的波粒二象性观点经过另一位物理学家——法国的德布罗意的发展,成为物理学家最基本的世界观,是现代物理学最重要和最基本的概念之一。这一成就使他赢得了1922年的诺贝尔奖。第三篇论文《在热分子运动论所要求的静液体中悬浮微粒的运动》讨论了涨落现象,阐明了几个非常重要但未能精确测得的物理常数的关系。尤为重要的是,爱因斯坦的工作打消了理论界对分子实在性的疑虑。

以上3篇论文已是辉煌的成就,但是与第四篇相比则显得黯然失色。这篇题为《论动体的电动力学》的论文开创了一场真正的革命。20世纪初的物理学孕含着深刻的危机;在经典物理学的两大支柱——牛顿力学和经典电磁学之间存在着难以调和的矛盾。为了解决这一致命矛盾,许多物理学家做出了艰苦的努力,有些人甚至已提出了非常接近正确思想的方案,但是,只有爱因斯坦才敏锐地认识到,矛盾的核心在于牛顿的绝对时空观念。爱因斯坦认为,时间和空间都是相对的。他向束缚人类几千年的思想和统摄科学界近300年的权威提出了挑战。

爱因斯坦的学说论述了匀速直线运动的坐标系中的物理现象,这一被称为“狭义相对论”的理论成为物理学革命的起点。在随后发表的5篇论文中,他进一步发展了相对论,阐明了质量与能量的关系,修正了经典物理学中的质量守恒和能量守恒定律,包括核弹在内的原子能利用都是以此为基础的。

长期以来,对于宇宙的传统观念,由一个人把它全部打翻了。难以设想,当人们接触爱因斯坦的光辉理论时该是何等惊讶!而这一切竟出自于一个年仅26岁的专利审查员之手。

爱因斯坦在科学界掀起狂飚,他的成就奠定了学者生涯的基础。1908年,他受聘为伯尔尼大学兼职讲师,次年又受聘为苏黎世联邦工业大学副教授,不久,升为教授。1911年他接受了奥匈帝国布拉格德国大学的教授职务。1913年,柏林请他担任威廉皇帝物理研究所所长、普鲁士科学院院士、柏林大学教授。1914年他赴德国就职,又重新获得德国国籍。

不久,第一次世界大战爆发、国家动员了一切力量支持这场罪恶的战争。爱因斯坦坚定地固守和平主义立场。他在各种场合宣扬反战思想,甚至加入了反战组织“新祖国同盟”。也许是他的学术盛名和“古怪”的名声救了他,否则这位科学巨匠早被当做破坏分子处决了。他遭到同事们的孤立,婚姻也濒临破裂。令人惊异的是,他最伟大的科学成果,却正诞生于孤独的处境之中。

爱因斯坦认为狭义相对论也没有穷尽真理,他勇于创新,不断前进,于1915年又完成了广义相对论。在逻辑上,这是狭义相对论思想的延伸和推广,把匀速直线运动下的时空变换推广到变速运动和引力场存在的情况中。这是爱因斯坦最辉煌的成就,科学史上最伟大的发现。它极为深刻而又普遍地描述了物理世界的状态,其核心在于时空在引力作用下的扭曲,变速运动即归结为扭曲时空中的自然运动。爱因斯坦彻底革新了时空、引力、质量、运动以及由此衍生的动量、能量等观念,从极简单的逻辑假定出发构造了描述宇宙的普遍而又统一、和谐的理论。就是这一理论成为现代物理学的基础。

科学的曙光穿透了战争的喧嚣,英国科学家仔细地研究了爱因斯坦的理论。根据广义相对论的预言,光线在恒星附近将受引力场的作用而弯曲。英国皇家天文学会决定在1919年5月29日发生日全蚀时对这位敌国科学家的理论进行决定性的检验。两支远征队实施了这一计划,结果与爱因斯坦的预言完全相符。

相对论的成功使爱因斯坦在一夜之间成为举世瞩目的英雄。那个只有少数人能看懂的深奥理论使他得到全世界的崇拜,相对论以及四维时空和爱因斯坦的名字联结在一起,成为家喻户晓的名词。各国大学纷纷授予他名誉教授称号,他开始应邀赴世界各地访问、讲学。在他50岁生日时,他收到了成千上万件的礼物和难以计数的贺信、贺电,邮电局不得不专门为他设了一个信箱。

正当爱因斯坦的声名如日中天之际,对他的攻击也开始了。第一次世界大战结束不久,德国反犹右翼分子汇起了反对相对论的逆流,爱因斯坦遭到了恶毒攻击,甚至他的生命也受到威胁。随着纳粹势力的疯狂膨胀,排犹运动和灭绝人性的种族纯化思潮也有恃无恐,甚嚣尘上。1932年冬,爱因斯坦赴美国讲学,归途中他得知希特勒已攫取政权。纳粹势力席卷德国,第三帝国挥起屠刀,对犹太人的清洗已全面展开。当爱因斯坦在比利时港口登陆时,他已无家可归了。

纳粹德国把爱因斯坦称为“犹太国际阴谋家”和“共产国际阴谋家”,动员了学术界对他进行声讨,并且悬赏两万马克要他的人头。爱因斯坦毫无畏惧,坚决斗争。他断然拒绝为纳粹“讲句好话”,公开谴责法西斯毁灭“一切现存文化价值”,是一种“精神错乱状态”。他宣布放弃德国国籍,退出普鲁士科学院。在欧洲短暂停留后,他登船前往美国,受聘为普林斯顿高等学术研究所教授。

1955年4月18日凌晨1时25分,爱因斯坦在普林斯顿因病逝世。根据他的遗嘱,没有举行葬礼仪式,也没设坟墓、纪念碑和纪念殿堂。然而,他的文化品格却具有无穷的价值和魅力,他已在人们心中树起了不朽的丰碑。

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