相對論和光電效應有什么偉大之處？ 對這個世界有什么貢獻？我們為什么說他是偉大的人

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愛因斯坦的科學成就 吳忠超 　愛因斯坦是歷史上繼牛頓之后最偉大的科學家。他是狹義相對論的重要發現者，他對量子理論的創立具有重大的貢獻，而廣義相對論，亦即現代引力論的建立，則應全部歸功于他。 十九世紀末期，麥克斯韋成功地把電學和磁學統一在他的電磁理論中，從他的方程推導出，電磁波在真空中傳播的速度剛好是光速，于是他斷定光波應是電磁波的一種。麥克斯韋因為家族遺傳的疾病，只活了四十八歲，因此沒有看到電磁波實驗的成功。在牛頓的絕對空間、絕對時間以及伽利略的舊的相對性原理框架中，只有以無限速度運動的物體，在相對勻速運動的坐標系中才具有相同的速度，即無限速度。而牛頓的萬有引力認為是以無限速度傳遞的，所以在麥克斯韋之前，牛頓物理學被認為是自洽的，而電磁波是以有限速度傳播的，在舊的相對論框架中，它的速度會因坐標系的選取而改變，這樣他的方程只能在一個特定的坐標系中成立，這個坐標系被認為是相對于一種稱為以太的媒介靜止。于是尋求以太的存在便成為科學的主題。邁克爾遜——莫雷實驗的結果否認了以太的存在。愛因斯坦在1905年發表了一篇題為“運動物體的電動力學”的論文，指出如果將時間和空間組成四維的時空，而在參考系進行相對勻速運動時，時空坐標遵照所謂的洛倫茲線性變換，則一切物理定律包括麥克斯韋方程都應采取相同的形式。這樣一來，以太的存在便完全是多余的。愛因斯坦在發表狹義相對論之前是否知悉邁克爾——莫雷的實驗仍是科學史上的一個懸案。 這篇論文拋棄了牛頓的絕對時空觀，導致物理學上的一場革命。由洛倫茲變換導出的尺縮、鐘慢以及雙生子佯謬都和人們的直覺相抵觸。而著名的質能等效公式則是核能乃至核武器的理論根據。 　 1900年普朗克為了解決黑體輻射的紫外災難問題，提出了輻射的量子理論，即是光輻射必須采取一種稱作量子的波包形式。但是只有在愛因斯坦提出光子理論之后，人們才真正接受光可以粒子即光子的形式存在。普朗克曾經是愛因斯坦關于狹義相對論第一篇論文的審稿人。既然光波可以作為粒子而存在，那么電子等物質粒子能否以波動而存在呢？這是法國的一名研究生德·布羅依的設想，愛因斯坦得知后立即支持這一激進的假說。這些都是量子理論發現的前奏。愛因斯坦因他的光子理論而獲得諾貝爾物理學獎。其實愛因斯坦對相對論的貢獻遠為重要，但是諾貝爾評獎委員會對激進的相對論持謹慎的態度。事實上迄今諾貝爾獎從未為理論相對論家頒發過。終其一生，愛因斯坦從未接受量子理論為終極理論，他認為量子力學只是一種唯象理論，而終極理論必須是決定性的。我們知道，就現狀而言，量子力學并不自洽。它仍然在忍受著愛因斯坦——羅遜——帕多爾斯基佯謬的折磨。近年的一些研究似乎在一定程度上解脫了薛定諤貓佯謬對它的折磨。 狄拉克把狹義相對論和量子力學相結合，得到了極富成果的量子場論。量子場論是描述一切微觀粒子的理論框架。從狄拉克方程可以推導出反粒子的概念。量子電動力學可能描述電子、光子、正電子的湮滅、創生和相互轉變。人們由此進而發展出當代粒子物理學。 愛因斯坦說過，如果他不發表狹義相對論，則在五年之內必有他人發表。其實當時洛倫茲和彭加萊已經非常接近這個結果了。可惜洛倫茲無法掙脫舊的時空觀，而彭加萊又主要是一位杰出的數學家，因此只有眼光敏銳、思維深邃的愛因斯坦擔任這項歷史任務。值得提到的是，當時洛倫茲已是世界聞名的物理學家，彭加萊是法國首位數學家，而愛因斯坦大學畢業后，連中學教員的職務都找不到，借助朋友介紹才在伯爾尼專利局任一名職員。 他接著說，如果他不在1915年發表廣義相對論，則人們至少得等待五十年。這個估計是非常合情理的。廣義相對論是狹義相對論和引力論相結合的成果。它的一個實驗基礎是伽利略在比薩斜塔進行的自由落體實驗，即引力質量和慣性質量的等效性。但是為了充分闡釋其物理含義，人們等待了三百年之久，也就是等待到廣義相對論的發現。所以若不是愛因斯坦，再等待五十年是很有可能的。 我們在瀏覽愛因斯坦文集第六卷時，就可以看到他所進行的多次不成功嘗試，這是人類理智的蹣跚學步。他認為引力場和其他物質場不同，它是以時空的曲率來體現的，物質使時空彎曲，而時空又是物質的載體，脫離物質的時空曲率即是引力波。所謂廣義相對論原理即是，物理定律對任何坐標變換都采用相同的形式，而狹義相對論原理是，物理定律只對任何洛倫茲線性變換都采取相同的形式。引力場由所謂的愛因斯坦方程所制約。它是非線性的，有別于以往所有的場方程。所以物質的運動方程被愛因斯坦方程所隱含。引力場方程是二階的，以時空為自變量，以度規為因變量的帶有橢圓型約束的雙曲型偏微分方程。其復雜而美妙對任何曾與之打交道的人都留下深刻的印象。在廣義相對論的框架內，愛因斯坦進行了引力紅移、水星近日點進動以及光線受引力場折射等計算。而他關于光線在太陽引力場附近受到折射的預言在1919年西非日食的觀測中得到證實。他的方程如此難解，以至于他在這些計算中，使用的只是一個近似解，所依賴的主要是他的無比的物理洞察力。而球面對稱的準確解——史瓦茲解是在此之后才找到的。 他首次用引力場方程來研究宇宙的整體，開創了理論宇宙學的新學科。可惜由于穩態宇宙的觀念是如此根深蒂固，使他拒絕了演化宇宙的解，他還為此在場方程中引進一項宇宙常數，從而人類失去了一項重大的科學預言機遇！1929年哈勃觀察到星系光譜紅移和距離的線性關系，即所謂哈勃定律。人們把紅移歸結于宇宙的膨脹，并斷言宇宙是由于一百多億年前的一次大爆炸產生的，這就是所謂的標準的大爆炸宇宙學。 他的場方程還得出緊致物體的引力坍縮的解，即史瓦茲解及其推廣，這就是描述黑洞的解。但是愛因斯坦認為物質不可能如此緊致，并著文認為這是荒謬的。但是歷史證明，黑洞是天體物理中最重要的物體，近年天文觀測，使人們普遍認為在星系中心存在巨大質量的黑洞。事實上，宇宙本身和黑洞正是理論物理學最美妙的研究對象。如果撇開宇宙和黑洞，則物理學的光彩將會大為遜色！ 愛因斯坦在布朗運動、作為激光機制的基礎的輻射理論、玻色——愛因斯坦統計及其凝聚現象都有關鍵性貢獻。他和玻爾有關量子力學的論爭是科學史上曠日持久的影響深遠的事件。他堅信自然界中的一切相互作用都可統一成一種作用。統一場論是科學皇冠上的鉆石！當代的超對稱、超引力、超弦理論都是統一場論路途上的種種嘗試。 相對論在近四十年來有了長足的進展，尤其經典相對論已成為成熟的學科。相對論在近世的進步，主要歸功于彭羅斯和霍金。彭羅斯利用全局分析以及拓撲工具，賦予高深的相對論計算以鮮明的物理意義，以他命名的彭羅斯圖對于時空猶如費因曼圖對于粒子物理那樣重要。霍金和彭羅斯一道證明了奇勝定理。他單獨證明了黑洞面積定理以及黑洞視界面積代表黑洞的熵。他的黑洞蒸發理論把量子場論、廣義相對論以及統計物理統一起來，其理論的瑰麗，猶如一道佛光，令人目眩神搖。而他的量子宇宙學的無邊界假說，是研究宇宙創生的科學理論。 筆者認為，引導愛因斯坦以及后代科學家生涯的最大動機，不是財富，不是名聲，也不是別的更高尚的目標（尤其是財富和名聲可以憑借其他更快捷的手段獲取）。他們的主要動機是科學的好奇心和科學的美學。我們可以在歷史中找到許多例子，有多少人恰恰是為了科學犧牲世俗中的健康、財富和名聲。但是普天之下人們所擁有的一切除了科學發現和藝術創造的喜悅之外都是可能被剝奪的。人類對好奇和美的不懈追求將把人類帶向更美妙的未來！ 寫于愛因斯坦一百二十周年生日前夕 。