陈新光  >>  正文
陈新光:百年相对论,求知探索路
陈新光
01月05日

2015年是阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)创建狭义相对论110周年、广义相对论100周年,也是继伽利略、牛顿以后世界最伟大的物理学家逝世60周年。今天回顾爱因斯坦对当代世界科学的杰出贡献,传承和弘扬他所代表的科学理念、探索精神和人生价值,对于领悟科学真谛,认知创新规律,培育创新人才,建设创新型国家,实现中华民族伟大复兴的中国梦,推进人类文明进步和发展都很有重要意义。

传奇的人生探索之路

爱因斯坦1879年3月14日出生在德意志帝国符腾堡王国乌尔姆市的一个犹太人家庭。父亲是一位商人,母亲是一位音乐家,幼年时的爱因斯坦并非神通,他的智力发育比常人还慢。据说直到3岁才会开始说话。5岁时他对罗盘感到好奇,并开始学拉小提琴。受家庭环境影响,爱因斯坦对技术和抽象的数学感兴趣。12岁就自学了平面几何并自己证明了毕达哥拉斯定理。13岁时他读了康德的哲学名著《纯粹理性批判》,接触到科学和哲学思想后,对《圣经》中的故事产生了怀疑,并由此萌发了对传统观念和权威质疑和批判的动机,对德国僵化的教育制度、枯燥乏味的教学内容和单调刻板的教学方法也产生了叛逆心理。爱因斯坦爱读科普书籍,而且总是设法了解当时科学的最新进展。亚龙·贝恩斯坦所著的《自然科学通俗读本》对他兴趣的形成及走上科学道路产生了重要影响。 1894年,爱因斯坦全家迁居意大利米兰。时年15岁的爱因斯坦本应留在德国完成大学入学资格考试,但由于常触犯校纪而受老师训斥,爱因斯坦固执地决定肄业,在一位好友的建议下申请了瑞士苏黎世联邦理工学院,由于他没有德国大学入学资格考试成绩,因此未通过考试。该校校长赫尔岑推荐他去瑞士阿劳州立中学再学习一年。这所中学的独立自由精神,使爱因斯坦感到十分愉快。后来爱因斯坦曾这样评价:"这所中学用它的自由精神和那些不依仗权势的教师的纯朴热情,培养了我的独立精神和创造精神。正是阿劳中学,成为孕育相对论的土壤。"后来爱因斯坦参加了瑞士大学入学考试,成绩单显示,他五个考试科目皆取得了最好的成绩。

1896年秋,爱因斯坦进入苏黎世联邦理工学院师范系学习物理学。他对课堂听课兴趣不大,大部分时间在实验室度过,或在宿舍阅读著名物理学家的最新著作,使他逐步了解了当时物理学前沿的一些重大问题。因为他特立独行、离经叛道的性格和行为,教授们并不看好爱因斯坦,1900年他毕业未能如愿留校担任助教,只能靠当临时"家教"维持生活,还在专利局打工三年。经过不懈的独立思考和探索,1905年3至12月,爱因斯坦在德国莱比锡《物理年鉴》连续发表了六篇具有划时代意义的论文,至少包括了现代物理学中四大成就:提出光量子假说、由液体中悬浮粒子运动推出测定分子大小的方法、解决了原子是否存在的争论、创立狭义相对论、推演出著名的质能转换公式。一位年仅26岁而且并不在物理专业研究体制内的年轻人在较短时间内,就在物理学的多个前沿领域做出了多项开创性贡献,开启了现代物理学的新时代。1905年后来也被人们称为"爱因斯坦奇迹年"。

1915年,36岁的爱因斯坦向普鲁士科学院提交了完整的广义相对论方程。广义相对论是人类利用想象力解开自然界最神奇奥秘的绝佳例证:欢迎来到由弯曲空间、黑洞、大爆炸、虫洞组成的宇宙,甚至是多重宇宙。爱因斯坦提出了三个检验其新理论的实验。其中一个实验是对水星轨道的修正。水星围绕太阳运行的方式很奇妙,就像是一个在摆动的陀螺。爱因斯坦根据水星受太阳周围弯曲空间的影响,得出了准确的修正道。爱因斯坦及其相对论带给我们最伟大经验也许在于,现实并非像它看上去的那样。我们所认识的真正知识常常是扭曲的,科学拓宽了我们的现实性,揭示出常常看似奇怪且出人意料的联系和可能性。在我们继续了解大自然及其奥秘时,应该牢记爱因斯坦的名言:"我眼中的大自然是一个我们只能非常不完美地理解的宏伟结构,而这必使一个沉思者充满了谦卑的感觉。"一个世纪以后,2004年6月10日联合国大会第58次会议决议将2005年定为国际物理年。

广义相对论失宠和中兴

1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,这是继牛顿之后,描述万有引力的第二个里程碑。这个理论,至今仍然是天体物理及宇宙学中,建立天体星系运动模型以及宇宙演化模型的基础。广义相对论诞生已100周年,2015年各国科学界纷纷纪念这一伟大事件,然而广义相对论的发展演绎历史并非一帆风顺。德国马克斯·普朗克学会科学史研究所研究人员成立了专门工作小组,对广义相对论的历史进行了一系列追溯研究。最新的研究结果表明,广义相对论在20世纪20年代曾一度"失宠",直到20世纪50年代中期才迎来复兴。广义相对论失宠和中兴先后经历了三个阶段:一是陷入低潮期近30年。1915年11月,爱因斯坦在普鲁士科学院举行的讲座中陈述了其新理论的引力场方程,这被认为是广义相对论诞生的标志。四年后,该理论的基本预言之一--光在太阳引力场中的弯曲,被当时一支在普林西比岛上的日食观测队证实。为此,爱因斯坦几乎一夜之间成为国际名人,并从此被认为是卓越的科学家典范。虽然广义相对论的提出作为一个成功的故事常常被人津津乐道,但其后续发展却甚少人熟知。但与轰动的开端不同,其之后的发展经历发生了惊人的转折。对于该理论的兴趣和研究曾进入"低潮期",这一时期约从20世纪20年代中期持续至20世纪50年代中期。广义相对论直到20世纪六七十年代才重返舞台中央,美国佛罗里达大学物理学教授克利福德·威尔称其为广义相对论的"文艺复兴"。此前,广义相对论主要用于计算和更正在太阳系内牛顿万有引力理论的预言。之后,广义相对论也成为用来探究遥远天体的重要理论。在其帮助下,如黑洞等这些以前不被了解的遥远天体的特性得到了解释;二是战争环境影响理论发展。有许多学者研究的结果,二战后以及冷战期间,科学环境,尤其是物理学的外部条件变化是影响广义相对论发展起伏的主要原因。原子弹的制造和应用使物理学家展示出他们对于国家安全的重要性。因此,战后有大量资金涌入物理学研究,一度物理学专业毕业生的数量也上升到史无前例的规模。同时,战争期间的技术发展为科学研究开拓了新领域。例如,雷达研究中用来探测无线电波的方法被用于观测人类肉眼无法观测到的天体,并催生出射电天文学。这一新领域在20世纪60年代初找到了遥远星状天体存在的证据。尽管位于数亿光年之外,无线电天文望远镜仍能探测到这些星状天体,即类星体发出的强烈辐射。在广义相对论背景下,这些类星体很快被认为是正在形成的黑洞。20世纪50年代左右,广义相对论一度还被人们认为是很难懂,甚至是徒劳的研究领域;三是流动性增强理论交流。复杂的爱因斯坦引力场方程为数学家提供了富饶的研究土壤。同时,尽管通过提出时空扭曲的新概念,该理论为寻找能够解释整个宇宙发展的理论奠定了基础,但这些早期的试验主要是受到一些哲学问题的驱使,与主流物理学研究关系不大。20世纪50年代,情况开始发生了变化。随着国际间流动性增强,当时还较为孤立地研究广义相对论的物理学家能够更加容易地接触到彼此。其中一个著名的关键性事件,1955年在瑞士伯尔尼为纪念狭义相对论诞生50周年举行的一次会议,此次会议被认为是自称"相对论者"的物理学家建立起国际团体的开端。该团体在接下来几年中坚持举办例行会议,创建专门期刊,进行广泛人才交流等,通过科学家多年艰辛的付出和诸多努力,做出了对该理论的发展,使这些"相对论者"最终将广义相对论确立为有广泛适用范围、有实证依据的物理学理论。

爱因斯坦科学人生给人们的启示

文艺复兴、科学革命、宗教和社会革命以来,欧洲,尤其是德国、瑞士等社会和学校教育中形成的追求科学知识,崇尚严谨数理逻辑,思辨实证的哲学思想和人文主义情怀,注重培育学生认知自然,思考探索的兴趣和理性质疑创造的能力。爱因斯坦的非凡成就和科学人生,使他实现了科学造福于人类、促进世界和平与人类文明进步的理想。我们从中可以得到十分宝贵的启示:爱因斯坦的成长、成才、成就,源于他对科学的强烈兴趣、不懈探索和创造精神。青少年时期家庭亲友的影响和启蒙,科普读物、康德的哲学思想、自学物理学前沿研究进展,发现知识理论体系内的不自恰,以及已有理论与实验观察结果之间的矛盾,成为他追求创造更完美理论的根本动力,没有丝毫的功利动机和目的。因此,普及科学知识、培育科学精神、传播科学方法,提升全社会科学文化素养,是培育青少年对科学创造的兴趣、献身探索科学奥秘的沃土,是造就杰出科学人才的必要的社会文化氛围。

爱因斯坦曾说:"提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题,新的可能性,从新的角度去看问题,都需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步。"他还说:"发展独立思考和独立判断的能力,应当始终放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论,并且学会了独立思考和工作,他必定会找到自己的道路,而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来,他一定会更好地适应进步和变化。"知识与能力紧密相关,但能力对人的成长发展更加重要。爱因斯坦指出:"科学的现状不可能具有终极的意义",因此对于前人的科学文化遗产就应当批判地加以继承。当旧的理论、旧的概念与新的现象和事实发生矛盾的时候,就应当独立思考,独立分析,独立判断,冲破传统观念的束缚,创造开辟科学发展的新方向、新天地。我们的教育思想、内容、方法和体制改革乃至创新文化和环境的建设应该从中得到有益的启示。

爱因斯坦是一位理论物理学家,但他始终坚持以实验事实为出发点,提倡"唯有经验(实验)能够判定真理"。科学理论的逻辑基础尽管重要,但实践检验也不可少。同样是合乎逻辑的理论,为什么欧氏几何大厦至今巍峨矗立,而托勒密天文体系却早就分崩离析?爱因斯坦也曾面临同样的考验。1919年爱丁顿等人进行日全食观测时,爱因斯坦就十分紧张,直到发现与广义相对论预测相一致的现象,一颗悬着的心才落了地。1921年爱因斯坦谈到他的相对论时说:"这理论并不是起源于思辨,它的创建完全由于想要使物理理论尽可能适应于观察到的事实。"爱因斯坦这一科学思想坚持了一位自然科学家必须具有的科学唯物论的传统,符合实践-理论-实践的科学认识论。爱因斯坦坚信自然界的统一性和合理性,相信人对于自然界规律性的认知能力。对物理系统的统一性、简单性、相对性、对称性的探索和归纳始终贯穿于他一生的科学实践中。他也是一位运用实证、推理逻辑、数学方法等科学方法的大师。

在全世界的人们庆祝广义相对论100周年之际,很多问题仍然没有答案。1998年,在人们发现宇宙不仅在膨胀而且是在加速膨胀后,浮现出另一个宇宙之谜。这一阶段显然始于大约50亿年前,原因目前仍然不明。令人震惊的是,在宇宙质能中占70%的暗能量--我们不知道这种暗能量到底是什么--在发挥作用、推动宇宙加速膨胀。我们才刚刚开始探索隐藏在那些深奥难解符号下的一切,有科学家说,如果知道事实上每个星系中心都有一个巨大黑洞,不喜欢黑洞的爱因斯坦也将大惊失色。但是,他必定会对他开启的这场革命--这一代人以及未来很多代人的奇迹与灵感之源--感到欣喜。从中我们也可以领悟到实验观察、理论思维、数字分析等方法对于科学创新的重要性,在信息网络时代的今天,我们还必须增加计算方法和大数据分析等研究方法。

淡泊名利,不忘科学家的社会责任

爱因斯坦深谙科学的真谛和价值,淡泊名利,不迷信权威,不忘科学家的社会责任,是一位热爱人民、致力捍卫和促进人类和平进步亊业的伟人,受到世界各国学者的尊敬和人们的爱戴。他在《科学与宗教》一文中指出,"科学就是一种历史悠久的努力,力图用系统的思维,把这个世界中可感知的现象尽可能彻底地联系起来……科学的目的是建立那些能决定物体和事件在时间和空间上相互关系的普遍规律……科学只能由那些全心全意追求真理和向往理解事物的人来创造"。他还曾说,"我们不要忘记,仅有知识和技术不可能使人类过上一种快乐而有尊严的生活。人类绝对有理由将高道德标准和价值观念的倡导者,放在客观真理的发现者之上。"他不仅是这样说,也正是这样做的。1914年,第一次世界大战爆发。他虽身居战争的发源地,处于战争狂热鼓吹者的包围之中,却坚决表明了反战态度,参与发起反战团体"新祖国同盟"。1917年,苏联十月革命胜利后,爱因斯坦热情支持和赞扬这是一次对全世界将有决定性意义的伟大社会实验,并表示:"我尊敬列宁,因为他是一位有完全自我牺牲精神,全心全意为实现社会正义而献身的人。"1937年日军全面侵略中国,同年12月南京沦陷,发生了震惊世界的大屠杀。爱因斯坦与英国著名哲学家罗素等于1938年1月5日在英国发表联合声明,呼吁世界援助中国。1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现,在匈牙利物理学家利奥·西拉德推动下,上书美国罗斯福总统,建议研制原子弹,以防法西斯德国抢先。但当他得知美国在日本广岛和长崎两个城市上空投掷原子弹,造成大量平民伤亡,对此表示了强烈不满,并为开展反对核战争进行了不懈的斗争。他一生不崇拜偶像,也不希望以后的人把他当作偶像来崇拜。

爱因斯坦不仅是一个具有伟大探索创造精神的科学家,数理逻辑和哲学思维的大师,也是一位具有独立高尚人格、富有人文主义情怀的思想家,更是一位具有强烈正义感和社会责任感的世界公民。在科学思想上的贡献,也许只有牛顿和达尔文可以与之媲美。他的一生崇尚科学理性,认为"人只有献身于社会,才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义"。在爱因斯坦去世之前,他把在美国普林斯顿默谢雨街112号的房子留给跟他工作了几十年的秘书杜卡斯小姐,同时他强调:"不许把这房子变成博物馆。"他不希望把默谢雨街变成一个朝圣地。当今我们纪念爱因斯坦,领悟他的科学精神和人生哲理,这对于当下我国学术界摈弃追逐名利的浮躁之风,以创新科技,服务国家,造福人民,促进人类文明进步为己任,实现创新驱动、转型发展,全面建成小康社会,实现"两个一百年"奋斗目标,实现中华民族伟大复兴之梦,都具有特别有意义。

中国社会科学院-上海市人民政府上海研究院研究员、上海市统计学会副会长、全球化智库(CCG)特邀研究员。
互联网举报中心 防范网络诈骗 法律顾问:炜衡律师 视听节目许可证0108263京公网安备110105000081号京网文[2011]0283-097号
中文 | English