狭义与广义相对论浅说-第23章

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佯谬对它的折磨。　
　　狄拉克把狭义相对论和量子力学相结合，得到了极富成果的量子场论。量子场论是描述一切微观粒子的理论框架。从狄拉克方程可以推导出反粒子的概念。量子电动力学可能描述电子、光子、正电子的湮灭、创生和相互转变。人们由此进而发展出当代粒子物理学。　
　　爱因斯坦说过，如果他不发表狭义相对论，则在五年之内必有他人发表。其实当时洛伦兹和彭加莱已经非常接近这个结果了。可惜洛伦兹无法挣脱旧的时空观，而彭加莱又主要是一位杰出的数学家，因此只有眼光敏锐、思维深邃的爱因斯坦担任这项历史任务。值得提到的是，当时洛伦兹已是世界闻名的物理学家，彭加莱是法国首位数学家，而爱因斯坦大学毕业后，连中学教员的职务都找不到，借助朋友介绍才在伯尔尼专利局任一名职员。　
　　他接着说，如果他不在1915年发表广义相对论，则人们至少得等待五十年。这个估计是非常合情理的。广义相对论是狭义相对论和引力论相结合的成果。它的一个实验基础是伽利略在比萨斜塔进行的自由落体实验，即引力质量和惯性质量的等效性。但是为了充分阐释其物理含义，人们等待了三百年之久，也就是等待到广义相对论的发现。所以若不是爱因斯坦，再等待五十年是很有可能的。　
　　我们在浏览爱因斯坦文集第六卷时，就可以看到他所进行的多次不成功尝试，这是人类理智的蹒跚学步。他认为引力场和其他物质场不同，它是以时空的曲率来体现的，物质使时空弯曲，而时空又是物质的载体，脱离物质的时空曲率即是引力波。所谓广义相对论原理即是，物理定律对任何坐标变换都采用相同的形式，而狭义相对论原理是，物理定律只对任何洛伦兹线性变换都采取相同的形式。引力场由所谓的爱因斯坦方程所制约。它是非线性的，有别于以往所有的场方程。所以物质的运动方程被爱因斯坦方程所隐含。引力场方程是二阶的，以时空为自变量，以度规为因变量的带有椭圆型约束的双曲型偏微分方程。其复杂而美妙对任何曾与之打交道的人都留下深刻的印象。在广义相对论的框架内，爱因斯坦进行了引力红移、水星近日点进动以及光线受引力场折射等计算。而他关于光线在太阳引力场附近受到折射的预言在1919年西非日食的观测中得到证实。他的方程如此难解，以至于他在这些计算中，使用的只是一个近似解，所依赖的主要是他的无比的物理洞察力。而球面对称的准确解——史瓦兹解是在此之后才找到的。　
　　他首次用引力场方程来研究宇宙的整体，开创了理论宇宙学的新学科。可惜由于稳态宇宙的观念是如此根深蒂固，使他拒绝了演化宇宙的解，他还为此在场方程中引进一项宇宙常数，从而人类失去了一项重大的科学预言机遇！1929年哈勃观察到星系光谱红移和距离的线性关系，即所谓哈勃定律。人们把红移归结于宇宙的膨胀，并断言宇宙是由于一百多亿年前的一次大爆炸产生的，这就是所谓的标准的大爆炸宇宙学。　
　　他的场方程还得出紧致物体的引力坍缩的解，即史瓦兹解及其推广，这就是描述黑洞的解。但是爱因斯坦认为物质不可能如此紧致，并著文认为这是荒谬的。但是历史证明，黑洞是天体物理中最重要的物体，近年天文观测，使人们普遍认为在星系中心存在巨大质量的黑洞。事实上，宇宙本身和黑洞正是理论物理学最美妙的研究对象。如果撇开宇宙和黑洞，则物理学的光彩将会大为逊色！　
　　爱因斯坦在布朗运动、作为激光机制的基础的辐射理论、玻色——爱因斯坦统计及其凝聚现象都有关键性贡献。他和玻尔有关量子力学的论争是科学史上旷日持久的影响深远的事件。他坚信自然界中的一切相互作用都可统一成一种作用。统一场论是科学皇冠上的钻石！当代的超对称、超引力、超弦理论都是统一场论路途上的种种尝试。　
　　相对论在近四十年来有了长足的进展，尤其经典相对论已成为成熟的学科。相对论在近世的进步，主要归功于彭罗斯和霍金。彭罗斯利用全局分析以及拓扑工具，赋予高深的相对论计算以鲜明的物理意义，以他命名的彭罗斯图对于时空犹如费因曼图对于粒子物理那样重要。霍金和彭罗斯一道证明了奇胜定理。他单独证明了黑洞面积定理以及黑洞视界面积代表黑洞的熵。他的黑洞蒸发理论把量子场论、广义相对论以及统计物理统一起来，其理论的瑰丽，犹如一道佛光，令人目眩神摇。而他的量子宇宙学的无边界假说，是研究宇宙创生的科学理论。　
　　笔者认为，引导爱因斯坦以及后代科学家生涯的最大动机，不是财富，不是名声，也不是别的更高尚的目标（尤其是财富和名声可以凭借其他更快捷的手段获取）。他们的主要动机是科学的好奇心和科学的美学。我们可以在历史中找到许多例子，有多少人恰恰是为了科学牺牲世俗中的健康、财富和名声。但是普天之下人们所拥有的一切除了科学发现和艺术创造的喜悦之外都是可能被剥夺的。人类对好奇和美的不懈追求将把人类带向更美妙的未来！　

爱因斯坦年表
　　1879年　3月14日上午11时30分，爱因斯坦出生在德国乌尔姆市班霍夫街1　35号。父母都是犹太人。父名赫尔曼·爱因斯坦，母亲波林·科克。　
　　1880年　爱因斯坦一家迁居慕尼黑。父同其弟雅各布合办一电器设备小工厂。　
　　1881年　11月18日，爱因斯坦的妹妹玛雅出世。1884年　爱因斯坦对袖珍罗盘着迷。进天主教小学读书。　
　　1885年　爱因斯坦开始学小提琴。　
　　1886年　爱因斯坦在慕尼黑公立学校读书。为了遵守宗教指示的法定要求，在家里学习犹太教的教规。　
　　1888年　爱因斯坦入路易波尔德高级中学学习。在学校继续受宗教教育，直到准备接受受戒仪式。弗里德曼是指导老师。1889年　在医科大学生塔尔梅引导下，读通俗科学读物和哲学著作。　
　　1890年　爱因斯坦的宗教时间，持续约1年。1891年　自学欧几里德几何，感到狂热的喜爱。开始自学高等数学。　
　　1892年　开始读康德著作。　
　　1894年　全家迁往意大利米兰。　
　　1895年　自学完微积分。中学没毕业就到意大利与家人团聚。放弃德国国籍。　
　　投考苏黎世瑞士联邦工业大学，未录取。　
　　10月转学到瑞士阿劳州立中学。　
　　写了第一篇科学论文。　
　　1896年　获阿劳中学毕业证书。　
　　10月进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理。1897年　在苏黎世结识贝索，与其终身友谊从此开始。　
　　1899年　10月19日正式申请瑞士公民权。　
　　1900年　8月毕业于苏黎世联邦工业大学。12月完成论文《由毛细管现象得到的推论》，次年发表在莱比锡《物理学杂志》上。　
　　1901年　3月21日取得瑞士国籍。　
　　3月去米兰找工作，无结果。　
　　5月回瑞士，任温特图尔中学技术学校代课教师。10月到夏夫豪森任家庭教师。3个月后又失业。12月申请去伯尔尼瑞士专利局工作。　
　　5—7月完成电势差的热力学理论的论文。　
　　1902年　2月到伯尔尼等待工作。　
　　和索洛文、哈比希特创建“奥林匹亚科学院”。　
　　6月受聘为伯尔尼瑞士专利局的试用三级技术员。6月完成第三篇论文《关于热平衡和热力学第二定律的运动论》，提出热力学的统计理论。　
　　10月父病故。　
　　1903年　1月与米列娃结婚。　
　　1904年　5月长子汉斯出生。　
　　9月由专利局的试用人员转为正式三级技术员。1905年　3月发展量子论，提出光量子假说，解决了光电效应问题。4月向苏黎世大学提出论文《分子大小的新测定法》，取得博士学位。　
　　5月完成论文《论动体的电动力学》，独立而完整地提出狭义相对性原理，开创物理学的新纪元。　
　　9月提出质能相当关系。　
　　1906年　4月晋升为专利局二级技术员。　
　　11月完成固体比热的论文，这是关于固体的量子论的第一篇论文。　
　　1907年　开始研究引力场理论，在论文《关于对性原理和由此得出的结论》中提出均匀引力场同均匀加速度的等效原理。6月申请兼任伯尔尼大学的编外讲师。　
　　1908年　10月兼任伯尔尼大学编外讲师。1909年　3月和10月完成两篇论文，每一篇都含有对于黑体辐射论的推测。　
　　7月接受日内瓦大学名誉博士。　
　　9月参加萨尔斯堡德国自然科学家协会第81次大会，会见普朗克等，作了《我们关于辐射的本质和结论的观点的发展》报告。　
　　10月离开伯尔尼专利局，任苏黎世大学理论物理学副教授。　
　　1910年　7月次子爱德华出生。　
　　10月完成关于临界乳光的论文。　
　　1911年　2月应洛伦兹邀请访问莱顿。　
　　3月任布拉格德国大学理论物理学教授。　
　　10月去布鲁塞尔出席第一次索尔维会议。　
　　1912年　2月埃伦费斯特来访，两人由此结成莫逆之交。10月回瑞士，任母校苏黎世联邦工业大学理论物理学教授。　
　　提出光化当量定律。　
　　开始同格罗斯曼合作探索广义相对论。　
　　1913年　7月普朗克和能斯特来访，聘请他为柏林威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。　
　　12月7日在柏林接受院士职务。　
　　发表同格罗斯曼合著的论文《广义相对论纲要和引力理论》，提出引力的度规场理论。　
　　1914年　4月6日，从苏黎世迁居到柏林。　
　　7月2日在普鲁士科学院作就职演说。　
　　10月反对德国文化界名流为战争辩护的宣言《告文明世界书》，在同它针锋相对的《告欧洲人书》上签名。　
　　11月参加组织反战团体“新祖国同盟”。　
　　1915年　同德哈斯共同发现转动磁性效应。　
　　3月写信给罗曼·罗兰，支持他的反战活动。　
　　6—7月在阿廷根作了6次关于广义相对论的学术报告。11月提出广义相对论引力方程的完整形式，并且成功地解释了水星近日点运动。　
　　1916年　3月完成总结性论文《广义相对论的基础》。　
　　3月发表悼念马赫的文章。　
　　5月提出宇宙空间有限无界的假说。　
　　8月完成《关于辐射的量子理论》，总结量子论的发展，提出受激辐射理论。　
　　首次进行关于引力波的探讨。　
　　写作《狭义和广义相对论浅说》。　
　　1917年　2月，著述第一篇关于宇宙学的论文，引入宇宙项。接连患肝病、胃溃疡、黄疸病和一般虚弱症，受堂姐艾尔莎照顾。　
　　1918年　2月，爱因斯坦发表关于引力波的第二篇论文，包括四级公式。　
　　1919年　1—3月在苏黎世讲学。　
　　2月同米列娃离婚。　
　　6月与艾尔莎结婚。　
　　9月获悉英国天文学家观察日食的结果，11月6日消息公布后，全世界为之轰动。由此，爱因斯坦的理论被视为“人类思想史中最伟大的成就之一”。　
　　12月，接受德国唯一的名誉学位：罗斯托克大学的医学博士学位。　
　　1920年　3月母亲患癌症去世。　
　　夏访问斯堪的那维亚。　
　　8—9月德国出现反相对论的逆流，爱因斯坦遭到恶毒攻击，他起而公开应战。　
　　10月接受兼任莱顿大学特邀教授名义，发表《以太和相对论》的报告。　
　　1921年　1月访问布拉格和维也纳。　
　　1月27日在普鲁士科学院作《几何学和经验》的报告。　
　　2月去阿姆斯特丹参加国际工联会议。　
　　4月2日—5月30日，为了给耶路撒冷的希伯莱大学的创建筹集资金，同魏茨曼一起首次访问美国。在哥伦比亚大学获巴纳德勋章。在白宫受哈丁总统接见。在访问芝加哥、波士顿和普林斯顿期间，就相对论进行了4次讲学。　
　　6月访问英国，拜谒了牛顿墓地。　
　　1922年　1月完成关于统一场论的第一篇论文。3—4月访问法国，努力促使法德关系正常化。发表批判马赫哲学的谈话。　
　　5月参加国际联盟知识界合作委员会。　
　　7月受到被谋杀的威胁，暂离柏林。　
　　10月8日，爱因斯坦和艾尔莎在马赛乘轮船赴日本。沿途访问科伦坡、新加坡、香港和上海。　
　　11月9日，在去日本途中，爱因斯坦被授予1921年诺贝尔物理学奖金。　
　　11月17日—12月29日，访问日本。　
　　1923年　2月2日，从日本返回途中，到巴勒斯坦访问，逗留12天。　
　　2月8日，成为特拉维夫市的第一个名誉