作者：余海峰

來(lái)源：物理喵 phycat、私產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)與倫理學(xué)

愛(ài)因斯坦永遠(yuǎn)都像一個(gè)小孩子，對(duì)世界的好奇心從未改變。如果我們都能夠從他身上學(xué)習(xí)到一少部分，世界或許會(huì)變得更美好。

愛(ài)因斯坦 (Albert Einstein, 1879 – 1955) 從小就喜歡思考。有一次，他父親送他一個(gè)指南針，他看著永遠(yuǎn)指向南北的針，感覺(jué)到大自然一定深藏奧祕(mì)，引起了他對(duì)自然現(xiàn)象的好奇。但其實(shí)他的天才并非早早就顯現(xiàn)出來(lái)。小時(shí)候的愛(ài)因斯坦鮮少說(shuō)出完整的句子，所以父母以為他學(xué)習(xí)語(yǔ)言有問(wèn)題；中學(xué)老師認(rèn)為他不可能有出息；大學(xué)時(shí)期的物理成績(jī)并不好，加上他以刺激權(quán)威為樂(lè)，教授們都不喜歡這個(gè)又煩又懶的學(xué)生，所以愛(ài)因斯坦畢業(yè)后一直找不到工作。在他已婚并有所出、且快要山窮水盡的時(shí)候，才靠他的好友以人事關(guān)系幫他在瑞士專(zhuān)利局找到了一份二級(jí)專(zhuān)利員的工作。

他喜歡在早上就把一整天的工作做完，利用整個(gè)下午的時(shí)間在專(zhuān)利員的辦公室思考物理問(wèn)題。其一中個(gè)最令他著迷的思想就是：「如果一個(gè)人能夠跑得跟光一樣快，會(huì)看到甚么樣子的世界？」

愛(ài)因斯坦于 1905 年發(fā)表狹義相對(duì)論 (Special Relativity)。在這之前的十多年中，牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀點(diǎn)早已令科學(xué)界困擾多年，牛頓力學(xué)體系已經(jīng)搖搖欲墜了。著名的 Michelson-Morley experiment 的結(jié)果顯示并不存在一個(gè)「絕對(duì)靜止」的參考系「以太」。而且，由James C. Maxwell 歸納出的電磁方程式組可以推導(dǎo)出光的速度永遠(yuǎn)不變、與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。這嚴(yán)重違反了人類(lèi)對(duì)這個(gè)世界的認(rèn)知，因?yàn)槲覀冎拦馐且环N波動(dòng)，而波動(dòng)需要媒介來(lái)傳播；就如水波需要水、聲波需要空氣。

在牛頓的宇宙觀里，時(shí)間與空間互不相干。假設(shè)你在地鐵里用速度向前跑，你相對(duì)于地面的速度就會(huì)等于地鐵的速度加上 ，即

。

愛(ài)因斯坦卻說(shuō)這條看似理所當(dāng)然的公式是錯(cuò)的。如果你在地鐵中打開(kāi)電筒，電筒發(fā)出的光以光速  相對(duì)于地鐵車(chē)箱向前跑，但根據(jù)相對(duì)論，這束光相對(duì)于地面的速度不會(huì)是

，

而是

！

所以光速不變這個(gè)概念是非常革命性的。當(dāng)時(shí)大部分人都認(rèn)為是 Maxwell 的電磁方程式錯(cuò)了，但愛(ài)因斯坦卻不這么想。他認(rèn)為，我們常識(shí)中對(duì)「同時(shí)」的理解根本有誤。他發(fā)現(xiàn)，在光速不變的前提下，在 A 君眼中同時(shí)發(fā)生的兩件事，在 B 君看起來(lái)就不一定是同時(shí)的。換句話(huà)說(shuō)，絕對(duì)的「同時(shí)」根本不存在！愛(ài)因斯坦的相對(duì)論解釋了牛頓的古典力學(xué)所不能解釋的現(xiàn)象，同時(shí)亦把「絕對(duì)時(shí)間」和「絕對(duì)空間」的概念拋棄了。在相對(duì)論之中，時(shí)間與空間有著微妙的關(guān)系，兩者并且結(jié)合在一起成為「時(shí)空」。任何想把時(shí)間與空間想象成獨(dú)立分開(kāi)的兩種東西的概念，都與相對(duì)論違背。

本來(lái)愛(ài)因斯坦預(yù)期他的相對(duì)論會(huì)在科學(xué)界引起大地震，可是結(jié)果卻靜得可憐，長(zhǎng)時(shí)間地連一封寄來(lái)查詢(xún)理論細(xì)節(jié)的信也沒(méi)有。后來(lái)發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)槭澜缟细緵](méi)有多少人讀得懂相對(duì)論。雖然狹義相對(duì)論的數(shù)學(xué)并非特別深?yuàn)W難懂，但愛(ài)因斯坦突然地拋棄了所謂的「常識(shí)」，此舉實(shí)在令科學(xué)界也摸不著頭腦。

愛(ài)因斯坦在發(fā)展狹義相對(duì)論的同時(shí)，亦為物理學(xué)的許多分支做了很多開(kāi)性創(chuàng)性的工作。例如分子運(yùn)動(dòng)論、量子論等等，都留有他的足跡。那道舉世聞名的質(zhì)能關(guān)系方程式

也是在此其間導(dǎo)出的，此方程式可謂直接影響了二十世紀(jì)的整個(gè)科學(xué)發(fā)展：解釋幅射、太陽(yáng)能量來(lái)源；促成核能、原子彈、氫彈的發(fā)展等等。以上他的每一個(gè)工作，保守估計(jì)都至少值得獲得一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。不過(guò)，愛(ài)因斯坦后來(lái)在1921 年獲頒的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并非因?yàn)樗南鄬?duì)論，而是因?yàn)樗趹?yīng)用量子論解釋光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

愛(ài)因斯坦并沒(méi)有滿(mǎn)足于狹義相對(duì)論。他深明這個(gè)理論只能應(yīng)用于慣性坐標(biāo)之間，可是現(xiàn)實(shí)中絕大部份的坐標(biāo)系都是加速坐標(biāo)系 (例如地球)，所以他意識(shí)到必須要找出一套新理論，以解釋一切慣性與加速坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)定律。他幾乎是獨(dú)力地與新發(fā)展的高等數(shù)學(xué)「張量分析」在黑暗之中搏斗了十年之久，最后才于 1916 年完成人類(lèi)歷史上最偉大的科學(xué)進(jìn)程之一：廣義相對(duì)論 (General Relativity)。

因?yàn)閻?ài)因斯坦的母親不承認(rèn)他與第一任妻子 Mileva Mari?的婚姻，而且 Mari? 十分憎恨德國(guó)，她在 1914 年把兩個(gè)孩子由柏林帶到瑞士去了。對(duì)于與孩子的分離，愛(ài)因斯坦感到非常傷心，因?yàn)樗麍?jiān)持留在德國(guó)做他的物理研究；不過(guò)，他與他的表妹 Elsa E. L?wenthal 的曖昧關(guān)系，亦已經(jīng)一發(fā)不可收拾。

盡管離婚已是遲早的事，愛(ài)因斯坦仍對(duì)德軍的暴行以及廣義相對(duì)論的發(fā)展非常關(guān)心。當(dāng)?shù)聡?guó)入侵中立國(guó)比利時(shí)后，德軍的文宣部說(shuō)服了 93 位學(xué)者簽署一份聲明，內(nèi)容為「同意德軍的侵略行為是保護(hù)日耳曼文化的必要舉動(dòng)」，簽署人里竟包括愛(ài)因斯坦的好朋友、量子論的創(chuàng)始人之一、1918 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主馬克斯．普朗克 (Max K. E. L. Planck)！幾天之后，愛(ài)因斯坦簽署了一份反戰(zhàn)爭(zhēng)、建立統(tǒng)合歐洲的和平聯(lián)合聲明，但包括他在內(nèi)的 100位受邀聯(lián)署學(xué)者中，只有 4 位簽了名。

1914 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由愛(ài)因斯坦的好朋友 Max von Laue 獲得，以表?yè)P(yáng)他發(fā)現(xiàn) X 光的繞射現(xiàn)象。其實(shí)愛(ài)因斯坦在同年也因「相對(duì)論、擴(kuò)散現(xiàn)象及重力現(xiàn)象」被提名諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但評(píng)審委員會(huì)中有人認(rèn)為相對(duì)論尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、有人認(rèn)為愛(ài)因斯坦的名聲過(guò)高、也有人根本看不懂相對(duì)論。

愛(ài)因斯坦強(qiáng)硬批評(píng)大部分德國(guó)人都是瘋子，厭惡虛偽的科學(xué)家同行。1915 年，同樣也是和平主義者的法國(guó)作家Romain Rolland 與愛(ài)因斯坦見(jiàn)面。Rolland 在見(jiàn)面后總結(jié)說(shuō)在當(dāng)時(shí)的德國(guó)「他 [愛(ài)因斯坦] 是少數(shù)幾位保有自由思想、不具奴性的人?！?/span>

愛(ài)因斯坦是一位積極的筆友。他樂(lè)于回答任何人關(guān)于任何事的信件，而且每一封都親自認(rèn)真回信。他也會(huì)花時(shí)間去幫助那些有求于他的人，例如幫助學(xué)生找工作、回答小孩子關(guān)于宇宙、物理等等問(wèn)題。不過(guò)在 1915 年秋天的其中5 個(gè)星期里，他突然把所有的演講邀請(qǐng)推掉，信也不回、飯也不吃地在自己的書(shū)房中瘋狂工作。有一次，他的未來(lái)繼女 Margot Einstein 發(fā)現(xiàn)他竟然把蛋放到湯里去煮，原因是愛(ài)因斯坦想吃蛋又想喝湯，但卻沒(méi)有閑暇去剝蛋殼！

到了 11 月尾，愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)直興奮不已，因?yàn)樗鸵l(fā)現(xiàn)能夠描述整個(gè)宇宙的新理論了。在他的狹義相對(duì)論里，時(shí)空是平直的、而且所有有慣性坐標(biāo)系都是等價(jià)的。但他的新理論「廣義相對(duì)論」描述的是更一般性的彎曲時(shí)空結(jié)構(gòu)，是一個(gè)能描述一切坐標(biāo)系的理論！只要指定一套時(shí)空度規(guī)、并給定能量與物質(zhì)的密度在時(shí)空中的分布，就能夠計(jì)算出時(shí)空的曲率、曲率如何隨時(shí)間改變。相對(duì)論大師John A. Wheeler 曾說(shuō)：「時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)；物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲」。

1905 年發(fā)表的狹義相對(duì)論把人們對(duì)區(qū)分時(shí)間與空間的「常識(shí)」概念改正過(guò)來(lái)，愛(ài)因斯坦于 1916 年發(fā)表的廣義相對(duì)論把重力描述成時(shí)空的幾何性質(zhì)而非一種力，再次顛覆人類(lèi)的「常識(shí)」。經(jīng)過(guò)了 11 年在黑暗中摸索的孤獨(dú)旅程，愛(ài)因斯坦終于看到耀眼的陽(yáng)光，能如何教他不興奮呢？只需要把一組十式的「愛(ài)因斯坦方程」(Einstein Equations) 配合指定的時(shí)空度規(guī)，任何宇宙的過(guò)去與未來(lái)都能夠計(jì)算出來(lái)。

當(dāng)然，很多人質(zhì)疑廣義相對(duì)論的正確性，因?yàn)榭茖W(xué)理論必須接受實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。廣義相對(duì)論所提供的驗(yàn)證方法對(duì)當(dāng)時(shí)的技術(shù)來(lái)說(shuō)是非常大的挑戰(zhàn)?；旧?，廣義相對(duì)論有以下幾種驗(yàn)證方法：測(cè)量重力紅移、光線偏折及時(shí)間延滯效應(yīng)?，F(xiàn)在，這三種效應(yīng)已經(jīng)被天文學(xué)家一一發(fā)現(xiàn)，而且與愛(ài)因斯坦的計(jì)算相當(dāng)吻合。

在此不得不提英國(guó)的天文學(xué)家愛(ài)丁頓 (Arthur S. Eddington) 觀察日全食時(shí)太陽(yáng)附近的星光，確認(rèn)了光線偏折效應(yīng)一事。當(dāng)時(shí)是 1919 年，正值第一次世界大戰(zhàn)。當(dāng)愛(ài)丁頓得悉愛(ài)因斯坦的理論預(yù)測(cè)光線會(huì)被太陽(yáng)的重力彎曲時(shí)，他就帶隊(duì)跑到西非外海的索布拉爾 (Sobral) 去等待日全食的來(lái)臨。由于平時(shí)太陽(yáng)光相對(duì)于星光極其猛烈，若非于日全食時(shí)月球把太陽(yáng)遮蔽起來(lái)之時(shí)，根本無(wú)法觀察太陽(yáng)附近的星光。

1919 年 5 月 29 日早晨，愛(ài)丁頓以為計(jì)劃要告吹了，因?yàn)樘焐舷轮鴥A盆大雨。幸好到了下午 1 時(shí) 30 分雨停了，只是還有云。愛(ài)丁頓努力地拍攝許多照片，希望能夠拍到太陽(yáng)附近的星光偏折。6 月 3 日，結(jié)果出來(lái)了：在拍得的照片中，有一張與愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)吻合！在科學(xué)里，一個(gè)證據(jù)并不足以支持一個(gè)理論，但愛(ài)丁頓這個(gè)廣義相對(duì)論狂熱擁護(hù)者卻立即對(duì)外公布：「廣義相對(duì)論已經(jīng)被證實(shí)了！」

當(dāng)愛(ài)因斯坦的一個(gè)學(xué)生知道了愛(ài)丁頓的觀測(cè)結(jié)果之后，便告訴愛(ài)因斯坦：他的理論被證實(shí)了。愛(ài)因斯坦卻說(shuō)：「我早就知道我的理論是正確的。」

學(xué)生大惑不解，問(wèn)：「萬(wàn)一觀測(cè)結(jié)果與你的理論不符呢？」

愛(ài)因斯坦答道：「那樣的話(huà)，我會(huì)為上天感到惋惜。我的理論是正確的。」足可見(jiàn)愛(ài)因斯坦對(duì)他的廣義相對(duì)論的正確性表現(xiàn)的信心。

關(guān)于這個(gè)故事，還有一段小插曲。話(huà)說(shuō)愛(ài)因斯坦的好友普朗克當(dāng)時(shí)也都是徹夜未眠，因?yàn)樗胫缾?ài)因斯坦的理論究竟是對(duì)還是錯(cuò)的。愛(ài)因斯坦聽(tīng)說(shuō)了，就說(shuō)：「如果普朗克相信廣義相對(duì)論是正確的話(huà)，就會(huì)跟我一樣，早早上床睡覺(jué)?！?/span>

愛(ài)因斯坦在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，因?yàn)閾?dān)心納粹德國(guó)會(huì)制造出原子彈，所以他曾寫(xiě)信致羅斯?？偨y(tǒng)要求美國(guó)搶先研究制造原子彈。到戰(zhàn)后才發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的德國(guó)根本無(wú)法造出原子彈，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的科學(xué)家已經(jīng)被希特拉趕走了。那天早上，當(dāng)愛(ài)因斯坦聽(tīng)到原子彈已經(jīng)把日本廣島夷為平地，他就呆坐在家，久久未能平復(fù)心情。之后，他說(shuō)：「如果早知道這樣，我寧愿去當(dāng)一個(gè)鐘表匠?！?/span>

從此以后，愛(ài)因斯坦極力主張廢除核武，導(dǎo)致他被 50 年代著名的 FBI 胡佛探長(zhǎng) (John Edgar Hoover) 認(rèn)為他是共產(chǎn)黨間諜。理所當(dāng)然，胡佛始終無(wú)法找到任何證據(jù)捉拿愛(ài)因斯坦。

不過(guò)，愛(ài)因斯坦也是人，也會(huì)犯錯(cuò)，而且會(huì)犯下歷史上眾多科學(xué)家都會(huì)犯的錯(cuò)：對(duì)舊有概念的固執(zhí)。他從廣義相對(duì)論方程導(dǎo)出了一個(gè)結(jié)果：宇宙若不是正在收縮，就是正在擴(kuò)張。愛(ài)因斯坦認(rèn)為這是不可能的，他認(rèn)為宇宙是永遠(yuǎn)存在的，沒(méi)有起點(diǎn)也沒(méi)有終點(diǎn)。因此，在不影響數(shù)學(xué)的正確性下，他在他的愛(ài)因斯坦方程里加入了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，用來(lái)抵消重力，使宇宙變得平衡，不會(huì)擴(kuò)張也不會(huì)收縮。

其實(shí)這樣的宇宙是極不穩(wěn)定的。只需要一點(diǎn)非常細(xì)微的擾動(dòng)，宇宙就會(huì)向其中一方傾倒。情況就好像把一個(gè)保齡球放在筆尖上，理論上保齡球是可能停在筆尖上的，可是只需要一點(diǎn)小小的風(fēng)就能使保齡球滾下來(lái)。想必愛(ài)因斯坦也認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，可是他就是無(wú)法拋開(kāi)成見(jiàn)，堅(jiān)持加入這個(gè)常數(shù)項(xiàng)。后來(lái)，愛(ài)因斯坦去到哈勃 (Edwin Hubble) 工作的天文臺(tái)參觀望遠(yuǎn)鏡，哈勃給他看宇宙膨脹的證據(jù)。愛(ài)因斯坦接受了自己的錯(cuò)，說(shuō)這是他一生中最大的錯(cuò)誤。

不過(guò)，這個(gè)愛(ài)因斯坦一生最大錯(cuò)誤的常數(shù)項(xiàng)被現(xiàn)在的科學(xué)家稱(chēng)為「宇宙常數(shù)」(cosmological constant) 或「黑暗能量」(dark energy)，無(wú)數(shù)觀測(cè)已經(jīng)證明宇宙常數(shù)的確存在。錯(cuò)有錯(cuò)著，歷史又再一次證明愛(ài)因斯坦是對(duì)的，盡管這并非愛(ài)因斯坦的原意。

愛(ài)因斯坦也是量子力學(xué) (quantum mechanics) 的始祖之一。他的諾貝爾獎(jiǎng)得獎(jiǎng)?wù)撐拿枋龅墓怆娦?yīng)(photoelectric effect) 打破人們對(duì)光是一種波動(dòng)的常識(shí)：他證明了光同時(shí)亦是粒子！這個(gè)現(xiàn)象現(xiàn)在稱(chēng)為波粒二象性(wave-particle duality)，是量子力學(xué)的基本原理。可是，廣義相對(duì)論與量子力學(xué)卻偏偏互不兼容！換句話(huà)說(shuō)，要不是量子力學(xué)是錯(cuò)的、或廣義相對(duì)論是錯(cuò)的、或兩者都是錯(cuò)的。

愛(ài)因斯坦雖然有份為量子力學(xué)打下基礎(chǔ)，后來(lái)卻變得不相信量子力學(xué)，例如他與兩個(gè)物理學(xué)家共同提出的愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論 (EPR paradox) 就是為了推翻量子力學(xué)的?？墒牵聦?shí)證明愛(ài)因斯坦又錯(cuò)了，EPR 悖論的假設(shè)「局域論」(locality) 是不存在的。

廣義相對(duì)論認(rèn)為宇宙是「局域」的，只有無(wú)限接近的兩個(gè)點(diǎn)才能有因果關(guān)系，因此推翻了牛頓重力理論中的「超距作用」(action at a distance)。但量子力學(xué)卻說(shuō)，兩個(gè)相距非常遠(yuǎn)的粒子也能夠互相影響，因此量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的假設(shè)是不兼容的。

越來(lái)越多證據(jù)顯示，量子力學(xué)應(yīng)該是正確的，廣義相對(duì)論需要被修正或者被新的重力理論代替。愛(ài)因斯坦一生都在尋找量子力學(xué)的錯(cuò)處，結(jié)果是一個(gè)都找不到。直到今天，所有量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)都只是不斷地在證明它本身的而且確沒(méi)有錯(cuò)。現(xiàn)在有些理論物理學(xué)家在尋找所謂的「萬(wàn)有理論」(Theory of Everything)、M 理論 (M Theory, M for Mother/Matrix)、「統(tǒng)一場(chǎng)論」(Unified Field Theory) 等等，希望把廣義相對(duì)論修正／代替，使得量子力學(xué)與重力能夠結(jié)合為一。

愛(ài)因斯坦晚年一直在研究統(tǒng)一場(chǎng)論。在他死前，人類(lèi)只發(fā)現(xiàn)了自然界四種基本力的其中兩種：重力交互作用(gravitational interaction) 和電磁交互作用(electromagentic interaction)。他不知道除此以外還有強(qiáng)交互作用 (strong interaction) 和弱交互作用 (weak interaction)。所以愛(ài)因斯坦根本沒(méi)有足夠的信息去進(jìn)行統(tǒng)一場(chǎng)論的研究，歷史注定要他失敗。

愛(ài)因斯坦帶給人類(lèi)非常多。相對(duì)論、光電效應(yīng)、證明原子存在 (他的博士論文解釋了布朗運(yùn)動(dòng))、、宣揚(yáng)和平及主張廢除核武、不受約束的思維等等，都非常值得我們思考、學(xué)習(xí)。他的朋友都說(shuō)，愛(ài)因斯坦永遠(yuǎn)都像一個(gè)小孩子，對(duì)世界的好奇心從未改變。如果我們都能夠從他身上學(xué)習(xí)到一少部分，世界或許會(huì)變得更美好。