世界名人百傳十大才子五、發現了宇宙——愛因斯坦1(3 / 3)

3.廣義相對論的驗證

1908~1909年冬季,愛因斯坦仍在專利局工作並兼任編外副教授。1909年夏天,他第一次獲得學術榮譽——日內瓦大學授與名譽博士稱號。

1910年底,在歐洲最古老的大學之一——布拉格大學理論物理學編內教授職位現空缺。愛因斯坦終於同意了,並從1911年秋季開始了布拉格任教。

在蘇黎世工大,1912~1913年冬季,愛因斯坦講授過的程有:解析力學、熱力學;1913年夏季有:連續介質力學、熱的動力學理論:1913~1914年:電和磁、幾何光學。此外,他還主持每周一兩次的物理學討論課。

在狹義相對論問世以後,愛因斯坦活動的內在的主流及其生括的基本內容,就是探索更廣泛的理論。

愛因斯擔第一次考慮廣義相對論是在1907年。這年約翰·斯塔克要愛因斯坦為《放射性年鑒》寫一篇關於狹義相對論的專題論文。在寫這篇文章時,他忽然想到,幾乎所有自然規律都可以在狹義相對論的框架內加以討論,而唯獨引力定律不行。最令他不滿意的是,雖然狹義相對論對慣性和能量之間的關係已經作了明確的闡述,但是對慣性和重量或引力場能量之間的關係並沒有闡述清楚。他意識到這個問題不可能在狹義相對論的模式架內得到解決,於是愛因斯坦作了進一步的思考,將思考的結果寫入發表在德國《放射學和電子學年鑒》1907年第4卷的《關於相對性原理和由此得出的結論》一文中。

1911年6月,愛因斯坦在《關於引力對光傳播的影響》一文中進一步闡明了光在引力場中彎曲的必然性。

愛因斯坦預言,光線經過太陽附近時要受到0.83″的偏轉,對木星來說,是這個值的1/100,他迫切希望天文學家能作出檢驗。愛國斯坦在該文中還明確提出了慣性質量與引力質量等同,即慣性質量與引力質量具有同一性這個概念,這是等效原理的一個很自然的結論。他想把這一概念安插到一個更為一般的結構中去,但沒有完全取得成功。因為這時他還沒有放棄牛頓的引力理論,隻是在它上麵添加了一些個別的新原理,拚湊起一個正確與錯誤的混合物,以致雖然很接近問題的答案,但畢竟還不是。

1912年他回到蘇黎世,問題才解決,他的朋友數學家格羅斯曼幫助了他。愛因斯坦在伯爾尼專利局工作時,難於看到數學論文,格羅斯曼就曾經幫助過他,向他提供過不少數學文獻資料。這次,格羅斯曼與愛因斯坦多次長談,並把愛因斯坦引進了數學方法的園地。

就這樣,愛因斯坦經過艱苦的摸索和無數辛勞,終於在1913年和格羅斯曼完成了《廣義相對論和引力理論綱要》的論文。其中物理部分由愛因斯坦執筆,數學部分由格羅斯曼執筆。廣義相對論的大門終於打開了。

不過,他所得到的引力場方程和引力場存在時的電磁場運動方程還是不完整的。

1913年秋,愛因斯坦從蘇黎世前往維也納出席自然科學家會議。他在這個會議上作了一個關於廣義相對論的比較通俗的報告。盡管理論還未最終完成,但愛因斯坦等不及了。

1915年,是愛因斯坦在探索廣義相對論的道路上富有成果的一年。他先發表了一篇《用廣義相對論解釋水星近日點運動》的論文,不用任何特殊假設就成功解釋了水星在近日點的運動:每100年大約轉43″。他還糾正了1911年計算光線經過太陽附近時彎曲的錯誤數值0.83″,新結果比原先大1倍即1.7″。這年11月,愛因斯坦終於完成了他的廣義相對論的集大成論文《廣義相對論的基礎》,該文發表於1916年的德國《物理學雜誌》上。在這篇論文中,他終於得到了正確的引力方程式。從此,他暫時結束了從1907年以來對廣義相對論所進行的艱苦卓絕的探索。

根據廣義相對論,現實的有物質存在的空間不是平直的歐幾裏得空間,而是彎曲的黎曼空間。空間彎曲的程度取決於物質的質量及其分布狀況,空間曲率體現了引力場的強度,引力隻不過是空間彎曲的效應,它是一種假想的力。從廣義相對論的觀點看來,地球繞太陽運動是由於太陽的巨大質量使太陽周圍的空間發生彎曲,使地球走著一條彎曲的軌道,並不是因為存在什麼神秘的超距作用的引力。光線的彎曲即說明了空間的彎曲,因為光線就是空間的短程線。

廣義相對論的驗證在當時有三個。一個是水星近日點的運動。1859年,法國天文學家勒維烈發現水星近日點繞太陽運動的速度和牛頓力學估計的每百年差43″。勒維烈曾把這一誤差解釋為存在一顆“火神星”,由於“火神星”的影響造成的。許多天文學家試圖發現這顆所謂的“火神星”,但都以失敗而告終。43″的差異成了一個不解之謎。而廣義相對論創立後,這個謎得到了合理的解釋。根據廣義相對論的計算,水星近日點本來就應當有43″的運動,根本不存在什麼火神星。

廣義相對論的第二個驗證是引力頻移。由廣義相對論固有時間與引力位勢的關係可知,當光在引力場中傳播時,它的頻率會發生變化,從巨大質量的星球射到地球上的光線的光譜線將向紅端移動(即引力紅移),而從地球射到質量巨大的星球表麵的光的光譜線則向紫端移動,故統稱為引力頻移。1924年,美國天文學家亞當斯通過對天狼星伴星的光譜線進行觀測,證實了這一預言。

另一個是對廣義相對淪預見引力場將使光線發生彎曲的驗證,這一驗證帶有戲劇性。愛因斯坦在1911年的論文中,對光線在引力場中的彎曲作了明確的預言。1914年,德國天文學家組織了一支考察隊前往俄國克裏木半島,想在日全食時進行觀察,試圖驗證這一預言。不幸第一次世界大戰爆發,考察隊員全被俄國人當作戰俘扣留,使驗證未能實現。這一不幸對廣義相對論倒成了一件幸運的事,因為當時愛因斯坦的預言有誤,實際值會比他的計算值大1倍。1915年,愛因斯坦根據空間幾何形變修正了1911年的計算,提出了1.7″的預言數值。英國天文學家愛丁頓在1916年通過中立國荷蘭天文學家的介紹得到了《廣義相對論基礎》的單行本,立即表現了極大的興趣,並決定利用1919年5月29日將要發生的日全食來進行驗證。在愛丁頓的推動下,英國皇家天文學會就派了兩支觀測隊分別由愛丁頓和克羅姆林率領,前往西非幾內亞灣的普林西比島和南美洲的索布臘爾進行觀測。1919年11月6日,英國皇家天文學會宣布了觀察結果,兩地所得的觀測值分別是1.61±0.30″和1.98±0.12″在誤差範圍內都與愛因斯坦的預言符合。

消息立刻傳遍全球,一夜之間愛因斯坦成了世界名人。

愛因斯坦一直把廣義相對論看作自己一生最重要的科學成就。他對自己的學生、波蘭物理學家英費爾德說過:“要是我沒有發現狹義相對論,也會有別人發現的,問題已經成熟了。但是我認為,廣義相對論的情況不是這樣。”廣義相對論是愛因斯坦獨特思想的偉大創造。

人類的社會是個善良與凶惡的混合體。善良而公正的人們為之讚賞和歡呼的美好事物,也必然得到凶殘邪惡勢力的仇視和攻擊。

在科學史上,任何具有革命意義的科學理論的出現都不會是一帆風順的。哥白尼的日心說曾引起過激烈的鬥爭;達爾文的進化論也導致了曠日持久的爭辯。愛因斯坦的相對論自然也不能例外,投向他的不僅有鮮花與歡呼,而且還有冷箭與謾罵。因此,伴隨相對論的問世將會引起激烈的爭論,這是意料中的事。但是,出乎意料的是,對愛因斯坦的相對論的攻擊,除了科學上的原因之外還有政治上(這是主要的)的原因。

當太陽附近光線偏折的科學新聞震驚世界之日,正是德國爆發反猶太運動之時。由於愛因斯坦是猶太人,所以竟連他的物理學理論也遭到了歧視,被稱為“猶太物理學”。由於相對論的艱深難懂,不僅給它的傳播帶來困難,而且也使惡意中傷它的人找到了口實。

麥克斯·馮·勞厄曾對廣義相對論的艱深的程度做了這樣的描述:“許多人讚揚,也有許多人反對,值得注意的是,無論在這一方或者在另一方,那麼叫得最響的幾乎一點也不理解它。”

對於狹義相對論來說,情況也好不了多少,據說當時真正懂得它的人也是寥寥無幾的。據郎之萬估計,當時全世界隻有12個人知道什麼是相對論。

1920年8月在德國成立一個被愛因斯坦稱為“反相對論公司”的所謂“德國自然哲學家研究小組”。這個小組以保持科學的純潔性為名,對愛因斯坦本人及其著作發動了猖狂的攻擊,說愛因斯坦是代表典型猶太精神的江湖騙子,是“特別厚顏無恥的猶太人”,說他的理論是猶太人對德國精神財富的褻瀆。

這種惡毒的汙蔑和野蠻的攻擊不斷升級,1933年達到了高峰。那年,1905年度物理學諾貝爾獎金獲得者,被愛因斯坦稱為精通實驗物理學大師的勒納德竟對愛因斯坦進行激烈的抨擊:

“猶太學術界對自然科學的危險影響的最重要例子就是愛因斯坦先生所提出的東拚西湊起來的數學理論。”

1935年,這位納粹黨的物理學家再次向愛因斯坦發動了猖狂的攻擊:

“我們的元首已經在政治和國民經濟方麵,把稱為馬克思主義的這種亞洲精神摒除淨盡了!可是,在自然科學方麵,由於愛因斯坦的理論無限度地強調和誇大,它仍然把持著統治地位,我們必須明白,在文化上追隨猶太人,是不配做一個德國人的。自然科學,正確地講,是完全來源於雅利安人的;我們德國人,今天也要在未知領域找到自己的出路,希特勒萬歲!”

聽罷這種歇斯底裏地反猶太人的叫囂,使人感到十分失望又十分可氣,這哪裏還像個曾經榮獲諾貝爾獎金的物理學家呀!如果諾貝爾先生在九泉之下,得知這沾汙他的名字的納粹小醜的凶惡的表演,會作何感想呢?他會原諒這種科學界的敗類嗎?

勒納德的醜惡表演告誡世人:科學一旦被卷進了政治旋渦,品德不端的科學家也會變成嗜血成性的鯊魚。

人類的文明史一再證明,強權終究無法戰勝公理,如果被攻擊的對象不倒,那麼它將越發顯得偉大。

愛因斯坦身為猶太人株連他的相對論遭到批判,而無法駁倒的相對論又使愛因斯坦本人成為“物理學教皇”——“猶太聖人”。這就是無情的曆史辯證法。