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爱因斯坦科学生涯的第二高峰

2007-02-14 来源:中华读书报 作者:吴忠超 我有话说

1995年,我建议湖南科学技术出版社出版《爱因斯坦全集》中文版,并同时和普林斯顿大学出版社联系版权事宜。1999年,第一卷中文版问世,4年后的今天终于见到了第二卷至第五卷的出版,这真是我国学术界出版界的一件大事。为这位自牛顿以来最伟大的科学天才出中文版的全集,其重大意义自然不言而喻。现在正在着手的是

第六卷。

爱因斯坦学说在一个社会的命运可以映射出该社会的文明程度,它在爱因斯坦出生国以及其他落后野蛮国家的遭遇早已耳熟能详,此处不必重复。爱因斯坦著作的中文版凝结着中国几代学人的心血和艰辛。无论如何,我们应当为这次出版盛事倍感庆幸。

爱因斯坦和他的学说是人类文明的丰碑。我游学经年,曾经拜谒过他的许多先行者的纪念地。其中包括雅典远郊的柏拉图科学院,西西里阿基米德的殉难的城市和墓地,哥白尼就学的克拉科夫雅各隆大学,布鲁诺受火刑的罗马鲜花广场,伽利略做自由落体实验的比萨斜塔和受审的冈多菲堡,牛顿出生地伍尔索普领地、就学的剑桥三一学院和长眠的伦敦西敏寺,哥廷根的高斯以及普朗克雕刻着他著名常数的墓地。在他们的生前,有过许多更有权势的同类,然而无情的时间将他们的声名连同遗迹都化成历史的灰烬。

20年前,我在马克斯普朗克研究所工作时,得便访问了爱因斯坦的故乡乌尔姆,后来还拜访了他就学过的苏黎士高工以及度过最后20年的普林斯顿那永不开放的故居。他似乎非常先见地留下遗嘱,不在这个庸俗的社会上留下任何有形的纪念物。《爱因斯坦全集》可以认为是他的无形的纪念物。

1997年,为了配合第一卷的出版,我曾为《读书》杂志写了《以宇宙为纪念碑》一文,概述了爱因斯坦的生平和贡献。这篇文章在编辑部等待了近两年,才得以与第一卷的发行同步刊出。在那篇文章中,我感慨道,世界上一切纪念物都是速朽的,只有艺术科学的创造才是永恒的。由于人类价值观的改变,且不说社会的变幻,那些原先认为神圣的东西,在后人的眼中都会变得非常可笑和无聊。“为爱因斯坦这样的人物建立任何纪念碑本属多余,但是如果人们一定要为他建一座纪念碑,那就是我们居住的宇宙本身。”

新千年肇始,《时代周刊》将爱因斯坦尊崇为上世纪第一位风云人物,第二位是罗斯福总统,第三位是圣雄甘地。当任的克林顿总统为罗斯福写小传,甘地的小传由尼尔森曼德拉执笔,而爱因斯坦小传则由霍金来撰写。《时代周刊》编辑部认为,请霍金作传是显而易见的选择,不作他想。其实请克林顿和曼德拉也是非常合适的。霍金写的小传被冠以《相对论简史》的题目,作为第一章,收入他的新作《果壳中的宇宙》之中。有意思的是,他也在这个小传中这样写道:“爱因斯坦的场方程将和宇宙同在。”这是一篇传世之作。

爱因斯坦是狭义相对论的主要奠基者,他是量子论的奠基者之一,他更是广义相对论的奠基人。我们时代的这个星球上的所有人都毫无例外地受惠于他的贡献。现代技术的哪一项进步与他的理论无关呢?

在他的科学生涯中有两个高峰,分别为1905年和1915年。1905年发表在《物理年鉴》上的《运动物体的电动力学》一文,它是狭义相对论的鸿蒙开篇。这是他一生甚至是上一世纪世界上最重要的论文,同年他还发表了光电效应和布朗运动的研究成果。对于爱因斯坦,1905年恰如牛顿的1665年。1665年夏天,牛顿为了躲避瘟疫从剑桥回到伍尔索普领地,他在那里发现了微积分、经典力学和万有引力。1905年和1665年同为科学史上最重要的时刻。

第一高峰的著作已被收入全集的第二卷中,而第六卷收入他在柏林(1914-1917)发表的49篇文献,正是他第二高峰的著作。本卷主要包括爱因斯坦为寻求相对性的引力论的探索历程,其辉煌的结果便是1915年秋季在柏林获得的广义相对论的场方程。

在发表了狭义相对论不久后的1907年他就开始思索万有引力和狭义相对论相互协调的问题。他提出了“等效原理”,即加速座标系中的惯性力和稳恒的均匀引力场的万有引力无法被区分。这个原理充分揭示了伽利略的比萨斜塔实验结果,即惯性质量和引力质量等效的含义。1911年后他研究稳恒态的引力场,他认为光速是可变的,局部钟表测量的时间依赖于引力势,而后者服从四维时空的推广的泊松方程。他还从这个初期的理论推出引力场红移效应和光线受引力场的弯折。

1912年他移居苏黎士后意识到等效原理可以在弯曲的时空中实现,物质的分布引起时空弯曲。质点在真空中沿测地线运动。在返回柏林之前他和朋友玛索尔格罗斯曼合作,提出引力场由弯曲时空的曲率来体现,并将黎曼几何引入广义相对论研究。

第六卷的文献25是完成于1915年11月25日题为“引力场方程”的论文。这是广义相对论最重要的文献。在此之前,他最早的场方程只对座标的线性变换协变。第二步,他把里奇张量分成两部分,其中一部分在度规行列式为常数时为零,这样的场方程在这个行列式保持不变的任意座标变换下协变,而且作为引力场源的能量动量张量的标量为零时,才相互协调。他最后一步是对出现在场方程中的能量动量张量形式作某些改变,才终于得到了正确的方程。

广义相对论的优雅胜过之前的任何理论。时空不再是不变的无所作为的背景,在时空中的物质分布将时空弯曲。它的场方程是非线性的,自然地把引力相互作用包含在内,它隐含着牛顿三大定律。引力场和它的物质源由场方程一并制约,不必像在麦克斯韦理论中那样。从它导出的黑洞物理、引力波、相对论天体物理和宇宙学影响极其深远。广义相对论完全变革了人类的时空观和宇宙观,是探索宇宙从无中生有创生的先声。

第六卷的文献24是完成于1915年11月18日题为“以广义相对论解释水星近日点进动”的论文。这是广义相对论早期的第三个验证。由于史瓦兹席尔德在一年后才找到球对称的真空解,所以爱因斯坦在这篇论文中用的是近似解。

第六卷的文献43是完成于1917年2月8日题为“广义相对论中的宇宙学研究”的论文。这是相对论性宇宙学的第一篇论文,正是引力主导着宇宙的演化。他在该文中提出了一个稳恒的有限无界的三维球宇宙模型。因为生命的延续和宇宙的年龄相比微不足道,甚至在几千年的整个文明过程也觉察不到宇宙整体的变化,所以爱因斯坦试图从他的场方程得出一个稳态解。为此他在尽量不损害理论之美的前提下,在方程中引进了宇宙常数项。科学家们为此争论了近一个世纪。现代的观察宇宙学认为存在一个正的宇宙常数,使此刻的宇宙正在加速膨胀。爱因斯坦的这个解在如下的意义上是不稳定的,极微小的扰动就会使它很快偏离得面目全非,所以它的意义主要是在科学史上的。他的有限无界的三维球模型启发了后世以四维球为瞬子的量子宇宙创生模型。

第六卷的文献34是完成于1916年7月17日题为“量子论中辐射的发射和吸收”的论文。在现代技术上,这是激光物理的理论基础。但是,我以为它在基础理论上的意义更为重要,它首次揭示了量子论和热力学之间的内在联系。前者通常认为是描述微观现象的理论框架,而后者是描述大量自由度的热现象的理论框架,两者关系居然这么紧密。大约60年后,霍金发现了从黑洞表面发射出黑体辐射,这种关系更得到发扬光大。在霍金辐射场景中,引力论、量子论和热力学得到了优美的统一。

第六卷的文献42是完成于1916年12月题为“狭义相对论和广义相对论”的科普著作。这是他的最主要的科普著作。

参与本卷译校的人有:刘辽、黄雄、喀兴林、高尚惠、罗景琪、郝刘祥、周正安、吴晔和吴忠超。译校者均为有关方面的专家学者,大家通力合作,终于在2005年爱因斯坦逝世五十周年以及狭义相对论发表一百周年,完成了这部译作。

《爱因斯坦全集》(第六卷),湖南科学技术出版社即将出版

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