爱因斯坦传略

导读

本文选自任鸿隽译著的《爱因斯坦与相对论》一书，本书由科学技术出版社于1956年12月出版。爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家之一，介绍他的人生历程可以使读者更深切地了解他的科学理论。

爱因斯坦名阿尔培特，1879年生于德国东部的乌尔姆城。他的父亲名赫尔满，开了一个电化工厂，在爱因斯坦出世一年后他的父亲即迁到慕尼黑去开厂，所以他少年时期的教育是在慕尼黑的学校开始的。他在中学时，不喜欢各种强迫训练及形式主义的功课，但当他读到几何学时，立刻发生浓厚的兴趣，使他不能放下书本来。因为几何学中理论的明确，演证的有步骤以及图形与说理的清楚，使他感觉到在这个杂乱无章的世界中还有秩序井然的存在。又当他刚六岁的时候，即开始学习小提琴，对于教师所用的呆板方法深感不满，后来用他自己所创的特殊方法去学习方觉满意。因此他对于古典音乐有了深嗜笃好，到他十四岁时，已能登台伴奏。这样，算术物理和古典音乐就成了他平生的两个伴侣。

爱因斯坦在中学时，一般功课皆属平常，但算术的成绩则远在全班同学之上。当他十五岁时，他的父亲因经营工厂失败而迁到意大利去了，他也因为性情孤僻，不为学校中的师友所喜爱，于是也退学到瑞士的苏黎世去，进一个有名的高等工业学校，目的在专攻理论物理与算术，为将来担任学校教授作好准备。就在二十世纪开始的一年，爱因斯坦在这个学校毕业了，因为他非瑞士人，要找得一个教学的职位甚不容易，后来由一位同学把他介绍到伯尔尼的发明注册局去做一个检验员。这个职位对于他很相宜，因为既使他有了充分的余暇，又使他接触到很多发明家的新意思，给他一种思想上的刺激，就在这伯尔尼发明注册局任职期间（1905），爱因斯坦发表了他的特殊相对论。

特殊相对论的出发点，是要解决多年以来在物理学家心中的“以太”问题，也就是绝对空间的是否存在问题。这个问题是古典物理学遗留下来的。因此，我们有回溯一下相对论发明以前物理学情形的必要。

我们知道，牛顿力学是以物体在空间距离的改变来表示运动的。牛顿力学的基本观念，又从伽理略的物体运动原则发展而来。伽理略把物体下落的运动，分析为两种运动：

（一）惯性运动，即物体运动开始后其运动的速度与方向均保持不变；

（二）重力运动，即物体以一定的加速度从垂直方向下落的运动。

牛顿把这个形式推广到天体中的复杂运动，成立了他的力学三定律和万有引力说。力学三定律的第一定律说：

每一物体均继续其静止的状况，或在一直线上继续其等速运动，除非是受了外力的作用而改变其状况。

第二定律说：运动的改变与外加的力成正比例，并且在加力的方向上发生。

第三定律说：每一作用都有一个相等的而在反对方向的反作用。

最后，他的万有引力说：宇宙中每一质点皆吸引其他质点，引力的方向为连结此二质点间的直线，其大小与二个质量的相乘积成正比，与二质点间的距离的平方成反比。

牛顿的力学三定律和万有引力说，在原理上是那样的根本与重要，在应用上又是那么的广泛与成功，因此成了一切物理学、天文学、机械工程学的基础。十八世纪以后，机械哲学竟成了一切自然科学界的领导思想，凡是科学上所有的新发明、新现象，都要归总到机械学说来说明；凡是不能用机械原理说明的，都以为是对于物理性质不够了解。

但牛顿的力学定律有一点不够清楚，即说物体在没有外力作用时，常在一直线上继续其不变速度的运动，此处所谓“在一直线上”的意思是什么？在平常生活中它的意思很明白。如一个台球与球桌的边平行动着时，我们可以说它是在一直线上运动。但球桌是停在地球上的，地球则时时刻刻绕着极轴自转并围着太阳公转，这样，在地球以外的人看来，这一个台球运动的路径却是非常繁复的。所以我们说这一个台球在一直线上运动，是仅指对于在球房中人的位置而言。

因此，我们晓得牛顿力学原来含有一个相对原理。那就是说，力学原理在一个惯性系统中有效的，在另一个惯性系统中也是有效的；而且只要这个惯性系统对另一个惯性系统用均一速度运动时，我们用了伽理略变换式可以立刻得到另一个惯性系统中运动的形式。换一句话说，任何物体在一个惯性系统中的未来运动可从它对于这个系统的开始位置及运动速度来决定，不需要知道惯性系统本身的运动。这是牛顿力学成立的原理，它在有限范围内运用起来是有效的。但在处理一切天体的现象时不免发生困难，因为实际上这种严格的惯性系统是没有的。

牛顿力学一方面是非常的成功，一方面是作为最后惯性系统的不存在，使物理学家感觉到论理上的缺憾。同时，自从十八世纪以来，各门科学突飞猛进，特别是光学和电磁学的许多新发明，使物理学家感觉到这些光波和电磁波须有一个在空间传播的媒介。于是创造了“以太”这个神秘的东西来说明光、热、电磁等现象。“以太”是弥漫空间，无所不在的，而且地球在空中运动不曾把“以太”带着走，是从天空中星光的视差而证明了的。因此，我们如果能利用在“以太”海中的光波与地球运行的关系而察出“以太”的存在，那么，“以太”就可以代表空间的绝对性，而牛顿力学的最后症结也就得到解决了。根据这个希望，迈克尔生-莫尔列在1887年施行了他们有名的光学实验。实验的结果却是一个完全的负。于是科学家又碰到了更大的难关，他或者要放弃“以太”这个神秘东西，不然就得承认地球是不动的。固然，自从哥白尼证明了太阳中心说以后，没有人再怀疑地球是环绕太阳的行星，不过也有少数的物理学家，对于“以太”仍旧恋恋不舍，与爱因斯坦同时，后来成了纳粹党员，专门以攻击爱因斯坦为事的德国物理学者菲列普·理纳特，就是一个。

爱因斯坦看到以上种种困难，是因为假定“以太”的存在，然后研究光在“以太”中的运动的关系得来的。假如不问光在“以太”中运动的结果怎样，而只问光和运动作用的结果是怎样，那么，牛顿力学的相对原则也就可用来解释光的现象，而迈克尔生-莫尔列试验的负结果乃当然的事了。这样，解决了“以太”的问题，说明了不但“以太”这个假想的物质不存在，即绝对空间的观念也是不必要的。从空间的相对性推阐到时间的相对，从空间时间的相对性就可得到运动的相对，从运动的相对又可知物质也是相对的。这一系列的推论，都是特殊相对论的结果。但它把物理学上这些基本观念放在一个和古典物理学完全不同的基础上，由此又得到一些异乎寻常的结论，如长度因运动而缩短，物质因运动而增加等等，使平常的人听了不免要瞠目结舌。但它在叙述某些自然现象上，比古典物理学更要精确些。

在这个期间，爱因斯坦还有两个重要的发明：一是质与能的联系公式，即物质当吸收或放射动能而增加或减少质量时，其质与能的联系常可用公式E=mc2来表示。这个公式在原子能发展的研究上是如何重要，已经成了普通常识，此处不必再加说明。一是光的量子说。当二十世纪初年，光的性质还不十分明了，因此，光的现象也不能解释清楚。例如光的由红到紫，从波耳慈曼的统计律说来，它只是与绝对温度成正比例，那就是说，它是和气体分子运动的平均动能成正比例的。但从实验的结果说，频率高的紫光总要比频率低的红光放出得少些，无论温度是如何增高。要解释这个现象，蒲兰克在1900年提出了量子的理论，说原子放出或吸收的能量不能为任何数值，它必定是一个常数的倍数。蒲兰克这个量子说，只是拿来解释热或光的吸收或发射现象，爱因斯坦则把量子理论应用到光的一切性质，说光的本身就是由一定量的能量构成。他创立了“光子”的名词。用了这个观念，不但许多光的现象容易解释，而且使光与原子构造发生密切关系，成了后来光电学的基础，而物理学上光和电磁学的根本观念也非修改不可了。他在1922年获得诺贝尔科学奖金就是这一个发明。

特殊相对论在物理学上冲破了近代科学思想的藩篱，是一个破天荒的大创造。它发表之后，物理学界不能不惊异爱因斯坦的发明天才。1909年苏黎世大学请他去任额外物理学教授。1910年布拉格大学的理论物理学教授出缺，他又被推为候选人之一。布拉格大学是德国古老大学之一，在当时属于奥地利行政系统。当时奥地利的教育部长蓝姆巴曾问蒲兰克对于爱因斯坦的意见，蒲兰克回答说：“如果爱因斯坦的理论被证明是正确的——这个我想没有问题——爱因斯坦将被认为二十世纪的哥白尼。”蒲兰克是德国理论物理学的权威，他对爱因斯坦的称誉，可见当时的科学界对于爱因斯坦是何等的重视了。

1912年爱因斯坦回到苏黎世，即在他毕业的高等工业学校担任教职。就在这时，他发展了特殊相对论使它包括万有引力，成为普遍相对论。大概说来，普遍相对论是以加速运动来代替重力作用，而加速运动又可解释为四维空间的曲度。爱因斯坦说，在重力场中的空间的几何性，不同于其他不在重力场中的空间的几何性。换一句话说，即物质在空间可制造一种曲度，使在此空间的物质都依了此空间形式而运动。光也是物质的一种，故光在有大量物质的附近通过，可能发生屈折的现象。这个新理论推算的结果，经1919年日全食时所摄经过日球附近星光的照象而得到证明。这是爱因斯坦的完全胜利，从此没有人再怀疑相对论的科学价值了。

爱因斯坦于1912年重到苏黎世的时候，已经是世界仰望的大物理学家了。苏黎世这样一个小地方，当然不能长久留住他。1913年他被任为德皇威廉研究所的研究教授，同时并做了普鲁士科学研究院院士。在当时这是一个德国学者所能得到的最高荣誉，但爱因斯坦并不因此改变他反对德国武力主义的主张。1914年第一次世界大战开始时，德国的权威学者九十二人发表了一个联合声明，替德国的文化作辩护，爱因斯坦拒绝在这个声明上签名。在当时这也是一个震惊世界的事件。

在战争期间，尽管心理状况的紧张，爱因斯坦仍不断地发展他的普遍相对论，使它在逻辑上成为更完美，在数学上成为更精密的系统。例如在1912年，他根据自己重力的理论，但用了牛顿力学定律来计算光线经过日球附近的屈折率为0.87秒，但根据他的空间曲度新理论计算则为1.75秒，恰为前数的两倍，是和实测相切合的（实际观测所得数值为1.64秒）。

普遍相对论拿空间的曲度来代替了重力作用，空间的曲度则是因物质的存在而发生，同时又作用于其他的物质。这个情形在电磁力场也一样存在，因带电的质点发生电磁力场，这个力场又作用于其他带电质点。最后原子内核子与电子的关系也有同样情形。爱因斯坦因此想发见一个统一场论，它将是普遍相对论的扩大，使它包括一切电磁现象，并对于光的量子理论得一个更满意的表示。这样一个括罗宏富的企图，如果可能的话，将不止于四维空间的曲度而更有其他特殊的因子加入考虑。这个艰巨的工作，据云在爱因斯坦五十岁生日的一年（1929）已完成了一部分。但令当时人士失望的是：当他在普鲁士科学院的会报上发表出来时，不过寥寥的几页，而且大部分是算术符号，不是平常人所能了解的。

爱因斯坦是德籍犹太人，他对于犹太人的到处受到迫害和他们的复国运动有深厚的同情。同时他也是热烈的和平主义者，对于德国的武力主义从小即抱着深切的厌恶。因此，在第一次世界大战结束后，他在柏林成为排斥犹太人和抱复仇主义者攻击的目标。1922年，他为犹太人办的耶路撒冷大学筹款到美国，受到盛大欢迎。同时也到过东方，在日本住了相当长的时间，在上海则匆匆一过而已。1931年，他以访问教授的名义再到美国加州工科大学讲学，并参加了大天文台的建设计划，因为他确信战后的美国是与世界和平有重大关系的。这些行动，为后来希特勒对他的压迫伏下引线，也使他最后移居到美国，在普林斯顿的高级学术研究所继续他的研究工作成为可能。

爱因斯坦从1933年迁到美国普林斯顿居住，一直到1955年逝世为止，其间经过第二次世界大战。他和这次大战发生的重大关系，是因为他的一封信，促成了原子弹的出现。原来在原子结构的研究过程中，原子核内中子的存在，以及中子击破原子核机遇的增进，铀原子被高速质子的冲击而分裂成为原子重约略相等的两种不同元素，同时放出大量的能，等等事实，都已陆续发明，成为物理学界共有的知识了。现在只要使中子击破铀原子的作用成为链式，在瞬间进行，那么一个能量极巨的爆炸武器即成为可能。这种武器若是落在纳粹德国的手里，将成世界文化的大灾难。因此，由欧洲逃难来美的两个物理学家——匈牙利的里奥·史拉德和意大利的费米——去见爱因斯坦，要他把这个重要事件提出，请美国当局注意。爱因斯坦于是在1939年8月2日写了一封信给美国的罗斯福总统，请他注意这件事，并组织研究原子能应用的机构。结果在1945年出现了人类历史上第一颗原子弹在日本广岛爆炸的事实。

原子能在破灭武器上的应用，将为人类带来无穷无比的灾难和恐惧，爱因斯坦和许多权威物理学家深深感到他们对于世界和平及人类前途责任的重大。他曾不惮烦劳地发表公开言论，呼吁各大国牺牲一部分主权，成立世界政府来管理原子武器，使它不能成为人类的威胁。他说，“一切共同管理，必须先有国际协定来执行视察和监督的任务。这种协定又须先有彼此间极高度的信任。假如有了这种信任，战争危险即可消灭，不管有原子弹或无原子弹。”不用说，他的这个希望，到现在为止还是未能实现的空想，而他也终于赍志以殁了。

爱因斯坦死后，世界各国的言论界、学术界同声一致地写文章悼念这个不世出的哲人。最近看见美国物理学会出版的“现代物理学评论”季刊1956年1月号登载奥勃海麦的一篇短文，对于爱因斯坦的生平学术贡献有清楚确切的评价。现在我把它译出附载于后，以作本文的补充。奥勃海麦是美国理论物理学的权威，曾负责监造第一颗原子弹，对于爱因斯坦学术思想的了解，在同时的物理学家中是无出其右的。以下是奥勃海麦的话：

1955年4月阿尔培特·爱因斯坦的逝世，物理学家失去了他们最大的同行伙伴。在20世纪最初二十年的黄金时代中，物理学史是与爱因斯坦的发明史分不开的。

爱因斯坦开始工作的遗产，是十九世纪的统计力学和电磁理论的发展。在他成熟工作的第一年，他的关于布朗运动的论文，扩大了并明确了统计理论，并导致到变动现象的洞察，在对于量子论的贡献上有极大关系。他的第二篇论文，把光的量子假说十分近似地做成了定律，使我们对于原子范围内物质进程的了解，有了不可返回的改变。第三篇论文就是他的特殊相对论。在这篇论文里虽然也包含了许多洛伦慈和班嘉理等同时独立发表的结果，但只有爱因斯坦看到在原则上光的有限速度在决定我们观察的性质、同时的定义、和空间时间的间隔上所任的职务；从这些又引到更深的逻辑上不可避免的现象，后来靠了实验才成立的：即运动着的钟表要走得慢些。

在此后的十年内，爱因斯坦总是抓着惯性、物质、加速度、重力等问题，从不放手。第一，他发见了物质与能量是同一的东西；这个发见，在二十五年后才被详细证明，并且替在第二次大战中及以后的人类历史的决定性发展打下基础。他开始了解惯性与重力场中的物质恰恰相等的意义，从这里他看出重力的几何学理论基础。他留意保存逻辑上必要的物理算式的一般共变性，直到这些努力归宿到普遍相对论及力场方程式的发明。他差不多同时指出了在目下观察技术可能的情形下的三种实验，来比较他的理论包含的稀奇结论。在此后四十年中，这些是重要的，唯一的实验与普遍相对论的关系，只除了一个例外。这个例外在宇宙学范围内，在这里，爱因斯坦自己是第一个看出了普遍相对论开出了完全新的路径，普遍相对论比其他物理学上的大进展不同，它完全是一个人的工作。没有他，也许会隐藏在很长的时间中不能发见。

在这个时期内爱因斯坦一直和快速进展的原子现象的量子理论保持着亲密关系。他回复到应用统计的论点和变动现象的逻辑意义来发见光线的发射与吸收的定律，并成立了布罗格里的波动与罗斯叙述光量子的统计律的关系。这个时期，随了1925年量子力学的发见，特别是波耳逐渐把它形成了一定形式，爱因斯坦的任务也改变了。他感觉到他自己从头就是被新力学的统计的与因果的性质所激动和不满意的一人，而这个力学的发见他是有绝大贡献的。

在长时期的尖锐的讨论和分析中，特别是和埃令费斯特和波耳的讨论，他不只一次表示这个新力学虽然有很多地方和实验结果符合，仍包含着逻辑上的错误和不一致。但在分析之后，许多例子都表现它和量子理论的协调与一致，他终于接受了它，不过常常保留他的不变信心，说这个不能成为原子世界的最终形容，而最后的叙述必须要把因果的和统计的项目除去。

这样，在他的一生最后十年中，他没有完全分预他的多数同行的信息和兴趣。相反地，用了他的与日俱增的单独思想，专心一意去发见于他是物质原子性的基本的并且是满意的叙述。这也就是统一场的课题。此处他打算把没有物质的普遍相对论力场的算式普遍化，使它也能够叙述电磁现象。他想要找出一些算式，它的解决要合于物质与电荷的区域性集合，而其性行又同于量子论所正确叙明的原子世界。他努力工作一直到死时为止。这个课题没有引起许多物理学家的希望与活泼的兴趣；但他对于他们工作的知识与他的判断，始终是坚定与明敏的。他从来不曾为因果的从新解释原子物理的任何建议所欺骗。

倘若天气够好，他常从工作地点走回家。不久以前有一天他告诉我说：“只要有一天你得了一个合理的事去做的时候，从此你的工作与生活都有一点特别奇美”。的确，他真做了一些合理的事情。他在我们当中使我不至于陷入愚昧的苦境，而凡认识他的人无有不被他的大度所感动的。

1956年