爱因斯坦的相对论

阿尔伯特·爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家和有史以来最卓越的知识分子。他最为知名的成就是他的相对论，其实包括了两个理论：1905年形成的狭义相对论和1915年形成的广义相对论。这两个理论可能应当被称为爱因斯坦的万有引力定律。这两个理论相当复杂，这里并不试图解释它们，只对狭义相对论作少许评论。
有一句熟悉的格言说：“任何事都是相对的。”但爱因斯坦的理论可不是这一哲学式陈辞老调的重复，它是一种精确的用数学表达式的方法，在这一方法中，科学的度量是相对的。显而易见，对于时间和空间的主观感受依赖于观测者本身。但是在爱因斯坦以前，多数不清认为在这些主观印象背后是真实的距离和绝对的时间，精密的仪器可以对它们进行客观地测量。通过否定有任何绝对的时间，爱因斯坦的理论引起了科学思想上的革命。下面的例子将说明他的理论是如何彻底地修正了我们的时空观。
让我们设想有一只飞船，飞船X，以每秒10万公里的速度飞离地球。飞船上的观测者和地球上的观测者同时对这一速度进行测量。他们得到的测量结果是一致的。同时另有一只飞船，飞船Y，与飞船X以相同的方向运行，但它的速度要比飞船X快得多。如果地球上的观测者测量飞船Y的速度，他们发现它在以每秒18万公里的速度飞离地球。飞船Y上的观测者也会得出相同的结论。
由于现在两只飞船运动的方向相同，看起来它们的速度应该是每秒相差8万公里，而且速度较快的飞船将以这个速度远离速度较慢的飞船而去。
但是爱因斯坦的理论预言当观测发生在两只飞船之间时，两只飞船上的观测者将会一致同意他们之间的距离正在以每秒10万公里增加而不是每秒8万公里。
表面上看这样的结果是很荒谬的，读者可能怀疑这里面玩了文字游戏，或是没有提到问题的基本重要细节。完全不是。这一结果与飞船结构的细节和推动它们的动力毫无关系。它既不是任何观测上的错误，也不是任何测量仪器上的缺陷。其中也不存在骗局。根据爱因斯坦的说法，上述结果（这一结果可以很容易地从他的速度合成的公式中计算出来）仅仅是时空基本性质造成的后果。
是的，所有这些可能有非常高深的理论性，确实有好几年很多人都把相对论看作是一种“象牙塔”假说而没有什么实际意义。当然，1945年原子弹被投放到广岛和长畸之后，不会有人再犯这一错误了。爱因斯坦相对论的结论之一就是在某种特定的意义上质量和能量是相等的。它们之间的关系可由公式E=Mc2给出。在这一公式中E代表能量，M等于质量，c代表光速。由于c等于每秒钟18.6万公里，这是一个很大的数字，因此，c2就更是一个相当巨大的数了。其结果就是只要有一小部分的物质发生变化，就会释放出数量惊人的能量。
当然，没有人能仅仅从E=Mc2这一公式中就制造出原子弹或建造出核电站。必须牢记的是，还有其他许多人在原子能的发展中发挥了重要作用。但是爱因斯坦的贡献是不容置疑的。而且正是爱因斯坦在1939年致信罗斯福总统，指出发展原子武器的重要性并强调美国抢在德国之前发展这一武器的重要性。这封信促进了“曼哈顿计划”的展开，该计划导致了第一颗原子弹的出现。
狭义相对论引起了激烈的争论，但是有一点是所有人都同意的；它可能是曾经出现过的所有科学理论中最令人不可思议的科学理论。但所有人都想错了，因为爱因斯坦的广义相对论的前提条件就是万有引力效应并不来自于通常意义上的物理力，而是空间本身弯曲的结果。这真是更令人不可思议的思想！
如何测量空间本身的弯曲呢？怎样做才意味着空间是被弯曲了的呢？爱因斯坦不仅提出了这一理论，而且将他的理论写成清楚睥数学公式，从公式中我们可以明确地做出预测并对他的假说进行检验。以后的观测结果，其中最著名的是那些在全日蚀时完成的，反复证实了爱因斯坦方程的正确性。
广义相对论在某些方面同所有其他科学定律相比有着明显的不同。首先，爱因斯坦不是在细心实验的基础上推导出他的理论，而是将理论建立于对称和数学的优美上面。这是典型的唯理主义，就像古希腊哲学家和中世纪的学者们曾经试图做的那样。（这一做法使他对现代科学的基本经验观相抵触。）古希腊的哲学家们追求优美和对称，但他们从来没有设法去寻找能使其关键结论被实验检验成立的数学理论；与他们相反，爱因斯坦的理论可以非常成功地经受每一次检验。爱因斯坦探索的结果之一就是，广义相对论被公认为最优美、最优雅、最强有力、理智上满足所有科学理论的科学学说。
广义相对论还有另一个与众不同之处。大多数科学理论都是近似有效的。它们在许多环境下成立，但不是在所有环境下都成立。但就目前我们所知道的情况乍，广义相对论在所有环境下都成立，没有任何例外。没有任何已知的环境下，无论是理论上的还是实验中的，能使广义相对论仅仅近似成立。未来的实验可能会毁掉这一理论的完美纪录，但是迄今为止，广义相对论仍是最接近于任何科学家所能设想出来的“终极真理”。
尽管爱因斯坦因他的相对论广大为知，但无论如何他的其他科学成就也应使他赢得一个科学家的声望。事实上，爱因斯坦被授予诺贝尔物理学奖主要是因为他解释光电效应的一篇论文。光电效应是在此之前令物理学家困惑不解的一个重要现象。在这篇论文中他假定有光子存在。由于长期以来通过干涉实验已经建立起来光是由电磁波组成的概念，并因为波动性和粒子性被认为是“显而易见的”相互对立的概念，所以爱因斯坦的假说表现出同经典理论看似自相矛盾的彻底决裂。不仅仅是他的光电定律具有重要的实际应用，而且他的光子假说对于量子理论的发展也有重要的影响。光子假说今天已成为量子理论不可或缺的一部分。
在评价爱因斯坦时，不妨将他同牛顿作一比较。牛顿的理论基本上是容易理解的，并且他的天才还在于他第一个发展了他那些理论。从另一个方面看，爱因斯坦的相对论则极难理解，甚至在被详细解释后仍是如此。由此可以看出最初创造它们是何等的困难！当某些思想同当时流行的科学思想强烈抵触时，牛顿的理论从不显得前后矛盾。另一方面，相对论则充满了悖论。爱因斯论的部分天才在于，在开始时，他的思想还只是一个无名青年的未经过检验的假说时，他没有因这引起明显的矛盾而抛弃他的假说。相反，他在仔细全面思考，直到他能够证明这些矛盾仅仅是表面上的，并且在每一个事例中都有一个巧妙而且正确的方法解决这些悖论。
今天，我们将爱因斯坦的理论看成是比牛顿的理论更“正确”的理论。既然这样，为什么爱因斯坦在这个排行榜中的位置要比牛顿低呢？主要因为牛顿的理论奠定了现代科学与技术的基础。假如现在仅有牛顿的理论没有爱因斯坦的理论，大多数的技术状况也与现在的实际情况是一样的。
还有另外一个因素影响爱因斯坦的名次。在大多数情况下，一种重要思想在发展过程中会有很多人为之作出贡献。明显的例子有**主义的历史，或是电学和磁学理论的发展。虽然不应将相对论的发明百分之百地归功于爱因斯坦，但确实要将大部分功劳归于他。公平地说，同与相对论同样重要的其他许多思想的情况比较，相对论在更大程度上主要是由一个杰出天才独自创造的。
爱因斯坦1879年生于德国的乌尔姆城。他在瑞士上的高中，1900年成为瑞士公民。1905年他在苏黎士大学获得博士学位。但寻时他未能找到一份进行学术研究的工作。不过就在同一年，他发表了关于狭义相对论、光电效应以及布朗运动等几篇论文。几年之内，这几篇论文，特别是有关相对论的论文，树立了他作为世界上最出色、最有天才的科学家之一的声望。他的理论引起激烈争论；除了达尔文以外，还没有哪一位当代科学家像爱因斯坦这样引起如此多的争论。尽管如此，他仍于1913年被任命为柏林大学的教授。他同进成为威廉皇帝物理研究所所长，普鲁士科学院院士。这些职位使他能随心所欲地支配时间进行研究工作。
德国政府没有丝毫理由后悔为爱因斯坦提供了如此不同寻常的慷慨待遇，因为两年后他就成功地提出了广义相对论。1921年他荣获诺贝尔奖。在他的后半生，爱因斯坦是世界著名的，大概也是有史以来最著名的科学家。
由于爱因斯坦是犹太人，当希特勒掌权后，他在德国的外境变得危险起来。1933年，他受聘于美国新泽西州的普林斯顿大学，在一个高级研究所里工作。1940年他成为美国公民。爱因斯坦的第一次婚姻以离婚告终；第二次婚姻显然很美满。他有两个孩子，是两个儿子。他1955年在普林斯顿去世。
爱因斯坦总是对他周围的世界充满兴趣。他经常表达他对政治事件的看法。他始终如一地反对政治autarchy，并且是一个热情洋溢的和平主义者、犹太复国主义的坚定支持者。在穿着和社交习俗方面，他独具自我风格。他极富有幽默感，有着恰到好处的谦逊，而且还是个有点天赋的小提琴手。牛顿墓碑上的墓志铭更适合用在爱因斯坦身上：“让生灵们欢呼吧，为人类曾出现过这样辉煌的人物！”