第3章 愛因斯坦自述(3)
- 愛因斯坦自述(中小學(xué)生必讀叢書)
- (美)阿爾伯特·愛因斯坦
- 3014字
- 2014-04-10 12:00:21
在工業(yè)大學(xué),我還認識了一個同學(xué)馬爾塞耳·格羅斯曼,并很快和他成為朋友。馬特河口有一家“都會”咖啡店,我們兩個,每個星期都要去那里一次,我和他在那里談?wù)搶W(xué)習(xí),談?wù)摦斚碌哪贻p人都喜歡什么。我是個有點離經(jīng)叛道的流浪漢,但他和我不一樣,他是個有內(nèi)心自主性的人,能看得出來,他渾身上下透著瑞士人的氣質(zhì)。巧的是,他的許多才能都是我欠缺的,比如,處理任何事情都有條不紊,理解問題很快。他的筆記做得極為出色,學(xué)習(xí)上也是出類拔萃,同學(xué)們看到他的筆記本都會自嘆不如。快考試的時候,他把這些筆記本借給我,這對我來說真是雪中送炭;要是沒有這些筆記本,我都不知道我會考成什么樣子。
擺在我們面前的這些課程,本來都是很有意義的,但我費了很大的勁,才在那些筆記本的幫助下,基本上學(xué)會這些東西。大學(xué)教育并不總是有益的,特別是對于像我這樣愛好沉思的人,我覺得我就是在強迫自己學(xué)習(xí)不喜歡的東西。幸運的是,我那段學(xué)習(xí)時期只有一年。
在我畢業(yè)后大約一年,作為我的朋友,馬爾塞耳·格羅斯曼給了我一個極大的幫助。通過他的父親,他把我介紹給瑞士專利局局長弗里德里希·哈勒。瑞士專利局對我進行了一次詳細的面試,合格后我就留在那里工作了。
1902年至1909年這段時間,是我最富于創(chuàng)造性的時期。因為我上班了,所以在這幾年中,也不用為生活操心了。拋開上班可以拿錢這一點不說,對我來說,鑒定技術(shù)專利權(quán)的工作本身就是一種真正的幸福。在鑒定的時候,你必須從各個方面去考慮,這就會用到各種知識,對自己以后在物理所研究也有所幫助。我這樣的人就適合做一種實際工作,有工作就是一種莫大的幸福。而學(xué)院里的一些年輕人則不得不寫大量的科學(xué)論文,在寫這些毫無意義的論文里慢慢趨于淺薄;當然,也有一些具有堅強意志的人,頂?shù)米≡趯W(xué)院的壓力。作為一個平民,他只要能夠完成他的工作就可以了,他的日常生活并不靠特殊的智慧。假如有人在工作之余對科學(xué)深感興趣,那么在他的本職工作之外,他也可以研究他所愛好的問題。這樣的研究還有一點好處,那就是用不著擔(dān)心自己的研究有沒有成果。給我找到這么幸運的職位,我得再次感謝馬爾塞耳·格羅斯曼。
在伯爾尼的那幾年里,我過得很愉快。在這里,我只談一件事,這件事能表現(xiàn)我這一生中最富有成果的思想。我的狹義相對論提出已經(jīng)有幾年了。相對性原理是不是只適用于慣性系呢?直觀上我們會這樣回答:“好像不是!”但直到那時為止,慣性原理作為全部力學(xué)的基礎(chǔ)卻不允許把相對性原理推廣到其他領(lǐng)域。相對于慣性系,如果一個人處于加速運動的坐標系中,那么相對于這個人,一個“孤立”質(zhì)點的運動就不會沿著直線做勻速運動了。一些人的思想從窒息的思維習(xí)慣中解放出來,他們會這樣問:這種行為有沒有提供慣性系和非慣性系的分辨方法呢?在至少是在直線等加速運動的情況下,他會斷定說,結(jié)果就不是那回事了。因為,相對于一個這樣加速運動的坐標系,那種物體的力學(xué)行為,人們可以把它解釋為引力場作用的結(jié)果。這件事是有可能的,有這個事實作證:在引力場中,物體的加速度總是相同的,與物體本身的性質(zhì)無關(guān)。這就是等效原理。對于一個普遍的變換群,這個原理不僅有可能使得自然規(guī)律恒定(相對性原理的推廣),而且一個深入的引力理論也有可能因為這種推廣而被發(fā)現(xiàn)。在原則上,我絲毫也不懷疑這種思想的正確性。但具體運用就不那么容易了。首先,有這樣一個問題:開辟了狹義相對論道路的時空坐標系論斷,有一個直接的物理解釋,這和向一個更廣義的變換群過渡是不相容的(向一個更廣泛意義上的變換群過渡不是那么容易的,因為在開創(chuàng)狹義相對論的時空坐標系時運用的直接物理解釋與此相悖)。其次,是關(guān)于怎樣選擇推廣的變換群,這個問題暫時還不能預(yù)見到。在等效原理這個問題上,暫時就提這么多,其實關(guān)于這個問題我也走過彎路。
1909年到1912年,在蘇黎世以及布拉格大學(xué),我講授理論物理學(xué),那時候我就不斷地思考這個問題。1912年,蘇黎世工業(yè)大學(xué)聘請我任教,我感覺很快就可以解決這個問題了。海爾曼·明可夫斯基在這里有個分析顯得很重要,是關(guān)于狹義相對論形式基礎(chǔ)的。這種分析概括起來就是:實驗上可證實的空間度規(guī)特性和慣性原理,被準歐幾里得度規(guī)(不變的)決定著,這個度規(guī)在準四維空間里;洛倫茲不變的方程組形式也由其決定著。有一種特選的坐標系--笛卡兒坐標系在這個空間里,它也是唯一自然的坐標系(慣性系)。在這樣的空間中,等效原理使我們引進非線性坐標變換--非笛卡兒(“曲線”)坐標。
在上述特殊形式中,一個孤立物體的慣性行為就表現(xiàn)為一條類似直線;同這種行為相對應(yīng)的,在普遍的形式中則是“短程線”。
這種陳述方式,雖然只是涉及準歐幾里得空間的情況,但是,如何達到一般引力場的道路,它也作了說明。引力場在這里還是用一種度規(guī)--一個對稱張量場gik來描述的。因此,如何滿足這樣的要求就是進一步推廣的目標:準歐幾里得就是這個場通過一種單純的坐標變換而成的。
一個對非線性坐標變換能保持不變的微分方程是否存在著呢?如果存在的話,這樣的微分方程就是引力場的唯一場方程。這樣,引力問題就歸結(jié)為一個純數(shù)學(xué)問題了。質(zhì)點的運動定律后來就是由短程線的方程來規(guī)定的。
1912年,我?guī)е@個問題找到我的老同學(xué)馬爾塞耳·格羅斯曼,他那時任蘇黎世工業(yè)大學(xué)的數(shù)學(xué)教授。作為一個純數(shù)學(xué)家,對物理學(xué),他還是抱有一些懷疑態(tài)度的。但我的這個問題立即引起了他的興趣。我們上大學(xué)的時候,去咖啡店里,經(jīng)常在一起相互交流思想。有一次,他曾經(jīng)說過這樣一句話:“不得不承認,學(xué)習(xí)物理讓我在現(xiàn)實生活中得到一些好處。以前,假如一個人從一張椅子上站起來離開了,然后我去坐這張椅子,我能感覺到剛剛那個人的熱量還留在這張椅子上,對此我很不舒服。如果這種事再發(fā)生,我不會這樣想了,因為熱是某種非個人的東西,這是物理學(xué)告訴我的。”
最后,他答應(yīng)解決這個問題,不過,他還有條件:他只幫我解決這個數(shù)學(xué)問題,對物理學(xué)的論斷和解釋都不承擔(dān)責(zé)任。他查閱了一些文獻,發(fā)現(xiàn)黎曼、里奇和勒維·契維塔就上面所提的數(shù)學(xué)問題早已解決了。這個問題和高斯的曲面理論有關(guān),在這個理論中,廣義坐標系被第一次系統(tǒng)地使用。黎曼解決了如何從gik推導(dǎo)出二階微分,作出了極大的貢獻。這就解決了引力的場方程是怎么回事的問題,那就是對于一切廣義的連續(xù)坐標變換群,要求都是不變的。在1916年的時候,歷盡艱辛,這個理論終于出現(xiàn)了。
一想起我的這位老朋友,我就想到了我們在一起上學(xué)的時候。可惜的是,他英年早逝。1936年,一場疾病迅速奪去了他的性命。對馬爾塞耳·格羅斯曼的幫助,我要再次表示感激之情,對他的感激也使我擁有了寫這篇文章的勇氣。
引力理論提出到現(xiàn)在已經(jīng)四十年了。這些年來,我的全部精力都用在把引力場理論推廣到一個可以構(gòu)成整個物理學(xué)基礎(chǔ)的問題上。為了這一個目標,許多人都在努力著。后來,有許多充滿希望的推廣,但我都放棄了。最近十年,我終于找到了一個理論,在我看來,這個理論自然而又富有希望。但這個理論在物理學(xué)上是否有價值,我還不能確信,因為這個理論的基礎(chǔ)是目前還不能克服的數(shù)學(xué)難題,凡是應(yīng)用任何非線性場論都會遇到這個難題。此外,一種場論是否能夠解釋物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和輻射以及量子現(xiàn)象,還未有定論。對這個問題,現(xiàn)在大多數(shù)物理學(xué)家都會堅定地回答“不能”!因為他們相信,在原則上,量子問題只能用別的方法來解決。問題最后會怎樣發(fā)展,我不禁想起了萊辛那句振奮人心的名言:與那些坐享其成的人相比,為尋求真理而付出的代價是高昂的。