1900年,21岁的爱因斯坦从瑞士苏黎世工业学院理论物理学系毕业。他被认为性格怪僻,思想不羁,好不容易才找到一份专利审查员的工作。不过,他的心思显然不在工作上,上班总在那写写画画,也不知研究着什么。
此时,科学界以牛顿力学为支柱的经典物理学正面临危机。当时物理学家普遍认为“以太”是一种充满宇宙的物质,可以把“以太”,当作绝对参考系,而科学家迈克尔逊所做的一个精密实验却没有找到“以太”的存在,于是一片哗然和震惊。牛顿力学的绝对时空观受到了严重的挑战。爱因斯坦苦苦思考的正是“以太之谜”,他认定这其中有某个东西不对劲,是某种习以为常的经验在作祟。他怀疑牛顿的绝对时空观未必正确。他一反当时科学界的主流思想,沿着一条与众不向的思想路线进行了探索。最后认定,不是找不到“以太”,而是根本就不存在“以太”,也不存在“绝对空间”和“绝对时间”。
1905年,26岁的爱因斯坦在一个月的时间里,给德国最有声望的杂志《物理学年鉴》投去4篇论文。他挑出其中分量最轻的一篇寄给了母校苏黎世工业学院,毫不费力地获得了博士学位。其他3篇包括提出光量子理论的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,提出狭义相对论的《论运动物体的电动力学》,及另一论文—由狭义相对论推导出著名的质能关系式。这4论文再加上他1916年发表的《广义相对论基础》足可以让他5次登上诺贝尔的领奖台。人们根据质能关系式找到了释放巨大原子核能的途径。1945年美国由此造出原子弹投放日本杀死几十万人。这是爱因斯坦始料不及的,让他一生都无法释怀。
相对论为现代物理的发展开辟了广阔的道路,但是爱因斯坦被授予1921年诺贝尔物理学奖却不是因为创立了相对论而是因为提出了光量子理论。瑞典科学院对相对论讳莫如深,因为来自各个方面反对相对论的压力太大了!
相对论掀起了物理学的一场革命,要从根本上改变人们的时空观,动摇经典物理学殿堂的基石,因此招来了许多人的非议,连伦琴(X射线的发现者,1901年诺贝尔奖获得者)都表示不理解,而迈克尔逊(1907年诺贝尔奖获得者)虽没强烈反对但也是百思不得其解。而更多的人则是指责爱因斯坦“违背常识”,“标新立异”,“玩弄数学游戏”,“故弄玄虚”。然而这些仅仅还只是人们对爱因斯坦的“离经叛道”一时难以接受,更为严重的是爱因斯坦的和平主义和反军国主义思想以及犹太人的血统给他带来了灾难,德国掀起了一个反相对论的运动。纳粹分子甚至把他列人了暗杀名单。
为了解释狭义相对论,爱因斯坦设计了一个思想实验——这是在实验室无法实现的条件下做的假象实验,是按照真实实验格式展开的一种复杂的形象思维和逻辑思维活动。这个思想实验导出了“尺缩效应”、“钟缓效应”和“质增效应”。有一个大学生曾经向爱因斯坦请教为何时间可时快时慢?他幽默地回答:“当你夏天坐在一个火炉旁,你会觉得一分钟像一小时;而当你坐在一个美丽的女孩身旁时,一个小时就像一分钟,难道不是这样么?” 广义相对论认为,我们所在的这个空间,不是简单的长、宽、高三维空间,而是包含时间在内的四维空间;在任何具有质量的物体周围都存在引力场,在引力场作用下,空间和时间发生弯曲,质量越大,时空弯曲得越厉害。
广义相对论更是一门艰辛难懂的理论,其难度之大,在创建初期就已超出爱因斯坦的数学能力。他找到大学同学数学家格罗斯曼作为合作伙伴。格罗斯曼向他介绍了黎曼几何。在黎曼几何中,测量在空间三点间连成的三角形内角和大于180度,我们与遥远星星的最短距离不是两点间的直线,而是一条曲线——“世界线”,如此的奇特和令人困惑!黎曼为这套几何耗尽了一生心血。而广义相对论导致的几何结果匪夷所思,几乎使爱因斯坦失去信心,他得到了黎曼几何真是幸运。广义相对论所需的数学工具已经在黎曼几何中具备。
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