102 爱因斯坦和相对论（1）

阿尔伯特·爱因斯坦是一位富有创造力的杰出理论家，也是唯一堪与牛顿相媲美的物理学家，他引发了第二次科学革命，可以说是20世纪最伟大的科学家。爱因斯坦的相对论是现代物理学的基石之一，到目前为止依然牢不可破。


英国物理学家麦克斯韦引进了革命性的方程组，确定了电磁场的存在，使电、磁、光都成为同一电磁领域的一部分。他认为，光是一种波，而不是粒子，并且光是通过所谓的一种看不见的媒质“以太”来传播的。


后来，美国物理学家迈克尔逊和莫雷做了一个实验，证明了以太并不存在，而且光速总是常数，而不管以什么作为参考系。这就使得牛顿物理学的“相对性原理”成了问题。爱因斯坦恰恰是锁定了光速不变的思想，并用他的狭义相对论理出了脉络。


1879年，爱因斯坦出生于德国乌尔姆，是一个犹太人。这一年，19世纪最伟大的理论物理学家麦克斯韦去世。爱因斯坦是一个晚熟的孩子，据传闻早年的学习成绩并不好，民间不是流行一个叫“爱因斯坦的小板凳”的故事吗？


爱因斯坦中学毕业后，进入瑞士苏黎世联邦理工学院学习。他把女同学米列娃成功追到手，两人结婚后，生了两个小孩。后来，爱因斯坦又爱上了自己的表姐，与原配米列娃离婚，与表姐结婚。


1902年，爱因斯坦毕业后到了瑞士专利局工作。这份工作比较清闲，他可以有很多时间研究自己的东西，思考自己感兴趣的问题。1905年，他完成了五篇论文，这些论文都发表在当年的《德国物理学年鉴》上。这五篇论文篇篇都很重要，有讨论光电效应和布朗运动的，更有他的狭义相对论，当时的名称叫《论动体的电动力学》。这是爱因斯坦创造力最辉煌的一年，因此后世将1905年称之为“物理奇迹年”。


但这五篇论文的发表并没有使爱因斯坦名声大噪，他依然老老实实地干着他的工作。后来，爱因斯坦在苏黎世大学找到一个教学岗位，但薪金很少，他依然默默无闻。1913年，由于受到普朗克的赏识，爱因斯坦才在柏林的威廉皇帝学院谋得一职。


自从1905年发表论文后，爱因斯坦一直在研究一个更大的理论，也就是广义相对论。这是一个伟大的理论，许多物理学家认为它是人类有史以来最为精彩的智慧结晶，而这几乎就是爱因斯坦凭一人之力完成的。当然，也少不了好友的帮助，离不开黎曼、罗巴切夫斯基、波尔约等人创立的“非欧几何”。


爱因斯坦花了整整十年的时间，终于在1915年完成广义相对论。当时第一次世界大战激战正酣，英德两国是死对头，但科学无国界，爱因斯坦的成果得到了英国科学家爱丁顿的关注，两人建立起了联系。


1919年，爱丁顿在西非普林西比岛的日食观测实验中，证实了广义相对论的预言，从此爱因斯坦一夜成名，并迅速成为物理学界的老大。之后，科学家又做了几次实验，都一一验证了广义相对论的预言，爱因斯坦的理论经受住了考验，被证明是正确的。


希特勒在德国上台后，爱因斯坦逃离了德国，前往美国，受到美国人的热烈欢迎。他于1940年成为美国公民，在美国的普林斯顿大学度过了他的余生，于1955年去世。


爱因斯坦的相对论破除了牛顿的绝对时空观，这个巨大的冲击不但是物理学上的，更是哲学上的。时间和空间的观念被大大地革新了。同时，作为一种引力理论，广义相对论也显示了它的威力。另外还有质量与能量的等价关系也被揭示出来了。


时间和空间是一个整体，一个四维连续统。它们不能脱离物质而存在，空间是物质的广延，时空与物质的运动息息相关。时间作为第四维，通过适当的数学变换和虚数的引进，和空间坐标一起，整合进了一个统一的方程式。一个毕达哥拉斯定理的推广形式，即真正的“四维距离”。


所有的运动都是相对的，没有绝对的运动，也没有绝对的时间和空间。时间和空间都会因为物质而改变，不能脱离物质而独立存在。在牛顿力学体系中，两个参考系，设定一个为静止，一个相对于另一个做匀速直线运动，都满足惯性定律，这两个参考系叫作“伽利略坐标系”。时间是绝对的，不会因为物体的运动状态而改变。


假设一列匀速行驶的火车，相对于地面的路基，这就构成了两个参考系。“伽利略坐标系”可以实行速度相加，进行“伽利略变换”。这样做在正常的低速下是可以的，但是涉及高速，特别是接近光速就不对了，因为光速不变。


因此，要用“洛仑兹变换”来代替“伽利略变换”才可以，而伽利略变换是作为一个极限特例而存在，也就是相对应于“洛仑兹变换”中光速等于无穷大的情形。那么光速是无穷大吗？当然不是，光速是不变的。


狭义相对论是根据两个公设来建立的，即光速不变原理和相对性原理。相对论从根本上说是为了强调物理定律的不变性，它保证物理定律在各种参考系中、各种运动体系中保持不变。数学形式上的统一岂不是一件很美的事情吗？所以说，“相对论”实际上应该叫作“绝对论”。爱因斯坦本人也坦言“相对论”这个名字取得不好，很容易让人误解。


自然现象的物理定律是绝对的，在不同的参考系经过协变是等效的。在运动的参考系中，根据狭义相对论，会发生“时间膨胀”和“长度收缩”效应，也就是运动的时钟会变慢，运动的尺子会变短。


狭义相对论导致的具有普遍性的最重要结果是关于质量的概念，它将质量守恒定律和能量守恒定律结合了起来，得到著名的质能方程式E=mc²。物体的惯性质量并不是一个恒常量，而是随物体的能量的改变而改变的，甚至可以认为一个物系的惯性质量就是它的能量的量度。因为爱因斯坦揭示了质量与能量之间的关系，指出在原子结构中蕴藏着巨大的能量，所以后来人类认识和利用原子能，制造出了原子弹。