许仁忠：20世纪以来的科学技术(144)

（续）第十一篇 教学相长   学在教中 — 我的教学心得与感悟

爱因斯坦是犹太人，.1902年6月到1909年，生活非常困难的爱因斯坦在朋友的帮助下到瑞士专利局当了技术员，工作之余他挤出所有可以挤的时间去研究他的物理学问题。 经过长期的坚韧不拔的研究思考，1905年爱因斯坦的科学创造历程发生了根本性飞跃，实现了三个突破：光量子论、创立狭义相对论、提出测定布朗运动的方案。创立狭义相对论的30页论文《论动体的电动力学》于1905年发表在德国《物理学年鉴》上。同年还在该杂志上发表《物体的惯性同它所包含的能量有关吗？》，对相对论作了重要补充。

根据 “以太”探测实验，爱因斯坦提出光的传播速度并不依赖于光源本身运动的速度，不管光源是静止还是高速运动，光的速度始终是30万公里/秒，这与伽利略经典的相对运动原理根本不同。 爱因斯坦经过深思熟虑，提出建立狭义相对论的两条基本原理：第一条是相对性原理，指出物理学定律在所有惯性系中的描述形式是相同的，所有的惯性系是等价的，不存在特殊的惯性系。第二条是光速不变原理，在所有惯性系内，真空中的光速具有相同的定值。从这两个前提出发得出如下结论：

运动物体在运动方向上长度收缩；运动着的钟表变馒；光速是自然事物运动速度的极限；“同时”是相对的，在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个惯性系看来就不一定是同时的；当物质运动速度比光速小很多时，相对论力学就自然过渡到牛顿力学，相对论力学更具普遍性;物质的能量等于其惯性质量乘以光速的平方。

从古至今，人们都认为空间就是容器里面的虚空，时间跟流水一样不停地流逝，它们之间没有任何关系，而从狭义相对论的角度来看，时间、空间、物质并不是相互独立存在的，而是紧紧地联系在一起。离开了物质或者时间来谈空间是没有意义的，同样地，离开了空间或物质来谈时间也是没有意义的。比如说，如果你坐上高速运动的宇宙飞船，飞行10年后回到地球，也许你会发现地球上已经过了20年，或者你去测量高速运动的物体，你会发现它比静止的同样物体小了。

正当全世界为狭义相对论的诞生而震动、惊讶、争论时，爱因斯坦已对自己的理论感到不满了，因为他看到了自己理论的缺陷。首先，作为“相对论”基础的惯性系现在无法定义了。牛顿定义的惯性系是指相对于“绝对时空”静止或做匀速直线运动的参考系、可是相对论否认绝对空间的存在，那么这一定义就不适用了。相对论是研究惯性系间关系的理论，“惯性系”是其核心概念，但这个“核心”却无法定义。其次，万有引力定律写不成相对论的形式。几经努力他终于认识到，相对论容纳不了万有引力定律。当时已知的自然力只有万有引力和电磁力两种．有一种就放不进相对论的框架。

爱因斯坦认为狭义相对论还有许多问题没有解决：为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更为优越?为什么惯性质量随能量变化?为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度?刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到了矛盾?他坚信自然界的和谐和统一，认为要么对惯性坐标系为什么会特别优越作出解释，要么放弃惯性坐标系的特殊优越地位。1907年他认识到：“在狭义相对论的框子里，是不可能有令人满意的引力理论的。”

1907年，爱因斯坦发表第一篇有关广义相对论的论文《关于相对论原理和由此得出的结论》，首次提出等价原理(等效原理)的假设：“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。” 文中还提出广义相对性原理：“迄今为止，我们只把相对论原理，即认为自然规律同参照系的状态无关这一假设应用于非加速参照系。是否可以设想，相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也依然成立?”。跟狭义相对论的两条看似矛盾的基本公设一样，广义相对论的两条基本原理也存在一定的矛盾。正如他在《自述》中说的：“其主要原因在于：要使人们从坐标必须具有直接度规意义这一观念中解放出来，可不是那么容易。” 所谓直接度规，指的是坐标差等于可量度的长度或时间。这是又一条自古以来的传统观念，现在必须用柔性度规来代替直接度规，也就是要把洛伦兹变换推广为非线性变换。

爱因斯坦研究广义相对论，经历了一个比建立狭义相对论还更漫长的探索道路，主要困难是缺乏合适的数学工具。 1913年，他与格罗斯曼合作建立了引力的度规场理论，发表《广义相对论和引力论》，系统论述广义相对论的物理原理和数学方法，引入黎曼张量，把平直空间的张量运算推广到弯曲的黎曼空间。1915年，爱因斯坦连续发表了几篇有关广义相对论的论文，其中《用广义相对论解释水星近日点运动》第一次用广义相对论计算出水星的剩余进动，并且声明：“在本文中我找到了这种最彻底和最完全的相对论的一个重要证明。” 1916年，爱因斯坦发表《广义相对论的基础》，对广义相对论的研究作了全面总结。

爱因斯坦的广义相对论提出了轨道进动、引力红移、光线偏折三项可检验的预见。广义相对论算出的行星轨道不需要其他行星的影响，自己就会“进动”。对水星轨道而言，观测值和理论值正好相符。引力红移是指在地球上看大质量的天体,它的光谱会向红端移动. 依据广义相对沦，时空弯曲的地方钟表走得侵。太阳表面的钟表比地球上的走得慢。我们当然不可能造一个钟表送到太阳上去。爱因斯坦建议可以将太阳表面的氢原子看做“原子钟”，观测其光谱线．与地球上氢原子钟的谱线相比较，太阳钟变慢意味看氢原子谱线会向红端移动、后来的观测证实了这一预言。

光线的偏折是指出于太阳造成的时空弯曲，遥远恒星的光通过太阳附近时会发生偏折，弯向太阳。1919年5月29,在英国天文学家爱丁顿的倡议下，英国派出了两支远征队，一支到非洲西部的普林西比，一支到南美的索布腊尔，他们带回的照片证明，星光的确在太阳附近发生了偏折．其偏折度与爱因斯坦的预测极为接近。深湛的物理思想，高深的黎曼几何、张量分析，神奇的实验验证，使得广义相对论一下子就被科学界接受了。不但是在科学界．甚至在普通人眼里，爱因斯坦成了一个神话般的人物。

量子力学是20世纪物理学的伟大发展。量子力学的建立是沿着两种途径完成的，一是玻尔-海森伯途径．建立了矩阵力学；另一条是爱因斯坦-德布罗意-薛定谔路线，建立了波动力学，它们殊途同归．彼此等价。波动力学和矩阵力学几乎同时出现，其数学形式完全不同，但同样有效。于1926年3月证明了波动力学和矩阵力学是完全等价的，此后统称为量子力学。20世纪40年代，美国物理学家费曼提出了量子力学的另一种理论形式，即路径积分。薛定谔波动力学是量子力学的微分形式；海森伯矩阵力学是量子力学的代数形式；费曼路径积分是量子力学的积分形式，它们彼此等价，从物理思想上来说费曼路径积分甚至更深刻。在路径积分中，量子力学与经典力学的密切关系展现得格外清楚。

世纪之争

在有关量子力学的物理思想和哲学意义上，出现了激烈的争论，一方以哥本哈根学派的统帅玻尔为代表，一方以爱因斯坦为代表，双方都为量子学说的诞生和飞速成做出过杰出贡献。哥本哈根学派阐述量子力学的物理意义和哲学思想是波函数的统计诠释，其理论支柱是玻尔的互补性原理和海森伯测不准关系，后来渐渐被多数科学家所接受，因此被称为量子力学的正统诠释。量子力学的正统诠释将不确定性引入了自然科学，经典的严格因果律或说因果决定论在微观世界中不再成立，因此量子力学和经典力学规律存在着本质差异。爱因斯坦不赞成波函数的几率诠释， 薛定谔也极其反对“概率波”观点。

1927年第五次索尔维会议之后，以玻尔和海森伯为代表的哥本哈根诠释成为量子力学的正统诠释，以爱因斯坦和薛定谔为代表的另一方并没有放弃自己的立场，他们对正统诠释提出了很尖锐的批评。 这场论争自20世纪20年代开始，持续了几十年，直至双方的主帅爱因斯坦和玻尔去世，甚至直到今天都没有完结，堪称世纪之争。

（未完待续）

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