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李醒民: 听爱因斯坦讲相对论

2007-5-28 16:09:50
来源:科学时报/李醒民




1905年,是爱因斯坦的“幸运年”。是年,晴空响霹雳,平地一声雷——爱因斯坦在德国《物理学杂志》17卷发表了著名的“三合一”论文,当时他还是瑞士伯尔尼专利局的一个默默无闻的小职员。

第一篇论文是《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》,即光量子论文,写于1905年3月。这篇论文的确是“非常革命的”,它使沉寂了四年之久的普朗克的辐射量子论得以复活,并拓展到光现象的研究之中。

第二篇论文是《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》,即布朗运动论文,写于1905年5月。这直接导致佩兰1908年的实验验证,从而给世纪之交关于原子实在性的旷日持久的论争最终画上句号。

第三篇论文是《论动体的电动力学》,即狭义相对论论文,写于1905年6月。

紧接着在同年9月,爱因斯坦又完成了《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》。这篇不足三页的论文,通过演绎,轻而易举地导出了质能关系式E=mc2,得出“物体的质量是它所含能量的量度”的结论,从而叩开了原子时代的大门。

狭义相对论的提出是物理学中划时代的事件。它使力学和电动力学相互协调,变革了传统的时间和空间概念,揭示了质量和能量的统一,把动量守恒定律和能量守恒定律联结起来。它与10年之后创立的广义相对论,在科学史上矗立了一座巍峨而永恒的丰碑,全面打开了物理学革命的新局面。海森伯曾经说过:“在科学史上,以往也许从来没有过一个先驱者像阿尔伯特·爱因斯坦和他的相对论那样,在他在世时为那么多的人所知道,而他一生的工作却只有那么少的人能够懂得。然而,这个名声是完全有理由的。因为有点像艺术领域中的达·芬奇或者贝多芬,爱因斯坦也站在科学的一个转折点上,而他的著作率先表达出了这一变化的开端,因此,看来好像是他本人发动了我们在本世纪上半期所亲眼目睹的这场革命。”

爱因斯坦的“三合一”论文是在8周内一气呵成的。而当时,他只是瑞士伯尔尼专利局一名默默无闻的小职员。

探索自然界的统一性是爱因斯坦一生所追求的目标。他说过:“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉。”狭义相对论的建立,使爱因斯坦统一性思想旗开得胜。这一新理论成功地揭示出时间与空间、物质和运动、能量和质量、动量和能量的统一性,把经典力学和经典电动力学统一起来。这是人类理性思维的杰作。

爱因斯坦在建立狭义相对论后,就试图着手建立引力的相对性理论。爱因斯坦起初想在狭义相对论的框架内构造引力理论,但是存在着一个难以克服的困难。爱因斯坦意识到,囿于狭义相对论的框架要找到满意的引力理论是毫无希望的。

1915年11月,爱因斯坦完成了他的广义相对论的集大成论文——《广义相对论的基础》。在这篇论文中,爱因斯坦的思想已达到炉火纯青的地步。他认为,时空与物质密切相关,是运动着的物质的存在形式。他说:“空间—时间未必能被看做是一种可以离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中,而是这些客体有着空间的广延。因此,‘空虚空间’这个概念就失去了它的意义。”而在狭义相对论中,时间—空间(作为一个惯性系)仅作用于一切物质客体,而这些物质客体却不对时间—空间给以反作用。因此,广义相对论便在更深一层意义上否定了牛顿的绝对时空观,揭示出“时空是物质存在的形式”。

玻恩在1955年的一篇报告中说得好:“对于广义相对论的提出,我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果,它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。”爱因斯坦“在黑暗中焦急地探索着的年代里,怀着热烈的向往,时而充满自信,时而精疲力竭,而最后终于看到了光明”。相对论——狭义相对论和广义相对论——的大厦全部建成了!

爱因斯坦逝世以后,特别是20世纪60年代以来,不仅广义相对论的实验验证如雨后春笋,而且这一理论也成为相对论天体物理学、高能天体物理学和宇宙学的理论基础,展现出引人瞩目的前景。类星体、脉冲星、致密X射线源、3K宇宙微波背景辐射、黑洞、引力波等等的发现和探测,大爆炸理论和各种宇宙模型的提出就是很好的例证。目前,这一发展方兴未艾。

关于《狭义与广义相对论浅说》,据许良英教授介绍,该书写于1916年,德文第一版于1917年出版,到1922年已经出版第40版,由此不难窥见其受读者欢迎的程度。20世纪20年代,世界各国先后出版了10多种文字的译本,英译本似乎到1952年已经出版了15版。1922年4月,商务印书馆出版了该书的中译本,书名为《相对论浅说》,译者夏元瑮。1964年5月,上海科学技术出版社又出版了新译本,书名为《狭义与广义相对论浅说》,译者杨润殷。现在北京大学出版社在杨润殷译本的基础上做了少量修订,并增添了爱因斯坦最重要的几篇论文作为附录重新出版。翻开本书,爱因斯坦教授将亲自为您一一讲解那些最深奥的理论。

(注:本文根据李醒民为《狭义与广义相对论浅说》一书写的“导读”改写而成。)