爱因斯坦在许多活动领域中都产生了巨大影响。他是一个伟大的和平和自由的战士,对人类作出了无可估量的贡献。今天我想讲一下他在物理学方面的影响。他的毕生工作正是在这方面产生了最根本、最深远的影响,显示出卓越的才智。
爱因斯坦的工作从根本上带有开创性的特征。他从意想不到的方向打开新的思路,他创造了奇迹。其他物理学家然后发展了他的思想。爱因斯坦做出了三大革新:(1)狭义相对论,(2)波与粒子的关系,(3)广义相对论。这每一个革新都意味着一个新纪元的肇始,任何一个都在科学史上享有不朽的地位。我们把这三个成就全部归功于爱因斯坦。
狭义相对论
爱因斯坦用狭义相对论表明像空间和时间这种司空见惯的概念必须加以修改。传统的观点并未为准确地描述物理过程提供充分的基础。这些观点现在必须代之以这样一幅图景:空间和时间密切相关并结合成一个四维连续区。而且运动学和动力学的各个基本概念现在也改变了。
有时人们说狭义相对论是洛伦兹和彭加勒发现的,并引证他们在爱因斯坦一九〇五年发表他关于相对论的论文之前就已发表的著作。但这些说法只讲对了一部分,并且还不是主要的部分。洛伦兹和彭加勒相信以太。他们获得一些在以太的框架中有效的相对论方程。他们始以这个框架作为精神支柱。
爱因斯坦毁灭了以太,这样其他东西基于其上的这个框架也就跟着完了。他提出了空间和时间之间的一种新的对称性原理。爱因斯坦认为这种对称性原理是很重要的。这是他的伟大成就。各条对称性原理今天在大部分物理学里都是十分重要的。今天运用的对称性原理大都只是近似的,因而都归于无效。爱因斯坦引入的连接空间和时间的这条对称性原理是一条精确的物理学原理,支配着其他各条对称性原理。爱因斯坦和洛伦兹与彭加勒观点上的差别表现在他们对实验结果的反应不同。洛伦兹根据他的变换方程建立了符合爱因斯坦对称性要求的电子模型。它取代了以前的亚伯拉罕球体模型。考夫曼用实验比较这二种模型。他的实验结果支持¥伯拉罕。洛伦兹和彭加勒沮丧已极,但爱因斯坦却不怎么介意。他坚信他的对称性原理。这条原理是那么优美,必定正确无疑;因此他肯定考夫曼的实验有错误。几年以后发现果真如此。
狭义相对论引向一条长期的发展路线。它导致了任何质量缔合的很大的静止能量即E=它导致对于运动物体的能量的公式中出现平方根,以致能量在数学上可能是负的。起初,这并不碍事;人们可以说不会发生负能态。但是随着量子论的出现,人们看到一个粒子有可能从一个正能态跃迁到一个负能态,于是就不得不寻找负能的含义。这就导致了反物质,因此反物质乃是爱因斯坦狭义相对论的一个直接结果。
狭义相对论为全世界物理学家提供了许多问题——以一种表现出四维对称性的形式来表达一切方程。这通常证明还算容易。量子力学还存在若干基本难题,至今尚未完全解决。
波与粒子
至一九〇五年,基于麦克斯韦方程的光的波动理论已经得到了充分证实,但仍有一些现象与之相悖。光的发射和吸收似乎是不连续地进行的。这导致爱因斯坦产生这样的见解:能量集中在分立的粒子中。这在当时是一种不可思议的革命性思想,因为波动理论已经取得了无可辩驳的成功。看来光必须时而看作是波,时而看作是粒子,物理学家必须习惯之。这个思想被吸取进玻尔的氢原子理论,并成为这个理论的一个基本部分。玻色研究了光粒子系集的统计法,他发现原来的统计法已不适用。玻色和爱因斯坦共同提出了这种新统计法的定律。通过研究一个处于统计平衡之中的原子,爱因斯坦发现必然会发生辐射受激发射的现象。这种效应本来是极微小的,但由于有了新的统计法,可以利用一个适当的装置来大大增强它。这导致了现代技术的一个有用手段——激光,我们也把它归功于爱因斯坦。
德布罗意证明了粒子缔合波的现象适用于一切粒子,而不只限于以光速运动的粒子。德布罗意仅仅利用了狭义相对论的要求便确定了波与粒子之间的数学关系。他发现,波的运动比光快。但是,它们不能用来传递超光速的信号,这是狭义相对论的一个重要特点。
薛定谔扩充了德布罗意的理论,进而建立了作为现代原子理论基础的波动力学。从这里,物理学又有了一条发端于爱因斯坦的长远发展路线。
广义相对论
爱因斯坦提供了一幅引力的几何图案,由此为物理学开辟了一个崭新的方向。以往有两幅通用的物理力图景:超距作用和通过场的作用。对于牛顿的万有引力,这二幅图景都能够用。对于电力或磁力,超距作用的概念也是适用的,但是场的作用提供更完整的图景,因为它容许电磁波。而爱因斯坦用空间曲率来解释引力,因此只有场的图景是可能的。
爱因斯坦的预言和牛顿的理论之间有某些小的差别,这为天文学家和物理学家提供了几种工作方法,使他们得以进行检验。首先是在牛顿看来为不规则的水星运行,爱因斯坦对之作出了出色的解释。其次是在日全食期间可以观察到的光线经过太阳附近时发生弯曲。一九一九年进行的观察证实了爱因斯坦的理论。此后这种观察重复进行了多次,每次都证实了他的理论。随着射电星的发现,无需日全食,就可以检验无线电波经过太阳附近时的偏转。这种无线电波的速度也变慢,因此又证实了爱因斯坦的理论。
广又相对论还预言了所发射的光的谱线在引力场中发生频移的效应。关于这个效应,一般说来目前还没有很好的机会来精确检验这个理论,但已有的结果都支持这个理论,也都在预料之中。
广义相对论不仅带来了所有这些天文学和物理学的发展,而且还广泛地推动了数学工作。爱因斯坦所应用的那种可以嵌在高维度平直空间之中的简单的弯曲空间即黎曼空间,已证明在引力问题上是那样地成功,以致人们怀疑各种比较复杂的弯曲空间能否对其他物理场,尤其是电磁场也作出这样的解释。爱因斯坦本人对这个问题作了许多年的研究。
但是这些努力现在还没有取得什么肯定的成功。爱因斯坦的原始的弯曲空间取得辉煌的成功,但是已经做了大量工作的复杂空间至今尚未得出有物理意义的结果。
还有就是宇宙学的问题,它把宇宙作为一个整体看待。为在应用爱因斯坦的场方程时设立遥远处的边界条件,这是必不可少的。爱因斯坦首先提出了一个宇宙模型,它不令人满意。接着德西特提出了一个模型,但也不令人满意。后来,弗里德曼、勒梅特尔和其他人又根据爱因斯坦的方程提出了许多别种宇宙模型。这是爱因斯坦广义相对论提出的一个重大课题。最简单的而又为大家接受的模型是爱因斯坦和德西特共同提出的一个模型,将来很可能就用这个模型了。
在我刚才讨论的所有工作领域中,爱因斯坦都有着巨大的影响。我们可以相信,这种影响将垂诸久远。
〔Science,1980年3月14日〕
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*本文原系著名物理学家狄拉克在梵蒂冈教皇科学院一九七九年十一月十日纪念爱因斯坦会议上作的演说。题目是译者所加。——译者