
阿尔伯特·爱因斯坦
简介
Albert Einstein是二十世纪最具标志性的科学家,他的名字已成为天才本身的代名词。他对物理学的贡献从根本上改变了人类对空间、时间、引力、能量以及光的本质的理解。Einstein出生于德国南部符腾堡王国的一个犹太家庭,自幼便展现出非凡的思维特质,这一特质最终颠覆了数百年来的科学正统。他在二十世纪头几十年间构建的理论奠定了现代物理学的基石,深刻重塑了从宇宙学到量子力学、从核能到电信等众多领域。然而,Einstein远不止是一台运算机器。他是一位充满热情的人道主义者、坚定的和平主义者、忠实的小提琴爱好者,也是一位积极投身政治的社会活动家,曾公开抨击法西斯主义、民族主义与战争。他的一生跨越两次世界大战,经历了流亡故土的痛苦,也目睹了核时代那令人不寒而栗的黎明——而这个时代的到来,部分正源于他自己的方程式。理解Einstein,不仅意味着理解他在科学领域掀起的那场革命,更意味着理解一个有血有肉的人——他推动着这场革命向前,同时也在苦苦应对其所带来的后果。
Einstein的理论工作并非源于实验室实验,而是源于思想实验——他以严谨的想象力进行探索,设想自己与一束光并肩飞驰,或在电梯中自由下落。这种研究方式兼具深刻的哲学性与严密的数学性,在后世称为他"奇迹年"的那一年催生了狭义相对论,并在十年后成就了广义相对论。这两套理论以震惊科学界的方式颠覆了牛顿力学,最终证明宇宙比任何人所想象的都要奇异而壮阔。黑洞、引力使光线弯曲、宇宙的膨胀、质能等价——所有这些都在被直接观测到之前,便已从Einstein的方程式中涌现出来。他关于引力使光线弯曲的预言,在1919年的一次日食观测中得到证实,由此使Einstein一夜之间成为科学史上前所未有的公众名人。
他的个人生活错综复杂,有时甚至充满痛苦。他与同为物理学家的第一任妻子Mileva Maric育有子女,但婚姻以离异告终。与表姐Elsa的第二段婚姻给他带来了生活的安稳,却缺乏思想上的契合。他与小儿子Eduard的关系颇为艰难,后者深受精神分裂症之苦;与长子Hans Albert之间也长期疏于往来。Einstein的盛名带来的不仅是仰慕,还有骚扰——来自德国反犹太民族主义者的迫害、来自对其和平主义立场心存戒备的政治当局,乃至后来麦卡锡时代美国政府机构的审查。面对这些风浪,他以特有的幽默、超然与真诚的道义勇气一一化解。
这部传记完整追溯了Einstein生命的全部轨迹:从德国乌尔姆市的童年时光,到瑞士的求学岁月;从在伯尔尼专利局默默无闻的十年——他在那里完成了最伟大的理论创作——到跻身国际声誉的巅峰;从出走纳粹德国,到在普林斯顿高等研究院度过的最后数十年。本书不仅审视他科学发现的内容本身,更深入探寻这位改变了人类宇宙观的人物的个性、习惯与哲学思想。
在德国的童年
Albert Einstein于1879年3月14日出生于德意志帝国符腾堡王国的乌尔姆市。其父Hermann Einstein早年以售卖羽绒床具为生,后来转型为一名电化学企业家。其母Pauline Koch是一位富裕粮商之女。其父母均为阿什肯纳兹犹太人,处世态度世俗务实,但对自身身份有着清醒的认同——彼时的社会尽管在法律层面已给予犹太人平等权利,许多地方却仍对他们抱有疑虑与敌意。
Albert一岁时,随家人迁居慕尼黑。此前,其父Hermann与受过工程师训练的兄弟Jakob合伙创业,两兄弟共同创办了一家公司,专门承接电气基础设施的安装工程,业务涵盖煤气照明与电话系统,先在慕尼黑,后拓展至意大利。年幼的Albert在慕尼黑一个中产阶级犹太家庭中成长,生活较为优渥,父母——尤其是极具音乐天赋的母亲——为他营造了浓厚的人文与知识氛围。
Einstein早年的成长经历颇为与众不同,如今已成为广为流传的传奇,尽管其中不乏夸大之词。他开口说话较晚——据称直到三四岁才能说完整的句子——这一迟缓的语言发育令其父母颇为忧虑,父亲甚至担忧他是否存在智力障碍。Einstein晚年曾回忆,自己从小便与其他孩子不同:更加内敛,不善社交,常常独自沉思,一坐便是许久。他对机械物件充满好奇,能够花上数小时专注地摆弄谜题或拼搭积木。
有一段经历至关重要。Albert五岁那年,在一次生病期间,父亲送给他一只袖珍罗盘作为礼物。那枚罗盘指针无论如何转动,总是执拗地指向北方——这种无形而无法解释的力量令男孩深深着迷。他隐隐感觉到,某种东西正穿越看似空无一物的空间,在远处悄然拨动着那根指针。这种"可见现象之下潜藏着隐秘秩序"的直觉体验,从此深植于Einstein的科学想象之中,伴随他一生。他最渴望的,是看透事物表象之下的本质。
他的正规教育始于慕尼黑一所天主教小学,彼时他是班上为数不多的犹太学生之一。他的学业成绩在大多数科目上表现优异,在数学方面尤为突出。母亲坚持让他学习小提琴,他起初有些抵触,但最终成为了一名颇有造诣的业余演奏者。音乐,尤其是Mozart与Bach的小提琴奏鸣曲和协奏曲,成为他终身的挚爱。他后来曾说,音乐与物理学都是同一种内在秩序的不同表达——每当思考陷入困境,他便拉起小提琴,直到心绪平静,答案自然浮现。
Albert大约九至十岁时,一位名叫Max Talmud的年轻医学生开始定期在Einstein家中共进周五晚餐。邀请学生共度安息日用餐是犹太人的传统,Talmud也由此成为这个早慧男孩的精神引路人。他为Albert带来了科普读物,其中包括一套图文并茂的自然科学系列丛书,将物理与生物的广阔世界呈现在年幼的Einstein面前。Talmud还向Einstein引介了康德的《纯粹理性批判》——这部艰深的哲学著作,十二岁的他竟以高度专注的态度将其通读下来。这些非正式的引导与启蒙,对Einstein早期智识的形成所起到的塑造作用,远比正规的学校教育更为深远。
十二岁时,Einstein在一个暑假里自学了代数和欧几里得几何,他钻研证明题的劲头十足,以至于Talmud再也找不到题目来考他。随后,他又自学了一本微积分教材。等到他进入慕尼黑的Luitpold文理中学接受中学教育时,他的数学水平已经远远超过了同龄人。这所中学注重拉丁语、希腊语和死记硬背,而非科学探究与独立思考,这让他很不适应。他觉得这种教学方式令人压抑,而学校对服从与循规蹈矩的强调也与他的天性背道而驰。他与某些老师的关系颇为紧张,据说——尽管有些说法遭到Einstein本人的否认——有位老师曾告诉他,他将来不会有任何出息。
这一时期,Einstein家陷入了严重的经营危机。Hermann和Jakob的电气公司未能赢得为慕尼黑供电的重大合同,19世纪90年代中期,全家决定迁往意大利,先到米兰,后到帕维亚,去寻觅新的商机。当时年仅十五岁的Albert被留在慕尼黑,以便完成学业。他过得郁郁寡欢。他设法弄到了一张诊断神经衰弱的医生证明,以此为由提前离开了中学,尚未取得毕业证书便离校与家人团聚。
这个决定带来了一系列后果。没有中学毕业证书,Einstein无法直接进入瑞士的大学。他尝试报考位于苏黎世的瑞士联邦理工学院(Eidgenossische Technische Hochschule,即ETH),参加入学考试时只有十五岁,比大多数考生小一岁。他的数学和自然科学科目成绩出类拔萃,但法语和植物学部分未能通过。经ETH校长建议,他在瑞士阿劳的一所州立学校就读了一年,完成了中学阶段的学业。这一年在阿劳的求学经历意义深远。这所学校采用进步的教育理念,注重形象思维和自主探究,而非机械训练与反复操练,这与Einstein的学习方式不谋而合。他后来称这是他所上过的最好的学校。
求学经历与早年困境
Einstein在十七岁那年的秋天进入苏黎世ETH就读,选择了数学与物理学师范培训专业。ETH并非德国传统意义上的综合性大学,而是一所声誉卓著的理工学院,主要培养工程师、科学家和教师。学院拥有数位杰出的科学家担任教职,其实验室设施也堪称欧洲一流。
年轻的Einstein在某些方面是一个让人头疼的学生。他觉得某些课程枯燥乏味,经常逃课,靠着好友Marcel Grossmann一丝不苟的课堂笔记来备考。他有一个习惯,就是在智识上特立独行,追随自己感兴趣的思路,全然不顾是否符合课程要求。教授们认为他才华横溢,却任性固执。据说,物理学教授Heinrich Weber曾对他说:"你是个聪明的孩子,Einstein,非常聪明。但你有一个很大的毛病:你从不听人劝。"
这种独立性并非出于傲慢。Einstein是在追寻一个困扰他已久的深层谜题——从十六岁起,他便开始想象:如果追上一束光,并以同样的速度与之并驾齐驱,会看到什么?James Clerk Maxwell所建立的经典电动力学预言,光是一种电磁波,以固定速度在一种名为以太的介质中传播。若你能以同样的速度跟光并行,你会看到什么?那道波应当看起来静止不动。然而Maxwell的方程似乎禁止出现静止的电磁波。力学或电动力学中——抑或两者皆有——必然存在某种错误。这一思想实验历经多年的艰苦探索,最终引向了狭义相对论的诞生。
在苏黎世,他结识了Mileva Maric,一位塞尔维亚籍物理系学生,也是获准进入苏黎世联邦理工学院物理项目的极少数女性之一。两人由此成为挚友,继而相恋。Mileva聪慧勤奋,对物理学有着深刻的投入。他们之间的关系热烈而充满智识上的碰撞。假期里两人书信往来频繁,字里行间既有科学探讨,也有款款深情。Einstein写给Mileva的信展现出一个热情、有时带着玩笑、有时又极为认真的年轻人,他与她平等地分享自己的科学想法。
在毕业考试中,Einstein与Mileva同时参加了教师资格考试。Einstein以不错但并不突出的成绩通过。Mileva此时已怀有Einstein的孩子,却未能通过考试。次年她再次应考,再度落败,最终未能取得学位。他们的孩子——一个女孩——显然在两人婚前便已出生,此后或是夭折,或是被送人收养。历史记录语焉不详,这个孩子的命运至今仍是学界争议的焦点。这段经历是Mileva此生难以释怀的悲剧。
毕业之后,Einstein陷入了极为困顿的处境。他渴望谋得一个学术职位——一份大学助理职位,使他既能维持生计,又能从事研究。他一再向苏黎世联邦理工学院的教授们投递申请,也向其他大学及任何可能提供哪怕是初级职位的机构寻求机会。然而每一次申请都遭到拒绝。原因至今尚无定论。部分历史学家认为,他在学生时代留下的难以驾驭、固执己见的名声对他有所不利;另一些人则指出,学术招聘过程中存在隐性的反犹太主义。无论原因为何,Einstein在毕业后的一年多时间里始终处于岌岌可危的无业状态,靠给学生补课和接受临时职位维持生活,同时坚持科学阅读与思考。
这一困局最终因Marcel Grossmann之父的介入而得以化解——他将Einstein推荐给了瑞士联邦专利局伯尔尼分局局长Friedrich Haller。1902年夏,Einstein被任命为专利局三级技术专家。这份任命薪酬不丰,但足以维持生活,为他提供了稳定的工作,也使他在业余时间享有充分的思想自由。
婚姻与早年家庭生活
就在Einstein入职专利局之前,他的个人生活经历了重大变故。1902年10月,父亲Hermann在米兰辞世,这让Einstein深受打击。Hermann亲眼见证了儿子长大成人,却未能看到他日后的辉煌。父亲的离世消除了延误Einstein婚事的障碍之一——Hermann生前并不赞成Mileva成为他的儿媳。1903年1月,Albert与Mileva在伯尔尼举行了一场简朴的公证婚礼,正式成婚。
他们的家庭生活十分简朴。他们住在狭小的租屋里,以简单的晚餐款待朋友,在闲暇时间追求各自的学术兴趣。1904年5月,他们的长子Hans Albert出生了。Einstein非常喜爱这个孩子,以那个时代和他所处背景下男性罕见的方式参与育儿。1910年,次子Eduard降生。Eduard是个敏感而富有音乐天赋的孩子,后来患上了精神分裂症,给父母留下了长久的伤痛。
这段婚姻尽管在早年充满温情,却承受着来自多方面的压力。Mileva在考试失利后放弃了自己的科学抱负,如今主要忙于家务和照料孩子。Einstein日益沉浸于工作,使他常常缺席,既不是称职的丈夫,也不是称职的父亲。随着名声与日俱增,各种社交应酬接踵而来,令Mileva倍感吃力。关于Mileva在多大程度上参与了Einstein的科学工作,学界长期争论不休。部分研究者根据信件及间接证据,认为她是一位举足轻重的学术合作者。但大多数历史学家的结论是:Mileva虽为Einstein提供了倾诉对象和情感支持,他的理论突破在本质上仍属于他自己的成就。然而,这场争论折射出真实存在的不确定性——在这段关系中,科学思想与个人情感紧密交织,难以厘清。
专利局岁月
位于伯尔尼的瑞士联邦专利局,出乎意料地成为Einstein科学成长的沃土。他作为专利审查员的工作要求他评估技术申请、理解机械与电气装置,并深入思考物理原理与技术实现之间的关系。这种与技术的实践性接触与他的理论思维相得益彰,也磨砺了他把握问题本质结构的能力。
Einstein的工作日通常从早上八点持续到下午六点,中间有一小时午休。他逐渐练就了一身高效完成本职工作的本领,从而为自己的思考留出心理空间。他在书桌抽屉里备着纸,每当有主管靠近便迅速将其藏起——在履行官方职责的间隙里悄悄研究物理。他后来回忆说,专利局是"那座世俗的修道院,我在那里孕育了自己最美好的思想"。
在这些年里,Einstein也在专利局之外积极参与伯尔尼的学术生活。他与两位朋友——Maurice Solovine和Conrad Habicht——组成了一个小型读书讨论会,并戏称其为"奥林匹亚学院"。三人定期聚会,共同研读和探讨哲学、科学与文学。他们研读了马赫的《力学史评》、休谟的《人性论》、穆勒的《逻辑学》以及庞加莱的文集。这些哲学阅读对Einstein的物理基础研究方法产生了直接影响,尤其是马赫对牛顿绝对时空观的批判以及休谟对因果关系的怀疑论。
与此同时,他也在深入钻研那些自苏黎世联邦理工学院时期便萦绕心头的难题。他试图理解热力学的基础、布朗运动的本质——即悬浮在液体中的微小粒子的无规则抖动——以及最重要的,力学与电动力学之间的关系。这些都是世纪之交物理学中最深刻、争议最多的问题。而Einstein独自攻克这些难题,远离各大研究中心,没有图书馆和实验室可以借助,也没有可以切磋的同行,凭借的只是他卓绝的才智,以及他能够获取的书籍和期刊。
奇迹年
1905年在物理学史上被称为爱因斯坦的"奇迹年"。在短短几个月内,爱因斯坦一边在专利局全职工作,一边照料尚在襁褓中的儿子Hans Albert,同时完成了四篇论文。这四篇论文共同从根本上改变了物理学的基础,每篇论文针对不同的问题,每篇都堪称科学推理的杰作。
第一篇论文于三月提交,对光电效应提出了革命性的解释。光电效应是指光照射到金属表面时可以击出电子,但这一现象的发生仅取决于光的频率是否超过某一阈值,而与光的强度无关。经典波动理论无法解释这种频率阈值依赖性。爱因斯坦提出,光尽管具有波动性,但同时也可以表现得像是由一份份离散的能量包——即量子——所组成,每个量子的能量与光的频率成正比。这一思想借鉴了普朗克的量子假说,但走得更远,表明量子化是辐射的基本属性,而非仅仅是一种数学手段。正是凭借这篇论文,爱因斯坦最终荣获诺贝尔奖。它奠定了量子力学的基础,确立了光同时具有波动性和粒子性的二象性。
第二篇论文于五月提交,对布朗运动给出了理论解释。布朗运动是指悬浮在液体中的微小粒子所做的无规则运动,最早由植物学家Robert Brown于1827年描述。爱因斯坦证明,这种运动是粒子与周围流体分子发生无数次微小碰撞的结果,并推导出描述这种运动统计特性的数学公式。这篇论文为原子和分子的存在提供了有力的间接证据——当时仍有部分物理学家对此持异议——并在热力学与原子理论之间建立了直接的联系。
第三篇和第四篇论文分别于六月和九月提交,共同构成了狭义相对论及其最著名的推论。六月的论文提出了理论本身——对力学基础进行系统性的重构,使其与麦克斯韦电磁方程组相容。其核心洞见在于:光速对所有观测者而言都相同,与观测者的运动状态无关。这一原理与相对性原理(即物理定律在所有惯性参考系中均相同)相结合,要求对牛顿的绝对时空观念进行彻底修正。在狭义相对论的框架下,处于相对运动中的观测者所经历的时间流逝速率各不相同,物体在运动方向上的长度会发生收缩,同时性也是相对的而非绝对的。这些预言看似离奇、有悖直觉,却从两条简单的公设出发,以严密的逻辑必然性推导而来。
九月的论文从狭义相对论中推导出一个简短却意义深远的推论:质量与能量的等价性。爱因斯坦指出,能量具有质量,而质量是储存能量的一种形式。两者之间的关系由一个简洁得令人惊叹的方程来表达:能量等于质量乘以光速的平方。这个方程以其最广为人知的形式写作E等于mc²,表明即使是极其微小的质量也蕴含着巨大的能量——这一推论在数十年后最终促成了核能的利用,也导致了核武器的诞生。
这四篇论文在数月之内相继提交至享有盛誉的学术期刊《物理年鉴》。彼时,Einstein年仅二十六岁,默默无闻地在一家专利局工作,既无学术机构的归属,也无缘接触任何主要研究机构。论文发表之后,一切归于沉寂,外界的认可姗姗来迟。物理学家Max Planck时任《物理年鉴》主编,他几乎在第一时间便察觉到相对论论文的重要性,随即开始与Einstein通信。Planck的力荐对于吸引更广泛的物理学界关注Einstein的研究发挥了至关重要的作用。
这四篇论文何以在同一年内相继问世,这一故事此后始终令科学史学家们着迷不已。Einstein后来将1905年的那段岁月描述为一段思维异常活跃的时期——多年来蓄积酝酿的种种想法,仿佛在一夕之间豁然贯通,化为清晰而可表述的形式。他当时全职供职于专利局,将傍晚和周末的时光悉数投入物理研究,据他本人所述,睡眠极少。那数月间迸发出的创造激情,在他此后的整个学术生涯中再未能完全复现——尽管广义相对论的后续发展在许多方面是一项要求更为严苛的智识成就。这个奇迹之年代表着一种创造力的骤然爆发,大多数科学家终其一生都难以体验哪怕一次,而Einstein所经历的这种爆发,无论深度还是广度,皆在科学史上无出其右。
狭义相对论
狭义相对论发表于1905年6月的论文《论动体的电动力学》,解决了自19世纪60年代Maxwell建立电动力学以来物理学中长期存在的一个深层矛盾。Maxwell方程组预言,电磁波——包括光——以固定速度传播,约为每秒三十万千米。然而这引出了一个深刻的问题:相对于什么是固定的?牛顿力学预设了绝对空间的存在,将其作为衡量一切运动的固定参照背景。物理学家们曾假设存在一种名为"发光以太"的介质,弥漫于整个宇宙空间,光相对于这种介质以其固有速度传播。
问题在于,没有任何实验能够探测到以太的存在。1887年的Michelson-Morley实验试图通过比较不同方向上的光速来测量地球相对于以太的运动,结果却未发现任何差异。为解释这一零结果而提出的种种方案——诸如物体在穿越以太时会发生收缩,或以太被地球拖曳携带等——均显得牵强附会,缺乏说服力。
Einstein的做法是推倒重来。他没有试图修补牛顿力学以使其与Maxwell方程组相容,而是将Maxwell方程组奉为基础,在此之上重建力学体系以与之适配。他提出了两条基本原理:其一,物理定律在所有惯性参考系中(即相互之间以恒定速度运动的参考系)均保持相同;其二,真空中的光速对所有观测者而言均相同,与光源或观测者的运动状态无关。仅凭这两条基本原理,狭义相对论的整座理论大厦便得以建立。
其推论令人震惊。时间膨胀:相对于观测者运动的时钟走得更慢。长度收缩:相对于观测者运动的物体,在运动方向上看起来变短了。同时性的相对性:对某一观测者而言同时发生的两个事件,对另一个相对运动的观测者而言未必同时。质量增加:运动物体对加速度的惯性阻力随速度增大而增大,在光速处趋于无穷大——因此,光速是任何有质量物体所能达到的最大速度。
这些推论并非仅停留于理论层面,已被无数次实验所证实。GPS卫星必须对相对论性时间膨胀进行修正,否则其位置计算将积累显著误差。粒子加速器在日常运行中会将粒子加速至相对论性质量增加效应十分明显的速度。尽管μ子的半衰期极短,它们仍能从高层大气到达地球表面,这一现象正是由时间膨胀来解释的。狭义相对论是科学史上经受检验最为充分的理论之一。
Einstein本人以清晰简洁的方式阐述了这一理论,充分体现了他把握核心原理的非凡天赋。他摒弃了种种不必要的假设——以太、绝对空间、绝对时间——并在最少的必要基础之上构建起整个理论体系。这一方法受到他阅读马赫与休谟著作的影响,也成为其最重要理论工作的一贯风格。
广义相对论
顾名思义,狭义相对论是一种特殊情形——它仅适用于惯性参考系,即以匀速运动的观察者。Einstein对这一局限性立感不满。在现实世界中,物体会产生加速度,引力无处不在。他希望建立一种能够纳入引力、并适用于所有参考系(无论是否处于加速状态)的理论。
从狭义相对论到广义相对论,Einstein走过了十年历程——自1905年至1915年——这是有史以来由单一个体独立完成的最艰难的智识探索之一。Einstein本人后来将这段历程描述为在黑暗中摸索的岁月,充满了误入歧途与重新出发。他犯过根本性的错误,发表过后来不得不撤回或修正的论文,却以一贯的坚韧从挫折中重振旗鼓,最终成就了一个气势恢宏、优雅绝伦的理论,百余年来从未被撼动。
关键的洞见出现得很早,大约在1907年,当时Einstein正在审阅一篇关于狭义相对论的论文,突然产生了他所称的"一生中最幸福的念头"。他意识到,一个自由下落的人——在无约束的自由落体状态下——感受不到自身的重量,引力对他而言将是无形的。这意味着自由落体等价于引力的缺失——在一个自由下落的参考系中,物理定律与在无引力的太空区域中看起来完全相同。这一等效原理——引力效应与惯性效应的等效性——将成为广义相对论的基石。
Einstein花费数年时间,构建起表达这一洞见所需的数学工具。他需要一套能够描述弯曲时空的理论框架——在这样的宇宙几何中,引力不是一种力,而是四维时空结构本身的弯曲。这需要用到张量微积分和黎曼几何,而Einstein不得不在友人Marcel Grossmann的帮助下学习这些数学工具——Grossmann此时已是苏黎世联邦理工学院的数学教授。Einstein与Grossmann的合作至关重要,Einstein在其整个职业生涯中也始终坦然承认对Grossmann的深厚情谊。
广义相对论的最终场方程于1915年11月发表。在此之前,Einstein经历了一段紧张激烈的冲刺,他同时与数学家David Hilbert展开竞赛——后者获取了Einstein早期的工作成果,正在推进自己版本的场方程。Einstein与Hilbert之间的优先权之争后来以Einstein胜出而告终,Einstein也被公认为广义相对论的创立者。
广义理论将引力描述为质量和能量的存在所引起的时空弯曲。物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。行星绕太阳运行并非受引力牵引,而是沿着弯曲时空中所能走到的最直路径运动。光虽然没有质量,同样会受引力偏折,因为它穿行于同一弯曲的时空之中。
这一预言——光会被大质量天体的引力场所弯折——可以在日食期间加以验证,届时太阳边缘附近的恒星将得以观测。Einstein预测了光线偏折的幅度,该数值是牛顿力学所预测值的两倍。1919年5月,两支英国远征队(其中一支由Arthur Eddington率领)观测了日食,并测量了星光绕太阳的偏折量。结果在实验误差范围内证实了Einstein的预言。
奇迹年的科学背景
要充分认识Einstein在1905年所取得成就的深远意义,有必要了解他所处的科学背景。二十世纪之交,物理学正处于一场富有成效的危机之中。Newton的经典力学与Maxwell的经典电动力学都是极为成功的理论,各自得到了大量实验证据的支持,然而两者之间却存在根本性的不相容,试图调和二者的努力产生了一系列临时性假说和悬而未决的矛盾。
以太问题是这场危机最为显著的表征。Maxwell的电磁学理论将光视为在某种介质中传播的波,正如声波在空气中传播一样。但没有人能够找到这种介质,也无法探测到穿越它的运动。1887年的迈克耳孙-莫雷实验利用极为精密的干涉仪测量光速在不同方向上的差异,结果没有发现任何差异——地球穿越假定以太的运动没有留下任何可探测的痕迹。这一结果出人意料,催生了大量理论修补工作。爱尔兰物理学家George Fitzgerald与荷兰物理学家Hendrik Lorentz分别独立提出,运动物体在其穿越以太的运动方向上会发生轻微收缩——收缩量恰好足以抵消任何可探测到的效应。Lorentz将这一想法发展成一套严密的数学框架,推导出描述处于相对运动的参考系之间时空测量如何变换的方程。
Lorentz变换——事实证明是完全正确的——被Lorentz本人解释为由穿越以太的运动所引起的真实物理效应。Einstein的概念革命在于对同一套数学变换作出了截然不同的诠释:它们并非运动穿越某种介质所产生的效应,而是时空本质的基本推论。通过彻底摒弃以太概念并对Lorentz变换赋予新的诠释,Einstein阐明了Lorentz在数学上已经描述、却未能在物理上完全理解的内容。
统计力学的热力学基础是另一个争论激烈的领域。物质的宏观热力学性质——温度、压强、热量——与原子和分子的微观行为之间的关联,正由Ludwig Boltzmann、Josiah Willard Gibbs等人加以阐明。Boltzmann用分子态的统计分布来诠释熵的概念,这一思想既卓越,又颇具争议:一些颇有声望的物理学家,尤其是Ernst Mach,以哲学为由断然拒绝接受原子假说,认为原子是无法观测的理论构造,应当从物理理论中彻底剔除。Einstein在1902至1904年间发表的统计力学论文,以及1905年发表的布朗运动论文,与这场争论直接相关——这些论文提出了可供定量检验的预言,一旦得到实验证实,便为原子假说提供了最有力的支持。
量子假说是这一时期最为激进的新进展。Max Planck于1900年引入能量量子的概念,以解释热体辐射的光谱问题——即所谓的黑体辐射问题。Planck的推导本身是正确的,但其物理诠释尚不明确。他将量子化视为空腔壁上谐振子的属性,而非辐射场本身的属性。Einstein在1905年发表的光电效应论文迈出了更为大胆的一步,提出光本身是量子化的——辐射场由离散的量子构成,每个量子携带的能量与光的频率成正比。这一想法似乎与Maxwell的光的波动理论相悖,因而遭到大多数物理学家的强烈质疑,连Planck本人也不例外。
Einstein就这样同时攻克物理学中三个最深刻的问题,并在同一年内解决了这些问题——或者说,朝着解决它们迈出了决定性的步伐。他所取得成就的广度与其深度同样令人叹为观止。大多数物理学家,即便是最杰出的,也往往终其一生只专注于某一单一领域。Einstein能够在热力学、电动力学与量子理论之间游刃有余地穿梭,洞察每个问题的本质结构,剥去一切无关紧要的枝节,这折射出一种罕见的品质——物理直觉、数学功底与哲学魄力的非凡结合。
Einstein的犹太身份认同与锡安主义
Einstein与其犹太身份认同之间的关系错综复杂,极为私人,并随着他内心的成长以及欧洲犹太历史外部环境的变迁,在其一生中经历了深刻的演变。他的父母是世俗犹太人,给予子女的犹太教育极为有限,Einstein自幼便与犹太宗教实践几乎没有正式的联系。在慕尼黑文理中学就读期间,他曾短暂经历过一段强烈的个人宗教热情,但在开始阅读科普读物、感受到宗教传统与科学理性之间的冲突后,便迅速与之疏离。此后终其一生,他认同自己在文化上是犹太人,但拒绝宗教信仰的实践。
他的犹太身份认同,首要地并非源于信仰,而是源于一种团结感——对共同历史与共同脆弱处境的认同,这种认同在反犹主义的亲身经历面前,令人无从回避。19世纪90年代发生在法国的德雷福斯事件,是他年轻时密切关注的重大事件,它使他深刻认识到欧洲反犹主义的根深蒂固与顽固持久——即便在表面上标榜自由的社会中亦不例外。第一次世界大战期间及战后德国反犹主义的浪潮不断高涨,使犹太人问题变得既紧迫,又与他个人息息相关。
爱因斯坦与犹太复国主义的关系起初颇为疏淡。他对任何形式的民族主义都持怀疑态度,包括犹太民族主义,并且担忧在巴勒斯坦建立一个犹太国家,非但不能超越欧洲民族主义问题,反而会将其复制延续。他同样关注犹太定居者与巴勒斯坦阿拉伯人之间的关系,并始终主张共存与相互理解,而非排斥与支配。
促使他转而积极支持犹太复国主义事业的,并非政治民族主义,而是耶路撒冷希伯来大学这一具体项目。爱因斯坦从筹建初期便参与其中,并于1923年访问巴勒斯坦,这也是他首次踏足中东地区。当地犹太社区的所见所闻令他深受感动——人们在欧洲迫害留下的废墟之上,努力创造一种全新的文化——他因此同意出任该大学首届董事会成员。对希伯来大学的深厚情感,始终是他此后人生中最坚定的承诺之一。
1933年纳粹夺取政权,使爱因斯坦与犹太身份认同的关系发生了深刻转变。那个他曾与之保持一定思想距离的群体,如今骤然陷入灭顶之灾。他的回应既务实又出于个人情感:他不遗余力地帮助犹太科学家和知识分子逃离纳粹德国,以自己的声望为他们打开门路,凭借人脉为他们谋得职位、争取签证。数百人因他的斡旋而得以获救。
第二次世界大战及大屠杀结束后,爱因斯坦得以直面这场浩劫的全部规模。他的回应是复杂的:他支持以色列国于1948年建立,同时持续忧虑以色列与阿拉伯邻国之间的关系,并倡导一种能保障两个民族权利的两族共治方案。1952年,以色列首任总统Chaim Weizmann辞世,爱因斯坦随即被请求接任总统职务。他婉言谢绝,并以一贯的自知之明表示,自己缺乏与人打交道、履行公职所需的天赋与经验。或许,他也缺少那种甘愿成为符号而非真实个体的意愿。
爱因斯坦访问美国及抵达普林斯顿
爱因斯坦在1933年最终离开欧洲之前,曾多次赴美进行较长时间的访问。这些访问不仅影响了他最终选择定居美国的决定,也使他对美国文化和学术环境有了一定了解,从而令他的过渡比其他情况下可能更为顺畅。
他的首次访美是在1921年,彼时他陪同Chaim Weizmann赴美,为耶路撒冷希伯来大学进行募款巡回活动。此次巡回作为公众活动堪称盛况空前。纽约及其他城市涌现出大批人群,争相一睹这位世界上最著名科学家的风采。爱因斯坦被热情款待,接受了不计其数的采访与拍照。他先后在普林斯顿大学、哥伦比亚大学和纽约市立学院发表演讲,并获得普林斯顿大学授予的荣誉学位。美国民众对他的盛名所表现出的热烈回应,令他既感到有趣,又不免有些应接不暇。
他分别于1930至1931年和1931至1932年两度返回,每次在帕萨迪纳的加州理工学院停留数月。在那里,他与一批正积极将广义相对论应用于宇宙大尺度结构研究的天文学家展开合作。彼时,Edwin Hubble等人正致力于确立宇宙膨胀的事实及其对宇宙学的深远影响,爱因斯坦与这些观测天文学家展开了富有成效的对话,他们的研究成果与他所建立的方程直接相关。此前,爱因斯坦曾在场方程中引入了一个项——宇宙学常数——以阻止方程预言宇宙处于膨胀或收缩状态,他出于审美上的考量,相信宇宙应当是静态的。当Hubble的观测结果表明宇宙确实在膨胀时,爱因斯坦将宇宙学常数称为自己一生中最大的错误。这一说法后来更添了几分讽刺意味——宇宙学家发现了一种暗能量存在的证据,而这种暗能量所扮演的角色与宇宙学常数颇为相似。
高等研究院于1930年建立,创建资金来自Louis Bamberger及其姐妹Caroline Bamberger Fuld的巨额捐赠,其创立初衷正是为纯粹的智识工作提供一处庇护所,使学者免于普通大学生活中教学与行政事务的重负。爱因斯坦是该研究院的第一位永久成员,于1933年加入。研究院为他提供了丰厚的薪酬、一栋住宅、一名助手,以及追求任何他所选择的研究方向的完全自由。研究院还吸引了其他流亡学者——数学家、历史学家、社会科学家——并跻身为世界上最负盛名的学术思想中心之一。
爱因斯坦与普林斯顿同事之间的关系融洽,但有时也不乏距离感。他在私下接触中平易近人、待人友善,却将大量时间用于在办公室或家中钻研统一场论,与物理学主流的联系日渐疏离。他会参加研究院的茶歇和偶尔举办的讲座,但在学术交流上有所取舍。研究院里年轻的数学家和物理学家对他怀有深深的敬仰,却也发现他的物理学研究方向与他们认为最具前途的领域日趋背离。
爱因斯坦与现代宇宙学的发展
爱因斯坦广义相对论与现代宇宙学兴起之间的关系,堪称科学史上物理理论超前于并预言其自身观测验证的最戏剧性范例之一。爱因斯坦于1915年发表了他的场方程,不出一年,Willem de Sitter、Karl Schwarzschild和Alexander Friedmann便分别求出了方程的精确解,描述了各自特定的物理情景。Schwarzschild在第一次世界大战俄国战线服役期间推导出了以他命名的解——他本人在这一年结束前便因病去世——该解精确描述了一个完全球形、无自转质量体外部的时空几何,其数学结构中已蕴含着对后来被称为黑洞的天体的预言。Friedmann于1922年得到的解描述了一个膨胀或收缩的宇宙——爱因斯坦起初将这些解斥为无关紧要的数学游戏,但它们最终被证明描述的正是物理现实。
比利时神父兼天文学家Georges Lemaitre于1927年发展了Friedmann的宇宙膨胀模型,并提出当前的膨胀意味着宇宙曾从过去某一极高密度的时刻开始——这一时刻后来被称为大爆炸。Einstein起初拒绝接受这一想法,据说他对Lemaitre说,你的数学是对的,但你的物理学糟透了。20世纪20年代末至30年代初,Hubble关于宇宙膨胀的观测证据愈发充分,Einstein接受了这一结论,并放弃了他为阻止此类预测而引入的宇宙学常数。
广义相对论对宇宙学的影响至今仍在不断深化。20世纪20年代末得到确证的宇宙膨胀,在1998年被发现正在加速——这一发现要求引入一个等效于Einstein宇宙学常数的项,如今被解释为真空能量密度,天体物理学家称之为暗能量。暗物质的存在、黑洞的性质、引力波的本质——所有这些都是直接涉及Einstein方程的活跃研究领域。
2015年,激光干涉引力波天文台探测到引力波,这或许是广义相对论提出后一个世纪以来最为壮观的直接证实。Einstein早在1916年、发表场方程后不久便预言了引力波的存在,但随后对其真实性产生了怀疑,甚至一度断定引力波不过是没有物理实体的数学产物。2015年的探测——探测到的引力波由十多亿光年之外两个黑洞并合所产生——不仅证实了引力波的存在,也证实了广义相对论长期预言的大质量黑洞的存在。Einstein这一在书桌前、无需实验室便发展出的理论,精确描述了一个世纪后才得以观测的现象。
Einstein论教育、创造力与科学思维的本质
Einstein曾大量撰文并发表演讲,探讨教育、创造力以及科学思维的本质,他在这些方面的思考广为流传,影响深远。这些思考折射出一个人的亲身经历——他认为传统教育对自己帮助甚微,并相信培养创造性科学思维所需要的,与大多数学校所提供的截然不同。
他的核心信念是:好奇心与想象力在科学中比专业知识更为重要,教育的目的应当是培育而非压制这些品质。他对德国传统教育中强调死记硬背、服从权威以及竞争性积累知识的做法持批评态度。文理中学那种以填鸭方式灌输知识、让学生在考试中照单复述的教学模式,在他看来与真正的智识发展背道而驰。他在阿劳州立学校度过的那一年——那所思想进步的学校鼓励形象思维与创造性探索——给他留下了深刻而持久的印象。
他相信,最深刻的科学发现并非来自系统性实验,也非来自对现有理论的循规蹈矩式应用,而是来自一种对问题结构的直觉性把握——一种透过表面的复杂性洞见深层简洁性的能力。他自己最重大的突破正是以这种方式实现的:不是通过梳理实验数据,而是追问什么样的原理最为简洁、最为优雅,足以解释所探讨的现象。思想实验——那种假想的情境,即Gedankenexperiment——是他探索发现的首要工具。
他也对科学创造力所需的社会条件有着清晰的表达。科学需要自由——探究的自由、免受政治或意识形态压力的自由、追随思想走向任何地方的自由。他坚决反对任何将科学置于政治监管之下、或要求科学家将其结论纳入预设意识形态框架的制度。他反对纳粹德国,既有个人层面的原因,也有原则层面的原因:纳粹试图驱逐犹太科学家、将相对论斥为"犹太物理学",这是对科学本身的攻击。
在科学与宗教的关系问题上,他始终措辞审慎、态度微妙。他不相信一位有位格的上帝,但他确实认为科学是由一种宗教情感所驱动的——一种面对宇宙的奥秘与秩序而生的敬畏之情,他认为这是科学动力最深层的源泉。他相信科学与真正的宗教情感是相容的,两者之间表面上的冲突,源于对上帝的原始观念,而更为成熟的神学早已将这些观念抛弃。
Einstein晚年与罗素—Einstein宣言
Einstein生命中的最后十年,健康每况愈下,他仍坚持统一场论的研究,同时在核武器与世界和平问题上的政治参与也日益深入。广岛和长崎遭受的原子弹轰炸,以及美国与苏联之间核军备竞赛的开始,令他深感震惊。随着冷战的加剧,他愈发坚定地相信:核武器对人类构成了生死存亡的威胁,唯有建立能够防止核战争的国际机构,方能化解这一危机。
他在这一时期的政治活动引起了联邦调查局的关注,该机构对他的监控至少可追溯至1940年代初。J. Edgar Hoover领导的联邦调查局建立了一份关于Einstein的档案,最终厚达逾千页,记录了他与自由派及左翼事业的交往、他在公民权利与核武器问题上的公开表态,以及他与该局认定为颠覆分子的人士之间的友谊。这种监视折射出麦卡锡时代的政治气候——在那个年代,任何主张与苏联和平共处或批评美国外交政策的著名知识分子,都可能遭到忠诚度的质疑。
Einstein以他一贯的直率态度回应了麦卡锡主义的阴霾。他公开支持遭到指控的学者,撰写信函为那些被强制传唤至国会听证会的人士辩护权利,并毫无歉意或保留地公开表明自己在公民自由与学术自由问题上的立场。他尤其强烈地支持遭受种族歧视的非裔美国人,将美国的种族主义与欧洲的反犹主义相提并论,呼吁废除种族隔离制度。
他与Bertrand Russell合作完成的《罗素—Einstein宣言》,是他政治参与的集中体现。Russell是英国杰出的哲学家与数学家,与Einstein一样对核武器深感忧虑,同样认为这一威胁要求人类从根本上重新审视国家间的相互关系。两人商定联合发表一份声明,邀请多国知名科学家共同署名,呼吁各国政府认识到核武器对全人类构成的威胁,并以和平方式解决国际争端。
Einstein在去世前几天签署了这份宣言。该文件于1955年7月发表,距他逝世已过去两个月,并成为帕格沃什科学和世界事务会议的创始文件。该会议将来自冷战双方的科学家汇聚一堂,共同讨论大规模杀伤性武器的危险。帕格沃什运动于1995年荣获诺贝尔和平奖,或许是Einstein最后一次政治参与所留下的最直接的制度性遗产。
在欧洲的学术生涯
早在1919年日食得到证实之前,Einstein在物理学界的声誉便已大幅提升。他在"奇迹年"发表的论文吸引了众多重量级人物的关注,到1908年,他在伯尔尼大学获得了第一个学术职位——编外讲师,这一职位没有固定薪酬,仅依靠学生缴纳的费用维持生计。1909年,他被任命为苏黎世大学理论物理学副教授,结束了在专利局长达七年的工作生涯。那年他三十岁。
此后,他的学术生涯发展迅速。1910年,他接受了布拉格德意志大学的正教授职位,1912年又以正教授身份重返苏黎世,执教于他当年求学的苏黎世联邦理工学院。这些职务的变动,既体现了他与日俱增的声望,也折射出德语学术科学界对理论人才的激烈争夺。在每一个任职岗位上,他都为学生授课、主持研讨班,并持续推进理论研究,同时还举办公开讲座,开始引发学术圈以外的广泛关注。
1913年,他收到了当时德国科学界最负盛名的学术邀约:同时出任普鲁士科学院院士,以及柏林新设的威廉皇帝物理研究所所长。这两个职位均由普鲁士邦政府提供资助,且无需承担任何教学义务。此番邀约由Max Planck与物理化学家Walther Nernst共同促成,两人专程联袂赶赴苏黎世,力劝Einstein接受任命。Einstein由此重返德国——他出生的故土。少年时代,他曾主动放弃这个国家的国籍,而此刻,他再度恢复了德国籍。
1914年的柏林是欧洲科学的中心,Einstein全身心投入其浓厚的学术氛围之中。他在科学院发表讲演,与那个时代最杰出的物理学家书信往来,并持续推进广义相对论的研究工作。然而,他的个人生活却每况愈下。他与Mileva的婚姻已陷入深重的不幸。她在柏林倍感孤立,对德国生活郁郁寡欢,对自己未竟的人生抱负也日益充满怨愤。1914年8月战争爆发,Mileva携子女返回苏黎世,两人自此分居,并最终走向永久分离。经过多年痛苦的协商拉锯,他们于1919年正式离婚。
他的表姐Elsa Lowenthal定居柏林,曾在他患病期间悉心照料——他当时饱受胃病折磨,卧床不起长达数月——后来成为他的伴侣,并最终成为他的第二任妻子。两人于1919年6月成婚,同年他与Mileva办理了离婚手续。Elsa性情温暖,处事务实,一心关怀着Einstein的日常起居。她打理家务,安排他的社交生活,为他抵挡各种占用时间的外界需求。她并非科学家,却深知他对独处与宁静的渴望。他们的婚姻平稳踏实,虽无激情,却是一段建立在相互体谅与真挚情感之上的伴侣关系。
诺贝尔奖
1919年日食观测结果的公布,使Einstein从一位受人尊敬的物理学家一跃成为国际名人。世界各地的报纸头条竞相宣告:牛顿的理论已被推翻,一位身处柏林的犹太物理学家重写了宇宙的法则。这一消息发布的时机恰在第一次世界大战结束后不到一年,使其更具震撼人心的力量。就在各国边界刚刚以鲜血重新划定之际,一位德国物理学家借助英国科学家的观测数据,取得了一项看似超越国界的伟大成就。
Einstein收到了来自世界各地的信件和电报,各处纷纷向他发出演讲邀请。他成了报纸专题报道和杂志故事的主角,引发了公众的广泛热情。他对名气感到不自在——无休止的应酬、侵扰性的打扰,以及大众心目中神秘天才的形象与他自认为只是一个普通人、埋头钻研难题的自我认知之间的巨大落差。但他也意识到,声望赋予了他一个平台,可以为他所关心的事业发声,尤其是战后的国际和解与和平主义运动。
1921年11月,Einstein被授予诺贝尔物理学奖——奖项年份为1921年,但正式公告与颁奖典礼均推迟至翌年举行。此次获奖的具体理由是发现了光电效应定律,以及由此为理论物理学所作出的贡献。这一措辞反映了诺贝尔委员会对相对论的审慎态度——尽管日食观测结果已经问世,委员会中仍有部分成员将其视为尚未得到证实的推测。Einstein本人对这番措辞颇感玩味,他清楚地意识到,委员会是在以他早期的量子研究为由授予他这一奖项,而非表彰那些使他名扬天下的相对论。
他按照离婚协议中的承诺,将奖金用于资助Mileva和两个儿子的生活。长子Hans Albert后来成为加州大学伯克利分校的水利工程学教授。次子Eduard幼年时展现出卓越的音乐天赋与非凡的才智,但在二十出头时被确诊为精神分裂症,此后大半生都在瑞士的一家精神病院中度过。Einstein与Eduard之间的关系,是他一生中最深重的痛苦之一。在流亡之前的岁月里,他尽可能地前往探视;然而1933年离开德国之后,他再也没有见过Eduard。
量子力学论战
Einstein 1905年关于光电效应的论文,使他成为量子理论的奠基人之一。他后来在比热以及辐射的自发发射与受激发射方面所做的研究——后者最终推动了激光的发明——进一步深化了他对这一领域的贡献。20世纪20年代中期,当Werner Heisenberg、Niels Bohr、Max Born、Erwin Schrodinger等人将量子力学发展为成熟体系时,他们在许多方面都是在Einstein参与奠定的基础之上继续构建。
然而,Einstein始终无法接受这一理论作为对物理实在的终极描述。他的异议并不针对量子力学的数学形式体系,也不针对其预测上的成功——量子力学的预测精度之高令人叹为观止——而是针对其诠释方式。量子力学的标准哥本哈根诠释主要与Niels Bohr相关联,该诠释认为:量子系统在被测量之前并不具有确定的性质。波函数描述了不同测量结果出现的概率,它并不反映系统在两次测量之间的实际状态,而只告诉我们在观测时将会发现什么。这一诠释意味着自然界的核心存在着不可消除的随机性——用Einstein那句脍炙人口的话来说,上帝在掷骰子。
Einstein拒绝接受这一观点。他坚信量子力学是不完整的——在其背后存在一个更深层的决定论理论,其中表面上的随机性可以用我们尚不知道如何获取的隐变量来解释。他与Bohr之间的分歧成为科学史上最著名的争论之一,部分交锋发生在1927年和1930年的索尔维会议上,部分则通过发表论文的方式进行。
Einstein是一位才华横溢、思维敏锐的批评者。他设计了一系列思想实验,意图揭示量子力学中的矛盾或不完整之处。在1927年的索尔维会议上,他提出了一系列思想实验,认为这些实验表明不确定性原理是可以被规避的。每当Einstein提出一个论点后,Bohr都会彻夜钻研,第二天清晨带着反驳意见归来。在这些交锋中,Einstein每次都落于下风——他的思想实验无一例外地包含某个细微错误,往往涉及对广义相对论效应的忽视。对于每次反驳,他都坦然承认。
Einstein异议最深刻、影响最深远的表达出现在1935年。那一年,他与Boris Podolsky和Nathan Rosen联合发表了一篇论文,该论文以三位作者姓氏首字母命名,即EPR论文。EPR论文描述了一个思想实验:两个粒子相互作用后分离至很远的距离。量子力学预言,对其中一个粒子某一属性的测量,会瞬间影响另一个粒子的量子态,无论两者相距多远。Einstein将此称为"鬼魅般的超距作用",并据此论证量子力学必然是不完整的。粒子必定存在隐变量——即预先决定其测量结果的局域性质——而量子力学未能对此加以描述。
这场争论在Einstein有生之年未能得到解决。直到20世纪60年代John Bell的工作,以及70年代及其后陆续进行的实验验证,才最终表明Einstein所设想的那类隐变量理论与量子力学的预言不相容。实验结果始终支持量子力学,排除了局域隐变量的存在。事实证明,Einstein关于该理论不完整性的直觉是错误的——或者至少,宇宙确实呈现出那种令他深感不安的非局域关联。
政治观点与和平主义
Einstein的政治参与贯穿其一生,立场始终如一,且在职业和个人层面都付出了代价,展现出难得的勇气。他的核心信念——和平主义、国际主义、公民自由,以及对犹太身份的认同——从青年时代一直延续至生命终点,即便世界在他身边发生了翻天覆地的变化,即便某些具体立场需要因新形势而有所调整。
他自青少年时期便对德国民族主义深感厌恶,少年时代即已放弃德国国籍。德国知识分子对第一次世界大战表现出的狂热支持令他深感震惊。1914年10月,一份由九十三位德国顶尖学者联署的宣言,公开支持德国的战争目标,并为德国军国主义辩护,声称其与德国文化相容。刚刚抵达柏林不久的Einstein,是极少数拒绝在宣言上签名的德国科学家之一。他转而签署了一份反向宣言,呼吁建立统一的欧洲,终结战争。
整个1920年代,他利用自己的声望倡导国际和解、裁军以及国际联盟。他就政治议题发表演讲、接受采访,与和平主义组织保持通信往来,并公开反对德国日益高涨的民族主义与军国主义浪潮。在犹太复国主义兴起的早期数十年间,他对其持怀疑态度——他对任何形式的政治民族主义都抱有疑虑——但他深切关怀犹太民族的福祉,以及耶路撒冷的希伯来大学,并成为该校的董事会成员。
纳粹主义的崛起对他的和平主义信念构成了挑战。第一次世界大战期间及战后,他的和平主义立场坚定不移,但纳粹威胁的性质截然不同。1930年代初,他开始调整自己的立场,认为在某些情况下,以武力抵抗暴政或许是正当的。第二次世界大战爆发之际,他已转而支持盟国的事业,同时仍然希望战争能够尽快结束,和平能够尽早到来。
出走纳粹德国
1933年1月,Adolf Hitler出任德国总理时,Einstein正在美国,前往帕萨迪纳的加利福尼亚理工学院进行一系列提前数月便已安排好的讲座。他住在帕萨迪纳一栋租来的房子里,享受着加利福尼亚的阳光,与加州理工学院天文学家们的交流,以及暂时远离柏林那令人窒息的政治阴霾的相对自由。来自德国的消息很快传到他耳中,他立即且透彻地理解了其中的含义。此前他曾多次访问美国,每次都返回柏林,但这一次,他立刻意识到自己无法再回去了。离开美国之前,他公开宣布,只要纳粹仍在执政,他就不会返回德国。这一声明与其说令人惊讶,不如说是一种公开的抗争——Einstein的名字已出现在纳粹列出的可没收财产的知名犹太人名单上,纳粹意识形态人士也已公开谴责所谓"犹太物理学"。
他在比利时与友人同住了数月,随后接受了新泽西州普林斯顿市新成立的高等研究院的邀约。该研究院由一笔大额私人捐款资助建立,其宗旨是专门吸引顶尖学者,尤其是逃离法西斯主义的欧洲知识分子。这里没有学生,没有教学任务,研究资源却十分充裕。Einstein接受了教授职位的任命——这是该研究院的第一个任命——并于1933年10月最后一次离开欧洲。
他身后的德国已沦为一场噩梦。犹太裔学者正遭到大学的清洗驱逐。犹太人的商店遭到抵制。那些无法或不愿离开的朋友与同事正在遭受凌辱、被解除职务,最终惨遭杀害。Einstein在柏林的公寓和他的乡间别墅被没收。他在德国的资产遭到充公。他被剥夺了德国国籍,也被取消了普鲁士科学院的院士资格。该科学院发表声明,为驱逐犹太院士一事进行辩护,称此举符合国家法律,Einstein随即发表公开信,对科学院的妥协与屈从表达了强烈蔑视。
融入美国生活的过程,在许多方面比他预想的要顺利。他在普林斯顿默瑟街上一栋朴素的房子里安顿下来,那里成了他此后余生的家。他聘请了一位秘书Helen Dukas,她成为他忠实的助手与伴侣。他的第二任妻子Elsa随他来到美国,却于1936年在长期病痛中辞世。Einstein为此深感悲痛,但仍以一贯坚忍平静的姿态继续着日常的生活与工作。
普林斯顿的生活
20世纪30年代末至40年代的普林斯顿是一座小小的大学城,风景宜人,略带地方色彩,与Einstein所熟悉的欧洲知识重镇相去甚远。他发现美国的学术氛围比等级森严的德国大学世界更为轻松、更具民主气息,也欣赏美国社会的开放性。1940年10月,他与继女Margot及秘书Helen Dukas一同在新泽西州特伦顿参加入籍仪式,正式成为美国公民。
他在普林斯顿的日常生活逐渐成为一段传奇。他每天从默瑟街的住所步行前往研究所——那是一幢他租住多年的朴素白色木板房,如今已成为一处文学地标——通常由助手或前来探讨物理问题的研究生相伴同行。这段每日例行的散步早已成为普林斯顿居民习以为常的风景,这位白发苍苍的物理学家漫步于林荫街道的身影,也成了这座小城最具代表性的画面之一。他乐于驻足与孩子攀谈,与路人随意交流,帮助邻居解决小问题,丝毫没有觉得自己的时间比别人的更为珍贵。他在普林斯顿日常行为中流露出的随和与平易近人,与他曾身处其中的欧洲学术文化的等级森严形成了鲜明对比。他穿着简朴——众所周知,他几乎从不穿袜子,认为既无必要又令人烦恼——并保持着固定的生活节奏:上午工作,下午长时间散步,傍晚拉小提琴。他的访客络绎不绝——科学同仁、政界人士、记者、艺术家——往来信件也数量庞大。凡是他所信仰的事业,他都慷慨付出时间,尤其是涉及公民权利、学术自由以及难民福祉的议题。
他热爱孩子,对那些写信向他提问或求助的普通人也真诚地敞开心扉。普林斯顿的邻居们都知道他是一个友善、不摆架子的人,散步途中随时愿意停下来聊几句。有一个广为流传的故事——真实性或许有待考证——说的是附近一个小女孩来找他帮忙做数学作业。他把她请进屋,两人就着牛奶和饼干一道把题目做了一遍。
尽管在美国受到热情接待,Einstein在许多重要方面仍是一个局外人。他的德国口音、他的欧洲习惯、他独特的外貌以及他的盛名,都使他显得与众不同。他深切认同美国的民主价值观,坚决反对任何形式的种族主义或歧视。他与非裔美国歌手、民权活动家Paul Robeson之间的友谊真挚而持久。他公开撰文发声,支持种族平等,对美国的种族隔离制度深感震惊,并将其与他在欧洲时被迫逃离的反犹主义相提并论。
原子弹与道德审判
1939年夏,两位匈牙利裔美国物理学家Leo Szilard和Eugene Wigner驱车前往Einstein在长岛的避暑小屋,向他通报了一项严峻的进展。德国科学家近期已实现核裂变——即铀原子的分裂——理论上似乎可以引发一场释放巨大能量的爆炸性链式反应。德国或许已有能力制造这样一枚炸弹。Szilard起草了一封致总统Franklin Roosevelt的信,警告其中的危险,并希望Einstein在上面签名。Einstein的签名将赋予这封信足够的分量。他们说服了Einstein——Einstein坦承,他此前从未想到自己那个方程式会有军事方面的含义。
这封由Einstein于1939年8月签署、致罗斯福总统的信,促成了后来被称为曼哈顿计划的启动——这是美国抢在德国之前研制原子弹的计划。Einstein本人并未参与曼哈顿计划。军事当局以其从事和平主义活动及与激进团体有所往来为由,认定他存在安全隐患,拒绝向他授予安全许可。这其中的讽刺意味深刻至极:正是这位以方程式从理论上奠定了原子弹可行性基础的人,却被排斥在亲手造出它的计划之外。
1945年8月6日和8月9日,原子弹分别投下于广岛和长崎,造成约十三万至二十二万六千人罹难,Einstein深受震撼。他从未主张使用原子弹,他的初衷仅仅是将其作为对抗德国可能研制原子弹的威慑手段加以开发。战后披露的事实表明,德国的核武器计划实际上从未取得多大进展。而原子弹最终却被用于对付日本——一个根本没有核武器计划的国家。Einstein公开表达了他内心的痛苦。他成为核军备控制、原子能国际监管以及废除战争的重要倡导者。他撰写文章、接受采访、签署宣言,呼吁建立一个能够防止核战争的世界政府。
在生命的最后几年,他加入了原子科学家紧急委员会,这是一个致力于向公众普及核武器危害的物理学家团体。他与Bertrand Russell合作起草了《罗素—爱因斯坦宣言》,另有九位著名科学家联署,呼吁各国放弃核武器。该宣言于1955年夏天完成并发表,此时距Einstein辞世仅有数日。
他对原子弹的道德反思是真诚而持续的。他承认自己是导致原子弹研发这一因果链条中的一环,但并未对自己早先的行为作出全面否定,因为他深知纳粹德国研制原子弹的威胁当时确实存在。然而,他明确表示,对平民使用核武器是一场道德灾难,并在生命的最后十年里,始终致力于推动人类找到一条远离核深渊的出路。
Einstein与艺术:音乐、文学与审美情趣
Einstein对音乐的热爱,并非其性格中可有可无的点缀,而近乎一种内在的精神需求。他终其成年岁月都以严肃业余演奏者的投入与技艺坚持拉小提琴,音乐对他而言既是放松身心的方式,也是一种思维模式。他曾说,若非成为物理学家,他便会成为一名音乐家,这番比较绝非修辞上的夸张。
他的音乐品味主要由Mozart、Bach以及维也纳古典传统的诸多作品所塑造。他对古典作曲那种清晰、秩序与数学之美有着强烈的共鸣,从中找到了与他在物理理论中所追求的那种美相互映照的东西。他对浪漫主义曲目的兴趣相对淡薄——Brahms或Wagner等作曲家那种情感的炽烈与主观性的强调,在他看来不如Mozart钢琴协奏曲或Bach组曲那般纯粹、严谨。他并非对音乐中的情感无动于衷——他同样会被打动——但他更钟情于以形式驾驭情感,而非让形式淹没于情感之中。
他终其一生都在参与室内乐团的演奏,对室内乐那种协作共鸣的特质尤为珍视。在普林斯顿,他定期参加与其他音乐爱好者举办的非正式音乐之夜,演奏奏鸣曲和室内乐作品,纯粹为参与者的愉悦而奏,并不面向任何听众。他在圈中的名声是:琴技虽不算出类拔萃,却也流畅自如,演奏水准可圈可点,只是节奏感偶有失准,有时令那些节拍更为精确的搭档感到些许沮丧。
Einstein科学创造力与音乐体验之间的关系,并非偶然的巧合,也非单纯的比喻。他本人曾明确将二者相互关联,认为音乐与物理学都是同一种根本驱动力的表达——那便是在宇宙中寻求秩序与美的渴望。每当他在某个问题上陷入僵局,往往会拿起小提琴拉上一两个小时,他发现演奏能令思绪澄澈,有时还能让那些因过度专注而久久无法浮现的解答自然涌现。这种横向思维的体验——让潜意识在意识专注于其他事物时悄然处理问题——正是他创造性思维过程的典型特征。
他还拥有广泛的文学兴趣,德语和英语的著作均有涉猎。他尤为倾心于哲学——叔本华、斯宾诺莎、休谟、康德——并终身保持着对物理学哲学基础的深切关注,这在从事一线研究的科学家中实属罕见。他怀着钦佩之情阅读陀思妥耶夫斯基,欣赏这位俄国小说家在心理与道德洞察上的深度。他也喜爱Arthur Conan Doyle的侦探小说,在Sherlock Holmes的逻辑推演方法中,他看到了一种与科学推理相映成趣的有趣类比。
他的审美感知同样延伸至其科学工作之中。他屡屡谈及物理理论之美可作为判断其真理性的标准——并非充分标准,但却是必要标准。一个丑陋的理论,一个需要过多任意假设、或依靠繁琐拼凑而非优雅简洁来得出结论的理论,在他看来几乎必然是错误的,至少是不完整的。这一审美标准有时遭到更注重实证的同僚批评,认为不过是一厢情愿的主观偏好。Einstein承认这种批评,但仍坚持己见:他相信,自然界的深层规律是美的,而能够准确揭示这些规律的理论,也必将映照出那份美。
Einstein对技术与日常生活的影响
Einstein理论研究所衍生的实用技术应用,在现代生活中已无处不在,以至于大多数人在使用它们时浑然不知其源头所在。Einstein理论工作留下的技术遗产如此深远广泛,以至于若要想象一个没有它的现代文明,实在令人难以置信。GPS导航或许是其方程式在现实中应用最广为人知的例子。全球定位系统依赖于搭载原子钟的卫星,这些原子钟与地面时钟保持同步。卫星相对于地面观测者高速运动,这导致其时钟走速略慢于地面时钟,正如狭义相对论所预言的那样。与此同时,卫星所处的引力场比地面更弱,这又使其时钟走速略快,正如广义相对论所预言的那样。两种效应相互部分抵消,但并不完全:若不根据狭义相对论和广义相对论进行双重修正,GPS定位计算每天将累积约十公里的误差,使该系统对绝大多数应用场景而言毫无用处。这些修正正是利用Einstein的方程式计算得出的。
核电站的运行基于质量与能量可以相互转化这一原理,即E等于mc²。当铀或钚的原子核发生裂变时,产物的总质量略小于原子核的原始质量。这一微小的质量差,乘以光速的平方,便产生了反应所释放的巨大能量。若没有爱因斯坦的方程,核能将无从理解,更无从控制。
医学影像技术在很大程度上得益于爱因斯坦在量子力学领域的研究成果。PET扫描——正电子发射断层成像——使用能够释放正电子的放射性示踪剂,而正电子是电子的反物质对应体。当正电子与患者体内的电子相遇时,两者相互湮灭,产生两个沿相反方向传播的光子——即伽马射线。围绕患者分布的探测器记录这些伽马射线,并利用它们重建示踪剂在体内分布的三维图像。正电子的存在是由相对论性量子力学所预言的,而爱因斯坦的工作正是这一理论得以建立的重要基础。
激光——受激辐射光放大——依赖于爱因斯坦于1917年发现并分析的受激辐射现象。他指出,处于激发态的原子可以在入射光子的激励下,发射出一个与之能量、相位和方向完全相同的第二个光子。这种相干辐射是激光工作原理的核心。激光广泛应用于外科手术、电信、制造业、科学研究,以及条形码扫描仪和光盘播放器等日常消费品中。全球互联网本身也依赖激光——激光将数据以光脉冲的形式通过光纤传输。这一切若无爱因斯坦1917年的论文,皆无从实现。
太阳能电池将阳光直接转化为电能,其工作原理基于光电效应——正是凭借对这一现象的解释,爱因斯坦荣获了诺贝尔奖。当阳光中的光子照射到太阳能电池的半导体材料上时,会激发出电子,从而产生电流。这一过程的量子力学原理直接源于爱因斯坦1905年的分析。随着太阳能在全球能源体系中的地位日益重要,爱因斯坦早期量子研究与当代可再生能源技术之间的这一关联,也随着时间的推移愈发具有现实意义。
爱因斯坦与同时代人:科学合作与竞争
尽管在大众印象中,爱因斯坦是一位孤独的天才,但他的科学生涯并非在孤立中度过。他拥有重要的合作伙伴,经历过激烈的竞争,并与广泛的同行网络保持着联系,这些同行的研究以各种富有成效的方式与他的工作相互交织。
他与Max Planck的关系是早期最重要的学术关系之一。Planck比爱因斯坦年长17岁,在爱因斯坦提交1905年系列论文时,他担任《物理学年刊》的主编,也是最早认识到这些论文重要性的著名物理学家之一。Planck成为爱因斯坦的支持者,并最终促成爱因斯坦于1914年移居柏林。两人在科学气质上有所不同——Planck更为保守、审慎,更不愿轻易放弃既有框架——但他们都对探寻物理学基本原理怀有深厚的执着,并对彼此的工作抱有深切的敬意。
与Niels Bohr之间的关系,是二十世纪物理学史上最著名的智识对决。Bohr是丹麦物理学家,他建立了原子的量子模型,也是哥本哈根量子力学诠释的主要奠基者,在物理思维上,他在许多方面堪称Einstein的对手。两人围绕量子力学是否完备这一问题展开了长达数十年的论争,其中最具代表性的交锋发生在索尔维会议上,这是科学史上最伟大的智识碰撞之一。尽管两人在物理观念上存在根本分歧,却始终保持着深厚的私人友谊。Bohr在Einstein去世后所写的悼文,是科学文献中最动人的篇章之一。
Marcel Grossmann在广义相对论发展过程中所扮演的角色此前已有提及,但这一贡献值得进一步强调。Einstein与Grossmann自在联邦理工学院求学时便是挚友。当Einstein意识到自己需要借助黎曼几何的数学工具来发展引力理论时,正是Grossmann为他系统引介了这一理论框架,并与他共同完成了早期的数学论文。Einstein终其一生都承认对Grossmann的这份亏欠。若非Grossmann精通相关数学,并愿意倾囊相授,广义相对论的诞生或许会推迟相当长的时间。
德国伟大的数学家David Hilbert,在广义相对论发展的最后阶段,既是Einstein的合作者,也是他的竞争对手。Hilbert一直密切关注Einstein的研究工作,并自行发展出一套运用变分法推导场方程的路径。关于谁最先得出正确方程形式这一问题,科学史家已进行了详尽的考证,结论基本上倾向于Einstein,但Hilbert的工作具有足够的独立性与同步性,因而他对广义相对论数学表述所作的贡献是确实存在的——尽管物理诠释完全归功于Einstein。
Einstein与Erwin Schrodinger的关系温和而持久。Schrodinger的波动方程成为量子力学的核心工具,而他与Einstein一样,对哥本哈根诠释深感不满,同样认为量子力学是不完备的。两人就这些问题进行了大量书信往来。Schrodinger那个关于"盒中猫"的著名思想实验——根据量子力学,在观测之前,那只猫的状态既非生也非死——在一定程度上正是源于他与Einstein的讨论。
Einstein在1930年代难民危机中的作用
1933年1月,希特勒在德国上台执政,彼时Einstein正在美国。他很快意识到,自己作为全球最知名科学家的地位,使他拥有一种非同寻常的影响力,可以借此帮助其他遭受迫害的学者在德国以外寻得职位与庇护。在此后数年间,他积极而有条不紊地运用这种影响力,撰写推荐信,亲自向大学校长和政府官员陈情,并协助创立和支持专门致力于安置流亡学者的相关机构。
纳粹德国引发的学术人才出走规模之大,令人震惊。1933年纳粹种族法律颁布后,数百名大学教授遭到解职。其中有数学家、物理学家、化学家、生物学家、历史学家、哲学家、法学家和经济学家,许多人都是各自领域中最杰出的学者。他们的离去使德国学术文化元气大伤,而接纳他们的英国、美国、土耳其及其他国家的学术机构,则因此大为受益。
爱因斯坦尤其努力地帮助物理学家和数学家。他致信洛克菲勒基金会——该基金会已设立了一项资助难民学者的项目。他向普林斯顿大学、新社会研究学院以及其他正积极招募流亡者的机构发出呼吁。他亲笔致函世界各地的同事,请他们帮助为特定人士寻找职位。他慷慨地贡献自己的时间与资源,因他的斡旋而得以保全性命、并由此开创后续学术生涯的人数不胜数。
这场难民潮以难以估量的方式改变了美国科学的面貌。那些逃离纳粹统治下的欧洲、并在美国谋得职位的物理学家——不仅有爱因斯坦,还有Leo Szilard、Eugene Wigner、John von Neumann、Enrico Fermi、Hans Bethe以及许多其他人——在二十世纪中叶美国科学实力的崛起中发挥了核心作用。其中许多人参与了曼哈顿计划。他们的学术文化、严谨进取的治学标准以及各自的学术人脉网络,深深植根于美国的研究型大学与国家实验室之中。战后时期的美国科学,在很大程度上正是这场非凡移民潮的产物。
统一场论的追求
在生命最后三十年里,大约从1920年代中期直至辞世,爱因斯坦将大部分科学精力都投注于一个单一的宏大目标:构建一套统一场论,将电磁力与引力纳入同一个数学框架之中。他希望这样一套理论同时能够解决他在量子力学中所发现的问题,提供一个决定论性的基础,以阐释量子现象表面上呈现出的随机性。
对统一场论的追求占据了爱因斯坦职业生涯最后三十年的心血,但最终以失败告终。他尝试了许多途径——对广义相对论度规张量的修正、涉及高维时空的理论、场方程的非对称推广——但无一奏效。直至生命的最后几天,他仍在继续发表论文、钻研这一问题,然而他所憧憬的统一场论始终未能实现。
回顾来看,大多数物理学家都认为爱因斯坦所走的是一条死路,或者至少是在缺乏必要工具的情况下独自摸索。力的统一确实是物理学的根本问题——当代物理学家正通过弦理论、圈量子引力及其他途径对此展开探索——但爱因斯坦所走的那条特定道路并未通向答案。他对纯粹几何化、决定论性理论的坚持,以及他拒绝接受量子力学作为对现实的基本描述,使他背离了后来被证明最富成效的方向。
爱因斯坦生命最后几十年的工作,既令人肃然起敬,又令人深感惋惜。他是举世闻名的科学家,却在孤独中钻研着一个同行们早已基本放弃的问题,遵循着物理学界已然背离的审美与哲学原则。年轻的物理学家们纷纷来到普林斯顿与他相会,却鲜有人理解或认同他的路径。他清醒地意识到自己的孤立处境,并以他一贯的淡然从容加以接受。
爱因斯坦与Bohr的论战及物理实在的本质
爱因斯坦与Niels Bohr之间关于量子力学诠释问题的哲学争论,是二十世纪最重要的思想交锋之一,而这场争论绝非仅仅是一场关于数学形式主义含义的技术性分歧。它触及了若干根本性问题的核心:物理实在的本质是什么,观察者在物理理论中扮演何种角色,以及科学认知的边界究竟在哪里。这些问题至今仍悬而未决,爱因斯坦与Bohr的论战在量子力学基础问题的讨论中至今仍被频繁援引。
Bohr的哥本哈根诠释认为,量子力学提供了对物理实在的完备描述,但这一描述在本质上是概率性的,无法化约为确定性。量子系统并不同时具有其所有属性的确定值;它们处于各种状态的叠加之中,而测量会使这种叠加坍缩,产生一个确定的结果,其概率由波函数给出。测量行为本身具有根本性的意义——并非粒子在被测量之前就已有确定的位置,只是我们在测量时对其造成了扰动。问题在于,根本就不存在一个可供扰动的确定位置。在哥本哈根诠释看来,实在由可被观测和测量的事物所界定。
爱因斯坦对这一诠释深感不满,其原因兼具物理与哲学两个层面。他坚信他所称的实在论——即认为存在一个独立于观察者及其测量活动的真实物理世界。他同样坚信他所称的定域性——即认为物理影响不能在空间中瞬间传播。在他看来,哥本哈根诠释同时违背了这两条原则:它意味着量子系统并不具有独立于观测的确定状态(违背实在论),而EPR论证则表明量子力学要求在任意距离上存在瞬时关联(违背定域性)。
1935年,爱因斯坦与Boris Podolsky和Nathan Rosen合著的EPR论文,至今仍是物理学史上被讨论最多的论文之一。该论文描述了一个思想实验:两个粒子短暂相互作用后分离至很远的距离,同时在量子力学意义上保持纠缠——即处于这样一种状态,对两个粒子相应属性的测量结果之间存在关联。如果你精确测量其中一个粒子的位置,量子力学便能告知你另一个粒子的位置,而这是瞬时的,与两者之间的距离无关。反之,如果你测量其中一个粒子的动量,你便立刻知道了另一个粒子的动量。
爱因斯坦、Podolsky和Rosen认为,这意味着必然存在以下两种情况之一:要么对一个粒子的测量瞬间影响了另一个粒子,违背了定域性;要么这两个粒子自始至终就具有确定的位置和动量,量子力学只是未能描述这些预先存在的值,因而是不完备的。他们倾向于第二种选择,并由此得出结论:量子力学是不完备的——存在某些隐变量,有待一个更完备的理论加以描述。
Bohr对此作出了回应,这一回应令许多人信服,却也让另一些人觉得晦涩难懂,近乎不知所云。他坚持认为,EPR论证建立在一个错误的假设之上,即认为量子系统可以独立于测量情境而具有某种属性。在量子力学中,关于粒子位置的问题与关于其动量的问题并非相互独立;测量其中一个量所需的实验装置,与测量另一个量所需的装置相互排斥。在测量之前,同时谈论两种属性均已存在,在任何有意义的层面上都是不成立的。
这场争论在两人有生之年都未能得到解决。解答的到来,部分归功于爱尔兰物理学家John Bell的工作——他于1964年证明,Einstein所设想的任何定域隐变量理论都会预测纠缠粒子测量之间满足特定不等式的统计关联,即贝尔不等式。量子力学则预测这些不等式会被违反。从20世纪70年代开始、并经由此后数十年不断完善的实验,持续显示出对贝尔不等式的违反,从而排除了定域隐变量理论。Einstein所设想的那种特定形式——即量子力学之下存在决定论理论的构想——已被实验所推翻。
然而,关于现实本质与观察者角色的更深层问题,至今仍真正悬而未决。量子力学的诠释在物理学家和哲学家之间依然争论不休,哥本哈根诠释、多世界诠释、玻姆力学等多种诠释各执一词,声称以不同方式回应了Einstein的关切。Einstein与Bohr在20世纪20年代开启的对话延续至今,何时终结乃至能否终结,尚无定论。
Einstein的科学论文与出版著作
Einstein的科学著述数量丰厚,且在其整个学术生涯中保持着卓越如一的质量——从1901年发表第一批论文,到去世前数月仍在从事统一场论的研究,活跃的发表生涯跨越了半个多世纪。他共发表了约三百篇科学论文和一百余篇非科学性著述,涵盖政治、哲学与社会问题等方面的随笔、演讲和书信。他的文集由普林斯顿大学出版社与耶路撒冷希伯来大学合作出版,目前已逾二十卷,以最为全面的方式呈现了他在各个层面的思想面貌。
他在1902至1904年间发表的早期论文——彼时"奇迹年"尚未到来——已展现出典型的Einstein风格:清晰、直接,关注基本原理而非技术细节,并敢于质疑其他物理学家视为理所当然的假设。他当时研究的是热力学的统计基础,探讨热力学第二定律在何种条件下可以从原子行为中推导出来,并发展出了最终使布朗运动论文得以成形的数学工具。
1905年的四篇论文,是他早期学术生涯无可争议的巅峰之作。它们被重印、翻译和分析的次数,超过了物理学史上任何其他论文。光电效应论文相对简短直接;布朗运动论文在数学上更为精密繁复;狭义相对论论文以理论物理学的标准而言可读性极强,开篇即清晰阐明两条基本假设,继而逐步推导出各项结论;而质能等价论文则仅有区区三页,犹如一则数学后记,将历史上最著名的方程式添入了前一篇长文所建立的理论框架之中。
他此后发展广义相对论的系列论文,从1907年延续至1915年,以透明清晰的方式呈现了从等效原理到场方程这十年探索历程,使这一理论的历史格外易于追溯。许多科学理论的发展历程,往往只能从书信往来和实验室笔记中加以重建,广义相对论则不然——人们得以通过其创立者本人发表的著述,以罕见的清晰度追寻其演进脉络。走过的弯路、取得的局部成功,以及最终的胜利,皆一一记录于科学文献之中。
个人生活与人际关系
Einstein的私人关系错综复杂,有时令他备感痛苦。他能够给予他人真诚的温暖与深厚的情感,但他对科学研究的全身心投入,往往使他在伴侣、父亲和朋友的角色上力不从心。他有时过于沉浸于自我,缺乏体贴,且容易在不合时宜的时刻退入自己的内心世界。
他与第一任妻子Mileva的婚姻以怨恨与相互指责而告终。离婚诉讼拖延多年,因财产纠纷及两个儿子的困难处境而愈发复杂。Einstein与长子Hans Albert的关系起初因离婚而关系紧张,但最终得以修复;Hans Albert曾赴普林斯顿探望父亲,父子关系虽始终未能完全轻松自在,却始终保有真挚的情感。他与小儿子Eduard的关系则始终更为痛苦。Eduard在二十岁出头时精神疾病骤然发作,这成为Einstein心中难以言说的隐痛——他鲜少公开提及,却因此深受折磨。他终其一生为Eduard的治疗提供经济支持,却在离开欧洲之后再也无法鼓起勇气前往探视。
他与秘书Helen Dukas的关系,是他晚年最为持久、也最为重要的情谊之一。她打理他的家务,处理他的往来信件,为他抵挡不必要的打扰,近三十年如一日地将自己全部身心奉献于他的生活与事业。Einstein去世后,她成为其文献资料与历史遗产的主要守护者之一,与他人携手创建了爱因斯坦档案馆。
Einstein拥有广泛的朋友圈与书信往来,其中不乏二十世纪最杰出的科学家、哲学家和艺术家。他与Niels Bohr保持着长期通信,与哲学家Karl Popper、数学家Bertrand Russell、心理学家兼医学家Sigmund Freud——他们曾就战争心理学相互通函——以及小说家、和平主义者Romain Rolland等众多人士皆有深厚的书信往来。他对本专业以外的人物与思想怀有真诚的好奇心,他的友谊也常常超越职业生涯的界限。
哲学与宗教
Einstein对哲学与宗教问题有着认真深入的思考,并以其一贯的直接与深刻表达了自己的见解。他的观点独树一帜,有时遭到误读与曲解。
他并非任何传统意义上的宗教信徒。他不相信一位干预人间事务、聆听祈祷、赏善罚恶的人格化上帝。他认为这种上帝观在智识上和道德上均难以令人满意。每当被问及是否相信上帝,他通常会将话题引向斯宾诺莎的上帝——即贯穿宇宙的理性秩序原则与可知性原则。他无法相信自己在自然界中所感知到的宏大秩序是偶然与巧合的产物。他在宇宙的种种奥秘面前怀有一种深沉的敬畏,并将这种感受称为——尽管这一说法略显笨拙——"宇宙宗教感"。
这种宇宙宗教感并非对某种超自然存在的信仰,而是对宇宙秩序与美的一种审美与理智上的回应。Einstein相信,科学探索最深层的动力正源于这种敬畏与惊叹——坚信宇宙是可以被理解的,坚信宇宙最深层的法则是美的,坚信努力去理解宇宙乃是人类所能从事的最崇高的活动之一。
在伦理方面,Einstein始终是一位人道主义者。他相信每个人的尊严,无论其种族、国籍或宗教信仰如何。他反对一切形式的压迫与剥削。他对教条式伦理抱有怀疑,却对某些核心价值——自由、公正、悲悯——坚定不移,视之为人类文明的根基。
逝世与身后
爱因斯坦的健康状况在1950年代初开始走下坡路。他一生中饱受各种病痛的折磨——胃病、心脏问题、时常感到精疲力竭——但最终的危机发生在1955年4月。他被确诊为腹主动脉瘤,即腹部主动脉出现膨出并开始出血。医生建议他接受手术,但爱因斯坦拒绝了。彼时他已七十六岁,最想完成的工作已经完成,对死亡的来临也已坦然以对。"我想在自己想走的时候离开,"他对医生说,"靠人工手段延长生命毫无意义。我已经尽到了自己的本分,是时候离开了。我会体面地离去。"
他被送往普林斯顿医院,此后数日病情持续恶化,并于1955年4月18日清晨辞世,享年七十六岁。他曾要求将自己的文稿和笔记本放在身边,去世前仍在为以色列独立日撰写演讲稿,并继续推算统一场论的相关方程。一位在场的护士事后透露,在他生命的最后时刻,他用德语说了几句话,她听不懂其中的含义。他走得孤身一人。
遵照他的遗愿,没有举行任何公开的悼念仪式,也没有树立任何纪念碑。他的遗体被火化,骨灰撒在一处秘密地点。病理学家Thomas Harvey未经爱因斯坦家属授权,擅自取出了他的大脑,此后将其保存并私藏长达数十年,成为名人身后史上颇为离奇的一段插曲。这颗大脑最终成为科学研究的对象,研究人员就其大脑皮层若干区域异常的组织结构得出了一些有趣的发现,但这些发现颇具争议,且大多未能得出明确结论,大多数神经科学家对此持相当审慎的怀疑态度。
他逝世的消息传出后,世界各地涌现出大量悼念之声和真切的公众哀恸,其规模之广甚至对于他这样声名卓著的人物而言也实属罕见。世界各地的政界领袖、科学家、艺术家和普通民众纷纷表达了他们的惋惜与痛失之情。这位重塑了人类宇宙观的科学家,走得正如他活着时一样:简朴,依循自己的方式,直至生命的最后一刻仍笔耕不辍。
爱因斯坦的名声:重负与舞台
1919年日食观测结果证实相对论之后,爱因斯坦跃升为全球性的名人,这是一种全新的文化现象,无论是他本人还是身边的机构都对此毫无准备。他的声名有其特殊之处——它建立在一项纯粹抽象思维的成就之上,而这一成就几乎没有任何普通公众能够真正理解——这在历史上前所未有。人们争相一睹他的风采,并非因为他们理解了相对论,而是因为他们感受到,这个人做到了某件非同寻常的事,他以某种方式比历史上任何一个人都更深地洞见了现实的本质,而这一成就使他成为一个值得瞩目的人物。科学家此前也曾享有盛名,但从未像电影明星或政客那般出名——不会在街头被人认出,不会被索要签名的人团团围住,也不会成为报纸八卦的主角。爱因斯坦却将这一切都经历了一遍,此后数十年间,他始终在应对和把握这份盛名所带来的种种特殊要求与机遇。
他对名声的态度颇为矛盾,这与他的性格特点一脉相承。他对自身成就怀有真诚的谦逊——他并不认为自己有什么了不起,不过是顺着好奇心一路走下去,而最终的结果令他自己也和旁人一样感到惊讶。爱因斯坦以神秘先知的形象出现在大众想象中,仿佛洞见了宇宙的核心,对此他只是感到好笑。那种个人崇拜令他不安,不断被占用的时间和对私生活的持续侵扰同样令他深感不适。
但他对自己的名望能为他带来什么,也有着清醒的认识。这种名望赋予了他一个历史上鲜有私人个体所能拥有的公共平台。他的公开声明在世界各地广为报道。他对各类事业的支持所引发的关注,是普通公民无法企及的。他出席政治活动,赋予了这些活动以曝光度和合法性。他有目的、有始终如一地运用这一平台,在其公共生涯中持续为他最关切的事业奔走呼号:国际和平、公民自由、种族平等、学术自由,以及犹太人民的福祉。
以名人身份从事政治倡导,并非没有代价与复杂之处。他的和平主义在某些时候以绝对的措辞加以表达,当面对纳粹德国的现实时,这种立场被批评为幼稚甚至危险。他与左翼及自由派事业的关联,使他成为美国保守派的攻击目标——那些人怀疑他同情共产主义。他在科学专业之外就经济、政治、国际关系等议题所发表的言论,有时远不如他在物理学上的论断那般深思熟虑,而批评者也抓住这些疏漏大做文章。
他意识到这些复杂性,偶尔也承认,名声有时让他在并不完全了解的议题上发声。但他并不为自己的政治参与而感到歉疚。他相信,有影响力的人有义务将自己所拥有的一切影响力用于捍卫自己所珍视的原则,而他在成年后的一生中始终如一地履行着这一义务——为此付出了一定的职业声誉代价,并在麦卡锡年代承受了一定的人身风险。
他的形象自去世后以惊人的规模被复制、授权与商业化。他将知识遗产留给了耶路撒冷希伯来大学,该校负责授权使用他的肖像与形象,Einstein的面孔出现在从咖啡杯到小提琴盒、再到励志海报等各类产品之上。这种身后的商业化,或许会让他在忍俊不禁的同时,又感到几分温和的震惊。他对金钱和世俗的地位标志真正漠然置之,而他的形象被转化为消费品,代表着一种他从未追求过的名望形式,也难以与他生前那个低调、内敛的人相调和。
Einstein与黑洞:一段复杂的渊源
Einstein科学遗产中最大的讽刺之一,在于他所创立的理论——广义相对论——预言了黑洞的存在:那是一种质量极大、压缩极度的天体,在某一特定半径之内,任何物质乃至光都无法逃脱。Einstein本人并不相信黑洞的存在。他认为黑洞所要求的极端压缩在物理上是不可能实现的,并在1930年代末发表论文,论证恒星质量实际上不可能坍缩形成这样的天体。
Schwarzschild解由Karl Schwarzschild于1916年求得,精确描述了一个完美球形、不旋转质量体周围时空的几何结构。它预言了一个临界半径——现称史瓦西半径——在该半径以内,逃逸速度超过光速。Schwarzschild本人在求得该解后不久便与世长辞,而对其结果的物理诠释在此后数十年间争议不断。Einstein尽管是预言这些天体之理论的创立者,却也是怀疑其物理实在性的人之一。
Subrahmanyan Chandrasekhar在20世纪30年代的理论研究表明,质量超过某一临界值的恒星无法依靠简并电子物质的压力维持自身稳定,将会持续坍缩。Einstein和Eddington均对Chandrasekhar的结论持反对态度,Eddington更公开嘲讽恒星会坍缩成一个点这一说法。然而他们错了。Chandrasekhar的计算是正确的,他也因此于1983年荣获诺贝尔物理学奖。
黑洞的观测证实发生在Einstein去世数十年之后。20世纪70年代,天文学家在双星系统中观测到X射线辐射,其中一个子星似乎是极为致密的大质量天体,很可能是黑洞——这是最早获得的有力间接证据。2019年,事件视界望远镜团队拍摄出M87星系中心超大质量黑洞周围区域的首张照片,实现了对黑洞阴影的直接成像。图像呈现的特征与广义相对论的预言完全吻合——暗色的中心区域被明亮的吸积盘所环绕。Einstein创立这一理论本为解释引力,从未料想它会描述如此奇异的天体,而它再一次以惊人的精确度预言了物理现实。
Einstein在科学与文化领域的遗产
Einstein的遗产既宏大又多元。在物理学领域,他的贡献奠定了根基。狭义相对论及其表达式E等于mc²已深深嵌入现代物理学、工程学和医学的基础架构之中。核电站的运行依据的正是质量可以转化为能量这一原理。使用放射性示踪剂的医疗设备同样依赖这一原理。粒子加速器、GPS卫星以及引力波的探测,都是Einstein物理学的具体应用。
广义相对论是现代宇宙学运作的基本框架。宇宙起源的大爆炸模型、黑洞的存在、宇宙的膨胀、引力透镜现象——这一切都是广义相对论的推论或应用。2015年,LIGO天文台探测到引力波,距Einstein在研究广义相对论的第一年预言其存在已过去整整一个世纪,这是近几十年来最受瞩目的科学成就之一,并于2017年荣获诺贝尔物理学奖。
他对量子理论的贡献——光量子、理想气体的统计力学、激光所依赖的受激辐射——已融入现代技术的肌理之中。激光广泛应用于外科手术、电信通讯乃至数据存储等各个领域,其背后的原理正是Einstein最早阐明的。
在物理学之外,Einstein对文化的影响同样深远广泛,有时甚至以某些奇特的方式显现。他的名字在大众文化中已成为天才的代名词。他的形象——蓬松的白发、温暖的眼神、慈和的神情——是世界上辨识度最高的面孔之一。他的方程式和格言出现在商品、纹身和励志海报上。他的生平已成为无数传记、戏剧、电影和小说的主题。
然而,这种文化上的身后名并不总是忠实地呈现了他真正的思想。大众眼中的Einstein形象——一位孤独的天才,仅凭纯粹的思考颠覆了科学,游离于学术机构之外,违逆专家共识而独行——是一种浪漫化的简化,既误解了科学的运作方式,也歪曲了Einstein真实的工作方式。他与物理学界有着深度的互动,从众多前辈和同时代学者的研究中汲取养分,并在这一过程中犯过错误——其中一些还相当重大。
毫不夸张的是他成就的伟大程度。狭义相对论和广义相对论代表着人类历史上最伟大的智识成就之一。一个在专利局工作、没有实验室、没有同事、没有任何机构支持的人,竟能在一年之内发表四篇革命性的论文——这些论文推翻了两个世纪的物理学成果,开辟了全新的认知视野——这至今仍令人叹为观止。而同一个人此后又用十年时间,克服重重数学难关,发展出一套取代牛顿理论的引力理论,同时做出的精确预言也相继得到观测证实——这是一项前无古人的成就。
爱因斯坦档案与持续推进的学术研究
爱因斯坦的学术遗产,包括涵盖其逾五十年职业生涯的科学手稿、往来信件及私人文件,均遗赠予耶路撒冷希伯来大学。自1955年爱因斯坦辞世以来,该校一直是这批资料的主要保管机构。这批档案是现存最重要的科学文献集藏之一,收录条目逾八万件,包括其重要论文的草稿、与数百位科学家、政治人物、艺术家及世界各地普通民众的大量往来书信、私人日记与笔记,以及大量有助于深入了解其科学思想与个人生活的珍贵资料。
爱因斯坦文集的出版工作于1987年启动,由普林斯顿大学出版社与耶路撒冷希伯来大学合作推进,是科学史上规模最为宏大、最为系统全面的文献编纂项目。每卷均附有详尽注释,将文献置于历史与科学的双重语境中加以阐释,使即便不具备物理学各专业领域知识的学者也能顺畅研读。该项目至今仍在持续推进,随着编辑团队逐步整理爱因斯坦晚年的信件与手稿,新卷本定期出版面世。
有关爱因斯坦的学术研究数量庞大,且仍在不断增长。相关传记从通俗读物到专业著作,风格各异——既有Abraham Pais所著的权威科学传记《上帝难以捉摸》(被广泛视为研究爱因斯坦科学成就的权威之作),也有Walter Isaacson于2007年出版的面向大众读者的人物传记。狭义相对论与广义相对论发展历程的历史研究,已成为科学史领域一个颇具规模的分支,史学家们深入考察爱因斯坦思想演进的精确脉络、同时代人所发挥的作用,以及其理论得以建构和传播的文化与哲学背景。
档案中不断有新的发现涌现。曾因当事人在世而受到限制的往来信件陆续解封,揭示出爱因斯坦个人生活、政治活动及科学往来中此前不为人知的诸多面向。档案的数字化工作使全球各地的研究者都能便捷获取相关资料,也催生了仅凭实物形式时难以实现的全新计算分析方法。
持续推进的爱因斯坦学术研究具有多重意义。它为科学史上最重要的篇章之一提供了更为准确的历史记录;它揭示了科学创造力的社会与文化维度,呈现出个体天才如何在机构、学术共同体及历史语境的结构框架之中运作,又如何突破这些框架;它还使一位杰出人物的精神永葆鲜活——他的榜样力量持续激励着科学家、哲学家以及各界有识之士,他们在其生平与学术事业中,看到了人类深入探寻现实本质这一终极问题的能力之典范。
结语
Albert Einstein 活了八十六岁,其中绝大部分时间都用于探索物理实在的最深层结构。在这一追求上,他所取得的成就超越了自 Isaac Newton 以来的任何一位科学家,甚至可以说超越了 Newton 本人。他彻底改变了人类对空间、时间、引力与能量的理解。他为量子力学的建立做出了重要贡献,即便始终拒绝承认这一理论已臻完备。他以自己的声望为道义事业发声,一生中不断倡导和平、正义与人类尊严。
他并非圣人,完整的历史记录对此清晰可见。他有时自私,常常沉浸于工作而忽视家人,对爱他的人有时漠然无情,偶尔也会为满足个人的智识追求与私欲而放弃应尽的家庭责任。他的第一段婚姻以痛苦收场。他的小儿子遭遇了悲惨的命运,Einstein 既无力阻止,或许也无法直面。他的政治判断有时失之天真,对政治权力的理解也相当有限。
然而,这些人性的缺陷并不能削减他所成就之事的分量。Einstein 的科学工作是对人类知识的永久贡献——在科学不断演进的前提下,已是知识所能达到的最为恒久的形态。他向我们揭示的宇宙——弯曲的、膨胀的、充满黑洞与引力波、以及量子力学那令人惊异的纠缠——比 Newton 所描述的宇宙更为奇异,也更为壮阔。正因 Einstein 的存在,我们对它的理解才得以更进一步。
他对在物理定律中发现美的执着,他对宇宙可被理解、而理解它值得付出一切努力的坚信,他对追求真理是人类所能从事的最崇高活动之一的信念——这些贯穿于他生命与工作的精神,至今仍激励着科学家、哲学家以及各界有识之士。正如他晚年对自己的评价,他不过是一份热烈的好奇心化作了血肉之躯。在将这份好奇心推向极致的过程中,他改变了世界。
Einstein 遗产中最为持久的部分,或许不在于某一具体的结论或公式,而在于他为科学思维树立的最高典范。他表明,关于物质世界的最深刻真理,不仅可以通过实验来触达,也可以通过严于自律的想象力来触达——凭借一种无论逻辑的必然性将人引向何处都愿意追随到底的勇气,哪怕这意味着推翻根深蒂固的既有信念;凭借以简洁与优雅作为通向真理之向导的信念。这些思维方式远远超越了物理学的范畴,正是它们对人类智识生活的普遍意义,使得 Einstein 的榜样在他辞世逾七十年后依然如此震撼人心、经久不衰。
归根结底,他也是一个关怀远不止于物理学的人。那个为遭受迫害的同行写信求援的流亡者,那个签署宣言呼吁核裁军的和平主义者,那个称种族主义是美国最深重痼疾的民权之友,那个在普林斯顿夏日的傍晚与邻居共奏 Mozart 的音乐爱好者——这些性格的侧面,与广义相对论的场方程一道,共同构成了他留给世界的遗产。Einstein 最终所代表的,是这样一种可能性:一个人可以以坚定不移的执着追求真理,同时又与人类共同体保持深厚的联结,并始终致力于其福祉。这一榜样,是他留给未来最重要的礼物。

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