1912年,已小有名望的爱因斯坦受聘回到母校。那里他的亲密老同学如格罗斯曼在等着他,曾经嘲笑过他的教授们等着他,渴望全新物理知识的工业大学的学生们也等着他。
他的生活境遇却也没提高哪里去,因为第二个孩子爱德华出生了,家庭的负担骤然重起来。尽管在他的相对论中每一个物体边上都挂了个钟来矫正时间,而在现实生活中却常常为家里没有一块钟表而苦恼。而且给学生们上课也并不是很情愿的事,这绝对不是因为爱因斯坦鄙视他们,而是爱因斯坦的风格委实不适合教学。他的板书犹如他年青时的笔记一样不忍卒读,而且思想跳跃性奇大,往往就一个问题大发见解而不顾整个课程的进度。开始慕名而来听课的学生甚至挤到了走廊,但后来就门可罗雀了。
但是他幸运地找到了他的合作伙伴,格罗斯曼教授。此时的格罗斯曼在数学上已颇有建树。而广义相对论的建立则超出了爱因斯坦在数学上的能力,非得与人合作不可。所以广义相对论的难度之大,在深度和广度上在当时已超出了即使是第一流的物理学家或者数学家的理解能力。通常出现这种情况,物理学家模糊能够理解广义相对论的深刻本质,却对怪如天书的数学公式望洋兴叹;数学家大概能看得懂要命的公式,但对其艰深的物理内涵苦思不解。
如此看来,《纽约时报》当时所竭力宣称的"全世界只有12个人懂广义相对论"并非单纯的噱头。至少爱丁顿教授就这样看。爱丁顿就是前文那个坚信广义相对论必然正确且亲自率天文队去观测并证实的英国人。当记者带给他一个更极端的消息"地球上仅有三个半人理解相对论"时,他立即低下了头。记者跟着道:"我们都知道您肯定是其中之一,但您似乎不必谦虚至此。"爱丁顿却抬头反驳道:"对不起,我不是谦虚,刚才我一直在想另外那半个人到底是谁?"
广义相对论的创建足足花了爱因斯坦十年的工夫,这是他一生中精力最旺盛的十年。可见它要让人在铁一般的事实找到以前接受它是多么困难呀。
但也有慧眼识英雄的伯乐。他们是身在柏林的见识远卓的两位科学伟人,一个叫普朗克,一个叫能斯脱。
普朗克是最早提出量子论的人,也是高度评价相对论的第一人。他不止一次地把爱因斯坦比作当代的哥白尼。当时的普朗克几乎是德意志民族的科学象征,他出身贵族,温文尔雅,交游广际,受到上至皇帝威廉二世,下至底层百姓的衷心尊敬,甚至在当时的一马克金币背面都刻着他的头像。
能斯脱则既是二十世纪著名的化学家,也是一位拥有杰出政治才能的组织者。
他们一致想把这个出生在德国的犹太巨人拉回柏林。他们提出的条件是诱人的,包括聘请爱因斯坦担任正在筹建中的威廉皇帝物理学会会长,并担任年薪1200马克的普鲁士科学院的院士和柏林大学的终身教授。这对爱因斯坦来说可谓是名利双收,而且说好了可以不用教学而专心研究,更主要地是又找到了"很多"志同道合的人。据新闻界的说法:"全世界懂相对论的12个人中有8个就在柏林。"
这是世界少有的优越条件,爱因斯坦怎能不动心呢?但是这和爱因斯坦的一贯追求尖锐地不合。当初他们一家人不正是为了躲避德国人对犹太人敌视的目光而弃离故土的吗?虽然他现在功成名就,但是在遥远的柏林仍会有寄人篱下的感觉。可是在哪里不是寄人篱下呢?作为犹太人,他们在欧洲流浪已近千年,大部分人连自己民族的母语--希伯来语都不会说。
什么时候我们犹太人才会有自己的祖国呢?爱因斯坦的眼眶湿润了。他做梦也没有想到在暮年会见到自己的国家在中东崛起,虽然那是在600万鲜活的生命教训了几乎灭种的犹太人之后。
他执意去柏林了。但是他的妻子米列娃坚决反对。米列娃是他在苏黎士工业大学时的同班同学,塞尔维亚人,在当时是一位罕见的女物理学家。在高傲的日尔曼人眼里,犹太人是流氓,斯拉夫人则是乞丐。身为斯拉夫人米列娃向来心高气傲,是不会喜欢柏林那阴冷的空气的。
况且夫妇二人积怨已深,主要是米列娃是个激进的女权主义者,她不愿沦为庸俗的家庭主妇,她也要有自己的事业。但是米列娃总是被爱因斯坦的巨大光环笼罩住,显不出她的所在。同时爱因斯坦是一个向上帝选择了智慧的人,选择了智慧就选择了孤独,选择了孤独就选择了痛苦。他自始至终无法溶入他的家庭,他的生命的绝大部分既没有留给妻子,也没有留给孩子,而是留给了上帝和他心爱的物理学。
不合则散。爱因斯坦吻别了在梦中的小汉斯和小爱德华,他们是睡得多么香甜呀。
爱因斯坦又一次提着大皮箱,在一个寂静的夜里慢慢地走上了征程,这次他真的除了物理学什么都没留下。
1916年,他与格罗斯满曼合作的论文《广义相对论纲要和引力理论》正式发表,正如爱因斯坦所料,一石再激千层浪。
静寂已久的物理学界从未象这次一般阵线分明。保守的一派在狭义相对论发表时觉得爱因斯坦只不过还在变魔术;到广义相对论发表时,人人都在摇头,都说一个天纵其才的物理学家就此精神失常,即使原来很多支持爱因斯坦的人也认为他走得太远,而少数真正革新的一派则信心满怀,他们坚信新的时代即将到来了!。
这是怎样的理论呢?
那还得从牛顿时代开始。牛顿在发表万有引力的公式时,他定义了物体的引力质量;而在推导他著名的牛顿第二定理时,又引进了惯性质量。为了验证这两种质量的等价性,牛顿亲自用空心摆作了实验,在当时的条件下,精度是千分之一。百年后,贝塞尔还是用单摆,精度提高到十万分之一。从1890年起尼厄用扭摆孜孜不倦地作了二十五年实验,精度自是更上一层楼,达到了亿分之一。直至本世纪七十年代狄克等人采用最新技术,发现即使在千亿分之一的精度内,两者仍是相等的。
看来是没有什么问题了。但是自牛顿以降,从来没有人考虑到这两种质量在数值上的严格相等决非偶然。然而这决逃不过爱因斯坦那鹰隼般锐利的眼睛。擅长在人们司空见惯的现象中找到突破口的,就这一点来说,爱因斯坦算得上古今独步。
我们都有这样的生活经验,坐在汽车里突然起动时,会觉得自己的后背受力的推动。按照牛顿的解释,这是因为在一个加速的参考系里(比如汽车刚起动时),物体受惯性力的缘故。
爱因斯坦的思想实验又开始发挥威力了。当你处在自由下落的电梯里,你会发现自己完全失重,如果电梯体积大得能容纳一座高楼的话,你可以先在你的心上人面前吹嘘一番,然后爬到第二十层楼的窗台放心地跳将下去,你不会跌成肉泥而会滑稽得象个气球一样悬在空中,就象若干年后我们在电视里看到太空舱里臃肿的宇航员一样。
但是如果在没受任何引力作用的太空中电梯以9.8米每秒平方的加速度(稍通物理的人都知道这是地球的重力加速度)向上运动时,他是绝对不能断定自己是在地球上受引力的作用还是在受惯性力的作用。还记得伽利略的大船吗,它那里详尽地说明了匀速运动和静止无法分辨。这个足够大的"电梯"里也是如此,当你发现随手丢下一个东西,它会象在地球上一样愈来愈快地砸向地面的时候,你会从第二十层楼的窗台上忙不迭地蹦回屋内,。你若有可能向空中开上一炮,那条美丽的弹道曲线与地球上的一样吻合。你作任何实验都不能证实你所在的外部环境究竟如何。
爱因斯坦的结论是在局部的区域内,引力和惯性力是不可分辨的。这就是著名的等效原理。如此一来,牛顿时代所固有的惯性系(匀速直线运动或静止系)比非惯性系(加速运动系)优越的观念需要彻底修改了。在爱因斯坦的理论中,任何参考系都是平等的,不管静止的也好,还是运动的也好,你站在任何一个参考系都不会改变你对世界的看法和对自然规律的表述。
总的来说广义相对论仍是美学的直接产物。可以想象爱因斯坦对于所有参考系中惯性系趾高气扬地凌驾于非惯性系之上时,心中是一种怎样的不适呀。万物平权,这是至高无上的美学准则。深刻与美,则一贯是爱因斯坦科研奉行的主旨。
在物理学发展的长河中,有些理论的创始人只能冠以一个名字。广义相对论便是一例。可以说,没有爱因斯坦再过两百年也未必会有人发现它,这于狭义相对论是不同的。发展狭义相对论的时候,仿佛如鲠在喉,多少人在没日没夜地思考它,因为大家都明白没它就意味着物理学的彻底崩溃,爱因斯坦不过凭借他的天赋捷足先登罢了。
广义相对论则不同,它是在没有任何先兆下横空出世的。没有任何实验上的矛盾,没有任何实际中的需求,没有任何人意识到它的必要性。即使没它也不妨碍火箭发射,卫星上天和通讯技术,计算机的迅猛发展。但显然人类对宇宙本身的认识会大大延迟一步。
以当代物理学家的眼光看,广义相对论与其说是一门科学,不如说更象一门艺术,它把几何学和物理学完美地结合在一起,给人最深的印象不是逻辑体系的无可挑剔,而首先是一种优雅的美。
更主要的是广义相对论继狭义相对论之后,又一次掀起了时空观的大革命。
可能你又紧张地四处张望,我们的日常经验又有什么不合逻辑了呢?
有的。翻开初中一年级的几何课本,扉页里就提出了一条人所共知的平行公理:"在平面内过已知直线外一点,只有一条直线和已知直线平行。"这是早在公元前300年就由欧几里德作为欧氏几何的第五公设载入《几何原本》。
第五公设又称平行公理。以它和其它的几个公理建立起来的欧氏几何获得辉煌的成功。随之导出的许多定理成了我们脑中根深蒂固的观念:三角形内角和180度,勾股定理描述的是直角三角形的斜边的长度的平方等于两直角边的平方和等等。后来笛卡儿在此的基础上创立了解析几何,顺势导致了微积分的诞生。
欧氏几何成了人类创立千年的完美的数学大厦的重要基石。而且在人类的文明中,从平常无奇的桌椅,到气势恢弘的宫殿,从呼啸而至的炮弹,到俯瞰人间的卫星,无不闪烁着欧氏几何的光彩。这有什么问题呢?一加一难道不等于二吗?
最早产生怀疑的是敏锐的数学家。他们怀疑的根据是仅是欧氏几何的第五公设表述过繁。数学家和物理学家都有同样的毛病,凡是复杂的就是不够优美的。从古希腊时代就有人怀疑这第五公设只不过是条定理,一定可以用其它的几条公理证明出来。看来不怎么费劲,但是这一努力就是一千多年。
直到18末世纪出了个旷世的数学家,他的名字叫高斯。直至今天人们仍津津乐道他在小学一年级就别出心裁地创造出从一加二加到一百时新算法的奇迹。被誉为"数学王子"的他的光辉掩盖着整个十九世纪。高斯最早认识到这种证明是徒劳的,平行公理是独立成立的,而且把用别的公理抽换掉平行公理,导出来一套奇怪的几何。不过,高斯是个谨慎的人,他将手稿压下没有发表。他考虑到他在数学界至高无上的地位,这样冒然出击导致的只会是所有人的攻击。
但是他是对我们这个空间产生怀疑的第一人。他曾提出作个实验,在三个临近的山峰上测量一下三角形内角和到底是不是180度。
还是有勇敢的斗士。他们是俄国的罗巴切夫斯基和匈牙利的波尔约,各自独立地提出非欧几何向全世界挑战。经过艰苦的努力,他们终于使大部分数学家承认还存在一套与欧氏几何并列的几何,它的前提是过直线外一点至少可以有两条直线与该直线共面而不相交。导出的结论令人困惑:三角形的内角和小于180度,同一直线的斜线和垂线不一定相交等等。