爱因斯坦无疑是二十世纪最伟大的物理学家,同时也是有史以来最伟大的科学家之一。谈论这样一位杰出人物的错误,尤其是在距其奇迹年一百周年的时候,看起来也许有些唐突。但是领袖科学家所犯的错误往往比他们的成功更能让人洞察他们那个时代的精神与背景。而且,对于我们这些自己也犯科学错误的人来说,知道就连爱因斯坦也会犯错多少是一种安慰。
或许最重要的则是,通过表明即便是最伟大的科学家所犯的错误也被我们所承认,我们为那些据说在循其它途径寻求真理的人提供了一个很好的范例。我们意识到,我们最重要的科学先驱也不是所有文字都必须被当成金科玉律的先知,他们只不过是为我们今天所获得的更好的理解做出了铺垫的伟人。
在考虑爱因斯坦的错误时,人们立刻会想起爱因斯坦(在与伽莫夫的一次谈话中)称之为自己一生所犯的最大错误:对宇宙学常数的引进。
在爱因斯坦构筑完他有关空间、时间及引力的理论——广义相对论——之后,他于1917年转向了对整个宇宙时空结构的思考,并且遇到了一个问题。爱因斯坦当时假定,如果对许多星球作适当的平均,宇宙应该是均匀并且大体上静态的。但广义相对论的方程看来并不允许一个与时间无关的解来描述一个带有均匀物质分布的宇宙。因此爱因斯坦修改了他的方程,引进了一个新的项,其中带有一个被他称为宇宙学常数的量。
后来人们发现宇宙并不是静态的,爱因斯坦开始后悔自己不必要地扩展了自己的理论。他或许也为自己错过了对宇宙膨胀的预言而遗憾。这个故事包含了一堆错误,但却不是爱因斯坦自己认为的那个错误。首先,我不认为假定宇宙为静态能被用来批评爱因斯坦。除了极个别的例外,理论学家们必须将世界当成是通过观测呈现在他们面前的样子。在1917年时,观测所显示的相对较小的星球运动速度使人们几乎无可抗拒地假定宇宙是静态的。
因此当德西特在1917年提出爱因斯坦方程的另一个解时,他小心地采用了使度规张量与时间无关的坐标。然而,那些坐标的物理意义却并不清晰,意识到德西特另类宇宙的非静态——即他的模型中物质粒子将会相互加速远离——曾被认为是理论的缺陷。
爱因斯坦在引进宇宙学常数时确实犯了一个简单得令人吃惊的错误。尽管那个步骤使爱因斯坦场方程可以有与时间无关的解,但那个解描述的是一个不稳定平衡态。宇宙学常数所起的作用是一个随距离增加的排斥力,而普通的引力却是随距离衰减的。尽管存在一个临界密度使得这种排斥力与引力恰好平衡,但这种平衡是不稳定的。一点轻微的膨胀就会增加排斥力而减少吸引力,从而加速膨胀。我们很难理解爱因斯坦为何会忽略如此初等的困难。
爱因斯坦也许受到了他在苏黎世联邦技术大学当学生时曾自学过的麦克斯韦理论这一例子的影响。麦克斯韦发明了他的方程组以描述已知的电学及磁学现象并保持电荷守恒原理,在麦克斯韦对场方程的表述中就只包含了最少的时空导数。我们如今知道,统治电动力学的方程包含有带任意阶时空导数的项,但那些项就象广义相对论中的高阶导数项一样,在宏观尺度上没有可观测效应。
然而到了1998年,超新星宇宙学计划及高红移超新星搜索小组对超新星红移及距离的测定表明宇宙的膨胀正在加速,就象德西特在他的模型中所发现的。如图三所讨论的,看起来宇宙中约有70%的能量密度是某种充斥于全空间的“暗能量”。这一点随后被对宇宙微波背景辐射各向异性的角度大小的观测所确认。在宇宙膨胀时暗能量的密度没有随时间而快速变化,如果它果真与时间无关,那它就正好是宇宙学常数所预期的效应。
无论这方面的结果如何,宇宙学常数为什么没有量子涨落计算所预期的那样大依然是一个谜。近年来这个问题已成为理论物理学家们优先考虑的重要问题。
另一个被普遍视为爱因斯坦错误的,是他在始于1927年的索尔维会议,并延续至1930年代的与玻尔有关量子力学的著名争论中站在了错误的一边。简单地说,玻尔主导发展了量子力学的“哥本哈根诠释”,在其中人们只能计算各种可能实验结果的几率。爱因斯坦拒绝了这种物理定律能够是几率性的观念,并很出名地宣称上帝是不掷骰子的。但历史作出了对爱因斯坦不利的裁决——量子力学从胜利走向了胜利,把爱因斯坦抛在了一旁。
从1930年代直至他去世的1955年,爱因斯坦对量子力学的抗拒使他孤立在了物理学的其它研究之外,但此事还有另外一个因素。也许爱因斯坦的最大错误是变成他自己成就的囚徒。世界上最自然的事情,就是一个往日获得过巨大成功的人试图延用曾经如此管用的方法来获得进一步的成功。我们不妨想想1956年苏伊士危机期间一位貌似懂行的苏联军事专员对埃及总统纳赛尔所提的建议:“将你的部队撤到国家中部,然后等待冬天。
”有哪位物理学家获得过比爱因斯坦更大的成功?在获得了用时空几何描述引力的巨大成功后,他很自然地要尝试用几何原理将其它的力与引力一起纳入一个“统一场论”之中。关于物理学中的其它东西,他在1950年评价说:“除非一开始就在基本概念上与广义相对论相一致,所有试图对物理基础做更深入理解的努力在我看来都是注定会失败的。
”由于电磁力是宏观效应与引力相似的唯一一种其它的力,统一引力与电磁力的希望就变成了爱因斯坦晚年工作的动力。
尽管爱因斯坦与年轻物理学家们在1930和1940年代所取得的激动人心的进展间的疏离是一个错误,但它显示了他的一种令人钦佩的个性。爱因斯坦从未想要变成权威,他从未试图劝诱其他物理学家放弃他们在核物理及粒子物理中的工作而追随他的想法。他从未试图用他的合作者或追随者来填充高等研究院的教授职位。
爱因斯坦不仅是一个伟人,而且是个好人。他的道德判断引导了他在其它事务上的行为:在第一次世界大战期间他反对军事化;在斯大林年代他拒绝支持苏联;他成为了热心的犹太复国主义者;当欧洲受到纳粹德国的威胁时他放弃了原先的和平主义,而呼吁比利时重整军备;他公开反对了麦卡锡主义。在这些公众事务上,爱因斯坦从未出错。