为了得到广义相对论,爱因斯坦为之奋斗了8年,为此他遇到了种种物理与数学的诉求。《相对论之路》(湖南科学技术出版社,2019年8月)一书通过对爱因斯坦广义相对论手稿的历史线索导读与思想脉络阐述,引导大家去了解爱因斯坦的想法和态度。
借由此书,我们将了解整个故事是如何展开的,所有的窘境、错误的路径、误解与曲解,都在告知我们爱因斯坦为了达到目标,他在崎岖不平的道路上,筚路蓝缕,以启广义相对论。
研究爱因斯坦的专家施塔赫尔(John Stachel)认为,广义相对论的发展可以成为一出“三幕剧”。依照这个剧本,第一幕发生在1907年,爱因斯坦称之为“等效原理”的基本想法形成了。第二幕发生于1912年,爱因斯坦认识到,在数学上,引力场可以用10个时空坐标函数来描述,这些函数组成非欧几里得时空几何的度规张量。
第三幕是“美满的剧终”,发生于1915年11月,其时爱因斯坦建立了引力场方程并且解释了水星近日点的反常进动。
对于这种戏剧性发展,我们建议了另一种剧本,改弦易辙,以地域影响作为线索。当爱因斯坦还是伯尔尼专利局雇员时,他构想了等效原理这一概念,并且在1907年发表了关于狭义相对论的评论文章。在上述文章中,爱因斯坦还讨论了诸如引力场中光线弯曲和时钟速率直接蕴含的引力效应。这可以看成是1911年在布拉格开始的正剧的前奏。
我们将这一时期称为“三城记”。每个城市都代表了发展的一个特殊章节。每个城市提供了不同的社会和政治环境,并且他的家庭生活也处在不同的阶段。这些情况是如何影响爱因斯坦的科学工作的,已经在他自己的几篇文献中讨论了。
1909年,苏黎世大学任命爱因斯坦为特聘教授,这是他首次拥有一个有声望的学术职位。不到半年之后,位于布拉格的查尔斯大学德意志部出现了一个理论物理正教授的空缺,爱因斯坦被提名候选这个更为受人尊重的职位。爱因斯坦的候选资格,得到了实验物理学教授兰姆帕(Anton Lampa)的强烈支持,以及马赫(Ernst Mach)热情洋溢的附议。
在布拉格,爱因斯坦写下了11篇学术论文,其中6篇是以相对论为主题的。这些论文中的第一篇发表于1911年,在文中他讨论了光线弯曲和引力红移,这是他在1907年发现的,但在这里是作为一个观测效应来考虑。在布拉格的论文中,他着重发展了基于等效原理的自洽的静态引力场。
1912年8月爱因斯坦回到苏黎世,不久以后,他开始与格罗斯曼进行了一个深入细致且成果丰硕的合作,这是广义相对论发展的一个里程碑。在苏黎世期间,爱因斯坦创作了3篇文稿,这些文献在寻找广义相对论中起到了重要作用。
1913年11月,威廉二世皇帝恩准爱因斯坦当选为科学院物理-数学学部的正式成员。于是,年仅34岁的爱因斯坦成了有史以来最年轻的科学院成员。爱因斯坦到达柏林不久,第一次世界大战爆发了。面对战争的现实,他最终离开了科学象牙塔,成为德国参战的反对者。
尽管列车在飞驰,咖啡并不会洒出杯子。这就是经典相对性原理。柏林是当时物理学的世界中心,普朗克、能斯特以及其他许多学者聚集在这里,爱因斯坦也加入了进来。甚至在战争年代的艰难困苦中,柏林的物理学界仍保持着令人鼓舞的学术氛围和维持着日常工作。