爱因斯坦的创造

自从牛顿发现万有引力定律之后，大约有二百多年的时间，人们对引力的认识再没有什么实质性的进展。直到本世纪初，牛顿的经典引力理论，才由德国一位青年物理学家阿尔伯特·爱因斯坦把它大大地向前推进了一步。 1879 年 3 月 14 日，爱因斯坦生于德国的乌尔姆城，父亲和母亲都是犹

太人，出生次年，全家移居慕尼黑，在那里度过了他的少年时代。15 岁那年， 爱因斯坦的父亲因经营工厂失败，家庭移居意大利的米兰。爱因斯坦继续留在慕尼黑中学读书，开始了他的独立生活。16 岁那年，爱因斯坦为谋求一个职业，去苏黎世报考瑞士联邦理工大学，不幸落选。他毫不灰心，经过一年的勤奋备考后，次年终于如愿了。大学时代的爱因斯坦，与中学生时代的嗜好一样，依然是不倦地钻研着一大堆同课程无关的书籍，其中有基尔霍夫、赫姆霍兹、赫兹、玻尔兹曼等人的物理名著，还有一些乱七八糟的哲学书籍。就在他的大学年代，以太、时间、空间、电磁场⋯⋯，这样一些物理学中的基本概念，成了爱因斯坦经常思考的问题。

1900 年，爱因斯坦大学毕业，只因为他是犹太人，没有瑞士国籍，使他足足有两年没有找到固定的工作。生活贫困，慢性病的折磨，终未能减低他对理论物理的极大兴趣。1901 年，22 岁的爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了他的第一篇科学论文。次年，在他的亲密同学格罗斯曼的父亲帮助下， 好不容易在伯尔尼瑞士联邦专利局找到了工作。他在每天应付那烦琐的事务工作之余，继续开展理论物理的研究。在这些看来最平常不过的年代里，却是爱因斯坦科学生涯中最富有创造性年代。

1905 年，是爱因斯坦在这些创造性年代中所做出最为伟大贡献的一年。在这一年，他连续发表了几篇震惊世界的论文。其中，《论动体的电动力学》一文，是爱因斯坦多年探索的结果，这篇狭义相对论的论文，以其完整的形式，提出了等速运动下的相对性理论和空间的新概念，从根本上动摇了作为物理学基础的牛顿力学关于绝对空间和绝对时间的观念，引起了物理学理论基础的重大改革。

1905 年的巨大成就，使爱因斯坦从一个专利局的小职员跨入了第一流物理学家的行列。爱因斯坦并没有因这些成就而停止他探索自然的脚步。1908 年以后，他又开始了一个更为艰巨的课题的研究：牛顿的引力质量是什么？ 怎样才能把牛顿的引力同狭义相对论融合起来？他一个人埋头钻研，前后花了 7 年心血。终于彻底改造了牛顿的万有引力理论，创立了广义相对论。

爱因斯坦想，倘若有一个人站在可以自由升降的电梯里面，如果没有地球的引力，电梯加速上升，而且这个加速度正好等于重力加速度。那么，电梯里的人一定以为，他是处在一个正常的地球引力场中。可这时，电梯内的重力感觉，恰恰是由于电梯加速上升的惯性引起的。爱因斯坦因此斩钉截铁地作出结论：这两种力没有区别。爱因斯坦从这件事得到启发，也许引力场和一个非惯性系统（升降梯的加速运动）之间，在一定范围内是等价的。下一步，便是如何用数学形式把这个重要的等价原理恰如其分地表现出来。苦战 7 年，当爱因斯坦找到了黎曼几何（非欧几里德几何）的数学形式之后， 才用它建立起了一种崭新的理论——广义相对论。从广义相对论的角度看，

物体之所以落到地面，是因为地球周围的空间是弯曲的。

为了说明这个抽象的概念，我们可用一个平面的例子来说明。尽管具体情况要复杂得多；但其基本精神还是一致的。如果一只有智慧的动物，生活在一平面上。它要从平面上的 A 点到达 B 点。路程最短的方案，便是连结 A、B 之间的直线，如果在 A、B 之间放一块石头，把平面压凹下去，但 A、B 之间的位置不能发生变化。这时，动物从 A 点到 B 点的最短路程就不是直线了。我们把最短路线不是直线的空间叫做弯曲空间。如果在这个弯曲空间的 A、B 两点各放一只小球，小球将会自然地往石头压弯的地带滚去，这就像地球上空的物体，在引力作用下坠向地面一般。

在广义相对论看来，物体在引力场中的种种行为，正是由于它所处的空间，受到质量的影响而发生的弯曲所造成的。它再不是牛顿提出的那个引力传递不需要费时间的超距作用。弯曲的时空，是本世纪 20 年代的一个震惊世界的出色理论。

广义相对论是人类智慧杰出成就的标志之一，是现代物理学的一大支柱。它为人类探索引力的本质提供了理论基础。