第二章 早年的愛因斯坦

“上帝是狡猾的，但他并無惡意。”

——阿爾貝特·愛因斯坦

宇宙常數(shù)是愛因斯坦插入——后來又被移去——他的引力場方程中的一項。這個場方程是愛因斯坦在20世紀(jì)20年代發(fā)展的廣義相對論的結(jié)果，是他的研究工作的王冠上的明珠。這是一個如此強(qiáng)有力的，能洞察愛因斯坦之前無人能明白的潛在自然法則的方程，它的預(yù)見功能令人驚愕。自它問世以來，每隔10年，這個方程就會以預(yù)料不到的方式一次又一次顯示它的正確性。一個人怎么會對我們宇宙的秘密了解得如此清楚？

阿爾貝特·愛因斯坦（1879—1955）于1879年3月14日出生于德國西南部斯瓦比亞地區(qū)烏爾姆鎮(zhèn)一個中等階層的猶太家庭中，自人們能夠記起來的年代起，他的祖先就已經(jīng)生活在這個地區(qū)。當(dāng)阿爾貝特還是一個嬰兒時，他們?nèi)野岬搅说聡喜康拇蟪鞘心侥岷凇Ｋ母赣H赫爾曼·愛因斯坦（Hermann Einstein,1847—1902）和與他住在一起的兄弟共同擁有一家小企業(yè)。他們兩人從事電化學(xué)工業(yè)，開辦了一家小工廠。赫爾曼管理企業(yè)的商務(wù)，他的兄弟負(fù)責(zé)工程技術(shù)問題。阿爾貝特的母親是保利娜（科赫）·愛因斯坦 [Pauline（Koch）Einstein,1858—1920]。愛因斯坦家還有一個小女兒馬雅（Maja）。

年幼時，小小的阿爾貝特就顯示了對周圍世界的濃厚興趣。在他5歲的時候，父親給了他一個指南針，這個孩子就被這個儀器所陶醉，對指針服從一個不可見的場而總是指向北極的方向這個現(xiàn)象十分好奇。在老年追憶往事時，愛因斯坦提到這件小事，認(rèn)為這也是很多年以后促使他研究引力場的因素之一。6歲到13歲期間，在有音樂天賦的母親的鼓勵下，阿爾貝特上過小提琴課。愛因斯坦成為一個出色的小提琴手，并且終身未停止過拉琴。1886年到1888年期間，愛因斯坦在慕尼黑的公立學(xué)校上學(xué)。由于州法律關(guān)于宗教的要求，他的家庭不得不在家里對他補(bǔ)充進(jìn)行猶太教教育，盡管家里并沒有非常嚴(yán)格地遵守這一點。1888年，愛因斯坦進(jìn)入慕尼黑的盧伊特波爾德（Luitpold）大學(xué)預(yù)科，該校的建筑在第二次世界大戰(zhàn)中被毀，后來在另一地點重建了這所學(xué)校并改名為阿爾貝特·愛因斯坦大學(xué)預(yù)科。

在大學(xué)預(yù)科，愛因斯坦顯現(xiàn)出他對權(quán)威的極大厭惡和對權(quán)威的不信任——一種他終身都顯露的性格。后來在談到他的學(xué)生時代時，愛因斯坦將小學(xué)教師比作為軍隊中的軍士，而大學(xué)預(yù)科的教師則是軍隊中的尉官。正是這種對壓抑的普魯士式的權(quán)威的厭惡，使得年輕的阿爾貝特在幾年后放棄他的德國公民身份而申請瑞士公民資格。他常會憶起大學(xué)預(yù)科使用的充滿恐懼、壓力和權(quán)勢的管教方法。正是在大學(xué)預(yù)科，愛因斯坦教會自己要質(zhì)疑權(quán)威——事實上，質(zhì)疑一切已接受的信念；如某些傳記作者推測的，這種觀念可能還對他的科學(xué)生涯產(chǎn)生了影響。1891年，另一件決定性的事情發(fā)生了，它就像指南針引起的興奮那樣深深地影響著愛因斯坦。愛因斯坦發(fā)到一本論述歐幾里得幾何的書作為他的一門課程的教科書。他在開學(xué)前拿到了這本書并饒有興趣地讀完了它。愛因斯坦開始懷疑歐幾里得幾何學(xué)的假定。20年后，根據(jù)我們生活的空間是一個非歐幾里得空間的觀點，他開創(chuàng)了一個革命性的理論。

1894年，愛因斯坦一家移居意大利。他的父親在慕尼黑的事業(yè)失敗以后希望在那里建立一個成功的企業(yè)。父母親將馬雅帶在身邊，而把阿爾貝特留在德國，與一個遠(yuǎn)房親戚生活在一起，以便他能完成大學(xué)預(yù)科的學(xué)業(yè)。然而，愛因斯坦自己決定離開學(xué)校，想與在意大利的家庭團(tuán)聚。他不能忍受大學(xué)預(yù)科的那些苛刻專橫的紀(jì)律，他厭煩那些被特別強(qiáng)調(diào)的課程：古希臘語和拉丁語。他渴望學(xué)習(xí)更多的數(shù)學(xué)和物理——他自幼就感興趣的學(xué)科。6個月后，愛因斯坦設(shè)計了一場逃亡。一位醫(yī)生給了他一份證書，說他由于體力不支需要離開一段時間回意大利家中。看來似乎讓他離開反而使學(xué)校感到寬心，因為他的行為正引起學(xué)校紀(jì)律的混亂。

愛因斯坦非常喜歡意大利。盛行的文明——對使得生命值得生存的事物的贊美——與他鄙視的條頓人的秩序形成鮮明的對照。他在遍布意大利北部的博物館中看到的奇妙的藝術(shù)作品令他陶醉。愛因斯坦甚至越過亞平寧山脈從米蘭一直徒步旅行到利古里亞地區(qū)的地中海沿岸的熱那亞。但是，赫爾曼的企業(yè)又失敗了，他必須把他的兒子推回到現(xiàn)實中去，讓他取得學(xué)校的畢業(yè)文憑，這將使他能繼續(xù)他的學(xué)業(yè)，維持自己的生活。年輕的阿爾貝特相信自己出色的數(shù)學(xué)和物理成績能讓他無需他已經(jīng)擅離的大學(xué)預(yù)科的畢業(yè)證書而被大學(xué)接納。但是他錯了——如果沒有預(yù)科的畢業(yè)證書，他就不可能進(jìn)入任何大學(xué)，這一點是明白無疑的。

1895年，愛因斯坦在瑞士理工學(xué)院（它的德文首字母縮略詞為ETH）的入學(xué)考試失敗，他當(dāng)時曾希望以通過入學(xué)考試替代畢業(yè)證書的辦法入學(xué)。他的數(shù)學(xué)成績非常出色，但是在其他學(xué)科，諸如語言學(xué)、植物學(xué)和動物學(xué)，他的成績都低于大學(xué)的要求。雖然如此，出于對這個年輕人的數(shù)學(xué)知識的深刻印象，大學(xué)校長建議他就讀位于瑞士阿拉姆的州立中學(xué)以取得必需的畢業(yè)證書。愛因斯坦懷著驚惶的心情進(jìn)入阿拉姆鎮(zhèn)的這所學(xué)校——他仍然留有因德國大學(xué)預(yù)科中學(xué)生們受到的不可理喻的機(jī)械式待遇而遭受的精神創(chuàng)傷。然而，使他驚奇的是，他發(fā)現(xiàn)瑞士的學(xué)校是完全不同的。在這里軍事化般的紀(jì)律不像在德國學(xué)校中那樣被注重。在這里，他能夠松弛一下，好好學(xué)習(xí)，還能交朋友。他住在他的一個老師家中，并且和這個老師的兒子和女兒成了好朋友，他和他們一起到山區(qū)去旅游。在阿拉姆鎮(zhèn)的這所學(xué)校讀了一年后，愛因斯坦取得了畢業(yè)證書并申請就讀瑞士理工學(xué)院，這一次他被錄取了。他決定學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，并準(zhǔn)備將來做教師。用簡明的數(shù)學(xué)表達(dá)來解釋世界，這種想法使他著迷。對于他來說，物理學(xué)是一門目的在于發(fā)現(xiàn)一個適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程去捕獲真理的科學(xué)。

1896年10月29日，愛因斯坦遷居蘇黎世并在瑞士理工學(xué)院就讀。在這里，他遇見兩位他生命中的重要人物，兩個瑞士理工學(xué)院的同學(xué)：米列娃·瑪里奇（Mileva Maric）——后來成為他的第一位妻子——和馬塞爾·格羅斯曼（Marcel Grossmann），一位數(shù)學(xué)家，他的工作幫助愛因斯坦在畢業(yè)后的幾年中發(fā)展了他的相對論。在愛因斯坦進(jìn)入瑞士理工學(xué)院的第二年還遇到了米凱萊·安杰洛·貝索（Michele Angelo Besso），他成為愛因斯坦的一位終身摯友，并在愛因斯坦初創(chuàng)狹義相對論時為他做宣傳。

在瑞士理工學(xué)院的第一年中，阿爾貝特·愛因斯坦做出了他的科學(xué)生涯中的一次決定性的轉(zhuǎn)向。之前，他一直對數(shù)學(xué)有興趣，并對他在這個學(xué)科的知識感到自豪。然而，在理工學(xué)院，他認(rèn)定他最感興趣的是物理學(xué)，而數(shù)學(xué)只是使物理定律定量化的方法。數(shù)學(xué)是一種工具，它以簡明的方式記錄由物理科學(xué)發(fā)現(xiàn)的宇宙定律。但是，愛因斯坦對瑞士理工學(xué)院的教學(xué)并不滿意。物理學(xué)教授們講授一些舊理論，而不去討論這個領(lǐng)域中的新發(fā)展。愛因斯坦開始做他一輩子都堅持做的事——通過獨立看書和研究來自學(xué)理論。由于他不太注意聽課，結(jié)果招致許多教師的反感。數(shù)學(xué)課的情況更為糟糕。由于愛因斯坦已經(jīng)認(rèn)定數(shù)學(xué)只是一種工具，而其本身不是一門有趣的學(xué)科，他幾乎不去聽課。這種行為在赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski,1864—1909）授課期間最為明顯，閔可夫斯基是一位原籍俄羅斯的著名數(shù)學(xué)家，這個年輕學(xué)生對他的課程漫不經(jīng)心的態(tài)度使他非常厭惡，以致他后來將愛因斯坦說成是“一條懶狗”。如同命中所注定的，在愛因斯坦從瑞士理工學(xué)院畢業(yè)后的幾年中創(chuàng)立他的狹義相對論時，正是閔可夫斯基創(chuàng)立了描述相對論物理學(xué)的一整套數(shù)學(xué)。

愛因斯坦對他在瑞士理工學(xué)院的課程的這種漫不經(jīng)心的態(tài)度對他的畢業(yè)產(chǎn)生了負(fù)面影響。正如今天每一個大學(xué)生都知道的，聽課并取得好分?jǐn)?shù)是重要的，但是對于一個人的前程至少有一件事也是重要的——得到教師的出色的推薦信的能力。在愛因斯坦的那個年代，這種要求甚至更為重要得多。為了在有聲望的大學(xué)里繼續(xù)研究生學(xué)習(xí)，一個大學(xué)生必須得到一位這個學(xué)生曾作為助手為之工作過的教師的推薦。使愛因斯坦大為失望的是他的教授中沒有一個同意接納他。愛因斯坦不得不離開瑞士理工學(xué)院并尋找一個作為教師或助教的職位。由于他的父親經(jīng)濟(jì)困難，以及他的家庭甚至已無力在他求職期間給他絲毫資助，愛因斯坦的境況更為窘迫。

愛因斯坦在1900年的夏天從瑞士理工學(xué)院畢業(yè)，但由于他未能在該大學(xué)得到助教的位置，他必須努力尋找別的謀生方法。在以后的幾年中，他在瑞士得到過一些臨時的教師職位，但沒有一次是長期的。

1902年6月16日，已取得瑞士公民資格一年多的阿爾貝特·愛因斯坦被瑞士伯爾尼專利局雇用，這個職位是他的好朋友馬塞爾·格羅斯曼的父親安排的。這個職位開始是臨時的，但在1904年成為永久職位。他被冠以技術(shù)專家的頭銜，他的職責(zé)是評估專利提案的價值。在這之前的兩年中，愛因斯坦的生活發(fā)生了變化：1902年，他父親在米蘭去世；1903年，阿爾貝特和米列娃結(jié)婚。米列娃跟隨他來到了伯爾尼。不顧愛因斯坦母親的反對和她對兒子的未婚妻的厭惡，他們結(jié)婚了。

瑞士專利局為這位年輕的科學(xué)家提供了一個他感興趣的機(jī)會。他似乎很滿意他的工作。愛因斯坦終身都十分愛好擺弄為特殊目的而發(fā)明的裝置和嘗試估量它們的用處。這一職位給了他一些空間時間——他很好地用來學(xué)習(xí)和研究的時間。在晚年，愛因斯坦向年輕的研究工作者們建議，一個有創(chuàng)造力的科學(xué)家最好是找一個能有一些空間時間搞研究的低級的或“非腦力的”職業(yè)，而不是去找需要教書、為單位服務(wù)和懂校園權(quán)術(shù)的傳統(tǒng)的大學(xué)職位。

愛因斯坦在瑞士專利局的大部分時間用于讀書和做研究。與某些他的傳記作者所說的相反，愛因斯坦很清楚地了解他的同時代的以及更早一些的物理學(xué)家和其他科學(xué)家的工作，他也閱讀包括伊曼努爾·康德（Immanuel Kant）、奧古斯特·孔德（Auguste Comte）、大衛(wèi)·休謨（David Hume）和尼采（Nietzsche）在內(nèi)的著名哲學(xué)家的著作。在物理方面，對愛因斯坦影響最大的是伽利略·伽利萊（Galileo Galilei, 1564—1642）、恩斯特·馬赫（Ernst Mach,1838—1916）和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell,1831—1879）的著作。伽利略是考慮運動系統(tǒng)的相對性的第一人，愛因斯坦在他的開創(chuàng)性工作中常常提及伽利略參照系。奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫對伊薩克·牛頓（Issac Newton,1643—1727）的力學(xué)做了仔細(xì)的分析。馬赫注意到，牛頓根據(jù)幾條簡單的原理組織了對運動的觀測，然后由此作出預(yù)言。但是，馬赫提出一個問題：是否只要牛頓敘述的經(jīng)驗是正確的，這些預(yù)言就是惟一正確的。馬赫強(qiáng)調(diào)說，在科學(xué)中我們必須遵循一種節(jié)省思維的原則——建立的模型應(yīng)該是極其節(jié)儉的，包含盡可能少的參數(shù)。這是數(shù)學(xué)中的“奧卡姆剃刀”——“最簡單的理論最有可能是正確的理論”這條眾所周知的原則。在數(shù)學(xué)科學(xué)中，這意味著應(yīng)該選擇最簡單的模型或方程來描述自然界中的現(xiàn)象。在愛因斯坦的主要工作出現(xiàn)之前，馬赫就批評牛頓對絕對空間和絕對時間的依賴。在這方面，馬赫的關(guān)于科學(xué)的哲學(xué)思想具有相對論的性質(zhì)，盡管由于當(dāng)時（19世紀(jì)70年代）還沒有直接的觀測證明原子的存在，馬赫是原子論的早期反對者。在馬赫看來，所有的科學(xué)的結(jié)論都是從物理的觀測中提取出來的。愛因斯坦吸取馬赫的堅持以經(jīng)驗為根據(jù)的觀點，使物理學(xué)相對化和精確化，并且將牛頓的理論作為當(dāng)涉及的速度是日常生活中遇到的那種速度時的相對性的極限而保留下來。

對愛因斯坦的工作影響最大的科學(xué)家是蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋開創(chuàng)了場（field）的思想，這種思想對于阿爾貝特·愛因斯坦的整個工作是必不可少的。麥克斯韋的理論通過一個描述力場的方程組解釋了電磁現(xiàn)象，力場就像當(dāng)你將一塊磁鐵置于一張上面散布著鐵屑的紙下面時你所看到的許多線條。鐵屑自身會以清晰的方式排成從一個磁極到另一個磁極的一行行線條。這個看得見的圖形正是磁鐵產(chǎn)生的磁場的描繪。麥克斯韋的工作為科學(xué)開辟了結(jié)束如以太之類的虛構(gòu)概念的道路，以太曾被認(rèn)為是光在空間運動所憑借的不可見的介質(zhì)。麥克斯韋的工作可以被視為愛因斯坦相對論的前驅(qū)，在相對論中場是該理論的基本要素。不過另一些科學(xué)家也對愛因斯坦的知識儲備作出了貢獻(xiàn)，在愛因斯坦受雇于瑞士專利局期間，曾將這些知識用于建立狹義相對論。這些科學(xué)家包括海因里希·赫茲（Heinrich Hertz,1857—1894）；荷蘭物理學(xué)家亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz,1853—1928），他的關(guān)于變換的工作在解釋狹義相對論的數(shù)學(xué)中起了關(guān)鍵性的作用；偉大的法國數(shù)學(xué)家亨利·龐加萊（Henri Poincaré,1854—1912），以及另外幾位。

愛因斯坦在1905年提出了狹義相對論，這一年里他還完成了另外3篇也發(fā)表在那使人驚愕的一年里的開創(chuàng)性的論文：關(guān)于布朗運動的論文、關(guān)于光量子理論的論文，以及關(guān)于分子大小的博士學(xué)位論文。愛因斯坦關(guān)于相對性的論文改變了我們的運動、空間和時間的概念。空間再也不被視為絕對的，而是與參照系有關(guān)的。參照系的思想與三個世紀(jì)以前伽利略提出的類似概念相呼應(yīng)。伽利略考慮過如果一個球從一艘船的桅桿頂上掉下來，與一個在陸地上從同一高度掉下來的球相比會發(fā)生什么現(xiàn)象。在第一種情形下，參照系——船——是運動著的，而在第二種情形下，參照系——大地——是不動的。伽利略問：球會發(fā)生什么現(xiàn)象？它會筆直地下落到運動著的船上，還是會描繪出一條向后的路線，仿佛它是在堅實的地面上掉下來的？愛因斯坦接受運動的參照系這種想法并且將它帶領(lǐng)到一片尚未開發(fā)的領(lǐng)地——以接近于光速的速度運動著的物體。

在這個相對論的世界中，愛因斯坦已經(jīng)告訴我們只有一樣事物是絕對的：光速。所有別的事物都和這最終的速度極限有關(guān)。空間和時間被統(tǒng)一起來給我們以時空。已經(jīng)證明，雙胞胎中在高速的太空飛船上旅行的一位，比留在地面上的另一位老得慢。當(dāng)物體的速度接近光速時，運動著的物體會改變而時間會膨脹。時間變慢。如果有什么東西能比光還快（相對論是不允許這種現(xiàn)象的），那么它將走進(jìn)過去。空間和時間不再是剛性的——它們是塑性的，與物體的速度接近光速的程度有關(guān)。

時間的絕對性和普遍性曾經(jīng)是物理學(xué)神圣的信條，沒有人對這個假定懷疑。時間是處處相同的，時間的流逝是穩(wěn)定不變的。愛因斯坦證明這些假定根本是不對的。不變的量是光速——任何別的東西，空間和時間，都要圍繞著這個宇宙的常量調(diào)節(jié)它們自己。愛因斯坦的狹義相對論使得歷史上一個極使人困惑的否定性實驗結(jié)果——邁克耳孫-莫雷（Michelson-Morley）以太探索——變得顯然。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋為我們的物理學(xué)作出了如此多的貢獻(xiàn)，他的理論鼓舞著愛因斯坦，但如同在相對論之前的世界上其他的科學(xué)家一樣，他也是起源于古希臘的以太論的信仰者。在他為1878年版的《不列顛百科全書》撰寫的一個條目中，麥克斯韋寫道：“整個空間到處彌漫著以太。”但這個以太是什么？人們認(rèn)為光和其他的射線和粒子需要憑借某種媒質(zhì)來運動。這類媒質(zhì)從未有人看到過或感覺到過，但不管怎樣，它必須存在。這個假設(shè)如此盛行，一些受人尊敬的科學(xué)家也非常認(rèn)真地接受了它，著名的美國物理學(xué)家艾伯特·A·邁克耳孫（Albert A.Michelson,1852—1931）就是其中的一位。1881年時他正在柏林實驗室工作，得悉麥克斯韋在1879年寫的一封信，信中麥克斯韋詢問是否能夠用天文學(xué)的測量法來探測太陽系通過以太的速度。邁克耳孫是測量光速的專家。這引起了他的興趣。他做了一系列提高精確性的工作，目的在于探測出光速的改變，這種改變將表明存在以太漂移。大部分實驗是在他回到美國以后與美國化學(xué)家愛德華· W·莫雷（Edward W. Morley,1838—1923）在1886年共同完成的。邁克耳孫和莫雷既在地球旋轉(zhuǎn)方向上，又在反方向上測量了光速，期望能發(fā)現(xiàn)光速上的差別。但是他們沒有發(fā)現(xiàn)這種差別。沒有以太漂移，因而顯然不存在以太。1907年邁克耳孫成為獲得諾貝爾獎的第一位美國科學(xué)家。那時，愛因斯坦的狹義相對論已經(jīng)向世界解釋了為什么邁克耳孫和莫雷會得到他們未預(yù)料到的結(jié)果。

還不清楚愛因斯坦是什么時候知道邁克耳孫-莫雷實驗的，這個實驗發(fā)現(xiàn)了考慮地球轉(zhuǎn)動和不考慮地球轉(zhuǎn)動時測得的光速之間的令人吃驚的無差異。愛因斯坦用純理論的思考——他的“思想實驗”——認(rèn)定：不管光源如何快地迎著或背離觀測者運動，光的速度總保持不變。愛因斯坦的傳記作者奧爾布雷克特·弗爾辛（Albrecht F?lsing）描述了1905年5月中旬的一天，那天在伯爾尼瑞士專利局的愛因斯坦終于意識到狹義相對論的原理。那是美妙的一天，愛因斯坦后來在1922年東京的一次演講中回憶道。他和他的朋友米凱萊·安杰洛·貝索花了許多小時一起討論空間和時間的問題，然后，突然的，他想到了答案。下一天，招呼也不打，愛因斯坦猛地一把抓住他的朋友，向他解釋相對論的原理：“謝謝你！我已經(jīng)完全解決了問題。對時間概念的分析就是我的答案。時間絕不能絕對地確定，時間與信號的速度之間有著不可分割的關(guān)系。”愛因斯坦向貝索解釋同時性的思想。在相對論中，時間不再是處處相同的，愛因斯坦用伯爾尼的鐘樓和鄰村的鐘樓來說明他的觀點。不變的不是時間，也不是空間——而是光速。狹義相對論解釋了這一切。但是，如果探測到以太，那么又怎么解釋呢？多年以后，在1921年，當(dāng)時相對論已被大多數(shù)人接受，正是在聽說有這樣一個實驗的傳聞時，愛因斯坦說了他這句現(xiàn)在很著名的話：“上帝是狡猾的，但他并無惡意。”這句話鐫刻在普林斯頓大學(xué)數(shù)學(xué)系的一間休息室的壁爐上方的石壁上——表明狹義相對論的永恒性。