第一推动丛书·物理系列:爱因斯坦的骰子和薛定谔的猫
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革命性的概述

1913年9月23日,爱因斯坦作了以“引力问题的研究现状”为题的报告,这是维也纳会议上最受期待的报告。宏伟的报告厅挤满了前来一睹爱因斯坦风采的观众,这个从专利局技术员转而当上教授的年轻人,在一年中发表了多篇举世瞩目的论文,阐述了他的新理论。爱因斯坦果然不负众望。他发表了自己一生中最重要的一个演讲,概述了一种超越了牛顿定律的对引力的重新解释。演讲既带有一点马赫哲学色彩,又有少许高等数学,还对日食期间的星光作出了动人心弦的预测,这些想法就是日后广义相对论的雏形,爱因斯坦让如饥似渴的听众初尝了这个伟大理论的滋味。

爱因斯坦演讲开头简单介绍了电磁学的发展历程和库仑的电荷之间电力平方反比定律。他说明了19世纪法拉第和其他科学家如何揭示出电与磁之间的联系,又说明了电磁学如何随着麦克斯韦方程的提出达到了顶峰。爱因斯坦解释道,这其中诸多联系促成了某种统一场论,将两种人们原本以为毫无关联的自然现象统一到了一个理论中。他指出,麦克斯韦方程给物质的传播速度设定了一个最大值——光在真空中的传播速度。为了使经典理论中的相对速度和新理论中的恒定光速能够相容,他建立了狭义相对论。

爱因斯坦继续说道,此刻时机已经成熟,到了研究引力这个自然中的基本力的时候了。在那时,人们对引力的理解,基本上处于库仑定律提出时,人们对电力的理解水平。牛顿的万有引力平方反比定律,加之其包含的“超距作用”理念,可以和库仑的想法以及其理论的不完善相类比。爱因斯坦强调,是时候发展一个完备的理论来解释包括引力在内的自然界中所有的力了,并且抛弃引力可以超越遥远的距离,瞬时发生相互作用的陈旧观念。狭义相对论认为,引力不会在两个相距甚远的巨大物体之间瞬时传递。任何相互作用力传递的速度绝不会高于光速。因此,引力需要重新定义为一种局部场论,遵守自然界中的速度上限。

很显然,通过将电磁力与引力进行类比,爱因斯坦为寻求二者的统一解释播下了种子。麦克斯韦将不同的力融合进了一个方程,爱因斯坦也想沿袭这一做法,将引力与其他力统一起来。而对引力作出解释是通往统一理论的第一步。

薛定谔聚精会神地聆听着爱因斯坦的演讲,台上的这个人日后会成为他的导师。爱因斯坦对力与力之间的深层联系作了清晰明了的解释,这让薛定谔大开眼界,看到了基础理论物理学的惊人可能性。自此之后,薛定谔看待所研究问题的眼光更加开阔,大大超出了他之前从事的大气辐射测量的范围,投向了更加广阔的宇宙问题。

当时,全盘赞同爱因斯坦将各种自然力融合到一起的科学家寥寥无几,但薛定谔是其中一位。后来,薛定谔写道:“爱因斯坦提出的观点,从一开始(而不是仅用几个后来的猜想来归纳的)就囊括了所有力的相互作用,而不是只是将引力包含在内。”[4]

在开阔了物理思维之后,薛定谔又开始广泛涉猎哲学书籍。他先是将目光集中于自然界中的统一特征。这种对统一原理的寻求,引领薛定谔开始阅读19世纪德国的信奉东方神秘主义的哲学家亚瑟·叔本华(Arthur Schopenhauer)的作品,以及其他试图解释自然界的潜在运行机制的哲学家的作品。

当然,薛定谔肯定也注意到了爱因斯坦对马赫哲学思想的兴趣。当时马赫早已退休,而且疾病缠身,但仍然对科学保持强烈的兴趣。马赫对牛顿的惯性参照系(相对于“绝对空间”的恒定速度)提出了批评,曾含糊地表示,惯性是由来自恒星的远距拉力产生的。爱因斯坦修正了这一观点,具体指出了物质和惯性之间的联系。在爱因斯坦对马赫思想的解释中,他提出,宇宙中所有物体的质量总和会对物体施加影响,使得物体能以恒定速度沿直线自然地运动。因此,惯性是宇宙中所有物体质量的综合影响造就的结果,这就好比是夜间微明的薄雾,是城市中全部街灯综合影响产生的现象。(休会期间,爱因斯坦来到马赫在维也纳所住的公寓,拜访了这位年事已高、胡子花白的哲学家,并且讨论了他们共同感兴趣的科学话题。)

在爱因斯坦讲话中专业性最强的部分,他继续简述自己的思想,与格罗斯曼一起建立了相应的数学方法,将空间中物质的分布与四维几何学联系起来。最后,他谈到了我们目前称之为引力加速度的物体的局部运动。他指出,自己的理论基于惯性质量(某物体如何在力的作用下加速运动)完全等值于引力质量(某物体如何通过引力被其他物体吸引)的想法。这就抵消了运动方程中物体自身的质量,意味着在空间中任何一个特定位置,任何有质量的物体都会表现出同样的行为。因此,某个物体的位置以及因宇宙中质量分布塑造而成的该点的空间结构决定了物体的行为。

爱因斯坦以一个大胆的预测结束了他的讲话:恒星的光线会因为受到太阳的影响而弯曲。他预测,太阳的巨大质量会使得周边的几何空间发生弯曲,因此靠近太阳的物体都会沿曲线(从我们的视角看来)而非直线运动。就算是遥远的恒星发射出来的光线,靠近太阳时也会发生弯曲。跟踪这些恒星的光线,我们可以预计,在有太阳质量影响的时候,恒星的位置会和没有太阳质量影响的时候有所变化。可是,由于我们在白天一般观察不到恒星,所以自然也就见证不了这种引力造成的光线弯曲效应。但是,爱因斯坦指出,在全日食期间,恒星的“位置偏移”就能观测出来。他建议人们可以在最近一次将要发生的日食期间(1914年8月在东欧)观测一下这种扭曲,用来检验自己的理论。

维也纳会议对薛定谔的职业发展产生了深刻的影响。薛定谔停止了对放射性的实验性测量,开始转向理论研究,探究物理学的基础性问题。然而,不等薛定谔在原子物理学、引力和其他展现在他面前的领域一试身手,命运给他开了个玩笑。

1914年6月28日,当时继承了奥匈帝国皇位的弗朗茨·费迪南德(Franz Ferdinand)大公访问了波斯尼亚的萨拉热窝,塞尔维亚激进的民族主义者加夫里洛·普林西普(Gavrilo Princip)开枪刺杀了他和他的妻子。一个月之后,第一次世界大战就爆发了。薛定谔接到命令,要他随军出征。他在意大利前线衷心履职,做过很多工作,其中包括指挥炮兵。德国参战后站在奥匈帝国一边,爱因斯坦强烈反战,拒绝服兵役。

1917年春天薛定谔回到维也纳,继续为军队服务,与汉斯·瑟林一起从事气象工作。遗憾的是,第一次世界大战将薛定谔的学术事业拖后了三四年,这对一个年轻的研究者来说,这段时间非常漫长。回到维也纳之后,薛定谔继续从事理论研究和教学工作,竭力弥补错过的那几年。

当然,对爱因斯坦的光线弯曲预测的检验工作也因战争而推迟了。德国天体物理学家埃尔温·芬莱-弗里德里希(Erwin Finlay-Freundlich)是克莱因的学生,也是爱因斯坦理论的狂热追随者,他满怀热情地前往克里米亚半岛,因为那里观测日食的地理条件最好,希望能记录下爱因斯坦预言的现象。遗憾的是,还没来得及测量,他就被俄罗斯军队俘虏了,并被投入了战俘营。此后还要再等5年,等战争结束后,才得以进行这样的观测,证实爱因斯坦的假说。而在等待的这几年中,爱因斯坦继续发展他的引力理论。