愛因斯坦傳(8)_學達書庫

八

　　第一個效應是水星近日點附加的進動。離太陽最近的水星，每繞太陽公轉一周，它離太陽最近那一點的位置就有些改變，這就是所謂水星近日點的進動。這是法國天文學家勒維裡埃很早發現的一種現象。經觀測，每100年進動5600秒，考慮金星對水星的吸引以及其他種種因素，可以解釋5557秒，餘下的43秒，卻無法解釋。人們說這是飄浮在牛頓的引力理論上空的一朵烏雲。根據廣義相對論理論，愛因斯坦否定了半個世紀以來許多天文學家的假設，他們認為存在一顆名叫「火神星」的行星，它就是水星近日點餘下43秒進動的神秘原因。建立在牛頓萬有引力理論上的如此方法，曾精確有效地找到海王星，這次卻怎麼也不找不到「火神星」。

　　愛因斯坦的解釋是根本不存在什麼「火神星」，只是因為太陽的存在引起了空間結構的改變，也因為牛頓的引力理論不夠精確，用到水星軌道的計算上發生了誤差，這才引起了一場漫長的誤會。愛因斯坦在全新解釋的基礎上，以富於創造性的引力場方程，精確算出了水星軌道的正確數值，並且與觀測到的數值完全一致，這個效應驗證成為愛因斯坦學說的一根牢固的支柱，新的引力理論誕生了，視廣義相對論為數學遊戲的攻擊開始退縮了。

　　檢驗相對性引力學說的第二個效應，是太陽引力場中的光線的彎曲。恒星發出的光線在太陽近旁掠過時稍有彎曲。這是一種日全蝕時通過照像剛剛能觀測到的效應。早在1911年，愛因斯坦就在理論上預言這一現象，當時算出的偏轉角只有1．7秒的一半0．83秒。柏林的天文學家弗勞因德利希決定驗證愛因斯坦的預言。1914年8月，在俄國的克裡米亞半島有日全蝕。不巧，弗勞因德利希率領的觀測隊剛到俄國，第一次世界大戰就爆發了。他們被抓起來，直到交換戰俘時才被遣送回德國。這個戲劇性的事故使愛因斯坦有了修正計算錯誤的時間和機遇。1915年年底，愛因斯坦重新算出了光線偏轉角為1．7秒（弧度）。大戰結束後不久，英國的日全蝕觀測隊證實了愛因斯坦計算出的理論值。

　　驗證引力新理論的第三個效應，是相對論紅移。也就是：鄰近星體發出的光譜線與地球上相應方式（由同類分子）產生的光譜線相比，譜線移向紅端，亦即向長波端移動。其原因在於，強引力作用使得發射出的光的振動頻率減少了，波長就相應地增大。天文學家在天狼星伴星中，首先驗證了相對論紅移。天狼星伴星與白矮星相似，是一顆密度很大的星體。觀測值大凡都與愛因斯坦的計算值相靠近。在同一時期內，有人還通過地球引力場中的穆斯鮑爾效應，驗證了r量子頻率改變這一相對性紅移。觀測值與理論值完全一致。

　　幾何、數學，曾經是愛因斯坦走進科學殿堂的敲門磚，如今，在建立新的物理學大廈的艱難過程中，愛因斯坦在實驗手段遠遠落後於自己物理學思想的情況下，就更加鍾愛數學了。1915年，在一封信中，他說，「目前，我只是全心撲在引力問題上，我現在相信，依靠這裡的一位友好的數學家的幫助，我將制服這些困難。但有一點是肯定的，在我整個一生中，我工作得都遠不夠努力，我已變得非常尊重數學，在此以前，我簡單的頭腦把數學中精妙的部分當作純粹的奢侈，與這個問題相比，最初的相對論只是兒戲而已。」

　　愛因斯坦對數學的「尊重」和熱情包含著無盡的啟示。愛因斯坦在音樂中體悟到的和諧，在自然、宇宙中發現的和諧，又和數學中的和諧融為一個完滿的整體。在廣義相對論研究階段，他已在很大程度上把理論物理學數學化。1930年，在《物理學中的空間、以太和場的問題》一文中，愛因斯坦對此作了詳細的說明：「相對論是說明理論科學在現代發展的基本特徵的一個良好的例子。初始的假說變得愈來愈抽象，離經驗愈來愈遠。另一方面，它更接近一切科學的偉大目標，即要從盡可能少的假說或者公理出發，通過邏輯的演繹，概括盡可能多的經驗事實，同時，從公理引向經驗事實或者可證實的結論的思路也就愈來愈長，愈來愈微妙。

　　理論科學家在他探索理論時，就不得不愈來愈聽從純粹數學的、形式的考慮，因為實驗家的物理經驗不能把他提高到最抽象的領域中去。適用于科學幼年時代的以歸納為主的方法，正在讓位給探索性的演繹法。這樣一種理論結構，在它能導出那些可以同經驗作比較的結論之前，需要加以非常徹底的精心推敲。在這裡，所觀察到的事實無疑地也還是最高的裁決者；但是，公理同它們的可證實的結論被一條很寬的鴻溝分隔開來，在沒有通過極其辛勤時艱巨的思考把這兩者連接起來以前，它不能作出裁決。

　　理論家在著手這項十分艱巨的工作時，應當清醒地意識到，他的努力也許只會使他的理論註定要受到致命的打擊。對於承擔這種勞動的理論家，不應當吹毛求疵地說他是『異想天開』；相反，應當允許他有權去自由發揮他的幻想，因為除此以外就沒有別的道路可以達到目的。他的幻想並不是無聊的白日做夢，而是為求得邏輯上最簡單的可能性及其結論的探索。為了使聽眾或讀者更願來注意地聽取下面一連串的想法，就需要作這樣的懇求；就是這條思路，它把我們從狹義相對論引導到廣義相對論，從而再引導到它最近的一個分支，即統一場論。」

　　反對愛因斯坦廣義相對論的物理學家們稱此為：理論家的天堂，實驗家的地獄。這種怨言雖然道出了驗證廣義相對論的實驗難做的實情，但它實在不懂得數學的美妙之處。數學家、哲學家羅素有一段精妙的論述，倒是揭示出愛因斯坦「尊重」數學的原由。羅素說：「數學，如果正確地看它，則具有……至高無上的美——正像雕刻的美，是一種冷而嚴肅的美，這種美不是投合我們天性的微弱的方面，這種美沒有繪畫或音樂的那些華麗的裝飾，它可以純淨到崇高的地步，能夠達到嚴格的只有最偉大的藝術才能顯示的那種完美的境地。一種真實的喜悅的精神，一種精神上的亢奮，一種覺得高於人的意識——這些是至善至美的標準，能夠在詩裡得到，也能夠在數學裡得到。」顯然，深信宇宙和諧的愛因斯坦以簡明和諧的數學形式推論新的引力理論實在是具有一種美學上的內在必然性。1983年諾貝爾物理學獎獲得者昌德拉塞卡說得更清楚：愛因斯坦是「通過定性討論一個與對於數學的優美和簡單的切實感相結合的物理世界，得到了他的場方程。」

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