相对论的“失败”

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相对论的“失败”马建波 《 博览群书 》（ 2011年04月07日）

多维视角下的诺奖（1）

    很多时候，科学被人们想象为人类社会中的一项特殊事业：它是客观的、确定的，因此更少受人类天性中的那些弱点——尤其是偏见和狭隘——所影响。应该说这是一种美妙的想法。不过，只要对科学的历史稍加留意，我们就能发现，在科学的实际运行中存在的狭隘和偏见，与人类其他领域比起来其实毫不逊色。诺贝尔科学奖在今天的声誉无与伦比，但也无法摆脱这一人类行为规则的制约。在它100余年的历史中，一些有趣的故事恰好可以作为上述观点的精彩注脚。本刊约请中国人民大学哲学院教师马建波先生撰文，为读者提供其中的几个经典——不是曝光，也不是窥私，当然更不是诋毁——而是希望我们对科学的理解和审视，能够多一种维度。
    爱因斯坦是20世纪最具人气的科学家，他创立的相对论公认是人类在那个100年里取得的最了不起的科学成就之一；由于对物理学的卓越贡献，他荣膺1921年度的诺贝尔物理学奖。这些都人所共知。不过，很多人不知道的是，相对论不仅不是爱因斯坦获得诺贝尔奖的理由，相反，因为相对论，爱因斯坦几乎与诺贝尔奖失之交臂。
    爱因斯坦的奇迹
    1905年，史上有“爱因斯坦奇迹年”之称。在这一年，爱因斯坦完成了从一个名不见经传的小职员，到顶级物理学家的华丽转身。该年，爱氏完成了6篇论文（其中一篇隔年发表），它们对20世纪的物理学都产生了深远的影响。在这些论文中，有两篇——《关于光的产生和转化的一个启发性观点》及《论动体的电动力学》最值得一提。前者为作者带来了诺贝尔奖，后者则是作者毕生心血所系的相对论的前奏曲。
    早在1900年，为了应对经典物理学出现的危机，伟大的马克斯·普朗克提出了“能量子”的概念。当时，他并没有意识到，自己开启了一条人类通达微观世界深处的大门。由于“能量子”与传统物理学的基本观念格格不入，甚至连普朗克本人都对它感到厌恶。他多次声称，这个东西不过是数学处理时的权宜之计，不是物理实在，也没有多少理论的价值。然而，爱因斯坦却从中嗅出了革命的气息。这个从小似乎就不善于循规蹈矩的年轻人，并不认为违背传统的观念是多么严重的错误。他创造性地将“能量子”的概念引入到了对光的研究之中，在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中完美地说明了光电效应现象。可以说，这是一篇承前启后的作品，上承普朗克，下启玻尔等人，使得“量子”成为了当代物理学的关键词。在今天，量子力学已经是人们处理微观物理世界时不可或缺的工具。因此，这篇文献在物理学史上的地位不言而喻。
    《论动体的电动力学》从两个简洁的假设入手，进行了一系列的推演，在时空关系等物理学的基本问题上同样进行了离经叛道的思考。均匀流逝的绝对时间，以及无限广延的绝对空间，时间和空间之间彼此独立，万物均在时间和空间搭建的舞台上繁衍生息，这样的时空观念，至迟自牛顿以来，就牢牢盘踞在人们的心灵深处，构成了人们认知和理解整个宇宙的基本信念。爱氏却通过他的结论告诉人们，时间和空间既不均匀，彼此之间也不独立，它们与物体的运动速度之间有紧密的联系。这也就是后来被称为“狭义相对论”的思想。
    不过，当人们还在喋喋不休地争论狭义相对论所引发的问题时，爱氏已经将他的思想推向了宇宙中更为深远的地方。对他来说，狭义相对论不是一个理想的理论。就像是一列马拉的火车，尽管它预示着一个新时代的到来，但自己的身上仍然留下了旧时代的深深烙印。所以，爱氏决心寻找一个更自洽、解释力更强、更具包容性的理论。经过10年的艰苦求索，爱氏于1915年宣布自己找到这样一个全新的理论——即广义相对论。与狭义相对论比，广义相对论适用范围更宽，同时还明确指出，时间和空间的性质取决于物质的分布。这对于经典的绝对时空观是一种完完全全的颠覆。依据这一理论，爱氏成功解释了水星在近日点的异常运动，并作出了两个匪夷所思的预言：1、在强引力场中，光谱会向红端移动；2、光线在质量巨大的物体附近会发生弯曲。
    1919年，利用一次难得的日全食，人们进行了仔细的观测。结果发现，遥远星星射出的光线，在经过太阳附近时，的确发生了偏转，结果与爱因斯坦的预言相符。至此，类似于“牛顿以来最伟大的科学家”这样的修饰语，便与爱因斯坦这个名字紧紧地联系在一起了。
    让爱因斯坦飞一会儿
    大约从1910年开始，爱因斯坦的名字就出现在了诺贝尔奖候选人的名单之上。随着名声日隆，关于他的提名也越来越多。不过，诺贝尔奖评审委员会有自己的考量，成员们决定要爱氏飞一会儿，再飞一会儿。这一飞就是十多年。
    关于阻碍相对论获奖的种种因素，罗伯特·弗里德曼在《权谋：诺贝尔科学奖的幕后》一书中有过全面而精彩的分析。其中有关文化和意识形态方面的部分，笔者不赘，感兴趣者可索书观赏。此处仅仅从科学的角度来看看，诺贝尔奖评审委员会为什么不愿意授予相对论一个奖。
    首先，近代以来，物理学家的一个教条是，物理学的理论必须建立在实验的基础之上。物理学和数学的不同，就在于此。牛顿有名言曰：“我不作假设。”可谓一语中的。而不管是狭义还是广义相对论，爱因斯坦的表述都相当数学化，特别是广义相对论，更是需要借助极复杂的数学技巧来表达。这令很多正统物理学家感到忧虑。在他们看来，爱氏不过是在玩弄数学的技巧，在偏离讲求实证的物理学正道的“歪路”上走得太远。因此，要授予爱氏一个物理学奖，会对物理学的发展带来负面影响。
    其次，更为重要地是，相对论完全脱离了人类的日常经验，甚至是直觉。时间会变慢、长度会缩短、质量会增大、光线会弯曲……这些结论完全突破了人类想象的极限。在很多人看来，它们恐怕连科幻都说不上，充其量也就是一种形而上的玄想，如何能够授予一个全世界都瞩目的科学奖？如果说，相对论中高深的数学只是让很多人感到不安，那么这些脱离人类日常经验的“臆测”，只会让他们感到厌恶。在这里，人们对这一理论可能是错误的恐惧，要大过对创新观念的欣赏。换句话说，人们宁愿接受被称为“保守”的嘲讽，也不愿承担不谨慎的“冒进”而招致的后果。即便是1919年之后，从内心深处由衷讨厌相对论的物理学家仍然不是少数。1920和1921连续两年，诺贝尔奖评审委员会在为相对论出具报告时，主笔者持有的都是这样的论调，结论也当然是认为相对论不配被授予这样一个崇高的荣誉。
    当然，从爱氏在这些年获得的压倒性的提名数量来看，支持和同情相对论的科学家也不在少数。只是很不幸的是，诺贝尔奖的话语权掌握在另外一些人手中。关于科学的进步，普朗克曾经有过一段意味深长的评论，大意是说，新理论之所以能够获得胜利，不过是因为支持旧理论的人死光了，支持新理论的人成长起来了而已。某种程度上，诚哉斯言。
    柳暗花明
    1919之后，不管诺贝尔奖评审委员会的成员们对相对论持有何种的态度，爱氏的名头总之是越来越响。有关爱氏的获奖问题也越发变得棘手。试问，一个国际上最具声望的科学奖，竟然对一个被誉为牛顿接班人的物理学大师不闻不问，情何以堪？问题越来越演化成了这样：不是说应该授予爱因斯坦一个诺贝尔奖，成全他的名声；而是说爱因斯坦应该有一个诺贝尔奖，以保全诺贝尔奖的声望。所以，必须颁给爱因斯坦一个奖。否则，难免有人会嘀咕：爱氏都没有获奖，谁有资格获奖呢？正是迫于这样的压力，1921年的诺贝尔物理学奖当年没有颁发，出现了难得一见的空缺。
    越是在关键的时刻，越是能显现出人类聪明才智的创造性。幸运地是，人类历史上也从来不缺乏聪明人。一个叫奥森的人及时出现，最终帮助诺贝尔奖评审委员会度过了危机，走出了进退维谷的窘境。奥森是一个更年轻的物理学家，其时正好被增补为评委。奥森意识到，既然问题已经简化为必须给爱因斯坦一个奖，那么仅仅把眼光局限在相对论上就是一个错误。爱氏有那么多出色的工作，为什么非得在一棵树上吊死呢？于是，在1921年，奥森“剑走偏锋”，提出爱氏完全有资格凭借在光电效应方面的杰出贡献而获得诺贝尔奖（公允地说，爱氏光电效应的论文，在创造性和革命性方面，并不亚于相对论，以此为名给爱氏一个奖，也完全名至实归）。无奈，当年反对爱氏的气场太强，奥森的良好意愿落空。
    1922年，奥森卷土重来。在经过充分准备之后，他详细论述了爱氏1905年关于光电效应的文章的“革命性”意义，以及该项工作对于后续工作的重大影响。奥森特别强调了爱氏这项工作是在实验基础之上的精辟概括，并且得到了实验的充分证明；而且小心翼翼地避免提及相对论。奥森的精心付出得到了回报，他的报告打动了评委会。最终，评委会决定将1921年的诺贝尔奖补授予爱因斯坦。
    事情总算是有了一个皆大欢喜的圆满结局。对于诺贝尔奖评审委员会来说，不管出于什么理由，给爱氏一个奖，好歹堵上了人们的嘴（1922年度的诺贝尔物理学奖获得者是玻尔。20世纪两个最了不起的物理学家同时获此嘉奖，可谓珠联璧合，相得益彰。因此，在我看来，诺贝尔评委会无意中还算成就了一段佳话）。而对于爱氏来说，虽然诺贝尔奖给他增添的荣誉几乎可以忽略不计，但是，它附带的一大笔真金白银，不啻一场及时雨（当时他正俗务缠身，总是缺钱花）。唯一令他感到啼笑皆非的也许是，诺贝尔奖委员会在给他的获奖电文中，郑重其事地提醒：在颁奖典礼上，不得谈论有关相对论的任何问题。
    诺贝尔奖委员会的担心不是多余的。1922年底，爱氏正在进行他的远东之旅，目的地是日本，无法参加当年的颁奖典礼。补颁仪式是在次年中举行的。现场气氛十分热烈，爱氏的幽默和睿智再一次征服了听众。主题当然是相对论——他一如既往地那样无拘无束。
    （本文编辑   宋文佳）
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