相对论与诺贝尔奖：爱因斯坦的火花

爱因斯坦并未出席1922年的诺贝尔奖颁奖典礼，当时瑞典著名的物理化学家斯范特·阿列纽斯（Svante Arrhenius，1859—1927）代为发表他的成就。诺贝尔奖委员会在前半段引文里隐晦地承认他对相对论的深刻见解：“由于他对理论物理的帮助，特别是他发现光电效应定律……”这也算是一个“安慰奖”。由于委员会认定在1921年的提名人选里无人达到得奖标准，根据规定，此奖项可以被保留到来年，然后把这规则套用于爱因斯坦身上。因此爱因斯坦晚一年于1922年才拿到奖项。如此规则被用在上一个世纪最伟大的物理学家身上，是众多诺贝尔奖当中一个不公正的例子。“爱因斯坦必不能得到诺贝尔奖，即便整个世界都要求他必须得到。”这位具有影响力的物理委员会成员阿尔瓦·古尔斯特兰德如是宣称，他本身享有诺贝尔生理学奖殊荣，甚至瑞典邮票上都印有他的图像。他一直是位将爱因斯坦的理论看成一无是处的坚定信徒；但即便是他，也无法阻止爱因斯坦拿到他的奖项。

当英国天文物理学家亚瑟·爱丁顿爵士组织的考察队到西非和巴西，于1919年的日食中证实了星光受太阳曲率弯曲之后，爱因斯坦马上成为世界最有名的科学家。“科学上的革命”“牛顿的概念被推翻”“空间被弯曲”“新的宇宙理论”，这都是一些报纸的头条。如《德国周报》、《柏林画报》（Berliner Illustrierte Zeitung），将爱因斯坦的研究及其对自然界的思想拿来与哥白尼、开普勒和牛顿的思想做同等地位的比较。爱因斯坦与他太太爱尔莎（Elsa）的确还未从远东的漫长旅程中回到欧洲。

1922年11月2日的日本邮轮北野丸号（Kitano Maru）载着一位有名的乘客抵达新加坡港口，当时43岁的爱因斯坦趁此中途停留，向当地犹太社群，特别是那些有钱的成员，为在耶路撒冷的希伯来大学募款资助。在爱因斯坦拜访新加坡的一星期后，他荣获了诺贝尔物理奖。那是在日本邮轮北野丸号于11月9日抵达香港之后；隔天，经由从斯德哥尔摩那边的无线电报传来爱因斯坦获得诺贝尔奖的消息。那时他正在香港到上海航行的旅途中，爱因斯坦获得诺贝尔奖的那一刻，他的位置距离台湾海岸没多远。11月13日上岸时，上海瑞典总领事递给他官方通知，爱因斯坦夫妇在中国由多位科学家和显要所招待，包括时任上海大学校长的于右任、著名画家王一亭、前北大教授张君劢等人。(www.xing528.com)

诺贝尔奖官方网站把他于1923年在歌德堡的演讲正式列为“诺贝尔演讲”。但爱因斯坦当时并没心情去谈光电效应。他所选的标题是“相对论的基本构想和问题”。或许是为了强调他的恼怒，标题附加了一脚注：“此演讲并非于诺贝尔奖的场合发表，因此，无关于光电效应的发现。”演讲最后一句话为：“假若相对论方程的形式在未来某天由于量子问题的解决，无论经过多么深刻的改变，即便我们用来表达基本物理过程的参数也都完全改变了，相对论原理也不会被摒弃，并且之前推导出的这些定律将至少会保有它们身为有限制性的定律的这层意义。”明显地，爱因斯坦愿意接受并指出“量子问题的解决”可能会改变他的广义相对论。其中让引力和量子力学之间存在很深的紧绷对立的就是“时间的问题”。目前在量子力学和广义相对论里，对时间的理解和时间演化的作用似乎并不一致，因此要尝试建构结合这两者的理论时便存在深刻而有待解决的争议。

爱因斯坦掌握了牛顿物理里面惯性质量（F＝ma）中的m和重力质量（）中的m的等效性，作为解开重力秘密的钥匙。所有物体无关质量差异均以同样加速度a掉落（把上述的两边F等同起来以消去m）。根据伽利略的学徒所写的传记，这位著名的意大利科学家于1589年在比萨斜塔上投下两颗质量不同的球，示范这两颗球落下所需的时间与它们的质量无关，与亚里士多德当初的想法违背：较重的物体比较轻的物体更快落下，并且直接正比于重量。由于惯性质量和重力质量的等效性质，一个在无引力加速向上的电梯里的人感受到地板施予他的力，与受引力而站在地球表面的人感受到的力并不同。此“等效原理”意味着引力效应并不像其他力一样，而可以在任一特定点借由坐标系的选择来抵消引力的效果。爱因斯坦对这个问题陷入挣扎中：什么样重力定律的建构，可以在任一特定点借由坐标系的选择，使得物理方程式成为狭义相对论的形式？他以深刻的见解和勇气总结出万有引力必须是由时间——空间的曲率所导致。在任何弯曲时空里，任何一特定点上的切面，事实上同构于具洛伦兹对称性的闵氏时空。因此这么一个局部的选择即可使得其上面的物理定律完全符合狭义的相对论（举个简单的例子，在一个橄榄球弯曲表面上的任一点，在那点上的切面都是一个平的二维面；但要注意到虽然任何一点的切面都是平的，它在不同点都不一样而且也没有单一个整体平坦的面能作为每一点的共同切面。要达到该条件的阻碍就在于球面的曲率）。有关任意维度曲率的问题及数学上的表述，已经被德国数学家黎曼完全解决。“从他那里我首次学到关于里奇然后是黎曼几何。所以我问他，我的问题是否可以借由黎曼的理论来解决……”这里的“他”即是爱因斯坦的挚友、同学兼数学家马塞尔·格罗斯曼。引力团体为表感谢，以他为名成立的马塞尔·格罗斯曼会议（起于1975年），是目前世界上致力于引力研究最大的学术研讨会。在黎曼几何中，最基本的变量是度规，而“几何动力学”则是完全以几何学的度规来描述广义相对论中的运动。爱因斯坦的场方程可被重新表述为：一个起始的三维空间度规将会如何随“时间”演化。希波的圣奥古斯丁（Saint Augustine of Hippo）活在罗马帝国晚年，他的著作影响到西方基督教和西方哲学的发展，在他著名的《忏悔录》里坦承，“然而什么是时间？如果没有人问我，我知道那是什么。若我想要向问我的那个人解释，我就不知道。”