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杨振宁眼中的爱因斯坦

2019-03-14  alayavijn...

—致敬爱因斯坦140周年诞辰

1879年,麦克斯韦溘然长逝,恰逢爱因斯坦诞生,历史完成了一次伟人的接力。

继麦克斯韦统一光电磁后,20世纪初,爱因斯坦单枪匹马用狭义相对论统一了时空与质能,并在提出广义相对论后,首次试图建立统一场论,这成了爱因斯坦穷尽后半生追求的梦想。

大多数物理学家却对此嗤之以鼻,晚年的爱因斯坦看似走进了一个死胡同。

1952年,杨振宁30岁,始终对爱因斯坦前行的道路坚信不已,因相变论文他与爱神有了第一次近距离接触,交流过程中,他虽不能完全听懂爱神所述的观点,但却对黑板上所画的麦克斯韦曲线图尤为深刻。

而后,1954年,杨振宁主导的“规范场论”实现了“统一场论”发展的关键一步,统一了自然界四种力中的三种。

当我们站在21世纪,回望20世纪物理学的三项里程碑——相对论、量子力学、规范场时,才明白1952年的谈话,这又是一次历史伟人的接力。

下文为杨振宁于爱因斯坦百年纪念访谈

(记得文末领彩蛋哦)

▼▼▼


今年是爱因斯坦“奇迹年”的百年纪念,您能否谈一下您所了解的这位科学巨人的情况?

在西南联大读研究生的时候,我已经对爱因斯坦钦佩不已。1949年,我从芝加哥大学获得博士学位一年后,应邀前往新泽西州的普林斯顿高等研究院,而爱因斯坦自1933年以来就在那里当教授。1949年爱因斯坦已经70岁了,虽然退休,他依然拥有自己的办公室,并且每天步行前往,他不驾车。他在普林斯顿继续进行自己的研究,直到1955年去世。

当时,高等研究院有大约30多名博士后,我也是其中的一员。大家都深深地尊敬和崇拜爱因斯坦,但是我们也认为不应该打搅他;况且他的兴趣是在被称作统一场论的方向上,而我们没有一个人做这方面的研究。我们当时主要是从事现在被称作核物理的研究。1930年以后,尤其是受到世界大战的影响,核物理成为一个新领域,人们显然非常需要了解核子的结构。因而,我们所有人都或多或少地介入了核物理的领域,而这个领域与爱因斯坦的兴趣所在相距甚远,所以我们没有主动找他谈过。

但是就在那个时候,爱因斯坦完成了《相对论的意义》的新附录。他把自己对统一场理论的一些新想法写在了新的附录中,并希望就此做一个演讲。

这个演讲最后并不是很成功,因为他想做的是改变广义相对论中引力场方程的矩阵,这是个最终被证明是个很难有收获的方向。

(广义相对论核心方程)

②您同爱因斯坦有无个人的接触?

我想,那是在1952年,我同爱因斯坦有过一次更近距离的接触。李政道和我当时发表了关于相变的两篇论文。相变是物理学中一个非常重要的课题,是指类似于水转变成蒸汽或者冰转变成水这类事情。李政道和我在这个领域有一些很好的结果。爱因斯坦注意到了,而相变也是他最喜爱的领域之一。他对经典物理学的研究主要基于两个方面:一是统计力学,其中包含相变理论;另一个是电磁学。他在这两个方面都做出了杰出的贡献。

总之,他看到我们的论文很感兴趣,所以他让当时的助理考夫曼过来,找我去跟他谈谈。所以我就去了。我跟他谈话的时间应该有一个半小时左右。他讲了很多内容,还在黑板上画了一个麦克斯韦曲线图,但是我没明白他所说的主要观点,因为面对这样一位令人敬仰的伟人我有点拘束,而且他把德语和英语混在一起,使我不大听得懂。

(麦克斯韦速率分布曲线)

您也有过在伟人面前感到局促的经历,这在我们普通人看来十分有趣。

:我和爱因斯坦还有一次近距离的接触。那是在尼耳斯·玻尔来访问的时候。玻尔是20世纪最伟大的理论物理学家之一,他是爱因斯坦的朋友,也是对手。

那是一个比较通俗的演讲,会场设在一个普通的大屋子里,由于没有足够的椅子,我们很多人就坐在地上。爱因斯坦也参加了这次演讲。从传播知识的角度看,那次演讲非常失败,因为玻尔的母语是丹麦语,对于多数听众来说他的口音很重。如果我没记错的话,爱因斯坦最后问了一、两个问题,不是很多。

当时我们大多数的年轻人只是坐在那里,观察这两位伟大的物理学家的反应,而并不真正懂得发生着什么事情。要知道,爱因斯坦和玻尔的学术争论是历史上最重要的思想交锋,他们的对话试图阐明量子力学的意义。玻尔对于在1927年那次会议中他同爱因斯坦之间不同寻常的对话感到非常自豪,他在此后的那些年里反复使用他当年在黑板上所绘出的图示。据说那幅图解在他去世的当天还留在办公室的黑板上,有人还在他刚去世时拍下了照片。

 (玻尔与爱因斯坦)

这些故事非常有趣。想必您在见过爱因斯坦之前,已经仰慕他很久了。请问您是什么时候、在怎样的情况下知道爱因斯坦的?

我在读小学的时候就已经听说过他的名字。当然,那个时候我什么也不懂。大约在1934年,我读了爱丁顿和金斯的两本书。其中一本叫做《神秘的宇宙》,我在读初中的时候就有中文译本。我读了此书并被它迷住了。

当我回忆自己和20世纪物理学的那些未解之谜的初次接触时,至今仍能体会到当时所感受的那份震撼。所以,那很可能是我第一次被爱因斯坦的研究成果所深深迷住。

⑤您是如何看待爱因斯坦对美国物理学发展所起的作用的?

:爱因斯坦没有收过研究生。 他是1933年到高等研究院的。爱因斯坦在高等研究院有一些助手。每年他都会有一位助手,这位助手将跟随他工作两年。后来他的助手中有一些人成了非常著名的物理学家。但是,因为爱因斯坦所作的演讲不多,所以我想他对美国物理学的影响是通过早期的工作得以实现的,而不是通过他1933年后在美国的定居所直接产生的。

第二次世界大战后,他就再没回过欧洲。也许你知道爱因斯坦被邀担任以色列总统一事,但是他拒绝了。

在20、30 年代,他去过加利福尼亚。但是战后,我相信他没有再去过。从某些意义上讲,爱因斯坦的举止完全像一个退休隐居的教授;但是实际上,他一直在为统一场论而进行研究。

 (爱因斯坦与锡安主义的领袖们)

⑥有一个故事说卓别林见到爱因斯坦,对他说:“全世界都知道我们俩:人们知道我是因为谁都知道我在干什么,而人们知道您是因为没有几个人知道您在干什么。”您刚才还提到爱因斯坦拒绝出任以色列总统,这与我下面的问题相关:您能大致谈一下爱因斯坦的政治生活吗?

:当年爱因斯坦是应普朗克的邀请从瑞士去德国的。他在柏林的最初生活,相对而言是比较平静的。爱因斯坦就是在那几年里做出了具有深远影响的贡献。

例如,在1915年和1916年他创立了广义相对论,然后对量子物理进行了深刻的考察。在1924年,他进一步推进了自己原先在凝聚态物理方面的观点,而这些理论的应用在最近几年才变成现实。

在上个世纪20年代初期,希特勒开始掌权以前,有些人刁难爱因斯坦,就因为他是犹太人出身。希特勒上台后事情变得更加令人厌恶。我们可以清楚地看到,在那些年代里,爱因斯坦一直强烈地反对德国社会上的种族歧视。

二战期间,爱因斯坦参与签署了致罗斯福总统的一封非常著名的信,信中强烈敦促美国要注意将来可能问世的原子武器。

二战结束后,他在多次政治声明中主要关注的是国际间可能的合作,人权与正义,以及先进武器所具有的危险等,包括临终前几天在著名的“罗素-爱因斯坦宣言”上签名。

战后爱因斯坦的公众形象被他的一尊塑像生动地摹画出来,该塑像矗立在华盛顿特区的美国国家科学院的院子里。塑像可以很好地代表爱因斯坦在公众心目中的形象,它确实体现了爱因斯坦的精神面貌:他的眼神茫然,好像已经置身世外,专注地思考着什么。

(卓别林与爱因斯坦)

⑦我知道您为自己儿子拍过一张与爱因斯坦在一起的照片。

:是的,那是在1954年秋天,在普林斯顿。实际上,爱因斯坦是一个非常和蔼的人。邻居家的小孩子们都认识他,当他向高等研究院走去时,他们有时候会跑过去问爱因斯坦一些几何问题。

有一本非常不错的书,名叫《爱因斯坦的人性》。这本书收集了爱因斯坦给那些写信求教的人的一些复信,甚至包括对某些幼稚问题的更正。书中体现了爱因斯坦的另一面:他的确是一位非常人性的敏锐的观察者,这一点与我刚才说的那个雕像形成鲜明的对照。如果你细读他的文章,就会发现他对世事与人性的了解洞若观火。

⑧20世纪早期有三次科学革命,它们是否都与爱因斯坦有关?

:当然,爱因斯坦对于整个当代物理学的所有领域都有深远的影响。20世纪早期物理学有三次革命,也就是狭义相对论、广义相对论和量子力学。

爱因斯坦对于前两次革命有着百分之百的贡献;几乎可以这样说,他单枪匹马地完成了这两次革命。

第三次革命是很多人努力的结果,其中包括爱因斯坦。如果将他对量子力学的贡献用一句话来概括的话,那就是他坚持了电磁波也是粒子这个论点,我们现在将它称为光子。“光子”这个词不是爱因斯坦发明的,但是这个概念是爱因斯坦首先引出的。

⑨您认为导致爱因斯坦产生相对论的核心观念是什么?

:好,现在我就来谈谈狭义相对论。以今天的眼光回顾过去,狭义相对论不仅仅是一个划时代的革命,它也有某些爱因斯坦最初并未自觉意识到的深远影响,那就是对称性原理的应用。

爱因斯坦在1905年发表关于狭义相对论的论文时,他并没有充分意识到自己所提出的是一个对称理论。所以,在1905年的时候,爱因斯坦的思想距离对称性支配相互作用还是很远的。

然而在两、三年后,伟大的数学家闵可夫斯基指出爱因斯坦所做的研究,在更深层的角度来看是对称性原理的应用。

爱因斯坦一开始不喜欢这种说法,不过他很快就改变了想法。他不仅认识到狭义相对论的理论框架十分对称这个事实,而且还开始表示应该对对称性观念进行推广。

在他老年的自传中有提到,在1905年提出狭义相对论三年之后,他感到狭义相对论中的对称性受到了限制,应该对对称性的应用加以扩充,这一思想同物理学上称为等效原理的思想结合起来,导致爱因斯坦完成了广义相对论。

(狭义相对论)

⑩这一事实充分揭示了数学观念与物理实在的关系,由此可以想见老年的法拉第在得知麦克斯韦成功地用数学方程说明电磁现象时的惊讶和喜悦。

:是的,这个比喻很恰当。我为什么特别提到这个问题呢?因为对称性是20世纪物理学中一个最重要的课题,而且很明显也将在21世纪的物理学中发挥主导作用。所以,狭义相对论本身不仅仅是一个重要的物理学理论,它也为物理学的基本概念引进了一种新的要素,我把它称做“旋律”。

对称性是20世纪物理学的重要旋律之一,而且这一旋律将在21世纪很好地继续下去。这个观点现在已为所有的理论物理学家和数学家普遍接受。广义相对论是爱因斯坦异常美丽的创造,它有着深远的影响。很明显,这些东西与人们对广义相对论的发展、评估或修改是紧密结合在一起的。

宇宙学本身就是由爱因斯坦所创建的学科,在完成广义相对论几年之后,他写了一篇论文,那篇论文被认为是当代宇宙学的开端。所以,一个人能在一生中对整个物理学领域、而且通过融会贯通这个领域,实际上对整个现代科学的诸多方面产生如此深远而重要的影响,这的确是非同寻常的。

(质能方程)

⑪您能否给我们介绍一下爱因斯坦对统一场论的探索?

:广义相对论的成功使爱因斯坦能够对世人讲,“好了,作为一个研究领域,我们对重力的本质算是搞清楚了,因为广义相对论实际上就是关于重力的理论”。同时他也会说,我们还有一个已经搞得很清楚的研究领域叫做电磁场,现在应该试图把这两个领域统一起来,并融合到一个几何学的框架之中来。就这样,爱因斯坦领悟到应该有一个统一的场理论,这就成为他注意力的重心所在。

从1933年他移居普林斯顿之后,建立统一场论就成为他的最终学术目标。爱因斯坦去世后的10到20年间,很多人觉得他在晚年已经变成一个产出贫乏的科学家,脱离了那种使他早年成为伟大物理学家的物理学,而专心探索一种虚幻的、不存在的东西。

1979年,在爱因斯坦诞生100周年的纪念会上,我对这种观点提出了异议,我说:“或许有人可以将爱因斯坦晚年的追求称之为痴迷;但是,它是一种美丽的痴迷,正是这种痴迷使现代物理学找到了方向”。今天,这一论点比1979年时更加清晰和有力。因此,我想说今日基础物理学中最重要的问题依然是对统一场论的探索。

自爱因斯坦逝世到今天,问题变得日趋明朗,对于爱因斯坦痴迷于统一场论的轻蔑态度已经日渐消失;取而代之的是,大家都认为这是一个正确的方向。但是,如何完成爱因斯坦的梦想,我认为仍然存在着难以想象的困难;或许,由于各种技术上的原因,是今后30到50年内都解决不了的问题。但是无论如何,这种痴迷代表的是正确的方向——这一点,大家都会接受。

(统一场论最新成果图)

⑫您刚才对爱因斯坦的生活与科学贡献作了非常生动的描述。我还有一个事关他的哲学信念的重要疑问,我想请教一下,为什么爱因斯坦对量子力学持如此强烈的怀疑态度?

我想这个问题应该倒过来问,为什么人们相信现在对量子理论的解释是正确的呢?

目前对量子力学的解释和我们日常生活的经验是截然不同的。尽管量子力学取得了伟大的成功,爱因斯坦仍然有勇气坚持说目前对量子理论的解释并不是最后的定论,这种想法他一直坚持到生命的最终。

我想现在几乎每个人,我指的是以物理学为职业的专业人士,都赞成他的这种看法。但是这并不意味着我们不接受量子力学的哥本哈根诠释以及这一理论所取得的成功,后者已通过不同的实验事实一再地显现出来。尽管如此,几乎每一位物理学家都相信这不会是最后的定论。

(1927年第五届索尔维会议)

⑬您能不能简单谈一下爱因斯坦的统一场理论对21世纪物理学的重要意义?

:这个问题回答起来还有一点难度,我们所谈论的事情与爱因斯坦发起的两个半科学革命是相关的。

但是如果你问我他的影响的话,除此之外,就未来而言,我想说,第一是他对统一场论的持之以恒;第二就是他所强调的统一场论中的两个必不可少的概念,即:一、对称性,它是推动统一场论的一个重要元素,或者说21世纪理论物理学中的一个主旋律;二、统一场论必然基于一种几何学的概念。这两个观点现在已经被大家广为认同。

               (原载《科学文化评论》第2卷第3期)

福利来袭

今天3月14日,是科学家爱因斯坦140周年诞辰,值此重要的日子,我们联合中信出版社给大家准备了精美礼物。

《物理学的进化》是美国科学家、物理学奠基人阿尔伯特·爱因斯坦和波兰物理科学家利奥波德·英费尔德合著的科普读物。这是世界科学史上普及科学思维的代表之作,作为相对论的创始人,爱因斯坦亲自科普相对论和量子论,无人可以代替。

书中介绍物理学观念从伽利略、牛顿时代的经典理论发展到现代的相对论、量子论和场论的演变情况。其中选择了几个主要的转折点来阐明经典物理学的命运和现代物理学中建立新观念的动机所在,从而引导读者怎样去找寻观念世界和现象世界的联系。全书分为四章:机械观的兴起;机械观的衰落;场、相对论;量子。全书没有引用数学公式,文字通俗易懂、举例浅显,编写体裁别开生面,是一本生动有趣的科普书籍。

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