科学天才爱因斯坦

　　1955年4月18日凌晨1时25分，一颗伟大的科学巨星陨落了，那就是阿尔伯特•爱因斯坦（图3-12）。遗嘱执行人经济学家奥托•纳坦，在这位伟大学者的棺椁前用魏玛悼念席勒的诗来赞美他：

　　“全世界都感谢他的教悔；那专属于他个人的东西，早已传遍广大人群。”

　　爱因斯坦的科学成就是多方面的，主要有：对毛细现象的研究（1900年）；对热力学的研究（1902年起）；对布朗运动的研究（1905年）；狭义相对论的提出（1905年）；对黑体辐射的研究（1908年）；对光电效应的研究（1905年）；对分子大小的新测定法（1905年）；引力问题研究（1911年起）；广义相对论的提出（从1913年起），并由此预言，在强引力场附近，光线是弯曲的；量子论和量子力学研究（从1905年起）；统一场论研究（从1923年起）。

相对论的创立经过

　　在爱因斯坦的诸多成就中，相对论无疑是最重要的。但爱因斯坦的青少年时代并不“聪慧”，在中学里也成绩平平，遇到强记强背的内容，常显得连一般同学也不如。爱因斯坦后来能成为科学泰斗，被誉为20世纪最伟大的科学家之一，靠的又是什么呢？这的确是一个令人感兴趣又令人难以回答的问题。爱因斯坦是怎样创立相对论的？爱因斯坦曾经说过：“根据原始论文来追踪理论的形成过程却始终具有一种特殊的魅力；而且这样一种研究比起通过许多同时代人的工作对已完成的题目作出一种流畅的系统的叙述来，往往对于实质提供一种更深刻的理解。”按照这种研究方法，发现爱因斯坦创立相对论的思想发展过程大致如下：

　　第一阶段，爱因斯坦在学生时代，即十五六岁时，由对运动物体光的性质的思考开始，到得出“我们关于地球相对于以太运动的想法是不正确的”结论，这是把爱因斯坦引导到狭义相对论的第一条思路。1922年爱因斯坦说过：“我第一次出现要研究相对论的想法是在十七年以前……我确信它与运动物体光的性质问题有关。光通过以太传播，地球在以太中运动。我想在物理文献中找到以太流动的实验证据，但是我一无所获。那时，我要亲自证实以太相对于地球的流动……我考虑过用两根热电耦做下列实验：放一些镜子使得从单一光源发出的光，按两个不同方向反射，一个方向与地球的运动并行，另一个方向与地球运动逆平行。如果我们认为这两个反射束之间有能量差，那么我们能用两根热电耦测出发热量的差别。虽然这一实验的想法与迈克尔逊实验很类似，但我未曾做过这个实验……不久，我得出这样的结论：如果我们把迈克尔逊的零结果认为是事实的话，那么我们关于地球相对于以太运动的想法是不正确的。这就是把我引导到狭义相对论的第一条思路。”

　　第二阶段，狭义相对论理论的孕育时期。狭义相对论有两个基础，即光速不变和狭义相对性原理。从这两个原理出发，应用洛伦兹变换，爱因斯坦得出了诸如时间变慢、长度缩短等一系列违反直观和经验的结论。

　　第三阶段，狭义相对论的创立。共用了5个星期的时间。显然创立狭义相对论前的酝酿过程（爱因斯坦从16岁开始思考这个问题，直到1905年）比具体的创立阶段要长得多。

　　第四阶段，广义相对论的酝酿创立时期。爱因斯坦第一次产生广义相对论的想法始于1907年，这是由两个不满意促成的。狭义相对论创立后，爱因斯坦对该理论并不感到满足，因为它给惯性系以特殊地位，它不能应用于一般运动的参考系。由此爱因斯坦决心要把这个问题的一般情况用公式表示出来，这是他把惯性系加以推广的努力的开始。第二点不满意在于，虽然狭义相对论清楚地阐明了惯性与能量之间的相互关系，但没有弄清楚惯性与重量或者说与引力场能量之间的相互关系。爱因斯坦觉得，这个问题不可能在狭义相对论的范围内得到解决。

爱因斯坦创造性个性的形成

　　科学家创造性个性的形成是由多种因素促成的，它们共同形成了复杂的综合条件，其中包括家庭、学校、时代三个基本因素。具体言之，则和形成科学家世界观和哲学思想的历史条件有关，和确立科学家科学研究方法论原则的历史条件有关。

　　当爱因斯坦四五岁时，他看到了父亲的那只神奇的指南针，产生了一种“惊奇”的感觉。这件事给爱因斯坦留下了“深刻而持久的印象”，这也是爱因斯坦对科学感兴趣的开始，以后这一兴趣逐渐加强是和他所处的环境分不开的。他的父亲赫尔曼（Hermann）和叔叔雅科布（Jacob）经营的是一家电机厂，从事发电机、弧光灯、计量仪器的制造，这在当时是最新的科学技术成就，足以将爱因斯坦正形成中的科学兴趣吸引过来。在此基础上，由于当时的时代影响，他的兴趣又从技术发明转向了纯科学的领域，因为爱因斯坦的青少年时代曾是理论科学和技术成就相互关系急剧变化的时期。从法拉弟和麦克斯韦的伟大科学成就开始，根本改变了科学对技术的作用，科学开始决定技术的进步，开始优于技术，被提到首位。他这一时期接二连三的转学，为他提供了确定志向的比较机会，稳定了他对物理学的兴趣。

　　爱因斯坦曾就读过的瑞士州立学校盛行佩斯塔洛齐传统，其中心宗旨是教育的人道主义原则和师生合作商讨的原则。这里的不崇拜外界权威的老师们和他们的自由探讨精神，无疑给爱因斯坦以很大影响，并决定了他以后的科学研究的风格。

　　为了培养自己的创造性，提高思维水平，在苏黎世联邦工业大学师范系学习物理期间（1896年），爱因斯坦还专修了“科学思想理论”课程。这段大学时期，从欧洲各国和世界其它地方涌来了有民主情绪的青年大学生，他们的批判精神和由此带来的普遍的创造性争论气氛恰好和爱因斯坦正在形成的内部基调相合拍，促使他形成了双重性格，即一方面他感到应把物理学理论的研究深入一步，同时也觉得应该对物理学的基本概念进行批判分析。这种双重志向的结合形成了他鲜明的创造性个性的特点，促使他在物理学危机面前，能在别人仍处于迷雾之中时看到问题的症结所在。

　　爱因斯坦在专利局工作期间，局长哈勒对部下的要求是，在审查专利时，要设想发明者所说的全是假话，如果不这样想，顺着发明者的思路走去，就会受束缚。他要求部下始终要有批判眼光，要警惕。这种从相反立场去审查发明的方法，对爱因斯坦很有教益，无疑为他的批判思想增添了“否定思考法”。

　　从思想上看，爱因斯坦的兴趣并不局限于任何一个哲学派别，他力图掌握和接受的哲学思想是多种多样的。从1902年春到1905年11月，他和他的朋友们组成了“奥林比亚科学院”，一起阅读和热烈地讨论经典的和当代的哲学著作，包括柏拉图、斯宾诺莎、休谟、康德、马赫和彭加勒等思想家的作品。

　　爱因斯坦也强调“形而上学”的作用。1944年，在他为《伯特兰•罗素的哲学》一书写的序言中，明确反对那种“把所有那些不能从感觉材料中推出的概念和命题，因为它们有‘形而上学’的特征，都要从思维中被清洗掉”的做法。他认为，由于休谟的清晰批判，为哲学造成了一种危险，即人们产生了一种致命的“对形而上学的恐惧”，它已经成为现代经验论哲学推理的一种疾病。爱因斯坦相信：“人们没有‘形而上学’毕竟是不行的”。

　　在对待宗教问题上，爱因斯坦也表现出兼容并蓄的态度。他赋予科学以宗教精神，把宗教划分三个阶段。最早的宗教叫恐惧宗教，其次是道德宗教。第三个阶段的宗教叫宇宙宗教感情，爱因斯坦称它为最高宗教感情，并相信“很难在造诣较深的科学家中间找到一个没有自己的宗教感情的人”，他称这种宗教感情是“科学研究的最强有力、最高尚的动机。”“科学没有宗教就像瘸子，宗教没有科学就像瞎子”。正因为爱因斯坦在思想上能博采众长，他的世界观则常常高出从这种或那种哲学体系中所吸取的思想。他是在吸取全人类思想宝库中的养料的基础上成长起来的。

爱因斯坦的科学方法

　　两个认识论原则的统一 爱因斯坦在创建相对论的过程中，遵循了两个认识原则。第一个原则是，理论不应当同经验事实相矛盾。第二个原则是简单性原则，即以数量上尽可能少的、逻辑上互不相关的假说为基础来建立起概念体系。爱因斯坦的独到之处在于他不是孤立地应用这两个原则，而是把它们有机地结合起来，这就使他的方法论带有鲜明的个性。当理论和观察实验之间有了矛盾的时候，为了消除这种矛盾，通常可以采用两种方法。一种是修修补补，即不违背已有理论，只提出一些附加的假设来使理论同事实相适应。这种修修补补的方法并不总是有效的，有时候从表面看消除了矛盾，实际上只不过是把矛盾转移到补充假定上去罢了，问题并没有真正解决。而且仅靠增加假设的办法来解决矛盾时，必然会在引进新的概念和假设时，使原来的体系变得更加复杂，这就直接违背了简单性原则。所以仅有第一个认识论原则而没有第二个时，就不能保证必然成功。

　　另一种消除矛盾的方法是彻底修改理论基础，建立新理论。新理论必须满足逻辑简单性，又不能同经验事实相矛盾。所以选择这一条道路的前提就是要把上述的两条认识论原则结合起来。爱因斯坦所遵循的认识论原则决定了他必然要离开传统，走一条与众不同的道路，所以他在研究方法上，对于传统形式的经验方法有所突破是十分自然的事。

思想实验方法的应用

爱因斯坦采用思想实验虽不是最早的，但名声比他的任何一个前辈都大，其原因就在于：第一，爱因斯坦进行思想实验十分频繁，几乎在论证的关键时刻，他都借助于思想实验去证明。比如打开相对论大门的同时性实验采用的就是理想实验方法；其它又如广义相对论的建立得力于“升降机”的思想实验。就是在和哥本哈根学派论战时，爱因斯坦也没有忘记理想实验的运用，他那著名的“光子箱实验”虽没有成功，但其新颖、机智，使同时代的科学家赞不绝口。就连学识渊博的玻尔在初次听到爱因斯坦讲述光子箱实验时，也一筹莫展，无法对付，只能连连自语道，“如果爱因斯坦对，物理学就完蛋了……。”

　　第二，有时，他的思想实验以严密的逻辑推导为特色，有时又以形象生动吸引人为特征，给人们留下了深刻的印象。

　　第三，爱因斯坦通过思想实验取得了辉煌的成就，开辟了物理学发展的新篇章。

　　两面神思维法 两面神是罗马神话中的门神，它有两个面孔，能同时转向两个相反的方向。“两面神思维”一词是美国精神病学家A．卢森堡提出的。按照他的解释，该词是指，同时积极地构想出两个或更多并存的和（或者）同样起作用的或同样正确的相反的或对立的概念、思想或印象。1979年，卢森堡对首次发表的爱因斯坦的论文《相对论的基本概念和方法的发展》进行分析后发现，爱因斯坦是两面神思维的典型。

　　爱因斯坦在科学研究中既看到了证实实验的作用，又看到了否证实验的作用。在别人都认为迈克尔逊实验毫无价值时，唯独他认为“迈克尔逊实验给出了一个为任何人都应当理解的真正伟大的结果”。在他的思想里，证实实验和否证实验是统一在一起的，而两面神思维方法的实质就是从对立之中去把握统一。比如，在别人仅仅看到光或者是波或者是粒子时，他运用两面神思维法看到了光既可能是波、又可能是粒子的证据；他既看到了时空相对性，又看到了绝对性，并把这两个方面统一在统一的时空流形之中；他从分析惯性系出发找到了对立面非惯性系；为使惯性系和非惯性系相统一，他找到了惯性质量和引力质量这另一对对立面，并以其为中介，达到广义相对论的高度；当别人盯住迈克尔逊实验时，他还同时盯住经典物理学的理论基础；当别人只注意到实验与理论之间明显的裂痕时，他看到的还有牛顿力学体系和麦克斯韦电动力学体系之间的内在的逻辑不统一性；在别人看到力的地方，他看到的是时空弯曲。这些都体现了爱因斯坦对两面神思维方法的应用，两面神思维法使爱因斯坦的思想具有极强的创造性。

　　强调思维的自由创造 爱因斯坦思维的另一大特征在于，他强调思维的自由创造。这在学生时代就已经成为爱因斯坦的思维特征。在苏黎世联邦工业大学学习期间，他做物理实验时就总是不按照教师的规定去做，惹得物理学教授十分恼火，但他的实验结果时常是很出色的，用物理助教的话来说就是：“他的答案是正确的，他用的方法总是很有趣的”。在大学学习期间，他从没有按部就班地随功课表上过课，他不喜欢的课程就坚决“刷掉”。他认为需要的知识就自学或选修，他从没有做过刻板的教学方式的俘虏，因而传统的大学教育惩罚了他，只让他勉强毕业，剥夺了他当助教的资格。但这一段的锻炼是必要的，他学会了自由自在地安排生活，学会了自由自在地思维，培养了他的探索精神，为日后他从事科学研究带来了极大的好处。