爱因斯坦的相对论为何无缘诺贝尔奖
2016-03-18
美国科学家们日前探测到引力波的新闻,让人们再度开始关注预言引力波的广义相对论。相对论是20世纪最伟大的科学理论,三个月前,广义相对论刚刚度过100周年诞辰。在这100年里人类社会的方方面面都受到广义相对论的影响。然而令人遗憾的是,爱因斯坦并没有因此获得诺贝尔奖。
政治运动的牺牲品
少年时代的爱因斯坦对于僵硬乏味的德国教育深恶痛绝。在随父母搬到意大利米兰之后,从高中退学,而后独自前往瑞士,在16岁时转学至瑞士阿劳中学,他才真正开始感受到瑞士启发式教育的可贵。在爱因斯坦的少年和青年时代,他性格中不受拘束、活泼开朗的一面在风气宽松的瑞士得到了最大限度的发挥。
22岁时,当时找工作屡屡被拒,囊中羞涩的爱因斯坦在瑞士伯尔尼街头贴出广告,愿意以一个小时3法郎的价格讲授数学和物理学(当时爱因斯坦给欧洲各个大学的物理学教授写信申请助教工作,但是均不成功,他还试图申请过在保险公司的工作,也没有成功)。正是通过这种年轻人的方式他认识了莫里斯·索罗文,这位在智力上给予他极大激励的一生好友。两人见面之后互有好感,他们之间从未有过真正的授课,而是每天见面,一起讨论哲学和物理学问题。到了1902年,爱因斯坦、索罗文加上另外一个朋友三人共同成立了一个经常见面、以探讨科学和哲学问题为目的的小组,爱因斯坦戏称之为“奥林匹亚科学院”。在这个小组中的频繁讨论无疑为开拓青年时期爱因斯坦的眼界提供了极好的机会,对于当时在学术界找不到位置,只能在伯尔尼专利局做小职员养家糊口的爱因斯坦来说,奥林匹亚科学院让他始终保持着对于物理学前沿问题的敏锐。
也正是在奥林匹亚科学院期间,爱因斯坦开始了对于绝对时间和绝对空间概念的批判性思考。
1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,一时间石破天惊。1909年,德国著名化学家、诺贝尔奖得主奥斯特瓦尔德提名爱因斯坦为1910年度诺贝尔物理奖候选人。但当时狭义相对论很有争议,美国首位获得诺贝尔物理学奖的迈克尔逊,直到逝世都坚持认为“相对论站不住脚”。在当时的主流物理学界,对于狭义相对论的怀疑论调占了上风。这样一来,尽管奥斯特瓦尔德后来又在1912年和1913年连续提名爱因斯坦的狭义相对论获诺贝尔奖,但爱因斯坦始终未被评上。
1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交四篇论文,他解释了水星近日点的进动,并给出正确的引力场方程。至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生。伴随而生的是更加激烈的争论,而且这一次的争论不单单是纯粹学术上的,由于爱因斯坦是犹太人,而且是生活在德国的犹太人,因此他和他的相对论不幸成为政治运动的牺牲品。
并未颁奖给爱因斯坦
1919年初,著名物理学家普朗克提名爱因斯坦为诺奖的候选人。1919年5月,爱丁顿和戴逊率领科学考察队考察验证了广义相对论的某些内容,并将结果于当年9月公之于世。同时,一场针对爱因斯坦及其相对论的恶意攻击也随即展开。1920年8月24日,一场反相对论的公开演讲在柏林最大的音乐厅登场,主讲者是德国实验物理学家格尔克和铁杆反相对论人士魏兰德。一个月后,德国中部旅游胜地巴德瑙海姆上演了第二场反相对论公开演讲,主讲者包括著名的德国实验物理学家、1905年诺贝尔物理学奖得主勒纳德。1919年诺贝尔物理学奖得主斯塔克也公开质疑相对论。
爱因斯坦亲身去听了反相对论的演说,结果他发现那些演讲中没有任何有分量的反对意见,有的只是含糊其辞、捕风捉影的指控和抨击。事实上,无论勒纳德还是斯塔克,都是忠实的纳粹信徒,主张推进所谓“德意志物理学”,清除“犹太物理学”,而爱因斯坦是犹太人。
然而,这些“物理学界泰斗”的态度给诺贝尔委员会造成了压力。1921年,要求爱因斯坦获取诺贝尔奖的呼声几乎达到顶峰。就在当年,诺贝尔奖委员会找了一位很有权威的瑞典专家古尔斯德兰德,让他写关于广义相对论的评价报告。但古尔斯德兰德在他所写的评价报告中严厉抨击了相对论。1921年,诺贝尔奖委员会选择让当年的诺贝尔物理学奖空缺,未颁奖给爱因斯坦。
补授给他的奖项
然而此时,爱因斯坦在物理学界的威望之高,已经让诺贝尔奖委员会不能忽视他。几经考虑,诺贝尔奖委员会想出一个折中方案——1922年,他们决定把1921年的诺贝尔物理奖补发给爱因斯坦,但爱因斯坦的获奖理由不是相对论,而是他在提出狭义相对论之前所发现的光电效应定律。
自爱因斯坦发表广义相对论以来,科学界一直在努力印证相对论的理论。在发现引力波之前,美国国家航空航天局和有关研究人员,已经证实了爱因斯坦广义相对论中两项重要预测。
验证的第一个理论是测地线效应,也称短程线效应。该理论认为时间和空间会因为地球等大质量物体的存在而弯曲。通俗地说,如果把时空结构想象为一张平坦的床单,把地球等大质量的物体看做是一个保龄球的话,当“保龄球”被放在“床单”上时,床单就会发生凹陷。
验证的第二个理论是惯性系拖曳效应,该理论认为,大质量物体的旋转会拖动周围时空结构发生扭曲。这时可以把地球等大质量物体想象为一个橡皮球,把物体周围的时空结构看做是一碗黏稠的蜂蜜,当“橡皮球”在“大碗”中转动时,就会带动碗中的“蜂蜜”跟着“橡皮球”一起运动。