江晓原：一个科学史研究者眼中的爱因斯坦（上）
阿尔伯特·爱因斯坦
（AlbertEinstein，1879-1955）
一个科学史研究者眼中的爱因斯坦（上）
江晓原
关于爱因斯坦，已经出现了无数相关的文本—学术研究、大众文本、传记、电影等等。对于中国公众来说，爱因斯坦主要被用于赞美科学、鼓吹民主、少年励志这三个方面作为典型，因此中国公众对爱因斯坦的了解经常是不全面的，而且往往是不真实的，爱因斯坦的形象往往是人为建构的，目的是为上述三个方面的教化工作服务。
作为一个科学史研究者，关注爱因斯坦，几乎可以说是这个行业的“标准动作”之一，笔者也不例外。由于爱因斯坦有着丰富的人生和伟大的成就，每一个关注爱因斯坦的人，眼中看出来的爱因斯坦很可能各不相同。下面提供的，是笔者眼中的爱因斯坦。但笔者不求面面俱到，只着重介绍以往未被公众注意到的那些方面。
曾经的“民科”爱因斯坦
如果我们将没有在主流科学共同体中任职，同时却对科学有着浓厚兴趣的人称为“民科”（民间科学爱好者）的话，那么爱因斯坦就曾经是一个超级“民科”。
一八九五年秋，十六岁的阿尔伯特·爱因斯坦投考当时欧洲最好的学校之一苏黎世综合技术学院，不幸名落孙山。他不得不进入瑞士的一所补习学校（约略近于国内今天的“高考复习班”或“复读班”），两年后（1897 年）才如愿以偿。
爱因斯坦的第一任妻子、数学家米列娃·马利奇
（Mileva Maric，1875-1948）
在大学里，爱因斯坦很快就和女同学米列娃堕入情网。米列娃比爱因斯坦年长，脚有一点跛，她出身奥匈帝国官宦之家，自幼有才女声望，在男校读完中学，和爱因斯坦同年进入苏黎世综合技术学院。由于米列娃不是犹太人，因此爱因斯坦和她的恋情遭到父母的强烈反对。然而一九〇一年米列娃珠胎暗结，她不得不回到父母家生下孩子，再回到学院却未能通过毕业考试，无法得到文凭—这是一个典型的女大学生早恋并婚前怀孕而导致学业失败的悲惨故事，爱因斯坦在此事中就像一个坏小子。
爱因斯坦一九〇〇年拿到了这所名校的毕业文凭，可是他未能获得学校的助教职位，只好到处打零工。晃荡了两年工夫， 靠一位同学父亲的推荐，才在伯尔尼专利局获得了一份“三级技术鉴定员”的工作， 年薪三千五百法郎，任务是鉴定新发明的各种仪器。
爱因斯坦对米列娃总算没有始乱终弃，一九〇三年和她结了婚—但这场冲破重重阻力赢得的婚姻并未能白头偕老（十多年后他们黯然离婚）。婚后米列娃因没有文凭，无法找到工作。次年长子汉斯出生，那几年沉重的家庭负担，使专利局年轻职员爱因斯坦的生活看起来有点潦倒落魄。
一个专利局的小职员，当然没有机会与当时的主流科学家来往。爱因斯坦在伯尔尼只有几个青年朋友，最重要的是哈比希特兄弟和索洛文。这一小群年轻人经常在工余和课后聚首，一起散步、阅读或座谈。
他们研读的哲学和科学著作留下了记录，其中包括：斯宾诺莎、休谟、马赫、阿芬那留斯、毕尔生的著作，安培的《科学的哲学经验》，物理学家亥姆霍兹的文章，数学家黎曼的著名演讲《论作为几何学基础的假设》，戴德金、克利福德的数学论文，彭加勒的《科学和假设》等。他们倒也并不“重理轻文”—他们还一起读过古希腊悲剧作家索福克勒斯的《安提戈涅》、拉辛的作品、狄更斯的《圣诞故事》、塞万提斯的《堂吉诃德》以及世界文学中许多别的代表作品。
一起阅读的乐趣在于思想的交流，这群年轻人被这种乐趣迷住了，虽然清贫， 但是他们充实而幸福，感到“欢乐的贫困是最美好的事”。他们将这难忘的几年命名为“不朽的奥林匹亚学院”。
从爱因斯坦留下的这一阶段的读书记录我们可以判断，他虽然未能进入高校或科研院所从事科学工作，但他毕竟受过良好的科学教育，所以一直保持着对科学的兴趣和关注。他阅读的黎曼、彭加勒、亥姆霍兹等人的著作，都可以说是那时科学的前沿作品。
爱因斯坦奇迹年
一六六五至一六六七年间，牛顿因躲避瘟疫离开剑桥到故乡度过了几年，在那几年中他得出了微分学思想，创立了万有引力定律，还将可见光分解为单色光，在数学、力学、光学三个领域都作出了开创性的贡献。“奇迹年”这个拉丁语词（annusmirabilis）原本是用来称呼牛顿的一六六年的，后来也被用来称呼爱因斯坦的一九〇五年。
一九〇五年是“爱因斯坦奇迹年”—这一年中，二十六岁的爱因斯坦发表了五篇划时代的科学论文，其中最重要的当然是创立狭义相对论的《论动体的电动力学》和《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》。一年之内，爱因斯坦在布朗运动、量子论和狭义相对论这三个方面都作出了开创性的贡献，这些贡献中的任何一个都足以赢得诺贝尔奖。
一个根本没有进入当时主流科学共同体的小职员，凭什么能创造这样的奇迹？一小群年轻人，三年的业余读书活动，为什么竟能孕育出“爱因斯坦奇迹年”？
爱因斯坦后来多次表示，如果他当时在大学里找到了工作，就必须将时间花在准备讲义和晋升职称的论文上，恐怕就根本没有什么闲暇来自由思考。他在逝世前一月所写的自述片段中，说得非常明确：
鉴定专利权的工作，对于我来说是一件幸事。它迫使你从物理学上多方面地思考，以便为鉴定提供依据。此外，实践性的职业对于像我这样的人来说简直是一种拯救：因为学院式的环境迫使青年人不断提供科学作品，只有坚强的性格才能在这种情况下不流于浅薄。
爱因斯坦1921年获得诺贝尔物理奖时的官方肖像
也就是说，奇迹来自自由的思考。杨振宁曾对青年学生说过，应该“经常思考最根本的问题”，才有望在科学上有所建树。爱因斯坦在伯尔尼那几年间的故事， 可以有力地证实杨振宁的说法—相对论就是“思考最根本的问题”所产生的最辉煌的结果。
但是，换一个角度来看，爱因斯坦在一九〇五年之前几年中的表现，其实非常符合我们今天的“民科”标准：未能在主流科学共同体中得到职位，搞出来的东西又不是在现行主流理论基础上的添砖加瓦—特别是相对论，简直是横空出世天马行空，其中的光速不变原理严重违背日常经验，难怪诺贝尔奖的评委们始终不肯将物理学奖颁给相对论。可以说，爱因斯坦当年就是一个超级“民科”—只是由于他在一九〇五年是如此成功，以至于没有人将他视为“民科”了，他反而成为主流科学的神话和科学共同体一致膜拜的教主。
“爱因斯坦奇迹年”为我们提供了深刻的教训和启发。可惜的是这些教训和启发经常是被忽视的。人们习惯于将注意力集中在一九〇五年时的“物理学危机”之类的话题上，只注意物理学，不注意人和人的生活。例如，在《爱因斯坦奇迹年》一书的导言中，主编施塔赫尔（JohnStachel）比较了牛顿和爱因斯坦这两个“奇迹年”的多项异同，但是有一个非常重要的共同点， 他却完全没有注意到，这个共同点也是经常被后来的科学家们有意无意忽略的，那就是—牛顿和爱因斯坦创造奇迹时，都没有用过一分钱的“科研经费”！
事实上，科学史上许多伟大的发现， 都是在不用国家一分钱的状况下完成的。用我们今天的套话来说，爱因斯坦毫无疑问是“国际一流”的科学家，但是令人感叹的是，这个国际一流的科学家完全是自发生成的，他既没有得到过某某基金的资助， 也没有在官方的项目中拿过什么“课题”。而如今那些用掉纳税人亿万金钱所取得的“科研成果”，与万有引力和相对论比起来， 绝大多数都显得平庸、匠气、令人汗颜！“爱因斯坦奇迹年”完全是学术自由、思想自由的产物，而不是计划经济或“计划学术”的产物。
相对论及其一九一九年验证公案
爱因斯坦一九〇五年提出狭义相对论，一九一五年提出广义相对论，但是，直到一九五五年爱因斯坦去世，诺贝尔物理学奖也没有因为相对论而颁给爱因斯坦。后来以他一九〇五年提出光电效应的名义给了他诺贝尔物理学奖（1921 年），算是一个交代。
现在回过头来看，相对论始终未能获得诺贝尔物理学奖，倒也有一定的合理性—实际上直到爱因斯坦去世，广义相对论仍未完全得到验证。
有一些进入了教科书的说法，即使被后来的学术研究证明是错了，仍然 会继续广泛流传数十年之久。“爱丁顿一九一九年观测日食验证了广义相对论”就是这样的说法之一。即认为爱丁顿通过一九一九年五月的日全食观测，验证了爱因斯坦广义相对论对引力场导致远处恒星光线偏折的预言。这一说法在国内各种科学书籍中到处可见，稍举数例如下：
理查德·奥尔森等人编的《科学家传记百科全书》“爱丁顿”条称：“爱丁顿…… 拍摄一九一九年五月的日蚀。他在这次考察中获得的结果……支持了爱因斯坦惊人的预言。”著名的伽莫夫《物理学发展史》、卡约里《物理学史》中都采用同样的说法；在非物理学或非天体物理学专业的著作中，这种说法也极为常见，比如在卡尔·齐默所著《演化：跨越四十亿年的生命纪录》一书中，为反驳“智能设计论”， 举了爱因斯坦广义相对论对引力场导致远处恒星光线偏折的预言为例，说“智能设计论”无法提出这样的预言，所以不是科学理论。作者也重复了关于爱丁顿在一九一九年日食观测中验证了此事的老生常谈。这个说法还进入了科学哲学的经典著作中，波普尔在著名的《猜想与反驳》一书中，将爱丁顿观测日食验证爱因斯坦预言作为科学理论预言新的事实并得到证实的典型范例。他说此事“给人以深刻印象”，使他“在一九一九至一九二〇年冬天”形成了著名的关于“证伪”的理论。爱丁顿验证了广义相对论的说法，在国内作者的专业书籍和普及作品中更为常见。
这个被广泛采纳的说法从何而来的呢？它的出身当然是非常“高贵”的。例如我们可以找到爱丁顿等三人联名发表在一九二○ 年《皇家学会哲学会报》（Philosophical Transactionsof the Royal Society）上的论文《根据一九一九年五月二十九日的日全食观测测定太阳引力场中光线的弯曲》，作者在论文最后的结论部分，明确地、满怀信心地宣称：“索布拉尔和普林西比的探测结果几乎毋庸置疑地表明，光线在太阳附近会发生弯曲，弯曲值符合爱因斯坦广义相对论的要求，而且是由太阳引力场产生的 51 30485 51 15534 0 0 3736 0 0:00:08 0:00:04 0:00:04 3736”这个结论当时已经得到科学共同体的权威肯定，因为在此之前爱丁顿已经公布了他的上述结论，在一九一九年《自然》（Nature）杂志上连载两期的长文《爱因斯坦关于万有引力的相对论》中，已经引用了上述爱丁顿论文中的观测数据和结论。
1919年11月10日《纽约时报》刊登新观察证实相对论的消息,
形容这是爱因斯坦理论的大胜利。
然而，爱丁顿其实未能验证爱因斯坦的预言。
诸如相对论、物理学、天体物理之类的学问，在西方通常被称为“精密科学”—指它们可以有精密的实验或观测， 并可以用数学工具进行高度精确的描述。但是，即使是这样的学问，仍然有很大的不确定性。而这种不确定性是我们传统的“科普”中视而不见或尽力隐瞒的。具体到在日食时观测太阳引力场导致的远处恒星光线弯曲（偏折）这件事，事实上其中的不确定性远远超出公众通常的想象。
之所以要在日食时来验证太阳引力场导致的远处恒星光线弯曲，是因为平时在地球上不可能看到太阳周围（指视方向而言）的恒星，日全食时太阳被月球挡住，这时才能看到太阳周围的恒星。在一九一九年的时代，要验证爱因斯坦广义相对论关于光线弯曲的预言，办法只有在日食时进行太阳周围天区的光学照相。但麻烦的是，在照片上当然不可能直接看到恒星光线弯曲的效应，所以必须仔细比对不同时间对相同天区拍摄的照片，才能间接推算出恒星光线弯曲的数值。
比较合理的办法是，在日食发生时对太阳附近天区照相，再和日食之前半年（或之后半年）对同一天区进行的照相（这时远处恒星光线到达地球的路上没有经过太阳的引力场）进行比对。通过对相隔半年的两组照片的比对和测算，确定恒星光线偏折的数值。这些比对和测算过程中都要用到人的肉眼，这就会有不确定性。
更大的不确定性，是因为即使在日全食时，紧贴太阳边缘处也是不可能看得到恒星的，所以太阳边缘处的恒星光线偏折数值只能根据归算出来的曲线外推而得，这就使得离太阳最近的一两颗恒星往往会严重影响最后测算出来的数值。
事后人们发现，爱丁顿一九一九年观测归来宣布的结论是不可靠的。
在这样一套复杂而且充满不确定性的照相、比对、测算过程中，使最后结果产生误差的因素很多，其中非常重要的一个因素是温度对照相底片的影响。爱丁顿他们在报告中也提到了温度变化对仪器精度的影响，他们认为小于10 °F 的温差是可以忽略的，但在两个日食观测点之一的索布拉尔，昼夜温差达到22 °F。在索布拉尔一共拍摄了二十六张比较底片，其中十九张由一架天体照相仪拍摄，质量较差；七张由另一架望远镜拍摄，质量较好。然而按照后七张底片归算出来的光线偏折数值，却远远大于爱因斯坦预言的值。
最后公布的是二十六张底片的平均值。研究人员后来验算发现，如果去掉其中成像不好的一两颗恒星，最后结果就会大大改变。
爱丁顿当年公布这样的结论，在如今某些“学术打假恐怖主义”人士看来，完全可以被指控为“学术造假”。当然，事实上从来也没有人对爱丁顿作过这样的指控。科学后来的发展最终还是验证了他的“验证”。
在一九一九年爱丁顿轰动世界的“验证”之后，一九二二年、一九二九年、一九三六年、一九四七年、一九五二年每次日食时，天文学家都组织了检验恒星光线弯曲的观测，各国天文学家公布的结果言人人殊，有的与爱因斯坦预言的数值相当符合，有的则严重不符。这类观测中最精密、最成功的一次是一九七三年六月三十日的日全食，美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲做了长期的准备工作，用精心设计的计算程序对所有的观测进行分析之后，得到太阳边缘处恒星光线偏折值为1.66″± 0.18″。为了突破光学照相观测的极限，一九七四至一九七五年间，福马伦特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪观测了太阳引力场对三个射电源辐射的偏折，终于以误差小于百分之一的精度证实了爱因斯坦的预言。
也就是说，直到一九七五年，即爱因斯坦去世二十年之后，广义相对论的预言才真正得到了验证。但这一系列科学工作却没有得到公众和媒体的关注。
本文选自《书城》杂志2014年10月号，未完待续