抛开常识的学者：爱因斯坦
作者：余海峰
来源：物理喵 phycat、私产经济学与伦理学
爱因斯坦永远都像一个小孩子，对世界的好奇心从未改变。如果我们都能够从他身上学习到一少部分，世界或许会变得更美好。
爱因斯坦 (Albert Einstein, 1879 – 1955) 从小就喜欢思考。有一次，他父亲送他一个指南针，他看着永远指向南北的针，感觉到大自然一定深藏奥祕，引起了他对自然现象的好奇。但其实他的天才并非早早就显现出来。小时候的爱因斯坦鲜少说出完整的句子，所以父母以为他学习语言有问题；中学老师认为他不可能有出息；大学时期的物理成绩并不好，加上他以刺激权威为乐，教授们都不喜欢这个又烦又懒的学生，所以爱因斯坦毕业后一直找不到工作。在他已婚并有所出、且快要山穷水尽的时候，才靠他的好友以人事关系帮他在瑞士专利局找到了一份二级专利员的工作。
他喜欢在早上就把一整天的工作做完，利用整个下午的时间在专利员的办公室思考物理问题。其一中个最令他着迷的思想就是：「如果一个人能够跑得跟光一样快，会看到甚么样子的世界？」
爱因斯坦于 1905 年发表狭义相对论 (Special Relativity)。在这之前的十多年中，牛顿的绝对时空观点早已令科学界困扰多年，牛顿力学体系已经摇摇欲坠了。著名的 Michelson-Morley experiment 的结果显示并不存在一个「绝对静止」的参考系「以太」。而且，由 James C. Maxwell 归纳出的电磁方程式组可以推导出光的速度永远不变、与观测者的运动状态无关。这严重违反了人类对这个世界的认知，因为我们知道光是一种波动，而波动需要媒介来传播；就如水波需要水、声波需要空气。
在牛顿的宇宙观里，时间与空间互不相干。假设你在地铁里用速度
爱因斯坦却说这条看似理所当然的公式是错的。如果你在地铁中打开电筒，电筒发出的光以光速 相对于地铁车箱向前跑，但根据相对论，这束光相对于地面的速度不会是
而是
所以光速不变这个概念是非常革命性的。当时大部分人都认为是 Maxwell 的电磁方程式错了，但爱因斯坦却不这么想。他认为，我们常识中对「同时」的理解根本有误。他发现，在光速不变的前提下，在 A 君眼中同时发生的两件事，在 B 君看起来就不一定是同时的。换句话说，绝对的「同时」根本不存在！爱因斯坦的相对论解释了牛顿的古典力学所不能解释的现象，同时亦把「绝对时间」和「绝对空间」的概念抛弃了。在相对论之中，时间与空间有着微妙的关系，两者并且结合在一起成为「时空」。任何想把时间与空间想象成独立分开的两种东西的概念，都与相对论违背。
本来爱因斯坦预期他的相对论会在科学界引起大地震，可是结果却静得可怜，长时间地连一封寄来查询理论细节的信也没有。后来发现这是因为世界上根本没有多少人读得懂相对论。虽然狭义相对论的数学并非特别深奥难懂，但爱因斯坦突然地抛弃了所谓的「常识」，此举实在令科学界也摸不着头脑。
爱因斯坦在发展狭义相对论的同时，亦为物理学的许多分支做了很多开性创性的工作。例如分子运动论、量子论等等，都留有他的足迹。那道举世闻名的质能关系方程式
也是在此其间导出的，此方程式可谓直接影响了二十世纪的整个科学发展：解释幅射、太阳能量来源；促成核能、原子弹、氢弹的发展等等。以上他的每一个工作，保守估计都至少值得获得一个诺贝尔奖。不过，爱因斯坦后来在 1921 年获颁的诺贝尔物理学奖，并非因为他的相对论，而是因为他在应用量子论解释光电效应的贡献。
爱因斯坦并没有满足于狭义相对论。他深明这个理论只能应用于惯性坐标之间，可是现实中绝大部份的坐标系都是加速坐标系 (例如地球)，所以他意识到必须要找出一套新理论，以解释一切惯性与加速坐标系中的运动定律。他几乎是独力地与新发展的高等数学「张量分析」在黑暗之中搏斗了十年之久，最后才于 1916 年完成人类历史上最伟大的科学进程之一：广义相对论 (General Relativity)。
因为爱因斯坦的母亲不承认他与第一任妻子 Mileva Marić 的婚姻，而且 Marić 十分憎恨德国，她在 1914 年把两个孩子由柏林带到瑞士去了。对于与孩子的分离，爱因斯坦感到非常伤心，因为他坚持留在德国做他的物理研究；不过，他与他的表妹 Elsa E. Löwenthal 的暧昧关系，亦已经一发不可收拾。
尽管离婚已是迟早的事，爱因斯坦仍对德军的暴行以及广义相对论的发展非常关心。当德国入侵中立国比利时后，德军的文宣部说服了 93 位学者签署一份声明，内容为「同意德军的侵略行为是保护日耳曼文化的必要举动」，签署人里竟包括爱因斯坦的好朋友、量子论的创始人之一、1918 年诺贝尔物理学奖得主马克斯．普朗克 (Max K. E. L. Planck)！几天之后，爱因斯坦签署了一份反战争、建立统合欧洲的和平联合声明，但包括他在内的 100 位受邀联署学者中，只有 4 位签了名。
1914 年的诺贝尔物理学奖由爱因斯坦的好朋友 Max von Laue 获得，以表扬他发现 X 光的绕射现象。其实爱因斯坦在同年也因「相对论、扩散现象及重力现象」被提名诺贝尔物理学奖，但评审委员会中有人认为相对论尚未得到实验验证、有人认为爱因斯坦的名声过高、也有人根本看不懂相对论。
爱因斯坦强硬批评大部分德国人都是疯子，厌恶虚伪的科学家同行。1915 年，同样也是和平主义者的法国作家 Romain Rolland 与爱因斯坦见面。Rolland 在见面后总结说在当时的德国「他 [爱因斯坦] 是少数几位保有自由思想、不具奴性的人。」
爱因斯坦是一位积极的笔友。他乐于回答任何人关于任何事的信件，而且每一封都亲自认真回信。他也会花时间去帮助那些有求于他的人，例如帮助学生找工作、回答小孩子关于宇宙、物理等等问题。不过在 1915 年秋天的其中 5 个星期里，他突然把所有的演讲邀请推掉，信也不回、饭也不吃地在自己的书房中疯狂工作。有一次，他的未来继女 Margot Einstein 发现他竟然把蛋放到汤里去煮，原因是爱因斯坦想吃蛋又想喝汤，但却没有闲暇去剥蛋壳！
到了 11 月尾，爱因斯坦简直兴奋不已，因为他就要发现能够描述整个宇宙的新理论了。在他的狭义相对论里，时空是平直的、而且所有有惯性坐标系都是等价的。但他的新理论「广义相对论」描述的是更一般性的弯曲时空结构，是一个能描述一切坐标系的理论！只要指定一套时空度规、并给定能量与物质的密度在时空中的分布，就能够计算出时空的曲率、曲率如何随时间改变。相对论大师 John A. Wheeler 曾说：「时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲」。
1905 年发表的狭义相对论把人们对区分时间与空间的「常识」概念改正过来，爱因斯坦于 1916 年发表的广义相对论把重力描述成时空的几何性质而非一种力，再次颠覆人类的「常识」。经过了 11 年在黑暗中摸索的孤独旅程，爱因斯坦终于看到耀眼的阳光，能如何教他不兴奋呢？只需要把一组十式的「爱因斯坦方程」(Einstein Equations) 配合指定的时空度规，任何宇宙的过去与未来都能够计算出来。
当然，很多人质疑广义相对论的正确性，因为科学理论必须接受实验验证。广义相对论所提供的验证方法对当时的技术来说是非常大的挑战。基本上，广义相对论有以下几种验证方法：测量重力红移、光线偏折及时间延滞效应。现在，这三种效应已经被天文学家一一发现，而且与爱因斯坦的计算相当吻合。
在此不得不提英国的天文学家爱丁顿 (Arthur S. Eddington) 观察日全食时太阳附近的星光，确认了光线偏折效应一事。当时是 1919 年，正值第一次世界大战。当爱丁顿得悉爱因斯坦的理论预测光线会被太阳的重力弯曲时，他就带队跑到西非外海的索布拉尔 (Sobral) 去等待日全食的来临。由于平时太阳光相对于星光极其猛烈，若非于日全食时月球把太阳遮蔽起来之时，根本无法观察太阳附近的星光。
1919 年 5 月 29 日早晨，爱丁顿以为计划要告吹了，因为天上下着倾盆大雨。幸好到了下午 1 时 30 分雨停了，只是还有云。爱丁顿努力地拍摄许多照片，希望能够拍到太阳附近的星光偏折。6 月 3 日，结果出来了：在拍得的照片中，有一张与爱因斯坦的预测吻合！在科学里，一个证据并不足以支持一个理论，但爱丁顿这个广义相对论狂热拥护者却立即对外公布：「广义相对论已经被证实了！」
当爱因斯坦的一个学生知道了爱丁顿的观测结果之后，便告诉爱因斯坦：他的理论被证实了。爱因斯坦却说：「我早就知道我的理论是正确的。」
学生大惑不解，问：「万一观测结果与你的理论不符呢？」
爱因斯坦答道：「那样的话，我会为上天感到惋惜。我的理论是正确的。」足可见爱因斯坦对他的广义相对论的正确性表现的信心。
关于这个故事，还有一段小插曲。话说爱因斯坦的好友普朗克当时也都是彻夜未眠，因为他想知道爱因斯坦的理论究竟是对还是错的。爱因斯坦听说了，就说：「如果普朗克相信广义相对论是正确的话，就会跟我一样，早早上床睡觉。」
爱因斯坦在第二次世界大战时，因为担心纳粹德国会制造出原子弹，所以他曾写信致罗斯福总统要求美国抢先研究制造原子弹。到战后才发现，当时的德国根本无法造出原子弹，因为大多数的科学家已经被希特拉赶走了。那天早上，当爱因斯坦听到原子弹已经把日本广岛夷为平地，他就呆坐在家，久久未能平复心情。之后，他说：「如果早知道这样，我宁愿去当一个钟表匠。」
从此以后，爱因斯坦极力主张废除核武，导致他被 50 年代著名的 FBI 胡佛探长 (John Edgar Hoover) 认为他是共产党间谍。理所当然，胡佛始终无法找到任何证据捉拿爱因斯坦。
不过，爱因斯坦也是人，也会犯错，而且会犯下历史上众多科学家都会犯的错：对旧有概念的固执。他从广义相对论方程导出了一个结果：宇宙若不是正在收缩，就是正在扩张。爱因斯坦认为这是不可能的，他认为宇宙是永远存在的，没有起点也没有终点。因此，在不影响数学的正确性下，他在他的爱因斯坦方程里加入了一个常数项，用来抵消重力，使宇宙变得平衡，不会扩张也不会收缩。
其实这样的宇宙是极不稳定的。只需要一点非常细微的扰动，宇宙就会向其中一方倾倒。情况就好像把一个保龄球放在笔尖上，理论上保龄球是可能停在笔尖上的，可是只需要一点小小的风就能使保龄球滚下来。想必爱因斯坦也认识到这一点，可是他就是无法抛开成见，坚持加入这个常数项。后来，爱因斯坦去到哈勃 (Edwin Hubble) 工作的天文台参观望远镜，哈勃给他看宇宙膨胀的证据。爱因斯坦接受了自己的错，说这是他一生中最大的错误。
不过，这个爱因斯坦一生最大错误的常数项被现在的科学家称为「宇宙常数」(cosmological constant) 或「黑暗能量」(dark energy)，无数观测已经证明宇宙常数的确存在。错有错着，历史又再一次证明爱因斯坦是对的，尽管这并非爱因斯坦的原意。
爱因斯坦也是量子力学 (quantum mechanics) 的始祖之一。他的诺贝尔奖得奖论文描述的光电效应 (photoelectric effect) 打破人们对光是一种波动的常识：他证明了光同时亦是粒子！这个现象现在称为波粒二象性 (wave-particle duality)，是量子力学的基本原理。可是，广义相对论与量子力学却偏偏互不兼容！换句话说，要不是量子力学是错的、或广义相对论是错的、或两者都是错的。
爱因斯坦虽然有份为量子力学打下基础，后来却变得不相信量子力学，例如他与两个物理学家共同提出的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论 (EPR paradox) 就是为了推翻量子力学的。可是，事实证明爱因斯坦又错了，EPR 悖论的假设「局域论」(locality) 是不存在的。
广义相对论认为宇宙是「局域」的，只有无限接近的两个点才能有因果关系，因此推翻了牛顿重力理论中的「超距作用」(action at a distance)。但量子力学却说，两个相距非常远的粒子也能够互相影响，因此量子力学与广义相对论的假设是不兼容的。
越来越多证据显示，量子力学应该是正确的，广义相对论需要被修正或者被新的重力理论代替。爱因斯坦一生都在寻找量子力学的错处，结果是一个都找不到。直到今天，所有量子力学实验都只是不断地在证明它本身的而且确没有错。现在有些理论物理学家在寻找所谓的「万有理论」(Theory of Everything)、M 理论 (M Theory, M for Mother/Matrix)、「统一场论」(Unified Field Theory) 等等，希望把广义相对论修正／代替，使得量子力学与重力能够结合为一。
爱因斯坦晚年一直在研究统一场论。在他死前，人类只发现了自然界四种基本力的其中两种：重力交互作用 (gravitational interaction) 和电磁交互作用 (electromagentic interaction)。他不知道除此以外还有强交互作用 (strong interaction) 和弱交互作用 (weak interaction)。所以爱因斯坦根本没有足够的信息去进行统一场论的研究，历史注定要他失败。
爱因斯坦带给人类非常多。相对论、光电效应、证明原子存在 (他的博士论文解释了布朗运动)、、宣扬和平及主张废除核武、不受约束的思维等等，都非常值得我们思考、学习。他的朋友都说，爱因斯坦永远都像一个小孩子，对世界的好奇心从未改变。如果我们都能够从他身上学习到一少部分，世界或许会变得更美好。