世界现代前期科技史-第10章
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“对于广义相对论的提出，我过去和现在都认为是人类思索大自然的最伟大
的成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一
起。”
（3）统一场论和宇宙学理论的早期发展
①爱因斯坦与统一场论
爱因斯坦把相对论的发展分为三个阶段，即狭义相对论、广义相对论和
统一场论。爱因斯坦坚信相对性原理的普遍性，创立了狭义相对论，把经典
力学与电磁学理论统一了起来。广义相对论将相对性原理由惯性参考系进一
步扩大到任意参考系，并把牛顿引力理论作为一级近似包容其中，使物理学
的统一工作又取得了巨大进展。但是，已知的引力规律和电磁相互作用规律
没能统一起来。
爱因斯坦在创立了广义相对论之后，便着手研究统一场论，试图进一步
推广广义相对论把引力相互作用和电磁相互作用统一在一个理论体系中。广
义相对论的魅力促使不少科学家和爱因斯坦一起为创立统一场论而奋斗。他
们力图仿效黎曼几何描述引力场的成功作法。建立一种新的几何学，把各种
场统一起来，并使物理学与几何学统一起来。1918年，威尔试图用修改黎曼
几何的方法建立一种“规范不变几何学”来统一描述引力场和电磁场，1921
年卡鲁查采用将黎曼几何的四维增加为五维的方法来统一这两种场的作用，
但是，他们都失败了。
爱因斯坦最初设法推广卡鲁查的工作，但未成功，后来和他的学生柏格
曼一起提出了一种不对称场论，这是爱因斯坦的最后一个统一场论模型。在
此模型中，他试图用度规张量来统一描写两种作用，即用度规张量的对称部
分描写引力场，不对称部分描写电磁场，但是，得到的方程无法求解。爱因
斯坦去世之后，统一场论的研究几起几落，议论纷呈。人们后来发现，宇宙
中不仅存在电磁和引力作用，还存在强相互作用和弱相互作用。必须先实现
电磁相互作用和弱相互作用的统一，然后再将强相互作用统一，最后才能把
引力相互作用统一起来。
50年代之后产生的规范场论，为统一场论的研究开辟了一条正确的途
径。人们首先提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论，并得到了实验
证实，现正在攻克电、弱、强三种作用的大统一，而且相信，包括引力作用
在内的四种相互作用的超统一理论最终是能够实现的。从1923年至1955年
去世前，爱因斯坦一直埋头研究统一场论，但由于当时历史条件的限制和缺
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乏建立统一场论所需要的基本经验事实，因此他最终未能实现其建立统一场
论的宏愿。爱因斯坦并不为他付出的代价而感到遗憾，他始终认为，他所做
的探索是有意义的，而统一场论的发展也证明了这一点。
②宇宙论的早期研究
牛顿由万有引力定律得出宇宙必定是无限的结论，即宇宙的图象是无数
的天体均匀地分布在无限的三维欧氏几何空间中，空间向各方向一直延伸下
去，没有一个方向是有终点的。1894年，德国物理学家西利格尔研究指出了
牛顿的宇宙理论所存在的“引力徉谬”问题：物质分布均匀的无限宇宙中，
牛顿的引力势不存在有限解；若物质分布不是严格均匀，那么，对每个星体
而言，各方向物质引力贡献的总和将是非常可观的，但实际情况不是这样。
1826年，奥尔勃斯分析指出，如果宇宙是充满无限数目的星体的欧几里
得宇宙，星体分布均匀而且过去未来都发光，那么将导致一条荒谬的结论：
白天和夜晚应该一样明亮。这就是所谓的“光度徉谬”也称“奥尔勃斯徉谬”。
以牛顿的万有引力规律和欧氏几何学为基础的宇宙模型是无法摆脱以上的两
个疑难的。
1917年，爱因斯坦将广义相对论引力场方程用于研究宇宙学问题，发表
了第一篇关于宇宙学的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考查》。文中，
他也分析了牛顿无限宇宙理论中的矛盾和不自洽。
牛顿经典力学在讨论一个有限力学体系的运动时，总是假定可以选取一
个参考系，使引力势在无限远处成为常数。在解决局部天体的运动问题时，
这个条件是非常关键的。但是，按照牛顿的无限宇宙图象，物质是均匀分布
在整个无限的空间中，那么，根据牛顿经典力学又将得出无限远处引力势不
为常数的结论，这就是一种矛盾。如果，放弃物质均匀分布于整个空间的假
设，认为物质主要集中在周围有限的范围，那么，可以保证无限远处的引力
势是常数，但物质的宇宙确仍然是有限的。所以，牛顿的引力理论在原则上
是无法描写宇宙这一物理体系的。
爱因斯坦利用广义相对论得出的引力场方程对宇宙体系进行了考察，并
提出了两个假定，一是各向同性的假定，即宇宙从大尺度上来看，在任何给
定的时刻，对各个方向观测的结果相同；另一是均匀性的假定，即宇宙从大
尺度上看，天体的分布是均匀的，星系的平均密度、光度和相互间的距离都
是一样的。这两个假定也称宇宙学原理。根据这一原理，他由引力场方程得
出了一个静态的宇宙解，即物质在宇宙中总的分布不随时间变化的解，这个
解表明，宇宙是闭合的、有限的，但又是无边的。这个宇宙模型虽然简单，
而且后来的星系远离运动的观测事实也表明宇宙这个物理体系不是静态的，
但它确是第一个科学的现代宇宙模型，为现代科学宇宙学的发展奠定了基
础。
同年，荷兰天文学家德西特由引力场方程得出另一个静态的宇宙解。该
解认为宇宙的物质有运动但平均密度趋于零。
1925年，苏联数学家弗里德曼由爱因斯坦的引力方程中得到一个非定态
解，但当时未引起人们的重视，1927年，比利时天文学家勒梅特把这种动态
时空解作为一个宇宙模型进行了考察，提出了弗里德曼一勒梅特宇宙模型和
大尺度的空间会随时间而膨胀的观点。
1929年，美国天文学家哈勃（1889—1953）在研究河外星系光谱红移中
发现，星系系统的退离速度与距离成正比，这表明，宇宙在膨胀，非静态宇
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宙模型获得观测证实。
爱因斯坦起初对弗里德曼等人的动态宇宙模型持怀疑态度，认为非定态
解是求解引力场方程时的数学错误所造成的，但在哈勃红移现象发现以后，
爱因斯坦收回了对弗里德曼的批评，承认了自己的错误，并万分感慨地说，
这是他“一生中最大的错事”。
1932年，勒梅特又在宇宙膨胀的基础上进一步提出宇宙起源于原始火球
的大爆炸观点。1948年，美籍物理学家盖莫夫（1904—1968）把宇宙起源与
化学元素起源联系起来，提出宇宙大爆炸学说。这一宇宙学模型认为，宇宙
起始于一个密度极大、温度极高的炽热物质凝团，这个凝团快速并各向同性
地爆炸，物质向外散开，在膨胀和冷却过程中形成了星系和恒星。现代天文
学家观测到的大尺度天体的系统红移与这种宇宙学说是一致的。
关于宇宙的形成以及巨大宇宙物质如“塌缩恒星”、“黑洞”等的奇异
性质在现代理论天体物理学中是相当引人入胜的话题，但是，这一方面探索、
研究的进展已超出了本书的范围。爱因斯坦创立的广义相对论为人们研究宇
宙、开拓宇宙奠定了基础，而随着研究的深入，相对论也遇到了挑战，人们
对自然的认识也随着一个个挑战的产生和解决而不断深入。
3。科学巨匠爱因斯坦
（1）爱因斯坦的科学贡献
科学巨匠爱因斯坦在现代科学技术史上占有极其重要的地位，他的一生
对科学宝库作出了巨大的贡献，对物理学的贡献就有以下几个主要方面：
一是分子运动论方面。爱因斯坦用统计方法研究分析了原子、分子的热
运动问题。1827年，英国的植物学家布朗 （1773—1858）在显微镜下发现，
浸泡在液滴中的花粉粒子在不停地作不规则的运动 （后来以发现者的名字，
命名这种运动为布朗运动），粒子越小，液体温度越高，运动就越激烈。布
朗运动实际上是由液体分子的不规则热运动引起的。1905年春，爱因斯坦撰
写的关于液体中悬浮粒子运动的两篇论文才真正从理论上完全解释了布朗运
动，并以统计方法给出了悬浮粒子的运动状态与液体性质之间的数学关系
式，还给出了测定分子大小的方法。1908年，法国物理学家裴兰用实验证实
了“布朗运动的爱因斯坦定律”，并因此获得1926年的诺贝尔奖。爱因斯坦
的研究证明，热是能量的一种形式，是由不规则的分子运动引起的，证明了
物质是由分子、原子构成的。他的工作使原先对原子论抱怀疑和反对态度的
人如马赫和奥斯特瓦尔德 （1853—1932）也不得不宣称“改信原子学说”，
对原子论的胜利作出了决定性的贡献。
二是量子论方面。1905年，爱因斯坦推广了普朗克的“能量子假说”提
出“光量子假说”，以最简练、明晰的方式解释了1887年赫兹所发现的“光
电效应”现象，并给出了光电效应的“爱因斯坦公式”。10年后，该公式在
美国实验物理学家密立根（1868—1953）的实验中得到了证实。爱因斯坦关
于光的这种新的理论，发展了普朗克在热辐射问题上阐明的量子思想，首次
揭示了光的两重性，即光既有波动性，又有微粒性，使惠更斯和牛顿彼此对
立的光学理论在新的概念、新的高度上得以统一。后来，德布罗意（1892—）
和薛定谔 （1887—1961）把爱因斯坦的这种观点又推广到电子，提出电子和
光子一样具有波粒二重性，而波粒二重性则是量子力学和量子场论的支柱。
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1906年，爱因斯坦把量子概念运用到物体内部的晶格振动问题中，解决了低
温时固体比热同温度变化的关系问题；1912年，又把量子概念用于光化学现
象，提出光化学当量定律；1916年，他从玻尔的基本假定出发导出了普朗克
的辐射公式，并提出受激辐射的理论，这一理论对60年代激光技术的发展有
重要意义；1924年，他利用刚刚提出的德布罗意物质波假说处理单原子理想
气体，同玻色一起建立了玻色—爱因斯坦量子统计理论。由于爱因斯坦在量
子论方面的贡献以及对量子力学产生的推动作用，他和玻尔一起被称为量子
力学的两个“教父”。
三是相对论的创立和发展。包括前面所述的狭义相对论、广义相对论的
创立，以及广义相对论创立之后在宇宙论和统一场论研究领域的开拓、发展。
被人们尊称为 “相对论之父”的爱因斯坦，实际上在多学科
领域中都是出类拔萃的理论研究家。1921年，爱因斯坦因在光电效应理论方
面的贡献获得诺贝尔奖，而他的学生兰佐斯认为，爱因斯坦一生理应获得五
个诺贝尔奖，即指布朗运动研究，提出光量子理论，创立狭义相对论，发现
质能关系式和创立广义相对论。其中前四项涉及三个领域的重大成果是在
1905年3月到9月这半年之内完成的。当时爱因斯坦年仅26岁，在瑞士伯
尔尼专利局任技术员，一无名师指导，二无专门研究机构的条件，而他完全
靠业余时间独立钻研取得这些成果。爱因斯坦的成就不能不说是科学技术史
上的一大奇迹，也是人类科技史上最光彩夺目的一页。毫无疑问，爱因斯坦
具有不同于常人的高度发达的“信息加工中心”——大脑，科学家们至今仍
在努力揭开这个“信息加工中心”的奥秘，但从另一方面看，爱因斯坦的成
就并不是偶然的。
（2）从学生时代到就职于伯尔尼专利局
1879年3月14日，爱因斯坦出生于德国乌尔姆的一个犹太商人家庭。
他和牛顿一样，并不早慧，但从小就有强烈的好奇心，酷爱大自然而且喜欢
思索其中的奇妙现象。在树林里游玩，他琢磨阳光透过树叶在地上留下的美
丽图案；在湖边，他会专注地观察湖面上起伏的波纹。四五岁时，从爸爸那
里得到一枚指南针，面对总是在一个方向附近游动的指针，小爱因斯坦惊奇
不已，竟呆呆地想个不停。上学后几年的某个学期，他拿到一本欧几里得几
何学课本，书中对几何公理严谨、明晰的论证再次使他惊奇不已，并激发起
他强烈的求知欲，他等不及听老师讲授，就一口气读完了它。
正如爱因斯坦后来所说的，这种种“惊奇”是经历的事情同我们的充分
固定的概念世界有冲突时才会发生，每当我们尖锐而强烈地经历这种冲突
时，它就会以一种决定性的方式反过来作用于我们的思维世界，思维世界的
发展，在某种意义上说就是对“惊奇”的不断摆脱。
少年时代还有两本书对爱因斯坦的影响比较深。一本是伯恩斯坦的《自
然科学通俗读本》。书中，光速问题被放在第一卷的最前列，作为所有自然
观察的开端，作者用引人入胜的叙述引导读者去思索、理解自然现象。爱因
斯坦在这里首次接触到光速的基本含义问题，而且，这个问题从此一直激励、
引导着他，直至创立了相对论。另一本是布赫纳的《力和物质》，具有朴素
的现实主义思想。这些自然科学启蒙著作较早地形成了爱因斯坦的怀疑主义
思想。
从少年时代起，爱因斯坦就喜欢开诚布公，毫不掩饰自己的观点。他对
学校那种死记硬背、因袭守旧的教学方式很不以为然，喜欢按自己的想法学
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习，根据自己的思索和理解来寻求对任何问题的解答，表现出非凡的自学能
力。
在苏黎士上大学时，他把主要精力充分利用于学习，但仍不注重学校的
正规课程，而喜欢独立思考和自学。他为自己开列了长长的书单，并制定了
严格的阅读计划。这些书中有基尔霍夫 （1824—1887）、亥姆霍兹（1821—
1894）赫兹、玻尔兹曼（1844—1906）及麦克斯韦等著名物理学家的重要著
作。通过对这些著作的学习，爱因斯坦掌握了电磁理论，还从亥姆霍兹等人
的著作中汲取了哲学和认识论方面的思想。
奥地利著名物理学家、哲学家马赫的《力学及其发展的批判历史概要》
（以下简称《力学史》）则给他留下了深刻、持久的印象。19世纪中后期，
当多数物理学家还陶醉于经典力学的完美无缺时，马赫就看出了经典力学理
论框架的局限性，在1883年出版的历史性著作《力学史》中，他抨击
