許良英:愛因斯坦奇蹟年探源（上）

許良英

摘要:愛因斯坦於1905年取得4項歷史性成就是奇蹟；更奇的是，他完全是用業餘時間來探索科學的。本文著重從其成長過程和歷史背景來分析產生奇蹟的源泉。愛因斯坦的非凡創造力，不僅來自他對自然奧秘的驚奇和敢於向傳統與權威挑戰的反叛精神，更來自他那深邃的哲學思考——來源於理性論哲學家斯賓諾莎的自然界統一性的信念，以及來源於經驗論哲學家休謨和馬赫的懷疑精神和獨立批判精神。文章隨後簡要介紹了愛因斯坦在第二個高峰期（1915—1917）所取得的偉大成就，並認為他一生中至少有8項成就可以獲得諾貝爾獎。文章最後著力展示了愛因斯坦的人格魅力——強烈的社會正義感和社會責任感，為和平、自由、民主和人權的理想所作的不懈努力，以及對中國人民苦難的深切同情。

關鍵詞:愛因斯坦奇蹟年雙重奇蹟兩個高峰期獨立批判精神自然界統一性人格魅力

一雙重的奇蹟

2004年6月10日聯合國大會通過決議，宣告2005年為「國際物理年」（InternationalYearofPhysics），理由是：鑒於物理學對於了解自然和技術進步的重要性，以及物理教育對於人類發展的必要性，同時「意識到2005年是愛因斯坦作出了為現代物理學奠定基礎的開創性（seminal）科學發現的一百周年」。早在2000年，歐洲物理學會（EPS）就提出，以2005年為「世界物理年」（WorldYearofPhysics）。隨後，國際純粹與應用物理聯合會（IUPAP）於2002年，聯合國教科文組織（UNESCO）於2003年都支持這一倡議。最近，德國政府又決定，將2005年命名為「愛因斯坦年」（EinsteinYear），從2005年1月19日開始，全國開展為期一年的慶祝活動。

聯合國大會決議中所說的愛因斯坦於1905年作出的開創性科學發現，指的是在物理學3個領域中的4項歷史性貢獻：（1）提出光量子論，揭示微觀客體的波動?粒子二象性，推動量子論的發展。（2）由液體中懸浮粒子運動推出測定分子大小的方法，徹底解決了原子是否存在的爭論。（3）創建相對論，開創物理學的新紀元。（4）由相對論推出質量與能量相當性，預示核能時代的來臨。這4項具有劃時代意義的成就，都是年僅26歲的愛因斯坦於1905年3月至9月這7個月內完成的。這一年他共完成了6篇論文，都發表在當時國際物理學界最有聲望的刊物《物理學雜誌》（AnnalenderPhysik，德國萊比錫出版；它是月刊，卻常被人誤譯為「年鑒」或「年刊」）上。

一個人，在一年之內，在幾個不同領域，齊頭並進地作出如此重大的貢獻，在科學史上是一個奇蹟。1967年，英國天文學家惠特羅（G.J.Whitrow）在他編的訪談錄《愛因斯坦，其人以及其貢獻》（Einstein,themanandhisachievement）中，就把1905年稱為「愛因斯坦奇蹟年」（Einstein』sannusmirabilis）。美國物理學家、《愛因斯坦全集》第一、二卷主編斯塔切耳（J.Stachel）還於1998年編了一本《愛因斯坦奇蹟年》（Einstein』sMiraculousYear），收了愛因斯坦1905年改變物理學面貌的5篇論文，並加了引導性的說明（此書已有中譯本，2001年上海科技教育出版社出版）。

在歷史上唯一可以與愛因斯坦奇蹟年相媲美的是牛頓（Newton）於1666年的成就。據牛頓自己晚年的回憶，在24歲那一年（1666年），他孕育了微積分、顏色理論和引力理論。但這三種理論當時只孕育在他的腦海里，並沒有寫成文字發表，幾年後才逐漸為周圍朋友所知。而愛因斯坦1905年發表的幾篇重要論文，都是多年醞釀的結果，特別是有關相對論思想的探索，10年前就開始了。1905年6月完成的論文《論動體的電動力學》，概念清晰，邏輯嚴密，文字簡潔，是一篇十分完美的科學經典文獻。

1905年，愛因斯坦不僅寫了上述6篇論文，還寫了21篇書刊評論，發表在當年的《物理學雜誌增刊》（BeiblatterzudenAnnalenderPhysik）上。被評論的論文或論著所用的文字有德文、英文、義大利文或法文，內容主要是熱力學和分子運動論。這些評論都是愛因斯坦應《增刊》編輯之約而寫的。

一個年僅26歲的青年，一年之內在科學上作出如此眾多的歷史性成就，已經是夠神奇的了。但更加神奇而不可思議的是，他當時並不是生活在大學或者學術研究機構中，而是在瑞士聯邦專利局當一個最低級的技術員，本職工作是對發明專利的申請進行技術鑒定。這項工作是非常費腦筋的，不可絲毫懈怠。而飽嘗失業之苦的愛因斯坦十分珍惜這份來之不易的工作，對此自然十分認真負責。因此，他只能利用每天8小時的公務以外的業餘時間來從事科學研究。可是，他在家裡還要幫助妻子照管不到一歲的兒子，經常是一手推著搖籃，一手執筆寫論文。他周圍沒有一個物理學家，更沒有一個可以請教的名師。

二產生奇蹟的源泉

愛因斯坦為什麼能夠在1905年創造奇蹟？從當時的歷史背景和他個人的成長過程，還是有印跡可尋的。

愛因斯坦出生於有猶太血統的中產階級家庭。父親赫爾曼?愛因斯坦（HermannEinstein）與人合夥經營一個小企業，後與弟弟雅各布?愛因斯坦（JacobEinstein）合辦一家生產各種電器的公司。愛因斯坦這位叔叔受過高等教育，是一位有抱負的工程師，對當時正在興起的電力工業有強烈興趣，並在技術創新方面取得多項專利。他們的公司生產發電機、弧光燈、白熾燈和成套的電話系統，都屬於當時的「高技術」。這樣一位處於時代前沿並富有進取心的叔叔對愛因斯坦智力的成長產生了重要影響。

愛因斯坦並不是神童，相反，他童年時的智力發育比常人慢，很遲才開始說話，而且學習說話很困難。他不愛一般兒童打鬧的遊戲，而愛獨自一人比較寧靜的活動。四五歲時父親給他看一個羅盤，他對指南針特殊的性狀感到十分驚奇，以致渾身顫慄。這種對自然界奧秘的「驚奇」，正是他終生從事科學探索的動力。愛因斯坦在晚年對自己發育緩慢與創建相對論的關係作了饒有風趣和意味深長的表述：

「我曾問自己，特別是我發現相對論的情況是怎樣出現的。當時似乎是處於如下情況。正常的成年人決不會為空間-時間問題傷腦筋。在他看來，關於這個問題所應該思考的一切事情，在童年時代都早已思考過了。相反，我發育很緩慢，在我已經長大的時候，才開始搞清楚空間和時間問題。其結果，我鑽研這個問題比通常的兒童所鑽研的要深。」

在叔叔的啟迪之下，愛因斯坦從小對動手的技術和抽象的數學都非常感興趣。10歲以後，他又受到一位每周末到他家作客的醫科大學生塔耳穆德（MaxTalmud）的悉心引導，讀了一系列數學、科學和哲學書籍。他12歲自學了平面幾何，並自己證明了畢達哥拉斯定理。他認為，讀「神聖的幾何學小書」，是童年所經歷的另一種「驚奇」。他13歲時還讀了康德（Kant）的哲學名著《純粹理性批判》，並與那位醫科大學生討論書中的問題。

另一方面，在他就讀的德國學校，由於滲透軍國主義精神，使他感到窒息和壓抑，產生了逆反心理。教師對這個不順從的學生也很惱火，他中學時一個班主任就曾斥責他不會有出息。碰巧，1894年他父親和叔父合辦的電器工廠因競爭不過德國的三家大公司，轉移到義大利另起爐灶。他也就斷然放棄了德國的學業，轉到瑞士上學。

他大學上的是蘇黎世瑞士聯邦理工大學數理師範系。他對坐在課堂里聽課興趣不大，大部分時間在實驗室里度過，「迷戀於同經驗直接接觸」。其餘時間在宿舍里閱讀一些著名物理學家的著作，逐步了解到當時物理學前沿的一些重大理論問題。他同班同學共5人，3人屬於數學專業；物理專業只有他和一位比他大三歲半的塞爾維亞姑娘瑪麗琦（MilevaMari?）。他們四年級時開始相愛。

1900年7月畢業考試，瑪麗琦未通過，愛因斯坦和另3位同學都通過了。那3位同學都被教授留下來當助教，唯獨他因特立獨行、離經叛道的性格不見容於教授們，大學一畢業就失業了。

愛因斯坦大學畢業後，生活立即陷入雙重的極端窘困之中。那時，他父親的工廠早已倒閉，而且負債纍纍。他本來打算畢業後同瑪麗琦結婚，但是遭到父母堅決反對，這激怒了愛因斯坦，使他同家庭的關係瀕於決裂，兩人相愛反而更深。

生活上的潦倒和婚姻上的挫折並沒有動搖他獻身科學的決心。這種決心早在1897年他給一位長輩的信中就明白地表達了：「緊張的腦力勞動和對神聖大自然的審視，將是引導我通過一切煩擾的天使，它雖然冷酷嚴厲，但卻使我心情安寧，信心堅定。」物質和精神的雙重逆境反而更激起他科學探索的激情。在跨出校門後4個月的1900年12月，他就完成了一篇論文《由毛細血管現象所得出的結論》，並於1901年3月在《物理學雜誌》上刊出。論文的基本思路開始醞釀於大學二年級，用熱力學與分子運動論相結合的方法，從分子概念推導出液體內能的表達式，企圖由此揭示分子力與牛頓引力之間的內在關係，給化學以力學的基礎。論文發表後，他給大學同班同學格羅斯曼（Grossmann）寫信，表達如此喜悅的心情：「從那些對於直接感官知覺來說似乎完全是各不相關的現象中認識到統一性，是一種壯麗的感覺。」

從1900年到1904年這5年內，他每年都寫出一篇論文，並且都被《物理學雜誌》接受發表。可是論文的發表並沒有改變他失業潦倒的命運。

在他失業後8個月，偶爾得到一個技術學校兩個月代課教師的臨時工作，他十分欣喜，在給人的信中說：「上午教了五六節課以後，下午在圖書館裡自己進修，或者在住所研究有趣的問題，……即使像現在這樣的情況，我也還有足夠的精力和願望去為科學奮鬥。」就在這2個月中，他又寫成第二篇論文。暑假後他找到一個家庭教師的工作。可是3個月後又失業了。1902年1月，瑪麗琦生了一個女孩，但他們沒有條件正式結婚，也沒有能力撫養孩子，情況之窘迫，猶如雪上加霜。

為了謀生，1902年2月愛因斯坦遷居到瑞士首都伯爾尼，在報上刊登「私人講授數學和物理學」的廣告。幾天後就有一位工程師和一位建築師來聽課。一個月後又招來兩個大學生，一個是學哲學的索洛文（Solovine），一個是學數學的哈比希特（Habicht）。他們都對科學哲學問題感興趣，與愛因斯坦志趣相投。於是他們3人每天晚上一起閱讀科學和哲學名著，也讀了一些文學作品，同時進行海闊天空、熱烈深入的討論。這項活動從1902年春天持續到1905年11月，他們戲稱為「奧林比亞科學院」，對愛因斯坦早期的科學創造，產生了重大的啟發和推動作用。

1902年6月愛因斯坦終於結束了失業生涯，被瑞士聯邦專利局聘為試用三級技術員。專利局局長是格羅斯曼的父親的朋友，經他的介紹，對愛因斯坦的才能很賞識，但還是經過考試才錄用。由於愛因斯坦從小受精通技術的叔叔的熏陶，對技術也很感興趣。因此，對專利局的工作盡心儘力，而且自己也曾取得過幾項發明專利。70年前，中國報刊上流傳不少愛因斯坦的奇聞逸事，其中有一則說愛因斯坦在專利局上班時，打開抽屜，偷偷在寫物理論文。這純屬無稽之談。

愛因斯坦所以能在1905年迸發出驚人的科學創造力，掀起一場物理學革命，考其原因有三。

首先，是他始終保持對自然界奧秘的驚奇，對科學探索的執著，不顧任何困頓險阻，始終信守為科學奮鬥的信念和決心。

其次，是他的不願隨波逐流，不願固步自封，敢於向舊傳統和任何權威挑戰的反叛精神。他生前的研究助手霍夫曼（B.Hoffmann）和秘書杜卡斯（HelenDukas）合寫傳記《阿耳伯特?愛因斯坦創造者與反叛者》（AlbertEinsteinCreatorandRebel,1972,VikingPress），這個不同凡響的書名，正是對他這種精神的中肯表述。

最後，也可能是最重要的是，他具有深邃的哲學探索精神，使他與同時代的物理學家相比，在思想境界上站得更高，看得更遠，眼界更廣。正如他在逝世前5天對一位科學史家所說的，20世紀初只有少數幾個科學家具有哲學頭腦；而今天的物理學家幾乎全是哲學家，不過「他們都傾向於坏的哲學」。既要有哲學頭腦，又要不傾向於坏哲學，並非易事。他自己是怎樣走過來的？對他的科學探索產生影響的哲學思想又是什麼？

愛因斯坦幼年時雖然發育遲緩，但少年時卻相當早熟，愛好窮根究底地思考各種問題，包括大自然的奧秘和人生價值問題。在一位醫科大學生引導下，12歲就讀過康德的代表作。1902—1905年的「奧林比亞科學院」的活動中，他和兩位大學生一道閱讀並認真討論了理性論哲學家斯賓諾莎（Spinoza）的代表作《倫理學》，經驗論哲學家休謨（Hume）的《人性論》，物理學家兼經驗論哲學家馬赫（Mach）的《感覺的分析》和《力學》（此前他自己已讀過這兩本書），以及其他一些哲學家的著作。愛因斯坦通過自己的獨立思考，以獨立的批判精神，認真吸取各派哲學的精華，而不拘泥於任何一派哲學體系，不盲目附和任何哲學教條。他的哲學思想，是通常的物理學家難以企及甚至無法真正理解的。最近我國著名理論物理學家，90歲高齡的彭桓武先生在一次訪談時坦誠地說，對愛因斯坦兩段論及哲學的話，他至今未能真正理解其意義（見2005年1月6日《大眾科技報》）。這兩段話正是愛因斯坦對知識和理論本性的精闢論斷，值得向讀者介紹：

1．「純粹的邏輯思維不能給我們任何關於經驗世界的知識；一切關於實在的知識，都是從經驗開始，又終結於經驗。」（1933年6月10日在牛津大學的演講《關於理論物理學的方法》）

2．「我們現在特別清楚地領會到，那些相信理論是從經驗歸納出來的理論家是多麼錯誤呀。甚至偉大的牛頓也不能擺脫這樣的錯誤（『我不作假設』）。」（《物理學和實在》，1936年；「我不作假說」是牛頓的話，他認為他的理論全部來自經驗。）