【導讀】克隆猴誕生、北鬥導航服務全球、港珠澳大橋建成通車、嫦娥四号探測器在月球背面成功着陸……我國科技創新大潮澎湃，重大創新成果競相湧現，正步履堅實地向建設世界科技強國目标前行。回望科學技術史，愛因斯坦創建相對論是一個具有理論創新意義的事件。今年是其誕辰140周年，日前文彙報刊發報道《是什麼讓愛因斯坦“雙眼放光”》，聚焦新出版的《愛因斯坦：我的世界觀》，該書以1953年德文版《我的世界觀》為底本，系統收入了這位科學大家的絕大多數演講、文章等，其中有20多篇短文此前從未翻譯成中文出版過。今分享其中一篇——愛因斯坦于1922年在日本京都大學發表的演講及楊振甯為《愛因斯坦：我的世界觀》所作的序。

【演講精選】

愛因斯坦：我如何創立了相對論

要解釋我如何發現相對論絕非易事。這是因為，它涉及了各種各樣隐秘的複雜因素，在不同程度上刺激并影響着一個人的思考。我不會挨個提到這些因素，也不會列出我寫過的論文，隻會簡要概括那些在我的思考發展主線中的關鍵點。

醞釀思考17年，創立相對論

我第一次考慮相對性原理這個想法的時間，大概是在17年前。我說不準它從何而來，但它肯定與運動物體的光學問題有關。光穿過以太海，地球也穿過以太海。從地球的角度來看，以太正在相對地球流動。然而我在任何物理書刊中，都無法發現以太流動的證據。這使我想要找到任何可能的途徑，去證明地球運動引起的以太相對地球流動。

在開始思索這個問題時，我根本沒有懷疑過以太的存在或地球的運動。因此我預言，如果來自某個源的光被一面鏡子适當地反射，那麼它應該有一個不同的能量，這個能量取決于它的移動是沿着地球的運動方向還是相反方向。

利用兩個熱電堆，我試着通過測量在每一個熱電堆中産生的熱量的不同，以此核實這一點。這個想法與在邁克爾遜實驗中的一樣，但我對他的實驗的理解當時還不清晰。

當我還是一個思索這些問題的學生時，就已熟知邁克爾遜實驗的奇怪結果，并出于直覺意識到，如果我們能接受他的結果是一個事實，那麼認為地球相對以太運動的想法就是錯誤的。這一洞見實際上提供了第一條導緻現在被稱為狹義相對論原理的東西的道路。

我自此開始相信，雖然地球繞着太陽旋轉，但也不能利用光的實驗證實地球運動。恰好正是在那個時間前後，我有機會拜讀了洛倫茲在1895年的專著。洛倫茲讨論并設法完全解決了一階近似的電動力學，即忽略運動物體速度與光速比值的二階和更高階小量。

我也開始研究斐索實驗的問題，并假設在用運動物體坐标系取代真空坐标系時，由洛倫茲建立的電子方程式仍然有效，以此來解釋斐索實驗的問題。無論如何，我當時相信麥克斯韋-洛倫茲電動力學方程是可靠的，它描繪了事件的真實狀态。

此外，方程在一個移動坐标系也成立這一條件，提供了一個被稱為光速不變的論點。但光速的這種不變性，與從力學得知的速度相加法則不相容。

《愛因斯坦：我的世界觀》，[美]阿爾伯特·愛因斯坦著，方在慶編譯，中信出版集團2018年11月出版

遇難解之謎，在與朋友的偶然交流中茅塞頓開

為什麼這兩件事互相矛盾？

我覺得自己在這裡遇到了一個異乎尋常的困難。我花了幾乎一年的時間思索它，認為自己将不得不對洛倫茲的觀點做某種修正，但徒勞無果。我隻好承認，這并不是一個容易解決的謎。偶然之下，一個住在（瑞士）伯爾尼的朋友幫助了我。

那天是個好天氣。我拜訪他，對他說的話大概是：“我這些天一直在與一個問題做鬥争，不論怎樣嘗試，都沒法解決它。今天，我把這個難題帶給你。”我和他進行了多方面的讨論。通過這些讨論，我突然恍然大悟。第二天，我又拜訪了他，幹脆痛快地告訴他：“謝謝。我已經完全解決了自己的問題。”

我的解決方法事實上與時間的概念有關。

要點是，沒有一個絕對的時間定義，而是在時間和信号速度之間有一個分不開的聯結。利用這個想法，我就能第一次完全解決那個之前異乎尋常的困難。有了這個想法後，我在五周内完成了狹義相對論。

我毫不懷疑，從哲學觀點來看，這個理論也是非常自然的。我也意識到它很好地符合了馬赫的觀點。盡管正如與後來廣義相對論解決了的那些問題一樣，狹義相對論與馬赫的觀點顯然并沒有直接聯系，但是可以說它與馬赫對各種科學概念的分析有間接的聯系。狹義相對論由此誕生。

廣義相對論的第一個想法發生在兩年後——1907年，它是在一個值得紀念的環境中發生的。

運動的相對性限于相對勻速運動，不适用于随意的運動，當時我對此已經感到不滿了。我總在私下想，是否能以某種方法來去掉這種限制。

1907年，應《放射性與電子學年鑒》的編輯施塔克先生的要求，我嘗試為該年鑒總結狹義相對論的結果。當時我意識到，雖然能夠根據狹義相對論讨論其他所有自然法則，但這個理論卻無法适用于萬有引力定律。我有一種強烈的渴望，想設法找出這背後的原因。

但要實現這個目标并不容易。我對狹義相對論最不滿意的，是這個理論雖然能完美地給出慣性和能量的關系，但是對慣性和重量的關系，即引力場的能量，還是完全不清楚的。我覺得在狹義相對論中，可能根本找不到解釋。

廣義相對論認為引力來自時空的彎曲

簡單想象帶來巨大沖擊力，推動提出新的引力理論

我正坐在伯爾尼專利局的椅子上的時候，突然産生一個想法：“如果一個人自由落下，他當然感受不到自己的重量。”我吓了一跳。這樣一個簡單的想象給我帶來了巨大的沖擊力，正是它推動着我去提出一個新的引力理論。

我的下一個想法是：“當一個人下落時，他在加速。他觀察到的，無非就是在一個加速體系中觀察到的東西。”由此，我決定将相對論從勻速運動體系推廣到加速度體系中。我期待這一推廣能讓我解決引力問題。

這是因為，一個下落中的人感受不到他自己的重量，可以被解釋為是由于一個新的附加引力場抵消了地球的引力場；換句話說，因為一個加速度體系提供了一個新的引力場。我并沒能以這個觀點為基礎，馬上把問題完全解決。我又花了八年以上的時間找到正确的關系。但同時，我開始部分地意識到這馬赫也堅持認為所有加速度體系是等效的。

但這明顯與我們的幾何不相符，因為如果允許加速度體系，那麼歐氏幾何将不能在所有體系中都适用。不用幾何表達一個法則，就像不用語言表達一個想法。我們首先必須找到一種表達我們思想的語言。那麼在這種情況下，我們要找的是什麼？

高斯的曲面論是否是揭開謎團的鑰匙？

在1912年之前，我都沒解決這個問題。就在那一年，我突然意識到，有充分理由相信高斯的曲面論可能是揭開這一謎團的鑰匙。當時我意識到了高斯曲面坐标極其重要，但還不知道黎曼已經提供了有關幾何基礎的更深刻的讨論。我碰巧想起，當我還是一名學生時，在一位名為蓋澤的數學教授的課上聽過高斯理論。

從這裡我發展了自己的想法，并且想到了幾何必須有物理意義這一概念。當我從布拉格回到蘇黎世時，我的好朋友、數學教授格羅斯曼正在那裡。我在伯爾尼專利局時，很難得到數學文獻，而他曾經願意向我提供幫助。這一次，他教了我裡奇理論，之後又是黎曼理論。所以我問他，是否能通過黎曼理論真正解決我的問題，即曲線元的不變性是否能完全決定它的系數——我一直試圖找到這個系數。

黎曼（左）、高斯（右）

1913年，我們合寫了一篇論文。但我們并沒能在那篇論文中得到正确的萬有引力方程。雖然我繼續研究黎曼方程，嘗試了各種不同的方法，但隻是發現了諸多不同理由，使我相信它根本不能得出自己想要的結果。

接下來是兩年的艱苦研究。然後我終于意識到在自己先前的計算中存在着一個錯誤。因此我轉回了不變量理論，并試着找到正确的萬有引力方程。

兩周後，正确的方程終于第一次出現在我的眼前。關于我在1915年後所做的研究，我隻想提宇宙學問題。這個問題涉及宇宙幾何和時間，一方面基于對廣義相對論中的邊界條件的處理，另一方面則基于馬赫對慣性的觀點。當然，我并沒有具體地知道馬赫對慣性的相對性有什麼看法，但他肯定至少對我産生了一個極其重要的影響。

無論如何，在嘗試找出萬有引力方程的不變性邊界條件後，我終于能通過把宇宙視為一個封閉空間并消除邊界而解決了宇宙學問題。從這一點我得出以下結論：慣性隻不過是一個由一些物體共享的性質。如果一個特定的物體旁邊沒有其他天體，那麼它的慣性肯定會消失。

我相信，這使廣義相對論在認識論上能令人滿意。我認為，上述描述對相對論的基本要素是如何被創建的做了一個簡要的曆史梳理。

（1922年12月14日，愛因斯坦在日本京都大學發表了演講，石原純做翻譯，并用日文記載了愛因斯坦的演講内容。這篇記錄1923 年發表于第五卷第二期的《改造》雜志（2～7頁）

文彙報1月30日刊發的報道《是什麼能讓愛因斯坦“雙眼放光”》

【楊振甯之序】

愛因斯坦：機遇與眼光

生逢其時，得以有機會改寫物理學進程

1905年通常稱為阿爾伯特·愛因斯坦的“奇迹年”（Annus Mirabilis）。在那一年，愛因斯坦引發了人類關于物理世界的基本概念（時間、空間、能量、光和物質）的三大革命。一個26歲、默默無聞的專利局職員如何能引起如此深遠的觀念變革，因而打開了通往現代科技時代之門？當然沒有人能夠絕對完滿地回答這個問題。可是，我們也許可以分析他成為這一曆史性人物的一些必要因素。

首先，愛因斯坦極其幸運：他生逢其時，當物理學界面臨着重重危機時，他的創造力正處于巅峰。換句話說，他有機會改寫物理學的進程，這也許是自從牛頓時代以來獨一無二的機遇。這種機遇少之又少。E.T.貝爾（Bell）的《數學精英》引用了拉格朗日（J.L.Lagrange,1736—1813）的話：

雖然牛頓确實是傑出的天才，但是我們必須承認他也是最幸運的人：人類隻有一次機會去建立世界的體系。

這裡，拉格朗日引用的是牛頓的巨著《自然哲學的數學原理》（Principia Mathematica）中第三卷即最後一卷前言中的話：

現在我要演示世界體系的框架。

牛頓的巨著《自然哲學的數學原理》

拉格朗日顯然非常嫉妒牛頓的機遇。可是愛因斯坦對牛頓的公開評價給我們不一樣的感覺：

幸運的牛頓，幸福的科學童年……他既融合實驗者、理論家、機械師為一體，又是闡釋的藝術家。他屹立在我們面前，堅強、自信、獨一無二。

愛因斯坦有機會修正200多年前牛頓所創建的體系。可是這個機會當然也對同時代的科學家們開放。的确，自從1881年邁克爾遜—莫雷（Michelson-Morley）首次實驗以及1887年第二次實驗以來，運動系統中的電動力學一直是許多人在鑽研的熱門課題。令人驚奇的是，當愛因斯坦仍在蘇黎世念書時，他已經對這個題目發生了濃厚的興趣。1899年他曾寫信給他後來的太太米列娃：

我還了赫姆霍茲的書，現正在非常仔細地重讀赫茲的電力傳播工作，因為我以前沒能明白赫姆霍茲關于電動力學中最小作用量原理的論述。我越來越相信今天所了解的運動物體的電動力學與實際并不相符，而且可能有更簡單的理解方式。

電流的磁效應，運動的電荷産生磁場其實就是相對論效應的體現

他追尋此更簡單的理解方式，六年以後引導出了狹義相對論。

當時許多科學家對這個科目也極感興趣。龐加萊（L.H. Poincaré，1854—1912) 是當時兩位最偉大的數學家之一，他也正在鑽研同一個問題。事實上，相對性（relativity）這一名詞的發明者并不是愛因斯坦，而是龐加萊。龐加萊在1905 年的前一年的演講《新世紀的物理學》中有這樣一段：

根據相對性原則，物理現象的規律應該是同樣的，無論是對于固定不動的觀察者，或是對于做勻速運動的觀察者。這樣我們不能，也不可能，辨别我們是否正處于這樣一個運動狀态。

這一段不僅介紹了相對性這個概念，而且顯示出了異常的哲學洞察力。然而，龐加萊沒有完全理解這段話在物理上的意義：同一演講的後幾段證明他沒有抓住同時性的相對性（relativity of simultaneity）這個關鍵性、革命性的思想。

愛因斯坦也不是首位寫下偉大的轉換公式的人：

之前，洛倫茲（H.A.Lorentz,1853—1928）曾寫出這個公式，所以當時這個公式以洛倫茲命名，現在仍然是這樣。可是洛倫茲也沒能抓住同時性的相對性這個革命性思想。1915年他寫道：

我失敗的主要原因是我死守一個觀念：隻有變量t 才能作為真正的時間，而我的當地時間t’僅能作為輔助的數學量。

這就是說，洛倫茲有數學，但沒有物理學；龐加萊有哲學，但也沒有物理學。正是26歲的愛因斯坦敢于質疑人類關于時間的原始觀念，堅持同時性是相對的，才能從而打開了通向微觀世界的新物理之門。

幾乎今天所有的物理學家都同意是愛因斯坦創建了狹義相對論。這對龐加萊和洛倫茲是否公平？要讨論這個問題，讓我們先引用懷特海（A.N.Whitehead,1861—1947）的話：

科學的曆史告訴我們：非常接近真理和真正懂得它的意義是兩回事。每一個重要的理論都被它的發現者之前的人說過。

龐加萊（左），洛倫茲（右）

超越洛倫茲與龐加萊，源于孤持、距離、自由的眼光

洛倫茲和龐加萊都沒有抓住那個時代的機遇。他們緻力于當時最重要的問題之一，即運動系統中的電動力學。可是他們都錯失其重點，因為他們死守着舊觀念，正如洛倫茲自己後來所說的一樣。愛因斯坦沒有錯失重點是因為他對于時空有更自由的眼光。

要有自由的眼光（free perception），必須能夠同時近觀和遠看同一課題。遠距離眼光（distant perception）這一常用詞就顯示了保持一定距離在任何研究工作中的必要性。可是隻有遠距離眼光還不夠，必須與近距離的探索相結合。正是這種能自由調節、評價與比較遠近觀察的結果的能力形成了自由的眼光。按照這一比喻，我們可以說洛倫茲失敗了是因為他隻有近距離眼光，而龐加萊失敗了是因為他隻有遠距離眼光。

中國偉大的美學家朱光潛（1897—1986）強調過“心理距離”在藝術和文學創作上的重要性。我認為他的觀念與上述的遠距離眼光是一緻的，隻是在不同的學術領域而已。在最權威的愛因斯坦的科學傳記Subtle is the Lord（即前文所引A. Pais 的著作）中，作者選擇這樣一個詞來描寫愛因斯坦的性格：孤持（apartness），并且在第三章開始時引述道：

與其他人保持距離；單獨地、孤立地、獨自地。（《牛津英文詞典》）

的确，孤持、距離、自由眼光是互相聯系的特征，是所有科學、藝術與文學創造活動中一個必要因素。

光電效應

1905年愛因斯坦另一個具有曆史意義的成果是他于3月間寫的論文《關于光的産生和轉化的一個啟發性觀點》。這篇文章首次提出了光是帶分立能量hv的量子。常數h由普朗克于1900 年在其大膽的關于黑體輻射的理論研究中提出。然而，在接下來的幾年裡，普朗克變得膽怯，開始退縮。1905 年愛因斯坦不僅沒有退縮，還勇敢地提出關于光量子的“啟發性觀點”。這一大膽的觀點當時完全沒有受到人們的贊賞，從以下的幾句話就可以看出這一點：八年後，當普朗克、能斯特（W.H.Nernst）、魯本斯

（Heinrich Rubens）、瓦爾堡（O.H.Warburg）提名愛因斯坦為普魯士科學院院士時，推薦書上說：

總之，我們可以說幾乎沒有一個現代物理學的重要問題是愛因斯坦沒有做過巨大貢獻的。當然他有時在創新思維中會錯過目标，例如，他對光—量子的假設。可是我們不應該過分批評他，因為即使在最準确的科學裡，要提出真正新的觀點而不冒任何風險是不可能的。

這封推薦書寫于1913年，其中被嘲笑的光——量子假設（hypothesis of light-quanta）指的就是上述愛因斯坦于1905年大膽提出的想法。可是愛因斯坦不理這些嘲笑，繼續把他的想法向前推進，于1916年至1917年确定了光量子的動量，進而發展為1924 年對康普頓效應（Compton effect）的劃時代的認識。

光量子這一革命性之觀點産生的曆史可以總結為：

1905年 愛因斯坦關于E=hv的論文

1916年 愛因斯坦關于P=E/c的論文

1924年 康普頓效應

在那些年裡，在1924年康普頓效應确立之前，愛因斯坦完全孤立，因為他對光量子的深邃眼光不被物理學界所接受。

對廣義相對論，愛因斯坦創造機遇而非抓住機遇

在1905年至1924年之間，愛因斯坦的研究興趣主要在廣義相對論。作為科學革命，廣義相對論在人類曆史上是獨一無二的。其設想宏偉、美妙、廣邃，催生了令人敬畏的宇宙學，而且它是一個人獨自孕育并完成的，這一切讓我想起《舊約》裡的創世篇（不知愛因斯坦本人是否曾想起這個比較）。

當然，我們很自然也會想起其他的科學革命，例如牛頓的巨著、狹義相對論、量子力學。不同之處：牛頓的工作确實是宏偉、美妙、廣邃的。對。可是在他之前有伽利略（Galileo）、開普勒（Kepler），還有更早的數學家和哲學家們的成果。他也不是當時唯一在尋求萬有引力定律的人。狹義相對論和量子力學也都是影響深遠的革命。可是它們是當時許多人研究的熱門課題，都不是由一個人所創建的。

關于廣義相對論，愛因斯坦沒有抓住什麼機遇，而是創造了這個機遇。他獨自一人通過深邃的眼光，宏偉的設想，經過七八年孤獨的奮鬥，建立起一個難以想象的美妙體系。這是一次純粹的創造。

伽利略（左）、開普勒（右）

後半生的研究重點：對于統一場論的投入被描述為着魔

廣義相對論代表引力場的幾何化。自然而然它使愛因斯坦接着提出電磁場的幾何化。從而又産生了将所有自然力幾何化的想法，即統一場論。此發展成為他後半生的研究重點。例如，1949年至1950年在普林斯頓高等研究中心他最後的研讨會上，他嘗試着把電磁場Fμν合并成不對稱的度量gμν。他這個嘗試和他先前在同一方向所做出的努力一樣，都沒能成功。

由于沒有成功，也由于自20世紀20年代初，愛因斯坦将其注意力幾乎全部放在這項研究上而忽略了像固體物理和核子物理這些新發展的領域，他經常遭受批評，甚至被嘲笑。他對于統一場論的投入被描述為着魔（obsession）。這種批評的一個例子是拉比（I.I.Rabi,1898—1988）于1979年在普林斯頓舉行的愛因斯坦百年紀念上所講的話：

當你想起愛因斯坦于1903年或1902年至1917年的工作時，那是極其多彩的，非常有創造力，非常接近物理，有非常驚人的洞察力；然而，在他不得不學習數學，特别是各種形式的微分幾何的時期以後，他就改變了。

他改變了他的想法。他的那種對物理學的偉大創意也随之改變了。

拉比是否正确呢？愛因斯坦有沒有改變呢？

答案是：愛因斯坦的确改變了。改變的證據可以在他1933年的斯賓塞演講(Herbert Spencer Lecture)《關于理論物理學的方法》中找到：

……理論物理的公理基礎不可能從經驗中提取，而是必須自由地創造出來……經驗可能提示适當的數學觀念，可是它們絕對不能從經驗中演繹而出……但是創造源泉屬于數學。因此，在某種意義上，我認為單純的思考可以抓住現實，正如古人夢想的一樣。

雖然你可以同意或反對這些非常簡要的論點，但是你必須同意它們強有力地描述了愛因斯坦在1933年關于如何做基礎理論物理的想法，而且此想法相對于他早年的想法有極大的變化。

愛因斯坦自己對這一變化非常清楚。在他70歲出版的《自述》（Autobiographical Notes）裡，我們看到：

……我作為一個學生并不懂得獲取物理學基本原理的深奧知識的方法是與最複雜的數學方法緊密相連的。在許多年獨立的科學工作以後，我才漸漸明白了這一點。

很明顯，在這一段裡，“獨立的科學工作”指的是他于1908年至1915年期間創建廣義相對論的長期奮鬥。長期奮鬥改變了他。是否朝更好的方向改變了呢？拉比說：不是，他的新眼光變成徒勞無益的走火入魔。我們說：他的新眼光改寫了基礎物理日後的發展進程。

愛因斯坦逝世幾十年來，他的追求已經滲透了理論物理基礎研究的靈魂，這是他的勇敢、獨立、倔強和深邃眼光的永久證明。

（略有删減）

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