袁嵐峯博士在中信出版社紀念愛因斯坦誕辰140週年活動上的演講_風聞

導讀

　　最近，燕山大學教授李子豐“推翻相對論”的新聞引起輿論譁然，也令很多人對真正的相對論是什麼產生了興趣。2019年3月14日，袁嵐峯在上海交通大學錢學森圖書館參加了一場紀念中信出版社組織的愛因斯坦誕辰140週年的活動，做了一場介紹愛因斯坦科學成就的演講。特此重發此文，以饗讀者。

　　非常感謝方老師和江老師的演講（《愛因斯坦小時候有道題沒想通，想着想着就改變了物理學 | 科技袁人》，《美國對科學家的“重視”，愛因斯坦早就體驗過了…… | 科技袁人》），讓大家對愛因斯坦和當時的時代背景增加了很多理解。很多觀眾可能還想問：現在的科學發展到什麼程度了？愛因斯坦對當代的科學，產生了什麼樣的影響？

　　本來這應該是理論物理學家回答的問題，而且還應該是楊振寧、李政道、温伯格、蓋爾曼這種諾貝爾獎得主級別的，至少也應該是霍金這種級別的。不過很遺憾，我們今天沒有請到這樣的嘉賓。

　　我的專業是理論與計算化學，按説與理論物理的前沿有一段距離，不過跟現場的大多數觀眾朋友們比起來，可能還是近一點。所以只好不揣淺陋，按照我的理解來跟大家談一談，也許可以作為一個參考，也希望真正的內行專家多多指正。

　　下次再有這種活動，我們希望中信出版社更加給力，請到諾貝爾獎級別的嘉賓來解讀，也就省了我的事了。

　　言歸正傳。要談愛因斯坦對現代科學的影響，我們首先應該有一個基本概念，就是二十世紀發生了兩場科學革命：一場叫做量子力學，一場叫做相對論。這兩場科學革命最初都發生在物理學中，但物理學的規律決定了化學的規律，化學的規律決定了生物學的規律，這樣一環扣一環地，對整個自然科學都造成了根本的改變。

　　這兩場科學革命，革命的對象是誰呢？是十九世紀及以前的物理學，稱為經典力學。用現在的語言，可以説經典力學描述的是宏觀物體的低速運動。而這兩場科學革命，就是打破了這兩個條件：要描述微觀物體，就必須用量子力學；要描述高速運動，就必須用相對論。

　　有趣的問題來了。什麼叫微觀？達到原子分子層次的，就是微觀。什麼叫高速？跟光速可以比較的，就是高速。

　　實際上，我們現在能夠輕輕鬆鬆地做出這些回答，這絕不是理所當然的，背後都有愛因斯坦的巨大貢獻。

　　1905年被稱為愛因斯坦奇蹟年，愛因斯坦在若干個領域做出了開創性的貢獻。其中一個領域，就是原子的存在性。

　　現在我們從小就學原子理論，早就把它看作天經地義的了。很多人可能沒有意識到，這遠遠不是顯而易見的。事實上，長期以來，有許多科學家反對原子的概念，其中不乏非常著名的權威科學家。

　　1905年，愛因斯坦基於原子理論，對布朗運動提出了一種定量理論。大家知道布朗運動是什麼吧？就是像花粉這樣在宏觀看起來很小、但在微觀看起來又很大的物體，在像水這樣的液體中的無規運動，走的是隨機的折線路徑。現在很多人把印度的導彈戲稱為布朗運動彈，就是來自這種現象。

　　愛因斯坦的布朗運動理論，跟實驗符合得很好，一下子就證明了原子的存在性，還提供了一種測量原子質量的方法。從此以後，即使是原來最頑固的反對派，也不得不承認原子論的正確了。

　　愛因斯坦奇蹟年的另一個奇蹟，就是大家耳熟能詳的狹義相對論。

　　狹義相對論的基本思想有兩條。一條叫做相對性原理，説的是：物理規律在所有的慣性參照系中，都有同樣的形式。什麼叫慣性參照系呢？就是做勻速直線運動的參照系。另一條叫做光速不變原理，説的是：在所有的參照系中，光速都相等。

　　外行經常問的一個問題是，為什麼要認為光速是速度的極限，為什麼不可以有高於光速的速度？實際上，這不是愛因斯坦或者任何人的心血來潮，而是一個實驗觀測事實。舉個例子，地球在自轉，所以在地球表面沿着自轉方向的光速，應該比垂直於自轉方向的光速快一點，對不對？但實驗觀測的結果，卻是測不出任何速度差別。

　　如果你在經典力學的框架中看這個實驗事實，就會感到非常奇怪，簡直不可理喻：光速加一個速度，為什麼還是等於光速，而不是大於光速？在愛因斯坦之前，有許多科學家希望解決這個矛盾，但只是在原有框架上修修補補，於是搞得理論越來越奇怪，解釋了這個，又會在其他地方翻車，按下葫蘆起來瓢。

　　這時，愛因斯坦表現出了深邃的洞察力。他提議，不要用其他的原理來解釋光速不變，而應該把光速不變當做一條基本原理，從這條基本原理出發，去推導其他結果。只要你的思想跨過了這關鍵的一步，那麼後面的推理都如水之就下，一馬平川。愛因斯坦推出的這整個體系，就是狹義相對論。

　　狹義相對論有很多驚人的結果，例如鐘慢效應、尺縮效應。而在所有結果中，最著名也是最驚人的，大概就是質能關係E =mc²，能量等於質量乘以光速的平方。這可能是整個自然科學中最深刻的方程，它説明一定的能量必然對應一定的質量。在這個意義上，能量和質量就是一回事。後來發展起來的核武器、核電站，以及我們經常強調的、有望成為人類終極能源的核聚變，它們的科學基礎都來自質能關係。

　　狹義相對論已經是一個非常偉大的成果了。但是，更加令人驚歎的是，在此之後，愛因斯坦繼續向上攀登，又提出了更加普適的廣義相對論。

　　如果説狹義相對論的問題還有許多科學家在研究，如果沒有愛因斯坦，這個理論也已經呼之欲出了，那麼廣義相對論就幾乎只有愛因斯坦一個人在思考，如果沒有愛因斯坦，可能我們直到現在都沒有掌握廣義相對論。人類歷史上如此依賴於創始人一個人的理論，簡直是絕無僅有。而廣義相對論又是如此的美妙，任何能理解它的人，都必然感到巨大的震撼。

　　因此，在提出狹義相對論之後，愛因斯坦成為了科學界的著名人物，但在公眾當中還不是很出名，而在提出廣義相對論之後，尤其是在愛丁頓的日食實驗初步證實了廣義相對論之後，愛因斯坦一夜之間就成為了全世界的超級名人。雖然大多數人連狹義相對論都不理解，更不用説廣義相對論了，但他們都知道了，愛因斯坦就是當代的神人，科學的象徵。

　　這對科學傳播有巨大的好處，例如科學的影響力就大大超過了宗教。所以，雖然愛因斯坦本人經常被各種誤解困擾，但我們不妨把這看作一個小小的代價。當然，如果不誤解，真正理解愛因斯坦做了些什麼，那就更好啦，希望我們的觀眾能夠達到這種水平。

　　廣義相對論研究的是什麼問題呢？由於時間關係，在這裏只能説一點最基本的：狹義相對論説的是“所有的慣性參照系都平等”，但這還不能令人滿意，非慣性的參照系該怎麼辦呢？因此，廣義相對論説的是“所有的參照系都平等”，不再區分慣性和非慣性的參照系。

　　霍金研究的宇宙學，就是以廣義相對論作為基礎的。

　　這樣的一個理論居然能構造出來，而且跟實驗符合得極好，真是人類智力的偉大證明！以後如果人類遇到其他星球的文明，或者到了《三體》中描述的宇宙的最後審判日，人類掌握了廣義相對論這一點，一定會為人類文明贏得高度的尊敬。

　　説完了相對論這場科學革命，我們再來看另一場科學革命，量子力學。

　　愛因斯坦對量子力學也有重大的貢獻，例如在1905年為了解釋光電效應，提出光子的概念。實際上，愛因斯坦得到諾貝爾物理學獎，就是因為這個成就，而不是因為相對論！當然，這不是愛因斯坦的問題，而是諾貝爾獎委員會的問題。這個成果也完全當得起諾貝爾獎，只不過愛因斯坦還有更多更大的成果在那兒放着呢，好比給一個十項全能選手最弱的一個項目頒了最大的獎，所以顯得有點滑稽，只能説反映了當時諾貝爾獎委員會極度的保守和固執。

　　因此，許多人喜歡聊的一個問題就是：愛因斯坦能得幾次諾貝爾獎？有説四次的，有説五次的，甚至還有更多的。其實這個問題並不重要，諾貝爾獎發給愛因斯坦是諾貝爾獎的榮幸，而不是愛因斯坦的榮幸。

　　愛因斯坦早就知道自己肯定能得這個獎，以至於他在跟第一位妻子米列娃寫離婚協議的時候，就寫了：我現在沒有錢，將來得到諾貝爾獎以後，把獎金給你！這話看起來十分荒誕，好像“還沒中五百萬就想着怎麼分錢”，但米列娃居然也接受了，説明她也相信愛因斯坦肯定會得諾貝爾獎，只是早晚的問題。我在《科技袁人》節目中説過，有些在外人看來危若累卵的事，當事人也許是胸有成竹。你看，愛因斯坦的神操作，已經給我們做出了示範。

　　讓我們回到量子力學。值得注意的是，雖然愛因斯坦為早期的量子力學做出了重要貢獻，但隨着量子力學的發展，愛因斯坦逐漸跟主流拉開了距離。這是因為量子力學揭示出關於實在性和因果性的一些非常深入的問題，在這些基本方面嚴重地挑戰了日常生活的常識。愛因斯坦雖然讚賞量子力學在實用層面的成功，但對這些哲學方面的特徵始終不能滿意。

　　如果是一般人，那麼在哲學層面抱怨幾句也就完了，對科學發展不會產生多少影響。但愛因斯坦不是一般人，他總是想把哲學觀點變成可觀測的現象。1934年，愛因斯坦對量子力學提出了一個非常有創造力的質疑，現在我們稱之為“量子糾纏”。

　　你八成聽到過這個詞，對不對？你還聽到過量子糾纏有種種神奇之處，例如所謂“穿越整個宇宙的心靈感應”，對不對？雖然關於量子糾纏的許多所謂“科普”文章都是胡扯，但你確實應該知道，這是一個真實的物理學概念，而且這個概念是愛因斯坦提出來的。

　　愛因斯坦對量子力學提出這個質疑以後，怎麼樣了呢？後面的發展，只能用峯迴路轉來形容。經過多年的實驗研究，現在絕大多數科學家公認，量子糾纏是一個真實的現象，愛因斯坦對量子力學的質疑是錯誤的。

　　更有意思的是，近三十年來興起了一個新的領域“量子信息”，量子糾纏就成了量子信息中的一個重要工具。大家可能都聽説過，科大就是全世界量子信息研究的中心之一，取得了許多重要成果，例如最多光子數糾纏的紀錄就是科大潘建偉研究組創造的。

　　對此我們能説什麼呢？愛因斯坦對量子力學的質疑雖然被證明是錯誤的，但這個深刻的思考還是得到了非常有價值的成果。偉人即使是錯誤，都這麼有啓發性！就像《大話西遊》裏紫霞仙子的名言：“跑都跑得那麼帥，我真幸福！”

　　以上是我們對愛因斯坦的科學成果的介紹。但值得注意的是，愛因斯坦對科學的影響，不止於具體的成果，還包括方法論的層面。

　　具體一點説，愛因斯坦把對稱性放到了物理學的中心。這話是什麼意思呢？在愛因斯坦之前，物理研究的一般範式是先觀察實驗現象，然後提煉出理論，最後從理論中看出對稱性。而在愛因斯坦之後，這個順序就被顛倒過來了，是先指定研究對象的對稱性，然後確定相應的理論，對實驗做出預測，最後再做實驗去對照。

　　愛因斯坦提出廣義相對論，就是這樣的流程。

　　很多觀眾可能聽説過，楊振寧最大的成果並不是得到諾貝爾獎的宇稱不守恆，而是另一個成果，叫做楊-米爾斯場論。為什麼這個理論這麼重要呢？原因就是，它可以被理解為一個標準接口或者理論框架，你把對稱性輸入進去，它就可以產生相應的理論，做出一大堆預測，然後實驗物理學家去檢測。

　　粒子物理目前的最高成就叫做“標準模型”，解釋了所有已知粒子之間的相互作用，標準模型就是以楊-米爾斯場論的數學語言為基礎的。而在所有這一切背後，都是愛因斯坦引進的、以對稱性為中心的思維方式。

　　方在慶老師翻譯的《我的世界觀》，序言是楊振寧的文章《愛因斯坦：機遇與眼光》。楊振寧在此文結尾寫道：

　　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。

　　謝謝大家！