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爱因斯坦(1879~1955)(1879~1955)

  划时代的大科学家,现代物理学的开创者和奠基人。他的工作对天文学和天体物理学有巨大的影响。

  1879年 3月14日生于德国乌尔姆镇,在瑞士度过青年时代。1900年毕业于苏黎世工业大学。毕业后即失业。经过两年的努力,才在伯尔尼的专利局找到固定工作。他早期的一系列有历史意义的贡献都是在这里完成的。1909年他开始在大学任教,1914年被邀请回到德国,任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。1933年希特勒上台,爱因斯坦因为是犹太人,又坚决捍卫民主,就首遭迫害,被迫移居美国的普林斯顿。1940年入美国籍。1955年4月18日在普林斯顿逝世。

  十九世纪末叶是物理学的变革时期,新的实验结果冲击着伽利略、牛顿以来所建立的经典物理学体系。以洛伦兹等为代表的老一代理论物理学家力图在原有的理论框架内解决旧理论同新事实之间的矛盾。爱因斯坦则从实验事实出发重新考查了物理学的最基本的概念,抛弃了一些熟知的、但并不正确的观念,在理论上作出根本性的突破。他的一些主要成就都大大地推动了天文学的发展。

  爱因斯坦的一项开创性贡献是发展了量子论。量子论是普朗克于1900年为解决黑体辐射谱而提出的一个假说。他认为物体发出辐射时所放出的能量不是连续的,而是量子化的。然而,大多数人,包括普朗克本人在内,都不敢把能量不连续概念再向前推进一步,甚至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系。爱因斯坦的态度则截然不同,他预感到量子论带来的,不是小的修正,而是整个物理学的根本变革。他把量子论推向前进,利用量子概念分析辐射的传播和吸收,提出光量子概念,完满地解释了经典物理学无法解释的光电效应的经验规律,从而动摇了光的波动论的正统地位。光量子概念的提出在人类认识自然界的历史上第一次揭示了光同时具有波动性和粒子性(今通称二象性),它直接为德布罗意的物质波理论的建立,以及随后的量子力学的建立开辟了道路。这项工作获得1921年的诺贝尔物理学奖金。爱因斯坦于1906年又把量子论扩展到物体内部的振动上去,成功地说明了低温时固体的比热同温度变化的关系。1916年他继续发展量子论,从玻尔的量子跃迁概念导出黑体辐射谱。在这项研究中他把统计物理概念和量子论结合起来,提出自发发射及受激发射等概念。从量子论的基础直到受激发射概念,对天体物理学,特别是理论天体物理学都有很大的影响。理论天体物理学的第一个成熟的方面──恒星大气理论,就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的。

  作为爱因斯坦终生事业的标志是他的相对论。他在1905年发表的题为《论动体的电动力学》的论文中,完整地提出了狭义相对论。他根据惯性参考系的相对性和光速的不变性这两个具有普遍意义的概括,改造了经典物理学中的时间、空间及运动等基本概念,否定了绝对静止空间的存在,否定了同时概念的绝对性。在这一体系中,运动的尺要缩短,运动的钟要变慢。狭义相对论最出色的成果之一是揭示了能量与质量之间的联系,著名的关系式 E=mc2成为打开核能源理论的金钥匙。核能的发现,使长期存在的恒星能源的疑难最终获得了满意的解决。近年来发现越来越多的高能天体物理现象,狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。

  狭义相对论确立之后,爱因斯坦开始致力于引力理论的研究。他也象在建立狭义相对论的工作一样,抓往一个众所周知的基本事实,即:惯性质量同引力质量之比是一个与物性无关的普遍常数。根据这一点,他提出等效原理。经过多年的努力,终于在1915年建立了本质上与牛顿引力理论完全不同的引力理论──广义相对论。广义相对论从一开始就与天文现象有密切的关系。广义相对论的一系列关键性的检验,都是在宇宙“实验室”中完成的。根据广义相对论,爱因斯坦推算出水星近日点的(反常)进动,解决了一个天文学上多年不解之谜(见水星近日点进动问题)。同时,他推断光线在引力场中要弯曲。这一预言于1919年由爱丁顿等通过日食的观测而得到证实。这个结果发表之时,全世界为之轰动,其情景之热烈,在科学史上实属空前。1916年,他预言引力波的存在。在六十二年后的1978年,测定了射电脉冲星双星PSR1913+16的周期变化,许多人认为它完全符合引力波阻尼理论所作的预言,对广义相对论可能是又一个有力的证明。在强引力场情况下,广义相对论有许多独特的结论。例如奥本海默根据广义相对论预言,恒星在核能用尽之后,如果质量足够大,就不可避免地会演变成黑洞。1967年发现脉冲星并证实为中子星后,人们认识到天空中的确存在着强场天体。现在,天鹅座X-1被认为可能就是一个黑洞。上述这一切构成相对论天体物理学的基本内容,它是目前天体物理学中最活跃的分支之一。

  最能代表爱因斯坦对天文学有重大影响的莫过于他的宇宙学理论了。爱因斯坦在确立了广义相对论之后,紧接着就转向了对宇宙的考察。1917年,爱因斯坦发表他的第一篇宇宙学论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》。像他多次以一篇论文开创一个领域一样,这篇论文宣告了相对论宇宙学的诞生。虽然时间已经过去六十多年了,但是,这篇论文所引进的许多观念至今仍富有生命力。在探索宇宙学中,爱因斯坦首先指出无限宇宙与牛顿理论二者之间存在着难以克服的内在矛盾。在原则上,根据牛顿力学不能建立无限宇宙这一物理体系的动力学。从牛顿理论和无限宇宙这两点出发,根本得不到一个自洽的宇宙模型。因此,必然是:或者修改牛顿理论,或者修改无限空间观念,或者对二者都加以修改。爱因斯坦放弃了传统的宇宙空间三维欧几里得几何的无限性。他根据广义相对论建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型。在这个模型中,宇宙就其空间广延来说是一个闭合的连续区。这个连续区的体积是有限的,但它是一个弯曲的封闭体,因而是没有边界的。

  爱因斯坦在宇宙学的研究中引进用动力学建立宇宙模型的方法,引进了宇宙学原理弯曲空间等新概念。而且他主张,宇宙的体积是无限的或有限的这个问题,只有依靠科学而不是依靠信仰才能解决。这种崇尚科学的态度,继承了由哥白尼等开创的科学探索精神。他曾说:“科学研究能破除迷信,因为它鼓励人们根据因果关系来思考和观察事物。”他的宇宙学研究,体现了这种反对迷信的精神。因此,无论是同意或反对他的宇宙观念的人,都不能不承认,爱因斯坦在宇宙学中也写下了十分光辉的一页。

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