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爱因斯坦在牛津

科界 07月16日

​​编译 | 姬扬(中国科学院半导体研究所研究员)

来源:中国物理学会期刊网

1930年代早期,德国的政治环境日益动荡,而爱因斯坦三次访问牛津,他关于科学如何运行的新想法吸引并震惊了听众。

牛津的科学史博物馆拥有18000件藏品,最著名的却是一块不起眼的黑板——1931年5月16日,爱因斯坦在上面用粉笔计算了宇宙的大小、密度和年龄。博物馆网站称之为“尘世圣人的遗迹”,一些参观者“几乎把它当作圣物”。

1921年,爱因斯坦第一次访问英国时,曾短暂地来过这座城市。他和妻子埃尔莎在牛津呆了几个小时, 在物理学家林德曼(Frederick Lindemann)的带领下参观了这座城市和大学。

1931年的再次访问也归功于林德曼。罗德基金会希望举办一系列的讲座来纪念商人和南非政治家罗德(Cecil Rhodes),委托林德曼发出邀请。爱因斯坦几乎不会说英语,他在1927年7月拒绝了一次邀请,部分原因是健康状况不佳,“长期停留在外国和不熟悉的环境中……对我来说,是太大的负担,特别是考虑到语言的困难。”

1930年,林德曼亲自到柏林邀请他,爱因斯坦同意做讲座,并访问牛津大学基督教会学院(Christ Church)。1931年5月1日,爱因斯坦从柏林来到牛津。

讲座、黑板和语言障碍

爱因斯坦在牛津待到5月27日,做了三场讲演。第一场于5月9日在罗德堂(Rhodes House)举行,听众包括教职员及其家属和来自各个学科的500多名学生。报告用的是德语,黑板上写着英文标题“相对论”。第二场是在5月16日,讨论了相对论和膨胀的宇宙。据《泰晤士报》报道,有“两块黑板,事先写满了数学符号”。第三场是5月23日,讨论的是统一场论,“试图通过引入定向空间结构来导出引力场和电磁场”(《自然》报道)。

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历史性时刻。1931 年5 月23 日,爱因斯坦获得牛津大学的荣誉博士学位

讲座的科学内容并没有持久的意义,更有趣的是听众对这种教育和社交活动的反应。据《牛津时报》(Oxford Times)报道,学院领导坐在大厅的前面,大学的年轻成员们坐在后排和走廊里,“女人们成群结队地去听爱因斯坦教授讲话”。

不幸的是没有翻译,尽管爱因斯坦竭尽全力,但是“有多少人完全理解德语?他们是否能理解爱因斯坦教授所用的语言?有多少人可以理解复杂的相对论?”在最后一次演讲里,爱因斯坦不仅写了方程,还画了一张图,“用粉笔在曲线上比划着来解释,并反复地转向听众和黑板”。

虽然“博学的听众忙着记录方程式”,但是院长怀特(Henry Julian White)肯定很难跟得上,他坐在前排,正对着演讲人。这位70多岁的圣经学者,在整个演讲中睡得很香。爱因斯坦被逗乐了,也许还吸取了教训——下次来牛津,“应该用英语做报告”。

爱因斯坦的黑板给他和大学带来了摩擦。1931年5月16日,他在日记里烦恼地写道:“这堂课确实讲得很好很漂亮。但是黑板被收起来了。(个人崇拜,对他人产生不利影响。很容易就能看到英国杰出学者们的嫉妒。所以我提出抗议,但被认为是虚伪。)”

爱因斯坦的牛津黑板

牛津的导师们保留了爱因斯坦在5月16日关于宇宙膨胀的两块黑板,但只有一块幸存下来。

这块黑板简要地总结了他在1931年4月的宇宙学论文。基于弗里德曼(Alexander Friedmann)的膨胀宇宙的相对论模型, 他把宇宙常数设为零,利用哈勃对宇宙膨胀的测量,估计了3个量:物质密度(ρ)、宇宙半径(P)和宇宙膨胀的时间(t)。注意,“L. J.”是德语Licht Jahre 的缩写,意思是“光年”。

然而,这里的算术并不完全准确。爱因斯坦在使用哈勃常数时出了错,正确的数字应该是:

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这可能是爱因斯坦不赞成保留黑板的原因之一。

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导师们、晚宴和打油诗

1931年5月23日,牛津大学授予爱因斯坦荣誉博士学位。伯顿(AB Poynton)用拉丁文致辞,他是一位古典学者,未来的学院院长,但对物理学一无所知。爱因斯坦在日记中指出,伯顿的讲话“严肃但不完全准确”—— 他的评论基于翻译,因为他不懂拉丁文。但是,当听到“Mercurius” (水星)的时候,爱因斯坦露出了笑容:这颗行星为确认广义相对论发挥了关键作用。

音乐学家登尼克(Margaret Deneke)注意到了这个反应。她不仅有音乐天赋,德语也很流利——深得爱因斯坦的喜爱。后来他们有过一次音乐三重奏。根据登尼克的日记,爱因斯坦把小提琴支在下巴下面,“全身心地投入到音乐中去”,而旁观者“默默地抽烟,亲眼目睹他们的贵宾度过快乐的夜晚”。爱因斯坦的日记更加坦率,声称音乐开始后,“客人们匆忙离开了房间”。

爱因斯坦与基督教会学院的关系既亲切又古怪。在日记里,他描述了晚餐——穿着外套和罩袍的导师们在大厅里进餐。经济学家哈罗德(Roy Harrod)回忆说,在一次会议上,爱因斯坦坐在他旁边——在绿色桌布的掩护下,爱因斯坦在膝盖上放了一摞纸,铅笔不停地动,用方程式写满了一张又一张的纸。

爱因斯坦还在“访客登记录”里写了一首诗。尽管只是一首打油诗,但是深思熟虑、诙谐有趣。在1955年爱因斯坦去世后,这首德语诗经翻译后刊登于《泰晤士报》。

魅力与联系

爱因斯坦“全身心地投入牛津科学的所有活动中,参加学术讨论会并进行讨论,结果证明他的访问既令人兴奋又发人深省,我相信他的访问一定会在我们的学科发展上留下永久的印记”。林德曼在1931年6月写道。

“加上他迷人的个性,”他继续写道,“爱因斯坦的善良和同情使我们所有人都喜爱他,我希望他作为罗德学者的这段时期能和这所大学发生更多的联系,这在各个方面都是富有成效的和有利的。”然而,1931年的牛津科学偏重于实验方向。很少有理论家能在爱因斯坦的水平上讨论物理和数学——他可能更适合剑桥大学,那里有天文学家爱丁顿(Arthur Eddington),他领导了1919年的日食观测行动,“ 证明”了广义相对论。

也许,最让牛津的人们怀念爱因斯坦的,仅仅是他的魅力。戈尔丁(William Golding,《蝇王》的作者,诺贝尔文学奖获得者)回忆说,1931年的某天,他站在一座小桥上看着河,一个“留着胡子,戴着帽子的人”加入了他的行列。“爱因斯坦教授当时不懂英语,而我只懂两个德语单词。我朝他微笑着,尽量表达英国人对他的感情和尊重。”

他们一起站了大约5分钟。最后,“爱因斯坦教授意识到,总应该做些什么。”他指着河里的一条鳟鱼,用德语说“鱼”。“我激烈地点点头,一瞬间就用掉了一半的德语词汇。‘鱼。是的,是的。’”默默无闻的英国大学生和世界著名的德国科学家继续站在一起。又过了5分钟,“爱因斯坦教授从视线中消失了,他的整个身体仍然传达着善意和友好。”

逃离纳粹德国的难民

在1931年访问牛津后,爱因斯坦被选为基督教会学院的“研究学生”(也就是研究员),每年获得400英镑的奖学金,持续到1937 年。林德曼希望爱因斯坦能够在牛津定居,但他此后只回来了两次。

下一次访问是从1932年4月到5月。5月5日,爱因斯坦去剑桥做了关于数学的保尔(Rouse Ball)讲座,从而有机会见爱丁顿。

但是在德国,纳粹和希特勒开始攫取权力。1933年3月,爱因斯坦被其祖国永久流放了——他最后一次来到牛津,这是1933年的5—6月。他在给玻恩(Max Born)的一封信里写道:“在德国,我成了‘邪恶的怪物’,所有的钱都被没收了。但是我安慰自己——钱总是会很快消失的。”

1933年6月2日,在牛津自然历史博物馆举行的公众活动中,爱因斯坦受邀致辞,感谢卢瑟福(Ernest Rutherford)给青少年科学协会做报告。卢瑟福与爱因斯坦一样是诺贝尔奖得主,也是这个领域的同行,还是一位男爵,不仅有很多荣誉,而且性格张扬。根据牛津大学生阿诺德(C H Arnold)的陈述,在卢瑟福旁边,爱因斯坦似乎是一个“可怜的孤立无助的小人物”。爱因斯坦在用英语致感谢发言时,“在我看来,对于这所英国大学将要如何接受他,他还有一点怀疑。”

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与世隔绝的平静。1933年6月3日,爱因斯坦发表了一次公开演讲,概述了关于理论物理学方法的全新观点

然而,爱因斯坦刚一坐下,就响起雷鸣般的掌声。三十多年后,阿诺德回忆说:“我一辈子都不会忘记,爱因斯坦的面容发生了巨大的变化。他的眼睛闪着光,整个脸似乎充满了欢乐和喜悦。当他以这种方式回来时,无论纳粹多么糟糕地对待他,牛津都欢迎他和他那无可置疑的天才。”

数学、物理与现实

这种心理压力似乎表现在爱因斯坦的科学思想和个人行为上。在6月10日的最后一次演讲《关于理论物理学的方法》中,他试图摆脱实验物理学中固有的混乱的物理现实(包括量子力学),并代之以纯粹数学的天堂(他一直追求的统一场论)。爱因斯坦的科学传记作者派斯(Abraham Pais)表示,这次讲座“也许是他思维方式最清晰、最透彻的表现”。

爱因斯坦一开始就向听众保证,他把古希腊视为“西方科学的摇篮”。希腊人“创造了一个逻辑系统的智力奇迹,其断言是如此的严谨,每个被证明的命题都没有丝毫的疑问——欧几里德几何。”

他接着说,为了让科学理解现实,科学家们通常认为,仅有希腊思想还不够。“纯粹的逻辑思维不能让我们了解经验世界。”“所有关于现实的知识都始于经验,并终于经验。”爱因斯坦正式将伽利略称为“现代物理学之父,实际上是整个现代自然科学之父”,接着赞扬牛顿是“全面可行的理论物理体系的第一个创造者”。

接下来,爱因斯坦显然改变了路线。他说,广义相对论已经证明了传统观点是错误的。“因为这个理论表明,我们有可能使用基本的原则(非常不同于牛顿的原则),以更完整更满意的方式处理全部的经验数据。”因此,“纯粹的数学结构使我们能够发现与它们相关的概念和规律,给了我们理解自然现象的关键。”他的结论是:“实证当然还是数学建构为物理服务的唯一标准,但真正的创新原则存在于数学中。因此我相信,在某种意义上,纯粹的思想是有能力理解真实的,正如古人梦想的那样。”

因此,爱因斯坦向牛津的听众以及国际物理学界保证,数学本身就可以为理解自然提供基础。他显然反对自己在1921年巧妙阐述过的立场:“只要数学定律与现实有联系,就是不确定的;只要它们是确定的,就与现实无关。”现在他声称,广义相对论的基础是数学概念而不是物理观测——尽管天文学家们在1919年做出了关键性的证实。

毫无疑问,许多理论和实验物理学家,特别是那些在量子力学领域工作的物理学家,对如此大胆的说法感到惊讶,也无法信服。毕竟它打了物理学史的脸——物理学的历史显然是理论、观察和实验相结合的结果。但是面对广义相对论的开创者,很少有人能质疑他的说法。

1933 年10 月,爱因斯坦离开欧洲来到普林斯顿。在美国,他远离了纳粹的迫害,可以自由地追求他的牛津宣言,在其具有独特影响力的余生里,继续发展统一场论。

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本文经授权转载自微信公众号“中国物理学会期刊网”,编译自Andrew Robinson. Physics World,2019,(6):32。

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