第二次世界大战结束之际,爱因斯坦受邀为“在世哲学家文库”撰写自己的思想自传。最终成书的便是极具个人色彩的《自传笔记》。
物理学家Hanoch Gutfreund与科学史学家Jürgen Renn在合著的《爱因斯坦自白》中,收录了爱因斯坦《自传笔记》的完整内容,梳理了他从童年到暮年的思想成长轨迹,刻画出一位哲人科学家的炼成过程。
撰文 | 第一推动
1946年,67岁的阿尔伯特·爱因斯坦接到一项邀请:为一套哲学家丛书撰写自传。
此时,爱因斯坦已经因相对论闻名于世,是20世纪最受关注的科学家之一。回顾自己的一生,他有许多可以讲述的事情:年轻时的求学经历、震动物理学界的科学发现,以及后来享有的国际声誉。
然而,在自传的开头,他给这项工作下了一个有些特别的定义:给自己写一份“讣告”。
在他看来,一个人在几十年间会不断变化。67岁的自己,与50岁、30岁甚至20岁时的自己,都已经有所不同,人们回忆过去时,也难免带上当下的眼光。因此,重新审视一生,并不是一件容易的事。
爱因斯坦最终决定,把笔墨集中在自己的思想历程上,他关心的问题是:
一个人怎样去认识世界?
科学理论是如何形成的?
那些已有的知识,又是怎样经受检验的?
这篇自传没有按照常见传记的方式,详细讲述家庭生活与人生经历,而是让读者跟随爱因斯坦的回忆,了解他的科学观念如何逐步形成。
这本由物理学家哈诺赫·古特弗罗因德(Hanoch Gutfreund)与科学史学家于尔根·雷恩(Jürgen Renn)合著的《爱因斯坦自白》,收录了爱因斯坦《自传笔记》的完整内容,并结合他的科学研究、个人文献以及同时代学者的评论,对其思想发展进行了梳理。
而要想知道爱因斯坦为什么能够提出改变现代物理学的理论,这本书会给你答案。那些看似微不足道的经历,其实已经透露出他此后数十年间始终保持的一种习惯:即便面对熟悉的事物,他依然想弄清楚背后的道理。
01
指南针和几何书
爱因斯坦在自传中回忆过两次童年的经历。他把它们看作自己认识世界过程中印象深刻的时刻。
第一次发生在他四五岁的时候。
那时,他接触到一只指南针。无论怎样转动指南针,指针都会朝着固定的方向偏转。眼前看不到任何东西在推动它,指针却仿佛受到某种力量的支配。
对于一个年幼的孩子来说,这显然是一件难以解释的事情。因为物体发生运动,总应该有某种原因。
手可以推动桌上的玩具,风可以吹动树叶,可指南针的指针为什么会转向一个看不见的方向?如果周围没有明显的推动者,是什么在影响它?
多年以后,爱因斯坦仍然记得这件事。他甚至谨慎地补充,自己也不能完全确定,这究竟是当年真实的记忆,还是后来不断回想之后形成的印象。
对于一位以探索自然规律闻名的科学家来说,他没有刻意把童年的故事加工成一个关于天才的传奇。他在意的,是这段经历所留下的感受:我们眼前的世界,或许还存在许多无法直接观察、却真实影响着事物的因素。
七年后,爱因斯坦又遇到了另一件令他惊奇的事。
12岁时,他读到一本介绍欧几里得平面几何的小书。书中有一个命题:三角形三条高相交于同一点。
对于学过初中几何的人来说,这个结论并不陌生。画出一个三角形,作出三条高,我们便能看到它们相交的位置。但如果没有经过证明,仅凭观察,我们很难确定这个结论是否对所有三角形都成立。
几何学提供了一种不同的办法。一个命题可以看起来并不显而易见,却能够通过严密的推理得到证明。一旦证明成立,结论的可靠性便不再取决于某一次观察。
小小的爱因斯坦受到了大大的震撼。
这些思考过程后来成为爱因斯坦科学思想中的重要部分。他愿意花时间研究那些暂时没有答案的问题,也愿意检查人们习以为常的理论是否真的站得住脚。
02
为什么要相信已有的答案?
爱因斯坦的童年,还有一段与知识有关的经历。
他的父母并不虔诚,但在成长过程中,他曾经有过一段相当强烈的宗教信仰。到了12岁左右,随着阅读科学普及读物,他开始发现,自己从中接触到的科学知识,与过去接受的一些宗教叙述存在冲突。
经过一段时间,他的宗教热情突然中断。
在自传里,爱因斯坦提到了这段经历,也回顾了它给自己带来的影响。它让他对传统教育所灌输的观念产生了怀疑,并逐渐形成一种不轻易接受现成结论的态度。
在他的自传中,还能够看到他对哲学的兴趣,以及休谟、康德、恩斯特·马赫等思想家对他的影响。这些阅读帮助他思考一个更深层的问题:人类用于描述世界的概念,究竟来自哪里?我们所说的空间、时间、因果关系,是否真的像日常经验所显示的那样理所当然?
对这些问题的思考,并没有让他远离物理学。相反,它使他更加关注物理学理论自身的基础。
在学校里,人们往往先学习定律,再练习如何运用定律解决问题。这样的学习方式有其必要,但爱因斯坦更希望知道,定律为什么能够成立,它们的适用范围又在哪里。
当一个人开始想这些问题,科学研究便不再只是套用已有公式。研究者还需要判断,哪些概念值得保留,哪些假设有必要修正,以及怎样建立能够解释更多事实的理论。
爱因斯坦后来取得的突破,与这种思考方式密切相关。
19世纪末至20世纪初,物理学已经取得了大量成就。牛顿力学能够精确描述许多宏观物体的运动,麦克斯韦的电磁理论则揭示了电、磁与光之间的联系。然而,随着实验和理论研究不断深入,经典物理学内部也出现了难以协调的问题。
爱因斯坦对麦克斯韦的电磁理论十分着迷。他尤其关注光的传播,以及光、电磁学和运动之间的关系。已有理论越是成功,他越想弄清楚,它们能否在同一套自洽的框架中得到解释。
03
1905奇迹年
1902年,爱因斯坦在瑞士伯尔尼的专利局找到了一份工作。此后几年,他的日常工作是审查专利申请,判断技术方案是否具有新颖性,以及申请人提出的原理能否成立。
这份工作与大学里的物理研究相距甚远。爱因斯坦没有实验室,也没有一群可以随时讨论问题的同事。不过,专利局的工作并没有让他放弃物理学。他仍然利用业余时间阅读论文、推演公式,思考那些困扰自己的问题。
1905年,他连续发表了几篇重要论文,涉及光的本质、微观粒子的运动、狭义相对论,以及质量与能量的关系。这一年后来被称为他的“奇迹年”。
其中,关于狭义相对论的研究尤其具有代表性。
在当时的物理学中,时间和空间通常被视为一套稳定的背景。人们可以在空间中测量距离,在时间中记录事件,按照日常经验,无论观察者怎样运动,同一件事发生的时间似乎都应该相同。
但光的传播带来了问题。
麦克斯韦的电磁理论表明,光是一种电磁波,其传播速度具有确定的数值。与此同时,根据经典力学,不同运动状态下的观察者,测量运动物体的速度时通常会得到不同的结果。
当这两种理论放在一起时,问题就出现了:如果观察者彼此相对运动,他们测量到的光速应该怎样变化?
爱因斯坦开始怀疑,问题可能出在我们对时间和空间的理解上。
在狭义相对论中,他提出,真空中的光速对于所有惯性观察者都是相同的。为了让这一原理与物理规律保持一致,人们必须重新认识时间和空间的关系。两个观察者对事件发生时间的判断可能不同,对距离的测量也可能不同。
这意味着,时间并非是在宇宙各处以相同方式运行的指针。
不过,1905年的狭义相对论并不是他科学探索的终点。
爱因斯坦随后开始思考另一个问题:如果时间和空间的关系需要重新认识,那么引力又该怎样放进新的理论框架?
他曾用一个简单的设想帮助自己思考。假如一个人处在自由下落的电梯里,在短暂的下落过程中,他会感到自己失去了通常意义上的重量。如果不观察外部环境,仅凭电梯内部的体验,他能否判断自己究竟是在引力场中,还是处于某种加速运动的环境?
这个设想引导他逐步思考加速度与引力之间的联系。经过多年的研究,他最终在1915年完成了广义相对论。
这套理论对引力提出了新的解释:引力与时空的几何性质有关,物质和能量会影响时空的结构,而物体的运动也受到这种结构的影响。
1919年,日全食观测为广义相对论关于光线偏折的预测提供了支持。此后,爱因斯坦的名字开始为世界各地的人们熟知。
从专利局里一名普通的技术审查员,到改变现代物理学的科学家,爱因斯坦的经历很容易被写成一个天才成功的故事。然而,回看他的自传,我们会发现,他更在意的并不是自己取得了多少成就。
在《自传笔记》中,他花费大量篇幅回顾思想形成的过程,讨论自己怎样理解物理学的基础,以及哪些哲学观点影响了他的研究。他也谈到自己曾经接受的观念、后来产生的怀疑,以及不断修正认识的必要。
《爱因斯坦自白》进一步带我们回到那个时代。通过爱因斯坦的文字,以及科学史学者对相关文献和科学思想的梳理,我们能够看到,相对论等重要理论怎样从具体的物理问题中逐步发展出来,更能了解它们与当时科学观念之间的联系。
科学发现会被写进教科书,公式也会成为后来者学习的基础。
而对爱因斯坦来说,科学研究不仅要求找到答案,更要求弄清楚答案为什么成立。 相比一项已经完成的发现,他似乎更关心人类如何建立知识,以及这些知识还能经受怎样的检验。

