关于爱因斯坦获得 1921 年诺贝尔奖的一些传说趣闻，以及相对论创建历程

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关于爱因斯坦获得 1921 年诺贝尔奖的一些传说趣闻，以及相对论创建历程

原创 科学研究思维 科学研究思维 2024 年 06 月 30 日 08:50 上海

关于爱因斯坦获奖的一些传说趣闻

众所周知，爱因斯坦最重要的科学贡献是 1905 年创建了狭义相对论。然而在给爱因斯坦颁发 1921 年的诺贝尔物理学奖时，诺奖委员会却只字不提相对论的建立。以后的与相对论有关的诺奖都是他人验证了相对论的合适。1921 年诺奖是爱因斯坦获得的唯一一次诺奖。

爱因斯坦是 1922 年 11 月 10 日在去日本的路途中接到一封发往他在柏林住址的电报：

“Noblepries für Physik ihnen zuerkannt nüheres brieflich.”

（您被授予诺贝尔物理学奖，详情见信。）

电报是瑞典科学院的秘书 Christopher Aurivillius 发来的。他在信中说：“在昨天举行的会议上，皇家科学院决定授予您去年度（1921）的诺贝尔物理学奖，这是考虑到您在理论物理学尤其是您对光电效应定律的发现，但没有考虑您的相对论和引力场论在未来获得证实以后将应有的价值。”玻尔也是同一天得到了通知，他获得了当年（1922 年）的诺奖。

爱因斯坦 1919 年 1 月与米列娃离婚时就答应，如果获奖，所有奖金都给她。当然，米列娃使用奖金是有条件的：她无权在未经爱因斯坦许可的情况下动用本金，不过她可以随意使用利息。那年的奖金是 121572 克朗 54 欧耳，约 32000 美元。

爱因斯坦被提名 10 年后才获奖的。从 1910 年起，几乎每年都有人提名爱因斯坦（1911 年和 1915 年除外），每年与他一起被提名的人名单为：

1910 年 —— Allvar Gullstrand 、Planck 、Poincare（Poincare 也曾被提名多年，可惜诺贝尔委员会认为他的数学成就和物理影响不能算物理学的发现）；

1912 年 —— Oliver Heaviside 、Lorentz 、Mach 、Planck ；

1913 年 —— Lorentz 、Nernst 、Olanck ；

1914 年 —— Eotvos 、Mach 、Planck ；

1916 年 —— Debye 、Knudsen 、Lehmann 、Nernst（当年未授奖）；

1917 年 —— Bohr 、Debye 、Nernst 、Planck 、Sommerfeld（也是几十次被提名，最后没有获奖）；

1918 年 —— Bohr 、Paschen 、Planck 、Sommerfeld ；

1919 年 —— Knudsen 、Lehmann 、Planck（Planck 获 1918 年奖）；

1920 年 —— Bohr 、Sommerfeld ；

1921 年 —— 同上年。颁奖推迟。

谁也想不到，第一个提名爱因斯坦的竟然是 1909 年获得诺贝尔化学奖的 Ostwald 。Ostwald 可以说是爱因斯坦的冤家，1901 年，爱因斯坦曾向他申请过助教位置，但被他拒绝了。他曾提名过爱因斯坦 3 次，都是因为相对论（狭义的）。Wien 两次提名爱因斯坦与 Lorentz 分享一个奖，提名的理由，有相对论，布朗运动、量子论，甚至分子物理学。玻尔提名爱因斯坦，是因为布朗运动、光电效应和比热理论，但“最重要的”还是相对论。

爱因斯坦的传记作者 Pais 认为，皇家科学院是在巨大外界压力下决定给爱因斯坦授奖的，因为提名他的人太多了，物理学的大人物们都已经承认了他的成就。

科学院没有公开认同相对论，是因为当年无人能对它进行客观评价。所以授予他“光电效应”方面的工作，也许是为了减轻科学院的压力。

有趣的是，诺贝尔委员会曾要求 Allvar Gullstrand 准备相对论的报告——他是眼科学教授，因为几何光学的成就而成为物理学委员会委员。1911 年，他谢绝了物理学奖，而接受了生理学或医学奖。

1922 年 12 月 10 日，Aurivillius 在颁奖仪式上的讲话中说：“大多数讨论都集中在他的相对论，那是属于认识论的问题，因而已成为哲学界激烈争论的话题。当其他哲学家在由衷为它喝彩时，巴黎的著名哲学家 Bergson 已经向这个理论挑战了……”

（爱因斯坦后来结识了 Bergson ，喜欢他，也尊重他。不过说到他的哲学，爱因斯坦说，Gott verzeih ihm ——上帝宽恕他吧！）

在前人肩上，爱因斯坦创建相对论



相对论是爱因斯坦善于批判地继承前人的遗产所作出的创造性成果，相对论虽然没有获得诺贝尔物理学奖，但是世人早就把它当作爱因斯坦最伟大的科学贡献。

在爱因斯坦之前，物理学的探索已经为相对论的诞生准备了必要的条件。麦克斯韦的电磁理论不但把电学和磁学统一为一体，而且还预言了电磁波的传播速度等于光速。同时，19 世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。然而，这个结论却与力学中的伽利略变换相抵触。以迈克耳孙– 莫雷实验为代表的以太漂移实验和其他许多实验得到互相矛盾的结果。

为了解决这些矛盾，洛伦兹在 1892 年一方面提出了长度收缩假说，用于解释以太漂移的零结果；另一方面发展了动体的电动力学。他假设以太是绝对静止的，从他的电磁理论推出了菲涅耳曳引系数。

随后，又在 1895 年与 1904 年先后建立一阶与二阶变换理论，他力图使电磁场方程适用于不同的惯性坐标系。然而尽管他的理论能够解释一些现象（例如能解释为什么探测不到地球相对于以太的运动），但却是采取修补的办法在保留以太的前提下，引入了大量假设，致使概念繁琐、理论庞杂、缺乏逻辑的完备性和体系的严密性。

1895 年，法国著名科学家庞加莱提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系选择变化。他的批评促使洛伦兹提出时空变换的方程式。

1904 年庞加莱正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”庞加莱还对洛伦兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。

然而庞加莱也没有跳出绝对时空观的框架，他们已经走到了狭义相对论的边缘，却没有能够创立狭义相对论。历史的重任只能由没有传统思想包袱而有独立批判精神的年轻学者爱因斯坦来承担。深入的哲学思考，使他具有强烈的批判精神。

爱因斯坦在年轻时曾阅读了戴维、休谟、恩斯特，特别是马赫的哲学著作。康德的 《纯粹理性批判》，马赫的《力学史评》都给了他深刻的影响。1902 年前后，爱因斯坦和几位年轻朋友还组成“奥林比亚科学院”，每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、庞加莱等人的科学和哲学著作。

斯宾诺莎关于自然界统一的思想，休谟的时空观，马赫对牛顿绝对时空观的批判都引起爱因斯坦极大的兴趣。爱因斯坦很了解电磁理论发展中遇到了一个难以克服的矛盾，这就是当把电磁理论运用到运动物体时，在理论体系上出现了明显的不自洽。由此得出的结论不能够用普通力学知识解释，这个知识就是大家都知道的速度相加原理。

是在旧理论框架中修修补补，还是与传统观念彻底决裂？每位研究电磁理论的物理学家都面临着这样一个问题。许多著名的物理学家大都倾向于前者，有的人下了很大功夫来修补已有的电磁理论，取得了一定进展。但是越是修补，问题就越复杂。只有具有无畏精神、没有包袱的科学家，才能摆脱传统的束缚。爱因斯坦在这方面给我们作出了光辉的范例。

爱因斯坦从 16 岁起就在思考一个问题：“如果我以速度 c（真空中的光速）追随光线 运动，我应当看到这样一条光线，就好像一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”爱因斯坦百思不得其解。随着年龄的增长，他对电磁学的学习和研究越来越深入，也越来越感到当时电磁学的内容存在许多问题，无法解决这一矛盾。后来，他读到洛伦兹 1895 年关于电动力学的论文，对洛伦兹提出的方程产生了兴趣。他很欣赏洛伦兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体的参照系。当时他试图用洛伦兹的理论解决追光问题，但却发现要保持洛伦兹方程对以光速运动的参照系同样有效，必然导致光速不变的结论，而光速不变的结论明显地与力学的速度合成法则相抵触。为什么这两个基本原理会互相抵触呢？这里面必有原因，爱因斯坦日夜苦思。

经过10 年的思考，终于在 1905 年的一天，他突然找到了解决问题的关键。他在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮他摆脱了困境。那是一个晴朗的日子，他带着这个问题访问了贝索。两人认真讨论了这个问题的每一个细节。忽然爱因斯坦领悟到这个问题的症结所在。他想到时间概念有问题，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间应该有不可分割的联系。建立了这一新概念，爱因斯坦心里豁然开朗，第一次彻底地解决了这个难题。不出 5 个星期，爱因斯坦就势如破竹地拟就了整个狭义相对论的框架，并以《论动体的电动力学》为题发表于世。其时他不过是 26 岁默默无闻的一位专利局三级技术员。

狭义相对论建立之后，爱因斯坦并不就此止步，他继续研究狭义相对论没有解决的问题。例如，为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更优越？为什么惯性质量会随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？爱因斯坦坚信这些问题可以得到解决，因为自然界应该是和谐、统一的，他认识到狭义相对论并不是万能的，必须进一步发展。

从 1907 年起，爱因斯坦就在思考如何突破狭义相对论的框架，以解决惯性与重量之间的不协调。跟狭义相对论的创建经过一样，他又是经过长时间的苦思，终于有一天找到了突破口。当时他正坐在伯尔尼专利局的办公室里，脑子里突然闪现了一个念头：如果一个人正在自由下落，他绝不会感到他没有重量。他想：下落的人正在作加速运动，可是在这个加速参照系中，他有什么感觉？他怎样判断面前发生的事情？可见，引力场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。在这个基础上，爱因斯坦在 1916 年发表了总结性论文《广义相对论的基础》。爱因斯坦对自己创建的相对论充满信心。他当然很关心这个理论是否符合实际，是不是真正反映了客观世界的规律性。所以他特别提出了许多实验检验相对论的方案，既包括狭义相对论，也包括广义相对论。

例如，爱因斯坦曾经预言，根据广义相对论，引力场中光线会发生弯曲现象。通过这一弯曲现象的测量，有可能验证广义相对论。爱因斯坦 1911 年著文指出，光线经过太阳附近会由于太阳引力的作用而产生的弯曲偏角应为 0.83″，并且指出这一现象可在日全食时进行观测。1916 年爱因斯坦又一次研究这一问题，重新计算的结果为 1.7″。1919 年日全食期间，英国皇家学会派出天文学家爱丁顿等人赴西非和拉美观测。两处观测的结果分别为 1.61″ 和 1.98″，与理论计算基本相符。这件事使爱因斯坦名声大振。到了这个时候，相对论才得到人们的重视。1921 年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖，虽然没有提到相对论，但是颁奖是在 1919 年日全食观测之后，显然是因为事实证明了爱因斯坦理论的正确性。而爱因斯坦在领取诺贝尔奖时提出的论文题目就是《相对论的基本思想和问题》。

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