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爱因斯坦的奇葩诺贝尔奖 精选

已有 8912 次阅读 2017-10-8 11:41 |系统分类:论文交流


爱因斯坦的奇葩诺贝尔奖

施郁

(复旦大学物理学系)

1.    导言

今天*,引力波探测的重要贡献者雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry Clark Barish)和基普·索恩(Kip Stephen Thorne获得2017年诺贝尔物理学奖。

引力波被视为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。一百多年前的1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,次年,在此基础上,他本人预言了引力波,而施瓦西预言了黑洞。

19221113日,中国上海汇山码头 [1]。一位德国犹太人从日本客船“北野丸”号上走下来。他就是阿尔伯特爱因斯坦,是在去日本访问途中在上海暂停。欢迎的人群中有瑞典驻上海总领事,他通知爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。是的,前一年的奖。欢迎爱因斯坦的晚宴在书画家王一亭家举行,出席者中有上海大学校长于右任、后来做过中央大学校长的张乃燕、大公报的曹谷冰和张季鸾,等等。

爱因斯坦对在上海正式得到的诺贝尔奖通知并不惊讶。他在船上从收音机里已听到新闻。而且在他出发前,诺贝尔物理学奖委员会主席阿仑尼乌斯和物理学家劳厄都曾写信给爱因斯坦 [2,3],暗示他将得到诺贝尔奖,劝他考虑要不要去日本。爱因斯坦没有因此改变计划,直到次年春天才回到德国。

当时,很多人对爱因斯坦的国籍并不清楚。

192211月,瑞典科学院请德国驻瑞典大使代表爱因斯坦接受诺贝尔奖,引起瑞士的不满,因为爱因斯坦是瑞士公民。

124日,德国普鲁士科学院确认爱因斯坦是德国公民;一周后,德国外交部又说爱因斯坦是瑞士公民。1210日,德国大使在诺贝尔奖宴会上表达了德国人民的喜悦,并希望瑞士分享。次年123日,德国普鲁士科学院再次声明爱因斯坦是德国公民,因为他是公务员,而公务员必须是公民;几天后又补充说并不否认他的瑞士国籍。爱因斯坦本人27日声明不反对这一点,但3月和6月又表明自己是瑞士公民,用瑞士护照旅行。

瑞典科学院19221210日致爱因斯坦的信中说(笔者翻译) [2]

“瑞典皇家科学院决定授予您去年的诺贝尔物理学奖,这是考虑到您对理论物理,特别是光电效应定律的工作,但是没有考虑您的相对论与引力理论在未来得到证实之后的价值。”

同样的说法当然也出现在颁奖词中。爱因斯坦的相对论包括他1905年创立的狭义相对论,以及他1915年创立的广义相对论,也就是他的引力理论。

为什么爱因斯坦1922年获得1921年的诺贝尔奖?为什么诺贝尔奖委员会强调给他的奖不是因为相对论与引力理论?本文将梳理这段历史。  

2.    1915年前爱因斯坦被提名情况

1905年,爱因斯坦完成了改变物理学的5篇重要论文,包括狭义相对论。但是学术界有个逐步消化的过程。普朗克和劳厄立即跟进研究相对论,两年后,艾伦菲斯特和闵科夫斯基也相继开展相对论研究。爱因斯坦本人关于狭义相对论的后续研究持续到1909年。也是在1909年,爱因斯坦才从专利局转任第一个全职学术职位,苏黎世大学副教授。

1910年开始,爱因斯坦开始被提名诺贝尔奖。除了1911年和1915年,爱因斯坦每年都被提名诺贝尔奖,直到1922年得奖。

下面我把爱因斯坦每年被提名的情况总结成两个表格,分别列出19101914年的情况,和1915年后的情况。1915年,广义相对论创立。在这之前,狭义相对论就称作相对论,但是为清晰起见,我用今天的说法称之为狭义相对论;爱因斯坦的引力理论就是广义相对论【本文中,著名的物理学家或化学家直接用中文译名,或者中文加注英文,不熟悉的人名只用英文名】。

年份

提名人

提名理由

1910

奥斯特瓦尔德

狭义相对论

1912

奥斯特瓦尔德

狭义相对论

维恩

狭义相对论(与洛伦兹分享)

E. Pringsheim

狭义相对论

C. Shaefer

狭义相对论(独得或与洛伦兹分享)

1913

奥斯特瓦尔德

狭义相对论

维恩

狭义相对论(与洛伦兹分享)

BNaunyn

狭义相对论、量子论

1914

BNaunyn

狭义相对论、量子论

Chwolson

狭义相对论、扩散理论、引力理论

(注:当时爱因斯坦的引力理论还有问题)

可见,从19101914年,每个提名的依据都包含狭义相对论。但是诺贝尔奖委员会每次都认为爱因斯坦的理论还有待进一步实验验证。

事实上,直到1915年后,学术界才普遍承认,狭义相对论得到了实验验证。但是这时人们的注意力又集中到了爱因斯坦1915年创立的广义相对论。

3.     19151921年的被提名情况

年份

提名人

提名理由

诺贝尔奖委员会否决理由

1916

艾伦菲斯特

布朗运动、狭义相对论

工作还不完备

1917

A. Haas

引力理论,包括对水星近日点进动的解释

高度赞扬“著名理论物理学家爱因斯坦”的贡献,却提到在威尔逊山上的测量没有发现广义相对论预言的引力红移,以此为理由否决了爱因斯坦的得奖。

E. Warburg

量子论、狭义相对论和引力理论

皮埃尔•外斯

统计力学、狭义相对论、光量子假说与光电效应、固体比热

1918

艾伦菲斯特

布朗运动、狭义相对论

同前一年

E. Warburg

量子论、狭义相对论和引力理论

维恩

狭义相对论(与洛伦兹分享)

劳厄

狭义相对论(与洛伦兹分享)

Edgar Meyer

布朗运动、比热和引力理论

Stefan Meyer

狭义与广义相对论

1919

E. Warburg

量子论、狭义相对论和引力理论

爱因斯坦的统计力学论文不如相对论与量子物理方面的工作重要;如果爱因斯坦以统计力学工作获奖,而不是以更重要的贡献获奖,学术界会觉得奇怪。建议等待5月份日食时的红移观测结果。

劳厄

狭义相对论(与洛伦兹分享)

Edgar Meyer

布朗运动、比热和引力理论

普朗克

广义相对论,“迈出了超越牛顿的第一步”

阿仑尼乌斯

布朗运动(也提到三位其他科学家)

1920

E. Warburg

量子论、狭义相对论和引力理论

阿仑尼乌斯所作的报告认为:红移实验还不符合广义相对论;提到有人批评1919年日食中观测的光线弯曲不能证明广义相对论,勒纳德对广义相对论的批评,反相对论的格尔克E. Gehrcke)对水星近日点有另类解释。

诺贝尔奖委员会判决,还不能因相对论而授予爱因斯坦诺贝尔奖。

Waldeyer-Hartz

广义相对论

奥恩斯坦(L. S. Ornstein

广义相对论

洛伦兹、Julius、奇曼和昂尼斯联名

引力理论,特别是对水星近日点以及光线弯曲的计算,“已经成为有史以来的第一流物理学家”

玻尔

布朗运动、光电效应、比热理论,“第一和首要的贡献在于相对论”,“这是物理学发展中决定性的进步”。

1921

普朗克

广义相对论

眼科学家伽尔士德兰(A. Gullstrand)所作的关于相对论的报告认为:狭义相对论的效应在误差范围内,广义相对论预言的水星近日点进动是否与测量一致还是未知。

阿仑尼乌斯所作关于光电效应的报告认为:普朗克刚在1918年因量子论获奖,而光电效应最好先由实验家得奖。

但是委员们感到给爱因斯坦授奖的压力,结果投票决定1921年不颁奖。

A. Haas

引力理论

E. Warburg

量子论、狭义相对论和引力理论

爱丁顿

广义相对论,“爱因斯坦超过同时代的科学家的程度与牛顿相当。”

W. Dällenbach

广义相对论

G. Jaffe

广义相对论

E. Marx

广义相对论

G. Nordström

广义相对论

W. Walcott

广义相对论

O. Wiener

广义相对论

哈达玛(J. Hadamard

建议爱因斯坦或者皮兰(Perrin),理由不详

赖曼(T. Lyman

数学物理

奥辛(C. W. Oseen

光电效应

1920年阿仑尼乌斯所引用的格尔克和勒纳德都是反对犹太人的。1921年,勒纳德甚至提名格尔克得诺贝尔物理学奖,因为对水星近日点的另类解释。

伽尔士德兰是视光学专家,当时在瑞典有很高地位。1911年,物理学诺贝尔奖委员会和生理学或医学奖委员会分别决定授予他诺贝尔奖。他选择了后者。然后物理学奖委员会和他本人签署了一个文件,决定将当年的物理学奖授予维恩。

4.    1922年的提名情况

1922年,提名爱因斯坦的人数达到空前的数目,包括以前提名过的普朗克、奥辛、艾伦菲斯特、哈达玛、劳厄、E. MeyerS. MeyerNaunynNordströmWarburg以及新加入的布里渊、郎之万、T. de DonderR. EmdenE. WagnerE. Poulton。普朗克建议分别授予爱因斯坦和玻尔1921年和1922年的奖。奥辛再次建议以光电效应授奖。

布里渊写道(笔者翻译):“想象一下,如果爱因斯坦不在诺贝尔奖得主名单中,五十年后,人们会怎么看。”可以想象,诺贝尔奖委员会遇到了要求给爱因斯坦授奖的很大压力。

诺贝尔奖委员会请伽尔士德兰作关于相对论的报告,而奥辛作关于光电效应的报告。奥辛是一位理论家,研究液晶和流体,与伽尔士德兰同为乌普萨拉大学教授。

伽尔士德兰坚持他前一年关于相对论的意见。

奥辛则向委员会分析了爱因斯坦光量子和黑体辐射中能量涨落的工作。他强调“光电效应的定律的发现”(笔者翻译),以突显与实验的相关度。还提议按照普朗克的建议,将1921年空缺的奖颁给爱因斯坦。这样可以将1922年的奖授予在爱因斯坦光电效应工作之后提出原子模型的玻尔。作为奥辛的朋友,伽尔士德兰没有反对他的建议。而阿仑尼乌斯这时已经折服于爱因斯坦的魅力。

192296日,经过投票,诺贝尔奖委员会终于决定因光电效应定律将1921年的奖授予爱因斯坦。正如给爱因斯坦的信中提到,颁奖词特别说明,这个奖没有考虑相对论在未来被证实后的价值。

19233月,阿仑尼乌斯致信爱因斯坦,建议他7月来参加斯堪的纳维亚科学协会在建市300周年之际的瑞典哥德堡召开的大会,而不必等到12月来访瑞典。阿仑尼乌斯邀请爱因斯坦作一个公众演讲,内容自定,但是又说希望他讲相对论。笔者觉得,大概诺贝尔奖委员会以此表达对相对论的敬意。爱因斯坦的演讲题目是“相对论的基本思想和问题”(笔者翻译)。瑞典国王在座,后来与爱因斯坦亲切交谈。在诺贝尔奖的档案中,这个演讲被当作爱因斯坦的诺贝尔演讲。

5.    分析

爱因斯坦的成就是革命性的。越是革命性的理论,遭遇的质疑越多,而且当时诺贝尔奖委员会又对新理论持非常保守的态度。从19111922年,5位委员中有3位是从事实验技术工作的。无论是从价值观还是从评价能力上说,他们都不能对爱因斯坦的理论贡献作出足够全面和正面的判定,他们认为相对论缺少实验支持、不算发现自然定律。

1915年之前,诺贝尔奖委员会每次都认为爱因斯坦的理论还有待进一步实验验证。1915年之后,在学术界已普遍认为狭义相对论已经被实验证实的情况下,他们依然持保守态度。

1915年,爱因斯坦又创立了更为抽象的广义相对论。爱因斯坦创立之时,得到的水星近日点进动计算结果就与当时的观测数据一致,另外他还相继预言了光线弯曲、引力红移(光的波长随着引力场增强而增加)和引力波。光线弯曲于1919年被爱丁顿和克雷姆林领导的天文学家测到。准确的引力红移到1954年才从白矮星首次测量到,地面上的引力红移实验1959首次完成。引力波则是1974年从脉冲双星首次间接验证,2015年首次被LIGO直接探测到。1915年后,在诺贝尔奖委员会讨论对爱因斯坦的提名时,引力红移测量结果确实与广义相对论不符。

1915年后,对爱因斯坦的提名中仍然有不少以狭义相对论为依据。这时诺贝尔奖委员会也无视狭义相对论已经公认被实验证实,而以广义相对论实验证实不足为拒绝的理由。笔者猜想,个中逻辑大概是将狭义相对论与广义相对论视为一体,从而广义相对论的实验证据不足也导致对狭义相对论的怀疑。

1919年,光线在太阳附近的弯曲被观测到与广义相对论预言一致,爱因斯坦声名鹊起,成为家喻户晓的人物。具有超级影响力的洛伦兹也开始提名爱因斯坦,说他已经是有史以来的第一流物理学家。到了1921年和1922年,爱因斯坦的声望已经如日中天,很多著名物理学家都加入到提名行列。

1919年后,越来越多的对爱因斯坦的提名是以广义相对论这个比狭义相对论更新更深的理论为提名依据。从提名爱因斯坦的科学家的角度,这是很自然的。但是,从说服保守慎重的诺贝尔奖委员会这个角度来说,这是缺少策略之举。广义相对论很抽象,相关的实验或观测也少。而且当时还有人视爱因斯坦所受的追捧为自我炒作,还有人反犹太。

另一方面,授予爱因斯坦诺贝尔奖的呼声越来越高,诺贝尔奖委员会受到越来越大的压力。

这时奥辛的提名以及他受诺贝尔奖委员会之托所作的报告就显得很有策略。他对爱因斯坦获得诺贝尔奖起了关键的推动作用。

奥辛的依据是光电效应。虽然也很重要,但在爱因斯坦的贡献中是较小的一个,只是量子论的一个应用,在爱因斯坦光量子论的文章中只占很小篇幅。奥辛将之称为“光电效应定律”,强调了实验现象。结果奥辛成功了。具有讽刺意味的是,光电效应的实验是反爱因斯坦的勒纳德所做。

另一方面,给光电效应的工作颁发诺奖,又比爱因斯坦对统计力学的贡献更合适,因为1919年诺贝尔奖委员会已经提出,后者不如爱因斯坦对相对论和量子论的贡献重要。

所以最终在1922年,爱因斯坦因为对光电效应的理论解释获得1921年的诺贝尔物理学奖。而一旦获奖,在未来获第二次诺贝尔物理学奖的可能性又变得微乎其微。

考察历史,笔者觉得,以量子论方面与实验密切相关的贡献作为依据,确实是当时给爱因斯坦颁发诺贝尔奖的不二选择。



参考文献:

[1] 戴念祖. 爱因斯坦在中国,社会科学战线,1979.

[2] Pais, A. Subtle is the Lord. 本文还有其他若干地方资料来源于此。

[3] Issacson, W. Einstein.

*本文原载知识分子2017.10.3.




2017年诺贝尔奖
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