愛因斯坦的崎嶇諾獎路,理論物理與實驗物理的激烈交鋒

諾貝爾物理學獎這麼多年以來一直是物理領域最為權威的獎項，無數物理學獎都以獲得諾貝爾為榮，不過很多物理學家卻並不是以自己最為突出的貢獻獲得的諾貝爾，比如愛因斯坦，愛因斯坦最偉大的成就是相對論，不過愛因斯坦之所以斬獲諾貝爾，卻是因為光電效應。

而愛因斯坦的諾貝爾獎得來也十分崎嶇，首先，這個獎是 1922 年補授的，另外，當時反對的浪潮十分激烈。而這背後，是物理學的兩大方向之間的激烈交鋒。

物理學可分為理論物理和實驗物理兩大方向,自然而然，物理學家也可以分為理論物理學家和實驗物理學家。有人的地方就有江湖，就好像華山派氣宗和劍宗之爭一樣，在 20 世紀初，實驗物理和理論物理之間是誰也看不上誰。（指部分極端的物理學家，並不是全部）

理論物理是從理論上探索自然界未知的物質結構、相互作用和物質運動的基本規律的學科。理論物理的研究領域涉及粒子物理與原子核物理、統計物理、凝聚態物理、宇宙學等，幾乎包括物理學所有分支的基本理論問題。而實驗物理主要是從實驗上來探索物質世界和自然規律。

對於實驗物理學家而言，只有自己通過親眼真正觀察到了這個現象或者規律，這樣得出來的自然規律和宇宙法則才是最為正確以及富有意義的。

在 20 世紀初，因為愛因斯坦的橫空出世，實驗物理與理論物理之間的矛盾空前激化。1905 年愛因斯坦發表了題為 《論動體的電動力學》，這是一篇註定載入史冊的論文，在這篇論文裡，愛因斯坦提出了區別於牛頓時空觀的新的平直時空理論——狹義相對論。

「狹義」表示它只適用於慣性參考系。這個理論的出發點是兩條基本假設：狹義相對性原理和光速不變原理。理論的核心方程式是洛倫茲變換。

洛倫茲變換是狹義相對論中兩個作相對勻速運動的慣性參考系（S和S′）之間的坐標變換， 是觀測者在不同慣性參考系之間對物理量進行測量時所進行的轉換關係，在數學上表現為一套方程組（如下圖），洛倫茲變換最初用來調和19世紀建立起來的經典電動力學同牛頓力學之間的矛盾，後來成為狹義相對論中的基本方程組。

洛倫茲變換.左側為正變換,右側為逆變換

狹義相對論預言了牛頓經典物理學所沒有的一些新效應（相對論效應），如時間膨脹 、長度收縮、橫向都卜勒效應、質速關係、質能關係等。

像時間膨脹，兩個完全相同的時鐘之中，拿著甲鐘的人會發現乙鍾比自己的走得慢。這現象常被說為是對方的鐘「慢了下來」，但這種描述只會在觀測者的參考系上才是正確的。任何本地的時間（也就是位於同一個坐標系上的觀測者所測量出的時間）都以同一個速度前進。時間膨脹效應適用於任何解釋時間速度變化的過程。

時間膨脹

有人根據時間膨脹提出一個非常有趣的觀點，有人就提出來了一個有意思的問題，如果當我快還有幾秒就要死的時候，突然接近光速運動，那麼我的時間就慢了很多很多，那麼我是不是就死不了了？「

狹義相對論已經成為現代物理理論的基礎之一：一切微觀物理理論（如基本粒子理論）和宏觀引力理論（如廣義相對論）都滿足狹義相對論的要求。

所以當狹義相對論誕生之後，立馬引起了物理學家的一陣爭議，當時的物理學家一般都相信以太是物理學史上一種假想的物質觀念，相信以太論的物理學家也相信存在著絕對參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。

以太說曾經在一段歷史時期內在人們腦中根深蒂固，深刻地左右著物理學家的思想。著名物理學家洛倫茲推導出了符合電磁學協變條件的洛倫茲變換公式，但無法拋棄以太的觀點。而狹義相對論的提出則把以太說掃進了歷史之中。

所以很多頑固相信以太論的物理學家則對相對論提出了反對，比如邁克耳孫至死還念念不忘「可愛的以太」,認為相對論是一個怪物。他還做過著名的邁克耳孫—莫雷實驗來論證以太的存在。 當時物理學界還掀起了所謂的「保衛以太」的運動，JJ.湯姆孫在1909年宜稱:「以太並不是思辨哲學家異想天開的創造，對我們來說，就好像我們呼吸空氣一樣樣不可缺少」。

除了對以太論的頑固捍衛之外，一些物理學家之所以對狹義相對論質疑，是因為對其中的理論，比如嶄新的時空觀等，都難以理解或者接受。比如相對論的先驅龐加萊、馬赫等。

不過，支持者也不少，比如雖然是化學家但是經常跨界物理學的，1909 年，奧斯特瓦爾德首先提名愛因斯坦為1910年諾貝爾物理學獎候選人，推薦理由是愛因斯坦狹義相對論的偉大貢獻。以後他又於1912年、1913年再度提名愛因斯坦。而後來1912年時，德國物理學家普林斯海姆也因為愛因斯坦狹義相對論的成就推薦愛因斯坦為獲獎候選人時。

然而對於愛因斯坦因相對論獲得諾獎，許多的實驗物理學家表示論強烈反對，因為相對論尤其是廣義相對論在當時並沒有實驗基礎，而量子力學之所以發展迅猛，是由於科學儀器的加速迭代，並不斷發現微觀世界的新現象。理論物理學家很多時候就是在實驗結果的基礎上抽象規律，或者根據已知的現象推定規律。

但是相對論在當時並沒有任何實驗基礎，這讓很多實驗科學家不滿，其中以瑞典科學界最為嚴重，瑞典科學界在20世紀早期過分注重實驗物理學，而將理論輕視為純粹的猜想。瑞典科學界的領袖哈瑟伯格一直堅持認為精確測量「是使我們能夠深入了解物理定律的根本和主要條件，是走向新發現的唯一道路，是科學進步的不二法門」。

在實驗室裡不斷求索的實驗科學家

哈瑟伯格認為愛因斯坦的相對論是一種「病態」物理，侵蝕了以前人們所持的正確的信念，與西方文明的古希臘傳統的真、善、美觀念完全相反。他認為愛因斯坦沒有做過任何實驗，他的理論不是由實驗歸納出來的；他修改基本假設，將不同的物理領域歸納成為一個統一的理論。這對他們這些實驗物理學家來說簡直是形上學的工作，不是科學的一部分，是科學中的達達主義的表現。

哈瑟伯格直到還在病床上依然在反對愛因斯坦的相對論獲得諾獎，在他的強烈建議下，1920年諾貝爾獎授予了瑞士裔的法國一位冶金學家紀堯姆，原因是「發現鎳鋼合金的反常性以及它在精密物理學中的重要性」。紀堯姆聽到這個消息都愣住了，自己都覺得不夠資格拿這個諾貝爾獎。

當時諾獎委員會中關於愛因斯坦相對論獲得諾獎的呼聲越來越高，諾獎委員會也不知道是不是腦子抽風，讓獲得諾貝爾醫學獎的古爾斯特蘭德起草一份關於相對論的報告。。。

古爾斯特蘭德迷信過去的科研觀念，認為愛因斯坦從來沒有做過實驗，所有理論不過是閉門造車的瞎編亂造。如果想要獲得諾獎，必須要拿出實驗數據和結果。一直到 1922 年，他還在強烈反對愛因斯坦的相對論，額，醫學家插手物理學家的事情，這畫面太美。。。

古爾斯特蘭德

獲得諾貝爾化學獎的物理化學家阿累尼烏斯對古爾斯特蘭德的意見表示同意，1918年普朗克剛剛因為量子論獲獎，再緊接著因量子論頒獎給愛因斯坦，不妥；如果真要因光電效應頒獎，就應該給予實驗物理學家。他還建議，1921年乾脆不頒發物理學獎。結果，1921 年的諾貝爾物理學獎人選果真沒有公布。

後來，德國的諾貝爾獲獎者著名實驗物理學家勒納和斯塔克也大力反對愛因斯坦和相對論。可以說在當時愛因斯坦的相對論引發了物理學界的一陣漩渦。

勒納

終於到了眾多叫囂愛因斯坦相對論沒有實驗基礎的實驗物理學家到了打臉時刻， 1911年愛因斯坦預言，當恆星的光非常接近太陽時，因為太陽的引力將會有一個小小的偏離，並第一次提出這種恆星光線的彎曲是可以測量的。1915年愛因斯坦的廣義相對論發表，並計算出星光在穿過太陽附近時所產生的偏折角度為1.75角秒。這就是廣義相對論的「光線偏折」的預言。

為了證明廣義相對論的正確，愛因斯坦求助於天文學觀測，提出了三個可以用天文學觀測來驗證的廣義相對論效應。首先愛因斯坦用廣義相對論解決了長期懸而未解的水星近日點附加進動問題。

愛因斯坦找到了他的親密隊友愛丁頓，愛丁頓經過活動，讓戴森出面說動英國派出了兩支日食觀測隊，一支到南美洲巴西的索貝瑞爾，由戴森親自領隊；一支到非洲西岸的普林西比島，由愛丁頓領導。觀測隊各攜帶一臺33釐米口徑的天體照像儀，巴西觀測隊還多帶了一臺10釐米口徑的光學望遠鏡。

最終愛丁頓與戴森多次討論後，對3個觀測結果的重要性給出評判，用加權平均的方法給出偏離1.64角秒的結果，與愛因斯坦的預言很接近。

愛丁頓

1919年11月戴森教授在皇家學會和皇家天文學會上宣布：觀測結果支持愛因斯坦的理論。倫敦《泰晤士報》於11月7日發出頭版頭條新聞「科學革命：牛頓的思想被推翻。」但是，還是有不少人懷疑他們發表的結果，甚至散布發表的日食觀測結果是「經過愛丁頓的烹調」。為此，戴森公開了原始底片的拷貝。

這個時候，就連愛因斯坦的老對手玻爾也第一次開始提名愛因斯坦，他特別提到相對論是「第一位的和最重要的」，還說，「在這裡，我們面臨著物理學研究發展中最有決定性意義的進步」。

這個時候，諾獎委員會讓阿列紐斯出一份報告，在勒納和斯塔克影響下，阿列紐斯提出紅移實驗還沒有被完全證實，而且德國科學家革爾克於1916年曾提出，水星近日點的進動早就由德國物理學家格伯解決了。

阿列紐斯

愛因斯坦在1915年對水星的進動提出了公式，按照公式與牛頓萬有引力定律所得的差值為每世紀43.03秒。最終與觀測值十分接近，格伯的理論基礎以及革爾克的意見被證實是建立在相互矛盾的假說之上，這個時候相對論的支持者已經越來越多了。

阿列紐斯提到的紅移實驗是指愛因斯坦曾預言恆星發出的光譜譜線由於強大引力的作用會使其波長變長，也就是發生引力紅移。這個在當時因為觀測設備的原因，一直沒有辦法證實，2010年在科學家通過實驗,將引力紅移效應的實驗精度提高了一萬倍,從而更準確地驗證了愛因斯坦的預言。

不過，實驗物理學家提出的質疑在愛因斯坦的兩個預言被證實之後大部分都被推翻了，當時許多曾反對愛因斯坦的科學家都提名了愛因斯坦，比如湯姆孫。所以當普朗克在1922年提出1922年諾獎授予玻爾，1921年諾獎補授愛因斯坦時候，得到了諾獎委員會的認可，但諾獎委員會為了避免引發更大的爭議，愛因斯坦最終因為光電效應獲得了諾貝爾獎。

當時許多實驗物理學家固守傳統的科研觀念，非常強調實驗結果，將理論輕視為純粹的猜想，而在經過愛因斯坦事件之後，實驗物理學家的許多觀念得到了革新，後來物理學就進入了量子力學和相對論兩強爭霸時代。

不過實驗物理學家也沒有閒著，在量子力學與相對論的巔峰之爭索爾維會議上，也是積極參與做起了吃瓜群眾。