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相对论和“五四运动”——神仙吵架引发的启蒙




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爱因斯坦在他1905年的论文《论动体的电动力学》中介绍了其狭义相对论,在1915年左右发表的一系列论文中给出了广义相对论最初的形式。 相对论的提出给物理学带来了革命性的变化,它和量子力学一道奠定了现代物理学的基础。 爱因斯坦相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”“四维时空”“弯曲时空”等全新的概念。 那么,相对论是何时传入并影响中国的?

来源 | 本文出自《百年广义相对论》(《数学与人文丛书》)

爱因斯坦的相对论于1917年初次在中国露面。一切都要从两位近代著名教育家的一场论辩说起,文章发表在当年9月出版的《学艺》杂志上。

蔡元培(左)许崇清(右)





小相对论初现于中国


早在1907年,日本物理学家就已开始学习和研究爱因斯坦的理论,并陆续发表多篇论文。这就影响到了一位1905年考取官费赴日本留学的中国学生——许崇清。

许崇清 (1888-1969) ,出生于广东省番禺县的高门望族,因“七子登科”被传为美谈。其兄许崇灏与堂兄许崇智并称“辛亥双雄”、堂妹许广平、女婿朱光亚,堪称满门才俊。许崇清参加了《中国国民党第一次全国代表大会宣言》的起草。历任国民政府广州市教育局局长、广东省教育厅厅长,中山大学校长。1949年后,许崇清历任广东省副省长、中山大学校长、全国政协常委。


最初,许崇清就学于东京第七高等学校,毕业后进入东京帝国大学文学部学习,后又完成了两年的研究生学业,于1920年8月回到中国。许崇清的专业并非自然科学,然而,他却密切关注着现代物理学的进展,这很可能是出于他的哲学兴趣。因为许崇清通晓多门外语,能够阅读这些英、法、德的西方新思想原著。
1917年,蔡元培发表关于宗教信仰的一次演讲,演讲中宣称:

在科学发达以后,一切知识道德问题,皆得由科学证明,与宗教无涉。惟科学所不能解答之问题,如宙之无涯涘,宇之无终始,宇宙最小之分子果为何物,宇宙之全体果为何状等。是举此等问题而研究之者,为哲学。


彼时身在日本的许崇清不同意蔡元培的观点,还只是大学生的他勇敢地指出,蔡元培所说的哲学问题,实际上已并非当时的哲学家们所研究的问题;蔡元培所认为的在科学上无法解决的有关时间与空间的问题,已经由爱因斯坦的狭义相对论所解决。在此,许崇清给出了迄今所知最早的关于狭义相对论的中文介绍:

方今自然科学界,关于时空(即宇与宙)之研究,则有Einstein于1905年发表之“对性原理”。此原理以二假定为前提,其一则为“相对性之假定”,其二则为“光速不变之假定”。艾氏据此以时间相对性之定义,而牛顿力学所悬设之绝对空间绝对时间几至不能成立。


《学艺》杂志的文章中,许崇清引进了一些狭义相对论的基本假设和概念术语,但并没有介绍多少具体内容。他对相对论重要性的认识,主要是基于其对该理论的哲学理解。但仅仅两个月之后,另一位留日的中国学者,在华中某高等学府组织的演讲中,对狭义相对论作了更详细的介绍。







中国的第一场相对论演讲


1917年11月3日,在湖北武昌的国立武昌高等师范学校,该校新成立的数理学会的成员们聚集一堂,聆听一场关于物理学新进展的演讲。尽管演讲的题目为《奈端力学与非奈端力学》 (奈端今译牛顿) ,其主要内容实际上是爱因斯坦的狭义相对论。

演讲人为该校物理学教授李芳柏。李芳柏 (1890-1959) 是广东潮州人,毕业于广州成城中学,并于1910年考取官费赴日本留学。他在东京物理学校主修物理和化学。东京物理学校创立于1881年,是日本1907年以前唯一一所教授西方科学的私立学校,主要负责培养日本的中学科学教师。

李芳柏将两个重要的问题——电子的可变质量与爱因斯坦的相对性原理——放在同一演讲中加以讨论,这件事很有意思。但从他的演讲来看,我们并不清楚,他是否意识到了这两项研究之间的重要联系。事实上,关于电子质量与速度之关系的研究,是当时的实验物理学家和理论物理学家积极探讨的问题,该项研究也使狭义相对论受到了更多的关注。

在结束演讲时,李芳柏告诉他的听众,牛顿力学的价值不如从前了:“奈端力学之三基本量 (质量、空间和时间) 既俱非绝对不变,而其三基础法则又复不能绝对完全成立,则所谓奈端力学者,其价值如何可不待辞费而知之矣。”然而,他坚持认为牛顿力学不可完全抛弃。虽然在理论上,“非奈端力学固比奈端力学完全,若对于一般自然现象之说明,则后者简而明,非前者之所可企及也。故虽有非奈端力学,而奈端力学又未可尽非也”。

1917-1926年出版的中文相对论著作的数量 

李芳柏作演讲的时间虽比许崇清发表文章的时间晚两个月,但前者所作的介绍实际上更为重要。李芳柏曾希望他的演讲能帮助中国科学界兴起对爱因斯坦的相对论以及非奈端力学 (非牛顿力学) 其他内容的研究。然而事实上,许崇清的文章和李芳柏的演讲都未能对中国学术界产生立竿见影的影响。然而到了1922年底,爱因斯坦的相对论却已在中国广为传播。为了了解这一戏剧性变化发生的原因,就必须谈到1919—1922年知识思想界更为广泛的发展。这些发展帮助激发了中国知识分子对爱因斯坦相对论的强烈兴趣,并为相对论在中国的传播创造了良好的环境。






“五四运动”和科学革命者


这一时期内的第一个重要事件就是“五四运动”。“五四运动”虽得名于1919年5月4日发生在北京的学生示威游行,但实际上它反映了1917—1921年复杂的历史现象。毫无疑问,它是中国历史上最重要的思想文化运动之一。人们经常用“新思潮”“新文化运动”之类的词汇描述“五四运动”时期的发展。参与“五四运动”的学生和新派知识分子希望推行“大规模的现代化运动,通过思想和社会的变革来建造一个新中国。他们强调的主要是西方的科学和民主思想”。

对于爱因斯坦的相对论在中国的引进和传播来说,“五四运动”的影响尤其显著,特别是在1919年从伦敦传来轰动一时的有关相对论得到观察证实的消息,即爱丁顿那轰动世界的天文观测,他的观测证实了爱因斯坦关于光线受引力作用而发生弯曲的预言。


亚瑟·斯坦利·爱丁顿

1882-1944,英国天文学家、物理学家、数学家,第一位用英语宣讲相对论的科学家,自然界密实物体的发光强度极限被命名为“爱丁顿极限”。


1919年5月,两支英国远征队测量了日全食期间光线的弯曲,有关结果证实了爱因斯坦根据其广义相对论所做出的预言。皇家学会主席汤姆生爵士宣布:“这是自牛顿时代以来与引力理论有关的最重要的成果……这一成果是人类思想的最高成就之一。”伦敦的《泰晤士报》 (Times) 称之为“科学上的革命”。爱因斯坦一夜之间成为西方世界的英雄人物。3个月后,中国第一次报道了相对论取得巨大成功的消息,并预测,“物理学数学上皆将[因此]大兴革命也”。从此,爱因斯坦便以科学界的革命者开始在中国扬名。 

爱因斯坦理论的革命性特征无疑引起了“五四”时期中国左翼知识分子的注意,这也是许多中国人对其理论感兴趣的又一原因。尽管爱因斯坦本人从不认为相对论 (包括狭义和广义理论) 真正达到了他心目中革命的标准,但他的理论的确摧毁了“牛顿世界观的旧体制”,给时间、空间和物质的基本概念带来了革命性的变化。

“五四运动”帮助创造了鼓励引进西方思想的环境,并使中国知识分子对西方大量的科学进展有了更广泛的认识,尤其是罗素等人的宣讲以及爱因斯坦访华计划曝光之后。 






一场轰轰烈烈的科学启蒙


罗素于1920年10月访问南京,应中国科学社之邀作题为《爱因斯坦引力新说》的演讲,他的来访在中国激起了第一波“爱因斯坦热”。自1920年11月,罗素在北京作了以下五大系列演讲:《哲学问题》《心之分析》《物的分析》《数学逻辑》和《社会结构学》。


伯特兰·阿瑟·威廉·罗素

1872-1970,英国哲学家、数学家、逻辑学家,分析哲学的主要创始人,诺贝尔文学奖获得者,世界和平运动的倡导者和组织者。



在罗素演讲《物的分析》后的4个月里,发表在各种中文报刊上的相对论文章明显增多 (下图) 。尽管在罗素访华之前已有几位中国学者发表了十多篇关于相对论的文章,但一般受过教育的中国人,只是在罗素演讲之后,才听说了爱因斯坦和相对论。留日物理学家文元模甚至声称,在罗素来华讲演后,中国已“无人不知道这相对论的名词”。


1922年11月13日,爱因斯坦和夫人爱尔莎乘坐日本邮轮“北野丸”抵达上海,他们是从香港前往日本的途中来沪暂停。正是在汇山码头,爱因斯坦从瑞典驻上海总领事手中接到了荣获诺贝尔奖的正式通知时。

当晚,在当代著名书画家王一亭的寓邸设宴,款待爱因斯坦夫妇。选择在王一亭家设宴,是因为其宅邸是典型的中国家庭寓所的代表,而且爱因斯坦还可在这里欣赏到许多中国名画。十几位中国、德国及日本的学者和知名人士参加了宴会。出席的中国人除了东道主王一亭外,还有上海大学校长于右任 (1879-1964) 等。宴会结束后,爱因斯坦夫妇按计划乘原船前往日本。

次日,《北京大学日刊》公布了一条激动人心的消息:世界知名的相对论之父爱因斯坦将“于新年来华”。北大校长蔡元培专门撰文《安斯坦博士来华之准备》,简述了爱因斯坦接受其邀约的过程。

当时北大财政拮据,蔡元培为邀请爱因斯坦所需要的经费所困扰,借中华教育改进社于山东举行年会之机,蔡元培携爱因斯坦的函电前往赴会,其间与梁启超讨论了此事。据蔡元培说,梁启超“甚赞同”,承诺他领导的讲学社将“必任经费一部分”。尽管付出了种种努力,但由于沟通不畅和社会动荡等因素,爱因斯坦计划中的北京之行还是流产了。

尽管爱因斯坦承诺的访华计划不幸取消了,但它在中国激起了另一波相对论热潮,并且大大加快了相对论在中国的传播。由于准备迎接爱因斯坦的访问,中国出版的关于爱因斯坦和相对论的书籍或文章的数量,在1922年12月间骤增。 


有关准备工作还引发了许多有关相对论的公开演讲。例如,1922年底至,7位受人尊敬的中国学者就在北京大学做了一系列公开演讲。这些学者包括4名物理学家、1名天文学家、1名数学家和1名哲学家。尽管爱因斯坦本人不在中国,但北京和许多其他城市的人们还是感觉到了他的巨大影响力。这确实是一种“超距作用”。


在中国的相对论早期传播过程中,留学日本的中国科学家以及日本的早期相对论研究工作,都扮演了重要的、甚至是关键性的角色。但是,对于中国的相对论理论研究的发展,他们似乎没有做出多少直接的贡献。中国人在这方面的研究始于20世纪20年代末,而且主要是由留学欧美的理论工作者发展起来的。


本文转载自微信公众号“数学与人文”。


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