以上这句话出自《爱因斯坦文集》第一卷:《关于理论物理学的方法》。这篇文章是爱因斯坦于1933年6月10日在英国牛津大学所做的斯宾塞讲座的讲稿。那时爱因斯坦54岁,进入了成熟的年纪。在爱因斯坦的著作中可以知道,从少年到求学时代到研究工作,数学在他的人生中扮演着重要的角色。在他看来,我们面临的两大领域,一个是经验的领域,另外一个就是人类理智的领域,而理智上的表现主要以数学的形式显现。
在12岁时,他就接触到了欧几里得平面几何。他写道:“我经历了另一种性质完全不同的惊奇,这是在一个学年开始时,当我得到一本关于欧几里得平面几何的小书时经历的。这本书里有许多断言,比如三角形的三个高交于一点,它们本身虽然并不是显而易见的,但是可以很可靠地加以证明,以致任何怀疑似乎都不可能。这种明晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象。”在此之前,他还是一个四、五岁的小孩的时候,就曾经被指南针如此确定的转动方式感到惊奇,那是对经验的惊奇;现在欧几里得几何给他带来了理智上、逻辑上的惊奇。原来人类的理智还具有那样一种力量,依靠推理就可以得到确切无误的命题。在他以后的科学生涯中,这两方面,经验方面和理论方面的结合成为他工作的两个重要的方向。
在12~16岁这段时间,爱因斯坦还学习了不少的数学知识,按照他的原话:“这个学习确实是令人神往的,它给我的印象之深并不亚于初等几何,好几次达到了顶点:解析几何的基本思想、无穷级数、微分和积分概念。”
爱因斯坦17岁就进入了大学。在大学里,数学在某些时候仍然吸引着他。比如,他写道:“盖塞教授关于微分几何的讲授也吸引了我,这是教学艺术的真正杰作。在我后来为建立广义相对论的努力中帮了我很大的忙。”
到此为止,我们可以看到爱因斯坦在他的教育经历中,数学给他的激励是很大的。而且他在数学方面其实也是很早就通过自学学了很多的知识,从欧几里得几何到解析几何,从无穷级数到微积分。他能够成为一个伟大的理论物理学家,这些数学素养是必不可少的。
然而在大学里,他的主要兴趣不在数学上。一方面去实验室做实验,“迷恋于同直接经验的接触”,另一方面用了很多时间“在家里阅读理论物理大师们的著作”。数学在他的这一段学习里面再也不是最重要的课题了。后来他分析说,这是因为他在物理里面有很强的直觉,觉察到重要的知识和能够导致深邃知识的努力方向。但是在数学里面,他却没有这样的感觉,并且他对研究自然的兴趣超过了研究数学的兴趣,而且也认为数学在研究自然的方面可能也不起到很大的作用,只要像以前他已经学过那些基本的数学应该就够了。
不过后来他回忆说,“这是一个我后来才很难过的发现到的错误”。 他发现数学的重要性,其实是在建立广义相对论的过程中。1905年他做出的伟大的狭义相对论、光电效应方程等等,用到的数学确实是很初等的,跟他原来的想象是一致的。并且他还嘲笑了他的老师闵可夫斯基把狭义相对论写成四维几何的形式,认为那是不必要的。
但是在追求广义相对论的过程中,他却发现狭义相对论的闵可夫斯基四维几何形式是不可少的一个阶梯。后来他也改变了对这种几何表述形式的评价,懂得了尊重理论物理的完善的数学形式的重要性。特别是当发现广义相对论需要的数学超过他以前所学的数学知识的范围。他不得不向他的同学、数学家格罗斯曼求助。格罗斯曼帮他找到了黎曼几何,并且跟他一起研究学习,而且还共同写了一篇广义相对论的论文。后来爱因斯坦在广义相对论的道路上又几经波折,最终发现还是要靠数学才能够得到最后的成功。而且在这个过程里面,大数学家希尔伯特在跟爱因斯坦交流的过程中,与爱因斯坦几乎同时得到了引力场方程的表达式,使得爱因斯坦对数学和数学家在理论物理方面的厉害有了切身的感受。
1938年1月24日,爱因斯坦在一封信中写道:“从有点像马赫的那种怀疑的经验论出发,经过引力问题,我变成为一个信仰唯理论的人;也就是说,成为一个到数学的简单性中去寻找真理的唯一可靠源泉的人。”更进一步的,他甚至说出了这样的话:“迄今为止,我们的经验已经使我们有理由相信,自然界是可以想象到的最简单的数学观念的实际体现。”
在物理学史上,人们热衷于给物理学家排名。第1名当之无愧的是牛顿,第2名多半是爱因斯坦,第3名是麦克斯韦,第4名就有各种各样的意见了。但在我看来,狄拉克是第4名这个位置的有力的竞争者之一。如果把狄拉克看作是物理学史上第4名的伟大物理学家,那么他们4个其实都是理论物理学家。他们的数学修养都很强,分开来说吧:牛顿就不用说了,他创立了微积分和其他的数学知识,作为数学史上最伟大的数学家之一,他数学的厉害是不容置疑的;麦克斯韦,我们读他的传记的时候,知道他的教育经历跟爱因斯坦是很相似的,也是还在少年的时候就自学了高等数学,不过似乎麦克斯韦还发表过数学方面的论文,他的数学看起来比爱因斯坦还厉害;当然第4名的狄拉克,在 20世纪的理论物理学家当中,人们称他为数学上的高手,他曾经也在大学里面专门学习过数学;而爱因斯坦虽然从少年时代开始已经领悟了欧几里得几何、解析几何、无穷级数、微积分的魅力,但后来在大学里面,因为认识上的不足,他却没有更进一步的学更多的数学知识,相比之下,他可以说是4个人之中数学比较“普通”的。
然而爱因斯坦由于他比较“普通”的数学水平,使他在研究广义相对论中大吃苦头,
他后来对数学的重要性认识最深刻。我们从以上的引言知道,他对数学的重要性看的如此之重要,简直以为它是真理的唯一源泉。不管怎样,从我们说到这4位最伟大的理论物理学家,可以看到爱因斯坦强调数学的重要性,是一点也不过分的。
注:爱因斯坦在他的《自述》中说,他在学习数学的时候,不像学习物理那样,能够直觉到这个领域里面的基本的重要的东西。但是后来在普林斯顿,他认识了哥德尔,与哥德尔散步谈话了几年,爱因斯坦认为原来数学也像物理一样,有着它的基本的重要的基础。我想他的这个认识,跟哥德尔在数学基础方面对他的影响显然是密切相关的。