插圖:Jasu 胡
愛因斯坦與風(fēng)車的斗爭
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一-當(dāng)愛因斯坦
和米歇爾·貝索相遇時,前者并不是我們認(rèn)識的愛因斯坦,他只是阿爾伯特·愛因斯坦,一個充滿青春期焦慮,愛拉小提琴的17歲少年。另一方面,貝索年紀(jì)稍大一些,但她只是一個 23 歲的富有同情心的年輕人。
貝索在數(shù)學(xué)方面有著驚人的天賦。他在意大利的里雅斯特長大,因不服從而被學(xué)校開除,不得不與叔叔一起住在羅馬。愛因斯坦與貝索相似,因?yàn)樗侨鹗坷砉W(xué)院的學(xué)生,那里的教授對他的傲慢感到憤怒,并開始出于惡意將他拒之門外。
兩人第一次見面是在蘇黎世。那是1896年的一個星期六晚上,他們倆在賽琳娜·卡普羅蒂( )的湖畔家中參加了一個音樂晚會。那天愛因斯坦很帥——濃密的黑發(fā),留著胡須,深棕色的眼睛,而貝索個子不高,五官又窄又尖,胡子濃密。愛因斯坦看起來很酷,而貝索則很緊張。通過聊天,愛因斯坦得知貝索在一家汽車廠工作,貝索也得知愛因斯坦正在學(xué)習(xí)物理。也許到那時,他們就會意識到彼此有一些共同點(diǎn)——致力于尋求事物的真相。
后來,貝索成為愛因斯坦的助手。正如阿爾伯特·愛因斯坦( )所說,貝索是“歐洲最好的”參謀,總是提出正確的問題來激勵自己探索答案,有時他更像是一個合作伙伴,利用他的數(shù)學(xué)天才來計算和提出建議。
但很多時候,貝索是個徹頭徹尾的傻瓜——愛因斯坦稱他為傻瓜。例如,當(dāng)他被派去檢查米蘭郊區(qū)新安裝的電線時,他錯過了火車,第二天他忘記離開,最后在第三天他到達(dá)目的地時,他完全忘記了他應(yīng)該在那里做什么。于是他給老板寄了一張明信片,并附上了:“請用電報發(fā)送任務(wù)。
貝索看起來有點(diǎn)困惑,但這并不是因?yàn)槿狈Κ?dú)創(chuàng)性。阿爾伯特·愛因斯坦寫道:“貝索最大的優(yōu)勢是他的智慧,以及他對道德和責(zé)任的無私奉獻(xiàn),這是他最與眾不同的地方。他的弱點(diǎn)是缺乏決策能力——這就解釋了為什么他的成就與他的聰明才智和非凡的科學(xué)技術(shù)知識不匹配。
很多時候,貝索也是愛因斯坦的知己——例如,敦促他與未婚妻米列娃解決問題,或者做一個更好的父親。當(dāng)米列娃生病時,貝索代表愛因斯坦照顧他的兩個兒子。“沒有人比貝索更接近我,也沒有人比貝索更了解我,”愛因斯坦在1918年寫道。
貝索身上有一種難以言喻的東西。在隨后的幾年里,他總是在正確的時間出現(xiàn)——完美的“神奇計劃”,遞給愛因斯坦一本書,似乎無意中提出了建議,激勵愛因斯坦走上正確的道路。這似乎是貝索的一個計劃,他曾經(jīng)寫道:“看著我的朋友阿爾伯特·愛因斯坦與偉大的未知作斗爭,這是一個巨人的艱巨工作。我是他的證人——一個微不足道的證人——但我,一個微不足道的證人,被賦予了千里眼”。
但在我們第一次見面的那個星期六晚上,這一切都發(fā)生在未來。在那之后,他們成了好朋友——最好的朋友。他們談了幾個小時。由于愛因斯坦是貝索遇到的第一個志同道合的人,他遞給愛因斯坦兩本書,并堅(jiān)持要他讀。這兩本書的作者是恩斯特·馬赫(Ernst Mach),他是這部三人劇的最后一位演員。
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第二-
也許你聽說過恩斯特·馬赫(Ernst Mach)1馬赫,2馬赫,3馬赫,是的,這就是馬赫。他的名字是速度的單位,由于他有胡須,所以也是一個剃須刀的品牌。作為物理學(xué)家、生理學(xué)家、哲學(xué)家,他在每個領(lǐng)域都有一些參與。
人們可能會在奧地利的鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)年輕的馬赫仔細(xì)觀察自然,專心致志地盯著樹葉、陰影或云朵,仔細(xì)觀察,以免出現(xiàn)任何瑕疵,從而建立了眼睛可以使用的技巧分類法。此外,他還收集了昆蟲和蝴蝶物理學(xué)家馬赫,測試了各種材料的反應(yīng)——他曾經(jīng)在試圖查看樟腦是否燃燒時燒傷了自己的睫毛和眉毛。
但是在他15歲的時候,一瞬間改變了一切!恩斯特·馬赫(Ernst Mach)寫道:“在一個陽光明媚的夏日,我突然意識到,世界和我的自我是情感的集合,只有在自我內(nèi)部,感官才更加緊密地聯(lián)系在一起。那一刻,他覺得外在沒有獨(dú)立于自我的現(xiàn)實(shí),“內(nèi)在”上也沒有脫離現(xiàn)實(shí)的自我。他越來越相信,意識和物質(zhì)之間,感知的主體和客體之間沒有真正的區(qū)別。“這一刻對我的整個觀點(diǎn)具有決定性意義,”他寫道。
從那天起,馬赫就堅(jiān)決反對任何形式的二元論物理學(xué)家馬赫,即反對“外部世界是由大量物質(zhì)組成的,而心靈是由物質(zhì)之外的事物組成的,我們意識世界(主觀)中的體驗(yàn)只不過是隱藏在我們內(nèi)心的現(xiàn)實(shí)世界(客觀)的反應(yīng)。同時,他開始相信精神和物質(zhì)是由相同的基本成分構(gòu)成的。
馬赫認(rèn)為,構(gòu)成成分不可能是物理成分,因?yàn)?span style="display:none">fdj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
物質(zhì)不會產(chǎn)生主觀經(jīng)驗(yàn),但它也不可能是心理成分,因?yàn)轳R赫確信自我也是一種幻覺。將精神和物質(zhì)結(jié)合起來的唯一方法是假設(shè)它們是客觀原子,而不是主觀感覺,而是中性的東西,他稱之為“元素”,在一種配置中,它們將表現(xiàn)為物質(zhì),而在另一種配置中,它們將表現(xiàn)為非物質(zhì)狀態(tài)。
他提到“精神與肉體是統(tǒng)一的,內(nèi)在與外在之間沒有對應(yīng)關(guān)系,沒有與感官不同的外在'物'”;“只有一個元素,這些假定的事物都是從中形成的,既有內(nèi)部的,也有外部的——根據(jù)它們目前被觀察到的方面,它們本身就是內(nèi)部的或外部的”;這些元素“構(gòu)成了真實(shí)、直接和最終的基礎(chǔ)”。
馬赫的觀點(diǎn)——后來被稱為“中性一元論”——要求現(xiàn)實(shí)的每個方面,從物理對象到主觀感覺,都必須是純粹的相關(guān),而這種東西是“有意識的”還是“物質(zhì)的”完全取決于它與其他元素的關(guān)系,而不是由任何內(nèi)在的東西決定的。這是一個激進(jìn)的想法,但似乎是可行的。畢竟,科學(xué)是建立在測量的基礎(chǔ)上的,馬赫說:“測量的概念是一個關(guān)系概念”,“例如,我們所說的長度或重量,實(shí)際上是物體與尺子,或物體與刻度之間的關(guān)系”。
結(jié)果,馬赫開始意識到,如果我們只能用可測量的內(nèi)容來改寫科學(xué),那么世界就可以完全聯(lián)系和相對,思想和宇宙最終可以統(tǒng)一起來。這將需要一種新的物理學(xué)!
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三-
1904年,《堂吉訶德》成為愛因斯坦最喜歡的書之一。兩年前,失業(yè)的阿爾伯特·愛因斯坦( )在報紙上刊登了一則廣告——“提供每小時三法郎的體育輔導(dǎo)”。一個名叫莫里斯·索洛文( )的哲學(xué)系學(xué)生出現(xiàn)在他家門口,兩人立即談?wù)摿宋锢砗驼軐W(xué),完全忘記了還有作業(yè)要幫忙。很快,數(shù)學(xué)系學(xué)生康拉德·哈比希特( )也加入了談話。這三個年輕人不受世界慣例的束縛,為自命不凡的墮落者組成了一個讀書俱樂部,他們閱讀和討論哲學(xué)和文學(xué)作品,有時抽煙吃垃圾食品直到凌晨一點(diǎn)。他們每周有幾個晚上聚在一起,為了嘲笑老式的學(xué)者,他們稱自己為奧林匹亞學(xué)院。
貝索當(dāng)時在的里雅斯特?fù)?dān)任工程顧問,只要有可能,他就會參加讀書俱樂部。作為愛因斯坦最親密的朋友,他被任命為學(xué)院的榮譽(yù)會員。在貝索的影響下,讀書俱樂部的成員開始閱讀討論馬赫的書籍和想法。
1904年,愛因斯坦在伯爾尼的專利局找到了一份工作,他向貝索提供了一份差事,以便他們可以并肩工作。晚上,他們繼續(xù)讀《堂吉訶德》,這本書引起了愛因斯坦的強(qiáng)烈共鳴——后來,當(dāng)他的妹妹瑪雅臨終時,愛因斯坦讀給她聽。至于讀書俱樂部的成員,他們也沒有意識到貝索是什么時候成為愛因斯坦的“桑喬·潘扎”的。每當(dāng)索洛文和哈比希特離開時,愛因斯坦和貝索就會從專利局回家,一路上他們會討論空間和時間的本質(zhì)以及馬赫的想法。
關(guān)于這些便士的想法:在廣義相對論中,每個觀察者的時空看起來都是平坦的,就像這些硬幣的表面一樣。而且,在沒有引力的情況下,所有的時空確實(shí)是平坦的(左)。但是,當(dāng)觀察者開始參考時空彎曲的世界觀時,便士沒有排列 - 它們的坐標(biāo)系沒有對齊。由此,該組可以推導(dǎo)出獨(dú)立于任何時空的時空特征。(照片: K. Lee)。
馬赫統(tǒng)一物質(zhì)和精神的計劃是賦予世界每個點(diǎn)絕對的相對性。還有一個頑固的難題:根據(jù)物理學(xué),所有的運(yùn)動都是相對于絕對空間定義的,而絕對空間不是相對于任何事物定義的,它只是自我定義的,就像現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)一樣。馬赫理解這個障礙,并為此感到苦惱。他批評牛頓的“絕對空間的概念怪異”,即空間本身就是一個物體的概念。但是如何解決呢?
長期以來,愛因斯坦一直對這樣一個事實(shí)感到困擾,即所有試圖確定觀察者相對于絕對空間是否靜止的嘗試都失敗了。對于他能想到的每一個實(shí)驗(yàn),都有一些絕對運(yùn)動的證據(jù)似乎是故意隱藏的。這種徹頭徹尾的“陰謀”引起了人們對絕對空間根本不存在的懷疑,包括愛因斯坦。
在馬赫的影響下,愛因斯坦試圖假設(shè)運(yùn)動不是通過參考絕對空間來定義的,而只是相對于其他運(yùn)動來定義的。不幸的是,物理定律似乎暗示了其他東西,尤其是電磁定律。無論觀察者的參考系如何,光都必須以每秒公里的速度傳播。然而,如果所有的運(yùn)動都是相對的,那么光的運(yùn)動也必須是相對的,即在一個參考系中以每秒公里的速度行進(jìn),而在另一個參考系中以其他速度行進(jìn)。這是對電磁定律的公然違反。
于是愛因斯坦去見貝索,他們一見面,他就說:“今天我們一起解決這個問題吧!他們從各個方面討論過,愛因斯坦想過中途放棄,但他堅(jiān)持了下來。
阿爾伯特·愛因斯坦去了貝索。“謝謝!”“我已經(jīng)完全解決了這個問題,”他說。不到五周后,愛因斯坦的狹義相對論就完成了。
在那場決定性的談話中,貝索說了什么神奇的話?他似乎在提醒愛因斯坦馬赫的中心思想:測量的概念是一個關(guān)系概念。
阿爾伯特·愛因斯坦( )和貝索(Besso)討論了我們比較哪兩個量來測量時間的問題。“我們對時間的判斷總是同時發(fā)生,”愛因斯坦意識到,“例如,如果我說火車在7點(diǎn)鐘到達(dá)這里,我的意思是我的手表指針指向7點(diǎn)鐘,火車在同一時間到達(dá)”。
但是你怎么知道兩個事件是否同時發(fā)生呢?也許你站著不動,碰巧看到遠(yuǎn)處的兩盞燈同時閃爍。同時看到他們。但是,如果您一直在移動怎么辦?如果您碰巧朝閃光燈 A 的方向移動而遠(yuǎn)離閃光燈 B,您會先看到 A 發(fā)生,因?yàn)?B 的光需要更長的時間才能到達(dá)您。
同時性不是絕對的,觀察者所在的地方?jīng)]有“現(xiàn)在”。時間是相對的,空間也是相對的!
愛因斯坦恍然大悟,所有觀察者都可以看到光以每秒公里的速度移動,而不管他們自己的運(yùn)動狀態(tài)如何,而光速是在給定時間內(nèi)行進(jìn)距離的量度。但是時間的變化取決于你的運(yùn)動狀態(tài),所以即使你相對于光運(yùn)動,時間本身也會精確地減慢,足以讓你以麥克斯韋方程組要求的速度測量光速。
愛因斯坦在1905年的論文《論運(yùn)動物體的電動力學(xué)》中向世界介紹了相對論。在相對論中,時間和空間可以減慢和拉伸,以解釋觀察者的相對運(yùn)動。這本書沒有任何參考資料,但總結(jié)道:“最后,我想說,在處理這些問題時,我得到了我的朋友和同事貝索的無私幫助,這要?dú)w功于他的一些寶貴建議!愛因
斯坦自豪地向馬赫展示了他的工作成果,當(dāng)馬赫稱贊他的工作時,愛因斯坦幾乎有點(diǎn)頭暈?zāi)垦!!澳愕膩硇攀刮腋械椒浅8吲d,”愛因斯坦回答說,“我很高興你對相對論感到滿意......再次感謝您的來信,我仍然是您的學(xué)生,阿爾伯特·愛因斯坦。"
然而,愛因斯坦在實(shí)現(xiàn)馬赫的愿景之前還有很長的路要走。問題在于,狹義相對論只將運(yùn)動相對化為以恒定速度運(yùn)動的觀察者。超速觀察者(那些改變速度或旋轉(zhuǎn)的人)的問題要棘手得多。在狹義相對論中,沒有辦法將伴隨加速度的力歸因于相對運(yùn)動。絕對空間的概念被迫保留下來。
1907年,阿爾伯特·愛因斯坦取得了突破。他后來說,這是他一生中最快樂的想法:在一小塊空間中,觀察者無法分辨他在引力場中是在加速還是靜止,這表明有可能一勞永逸地消除加速度和絕對空間的絕對性質(zhì)。引力似乎是使所有運(yùn)動相對的潛在因素,正如馬赫所希望的那樣,這個結(jié)論為重力的本質(zhì)賦予了全新的意義——加速觀察者在時空中的路徑遵循一條曲線,所以如果加速度等于重力,那么重力就是時空的曲率。愛因斯坦知道將他的廣義相對論付諸實(shí)踐需要一些時間,但他知道自己走在正確的軌道上。
愛因斯坦興奮地給馬赫寫了一封信,告訴他他的進(jìn)展和他最新論文的發(fā)表。他說,一旦他能夠證明它是正確的,他正在研究一種新的引力理論:“你對力學(xué)基礎(chǔ)的啟發(fā)性研究......將得到極好的確認(rèn)”。換句話說:我已經(jīng)做了你想做的事。他于1915年發(fā)表了廣義相對論,次年馬赫去世。
愛因斯坦寫了一篇感人的長篇訃告,熱情地贊揚(yáng)了馬赫的科學(xué)遠(yuǎn)見。正如阿爾伯特·愛因斯坦( )所寫,其中心思想是:“物理學(xué)和心理學(xué)之間的區(qū)別不在于它們的研究對象,而在于它們之間的順序和聯(lián)系”。他相信馬赫本人即將提出相對論,并以明顯的欽佩和天真寫道,馬赫“直接和間接地幫助了我很多”。
然而,這是愛因斯坦的思想與馬赫的哲學(xué)思想之間關(guān)系的頂峰。最終,愛因斯坦拒絕了他導(dǎo)師的純粹相對論,甚至與他的“桑喬”決裂。這一切都始于最不可能發(fā)生的事情:馬赫的遺言。
-四-
1921年,馬赫的著作《物理光學(xué)原理》在他死后出版,馬赫本人在1913年左右寫了序言,就在愛因斯坦給他寄來一篇關(guān)于廣義相對論的早期論文后不久。
馬赫寫道:“我被迫收回我對相對論的看法,這可能是我最后的機(jī)會”;“從我收到的出版物中,特別是從我的信件中,我了解到我逐漸被視為相對論的先驅(qū)......我必須斷然否認(rèn)我是相對論的先驅(qū)......”。
馬赫很可能已經(jīng)看到了愛因斯坦后來承認(rèn)的事情——所謂的廣義相對論并沒有名副其實(shí)。廣義相對論是一項(xiàng)史無前例的智慧壯舉,但它并沒有像馬赫夢寐以求的那樣使一切都變得相對。在這個理論的最終版本中,加速度和引力之間的等價性似乎使所有運(yùn)動都是相對的,但結(jié)果只適用于無限小的空間區(qū)域。將局部區(qū)域拼湊成一個大宇宙會在邊緣產(chǎn)生不和諧,就像圓形地球上的平坦瓷磚一樣。這種錯位揭示了時空的彎曲——一種無法簡單地通過改變視角來改變的全局幾何形狀。每個地方——一個自我協(xié)調(diào)的、相對的世界——最終都是一個巨大的四維冰山一角,永遠(yuǎn)隱藏在視線之外,而不是相對的。
對于愛因斯坦來說,看著他的理論越來越大,卻與他背道而馳,證明他最初想要反駁的東西,一定是一種令人不安的感覺。問題在于,根據(jù)該理論,時空幾何并不完全由宇宙中物質(zhì)的分布決定,因此即使你去除了所有可見的東西,仍然有一些額外的組成部分——時空本身——是動態(tài)的和絕對的。它在物質(zhì)世界和精神世界之間制造了一條不可逾越的鴻溝,在其現(xiàn)實(shí)主義的立場上,它吸引了一絲純粹的信仰,甚至是神秘主義——一種對四維基礎(chǔ)的信仰,一幅描繪現(xiàn)實(shí)的圖畫,即使圖畫本身是看不見的。
在《廣義相對論》出版后的幾年里,愛因斯坦繼續(xù)推動馬赫的觀點(diǎn),完全否認(rèn)他的理論與它相矛盾的事實(shí)。他想方設(shè)法將他的理論塑造成馬赫哲學(xué)的形式——添加一個宇宙學(xué)常數(shù),使宇宙有限但無限——但它就是不合適。“維護(hù)馬赫原則的必要性并不是所有同事都同意的,但我覺得絕對有必要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),”他說。
所以,當(dāng)愛因斯坦第一次讀到馬赫的序言時,一定是痛苦的。1922年,在馬赫的序言出版后不久,愛因斯坦在巴黎的一次演講中發(fā)表了評論,從中我們可以感受到他的沮喪。阿爾伯特·愛因斯坦苦澀地說,馬赫是“一位杰出的哲學(xué)家”,但卻是一位“可悲的哲學(xué)家”。他將不再聲稱他的理論是馬赫的相對主義。到1931年,他完全放棄了馬赫的觀點(diǎn),寫道“外部世界獨(dú)立于感性主體的信念是所有自然科學(xué)的基礎(chǔ)”。當(dāng)被問及他如何相信超越感官體驗(yàn)的東西時,他回答說:“我無法證明我的想法是正確的,但這就是我的信念”。1954年,在他去世前一年,阿爾伯特·愛因斯坦說:“我們不應(yīng)該再談?wù)擇R赫原理了。馬赫從來不知道,
也不可能知道,他真正的追隨者從來不是愛因斯坦,而是貝索。
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貝索,那個被賦予千里眼的“侏儒”證人,確切地看到了愛因斯坦在離開馬赫后不久會把他引入歧途的東西:量子力學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)愛因斯坦因馬
赫拒絕相對論而陷入困境時,物理學(xué)界被量子理論震撼了,愛因斯坦發(fā)起了一場革命,但拒絕加入。當(dāng)量子力學(xué)與絕對時空(絕對現(xiàn)實(shí))和平相處時,量子力學(xué)使世界變得更加相對,該理論認(rèn)為測量的結(jié)果只能根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)來定義:電子可以相對于一個測量設(shè)備是波,而相對于另一個測量設(shè)備可能是粒子。用尼爾斯·玻爾(Nils Bohr)的話來說,該理論的目的是“盡可能密切地追蹤我們經(jīng)驗(yàn)的多個方面之間的關(guān)系”。關(guān)系!這就是全部,換句話說,量子理論繼承了愛因斯坦打斷的馬赫理論,玻爾和貝索都很快強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。
當(dāng)愛因斯坦抱怨他同事的工作時,他開玩笑說:“我在馬赫騎一匹可憐的馬累了”。貝索回答說:“即使馬赫的馬很小,我們也不應(yīng)該侮辱它;他不是在帶我們走過相對論的地獄之旅嗎?在令人討厭的量子中,它可能需要愛因斯坦的堂吉訶德!"
“我不反對馬赫的小馬,”愛因斯坦回答說,“但你知道我的想法嗎?它不能再生產(chǎn)任何有價值的東西。"
事實(shí)是,他對現(xiàn)實(shí)的信念,隱藏在現(xiàn)實(shí)之外,已經(jīng)休眠多年。當(dāng)他4、5歲還是個小男孩的時候,他的父親來到他的床邊,遞給他一個指南針,愛因斯坦接過指南針,發(fā)現(xiàn)自己嚇得渾身發(fā)抖。針被某種無形的力量拖著向北,這讓他覺得“背后一定隱藏著什么”。現(xiàn)在,他在廣義相對論的數(shù)學(xué)中再次瞥見了它。在馬赫的肯定下,他童年的敬畏又回來了。當(dāng)貝索試圖將他引向馬赫,走向量子時,愛因斯坦責(zé)備他忠實(shí)的隨從:“看來你沒有認(rèn)真對待現(xiàn)實(shí)的四維性”。
愛因斯坦被重新塑造成一個年輕的反偶像主義者,他接受了馬赫的思想并堅(jiān)持自己的思想,決心創(chuàng)造一個純粹的相對論,盡管他有天生的現(xiàn)實(shí)主義傾向,而貝索正在推動這一點(diǎn)?隨從操縱了他的主人嗎?在短篇小說《桑丘·潘扎的真相》中,弗朗茨·卡夫卡認(rèn)為,這種反轉(zhuǎn)實(shí)際上是塞萬提斯故事的關(guān)鍵。卡夫卡寫道,《堂吉訶德》是由桑丘·潘薩本人創(chuàng)造的,他是一個為了實(shí)現(xiàn)潘扎本人無法面對的內(nèi)心愿景而創(chuàng)造的另一個自我。在給愛因斯坦的一封信中,貝索寫道:“我欠你一個科學(xué)的總結(jié),如果沒有我們的友誼,我永遠(yuǎn)不會得到這個總結(jié)。至少,如果不用盡我的個人力量,我就不會得到它“,貝索表達(dá)了她的感激之情。不幸的是,這個科學(xué)總結(jié)是不完整的——貝索引導(dǎo)愛因斯坦倒水,但沒能讓他喝水。
貝索從未放棄引誘愛因斯坦回到馬赫相對論。但堂吉訶德已經(jīng)永遠(yuǎn)放棄了他的騎士身份,留下桑丘獨(dú)自抵御風(fēng)車。在新澤西州普林斯頓,愛因斯坦坐在一張凌亂的辦公桌前,與現(xiàn)實(shí)作斗爭,而物理學(xué)在沒有他的情況下繼續(xù)前進(jìn)。在瑞士日內(nèi)瓦的大學(xué)數(shù)學(xué)圖書館里,貝索的胡子隨著時間的流逝而變得灰白,他弓著腰坐在他的一摞書上,一個人安靜地工作......