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三 瑞士


★ 相對論的搖籃

  希望在哪里?光明在哪里?
  格羅斯曼,又是那個格羅所曼,向愛因斯坦投來了希望之光。
  愛因斯坦在《自述片斷》中沒有忘記這件事:
  “馬耳塞羅·格羅斯曼作為我的朋友給我最大的幫助是這樣一件事:在我畢業后大約1年左右,他通過他的父親把我介紹給瑞士專利局(當時還叫做‘精神財產局’)局長弗里德里希·哈勒。經過一次詳盡的口試之后,哈勒先生把我安置在那儿了。這樣,在我的最富于創造性的活動的1902—1909這几年中,我就不用為生活而操心了。即使完全不提這一點,明确規定技術專利權的工作,對我來說也是一种真正的幸福。它迫使你從事多方面的思考,它對物理的思索也有重大的激勵作用。總之,對于我這樣的人,一种實際工作的職業就是一种絕大的幸福。因為學院生活會把一個年輕人置于這樣一种被動的地位:不得不去寫大量科學論文——結果是趨于淺薄,這只有那些具有堅強意志的人才能頂得住。然而大多數實際工作卻完全不是這樣,一個具有普通才能的人就能夠完成人們所期待于他的工作。作為一個平民,他的日常的生活并不靠特殊的智慧。如果他對科學深感興趣,他就可以在他的本職工作之外埋頭研究他所愛好的問題。他不必擔心他的努力會毫無成果。我感謝馬耳塞羅·格羅斯曼給我找到這么幸運的職位。”
  當時,格羅斯曼自己剛當上助教,當然沒有能力替他在大學里謀一席教職。但是,他把愛因斯坦的窘迫處境告訴了父親。老格羅斯曼請自己的好朋友,伯爾尼聯邦專利局局長哈勒幫忙。哈勒是在開山筑路的年代里苦干出來的工程師,他胸襟開闊,辦事果斷,說到做到。他一口答應幫這個忙。1901年12月11日,報上登出了伯爾尼專利局的“征聘啟事”:
  “征聘二級工程師。應征者需受過高等教育,精通机械工程或物理學……”
  愛因斯坦馬上赶到伯爾尼專利局,呈上了申請書。他來到局長辦公室,面對著坐在辦公桌后面的局長那一雙鋒利的眼睛,心在怦怦直跳。他知道,必須通過這場考核。父母親希望他生活安定下來;米列娃期待他找到個固定職業;他自己,受夠了學術界的冷淡,也把專利局的職位看作幸福的所在。
  局長叫他坐下,拿出几份專利申請書,要他當場提出意見。愛因斯坦缺少工程知識,不懂技術細節,這一點逃不過局長的眼睛。可是,愛因斯坦對新事物的敏銳反應和判斷真偽、對錯的能力,也引起了哈勒先生的注意。局長收起專利申請書,和愛因斯坦談起了物理學,從牛頓談到麥克斯韋。哈勒理論修養不高,但是多年的專利局工作,使他獲得了一种無与倫比的鑒別优劣的能力。他看出,這個說話溫和的年輕人,确實像老格羅斯曼介紹的那樣,是有天才的,他決定錄用愛因斯坦。
  愛因斯坦搬到了伯爾尼,未來物理學大師終于走到了輝煌的起點。
  在一幢破舊的小房子里,愛因斯坦住了下來。哈勒先生已經通知他,專利局一有空缺,他就可以正式上班,在待職期間,他可以當家庭教師,以此糊口。首都有的是學生,愛因斯坦呢,他有的是物理學。于是,伯爾尼的報上出現了一則小小的廣告:
  “阿爾伯特·愛因斯坦,聯邦工業大學畢業。講授物理課,每小時3法郎,愿者請洽。”
  廣告吸引的學生寥寥無几,但此時的愛因斯坦已是一副坦然成熟的心態。一個曾受業于他的學生描述當時的愛因斯坦:
  “身高約5英尺10英寸,肩膀寬闊,腰稍微有點前曲,棕色的皮膚顯得蒼白,長著一張引起美感的嘴,上唇留著黑胡,鼻子稍帶鷹鉤,棕色的眼睛十分明亮,語音歡快、法語發音准确、但略帶德語口音。”
  1902年3月底,一個應廣告而來的學生結識了愛因斯坦,他就是莫里斯·索洛文。索洛文是羅馬尼亞人,他來到蘇黎世上大學,同時希望加深自己的物理學知識。初次談話導致后來不斷見面以及隨之而來的終身友誼。
  索洛文在大學學習哲學、文學、希腊文、數學、物理學、地質學,還在醫學系听課。作為闡明自然界一般觀點的手段的理論物理學引起了他的興趣。當索洛文按廣告找來時,雖然愛因斯坦是在半明半暗的樓道里迎接他,可愛因斯坦那雙大眼睛射出的不尋常光輝使他感到惊訝。第一次談話就确立了他們觀點和興趣的一致。會晤接連不斷,他們以長時間的討論代替了上課。
  這樣,私人授課變成了聚會、讀書、討論、探索和研究。几個星期后,哈比希特也來參加他們的討論,他來到伯爾尼是為了完成自己的大學學業。
  通常他們都在工余和課后見面,在一起散步或在誰的寓所聚會,座談和一起大量閱讀。他們研究過斯賓諾莎和休謨的一些哲學著作,馬赫、阿芬那留斯、畢爾生的新著,安培的作品《科學的哲學經驗》,亥姆霍茨的文章,黎曼的著名演講《論作為几何學基礎的假設》,戴德金和克利福德的數學論文,彭加勒的《科學的假設》以及許多別的東西。
  他們還一起讀過索福克勒斯的《安提戈涅》、拉辛的《昂朵馬格》、狄更斯的《圣誕節的故事》、塞万提斯的《堂·吉訶德》和世界文學的其他代表作品。他們經常就某一頁、某一句話引起爭論,爭論持續到深夜并一連几天。在米列娃搬來之前的日子里,朋友們是在一起吃飯的,午餐通常是灌腸、干酪、水果和加蜂蜜的茶。授課收入差,課又少,愛因斯坦常開玩笑說,也許沿街串巷演奏小提琴更好些。但至少他們感覺自己是幸福的。在談及這几年的時候,索洛文曾引用伊壁鳩魯的名言:
  “歡樂的貧困是最美好的事”。
  精神的歡悅与物質貧困間的反比越大,人的身上就會產生奇跡了。
  團結、友愛、共同的興趣、思想,使三人間心心相印,他們干脆為三人世界起了個名字:奧林比亞科學院。
  愛因斯坦晚年曾回憶起這段時間。1953年4月3日,在給哈比希特和索洛文的信中,愛因斯坦說:
  “敬致不朽的奧林比亞科學院:
  在你的生气勃勃的短暫生涯中,你曾以孩子般的喜悅,在一切明朗而有理性的東西中尋找樂趣。你的成員把你創立起來,目的是要同你的那些傲慢的老大姐開玩笑。他們這么做是多么正确,我通過多年的細心觀察,懂得了對此作出充分的評价。
  我們三個成員至少都表現得是堅忍不拔的。雖然他們都已經有點老態龍鐘,可是你所閃耀的明亮耀眼的光輝依然照耀著我們孤寂的人生道路;因為你并沒有同他們一起衰老,而卻像蓬勃生長的萵苣那樣盛發繁茂。
  我永遠忠誠于你,熱愛你,直到學術生命的最后一刻!現在僅僅是通訊院士的A.E.
  普林斯頓3.Ⅳ.53.”
  愛因斯坦寫此信的原由是,1953年哈比希特到巴黎訪問了索洛文,他們回憶了半個世紀以前那些崢嶸歲月,于3月12日一起寫了一張明信片給愛因斯坦:
  “敬致我們科學院的無比敬愛的院長:
  我們這個舉世聞名的科學院今天開了一個憂傷而肅穆的會議,雖然你缺席了,還是給你保留著席位。這個保留席位,我們始終使它保持溫暖,等著,等著,一再等著你的來臨。
  哈比希特
  我,這個光榮的科學院的往昔成員,當看到該由你坐的那個空席位時,也忍不住老淚縱橫。留給我的,只有向你表達我的最微末、最誠摯的衷心祝愿。
  M·索洛文”
  奧林比亞科學院,相對論的搖籃!
  三人世界形成后不久,奧林比亞科學院又增加了新的成員,一個是愛因斯坦的同事,意大利人、工程師米蓋朗琪羅溫德勒的丈夫,還有一個是愛因斯坦的妹妹瑪雅的丈夫泡利·溫德勒,他也是愛因斯坦在阿勞讀書時的朋友。貝索于1904年由愛因斯坦介紹進入伯爾尼專利局。他們一起工作,一起下班。貝索在哲學、社會學、醫學、技術、數學和物理學方面的淵博知識,使愛因斯坦有了与之共同探討各种新思想的至朋好友。愛因斯坦后來曾說過,貝索是他在全歐洲都找不到的“新思想更好的共振器了”。看來,貝索具有接受新思想和給它增加某些非常重要的欠缺的線條的惊人能力。
  貝索本人曾說起過關于他同愛因斯坦的談話:“這只鷹用自己的雙翼把我——麻雀——夾帶到遼闊的高空。而在那里,小麻雀又向上飛了一些。”
  這是針對第一次口頭解釋相對論思想而說的。听完愛因斯坦的解釋之后,貝索感到,而且是強烈地感覺到,科學史上一個新的時代開始了。貝索与愛因斯坦圍繞這個新思想展開了持續的討論,所以愛因斯坦在《論動体的電動力學》這篇著名論文中以這樣一句話結尾:
  “最后,我要聲明,在研究這里所討論的問題時,我曾得到我的朋友和同事貝索的熱誠幫助,要感謝他一些有价值的建議。”
  伯爾尼時期的生活緊張而有趣。
  索洛文回憶說,朋友們談夠和抽夠煙之后就恭听愛因斯坦演奏小提琴,而有時去散步,在途中繼續討論。他們還在午夜后攀登過位于伯爾尼南面的古爾騰山。夜空的星辰把他們的思想吸引到天文學問題上,于是談話又以新的活力重新開始了。他們在這里呆到天明并觀看日出。他們看見太陽如何從地平面冉冉升起,黑壓壓的隱約可見的阿爾卑斯山的輪廓染上一層迷人的緋紅色彩,巨大的山國以深沉的宁靜感召著一群新時代的精英的靈魂。
  清晨來臨了。
  几個年輕人走進小飯館,喝過咖啡,大約9點鐘以前才下山,他們疲憊而幸福。有時他們徒步到20公里外的圖恩城去。步行從早上6時持續到中午,他們重又置身于阿爾卑斯山脈之中。朋友們談起地球的歷史,山脈的形成,地質學問題。他們在城里用過午飯,然后在湖畔坐下并呆上一整個下午,傍晚才乘坐火車回伯爾尼。
  此時的愛因斯坦,整個身心都沉浸在深深的思考中。
  索洛文回憶道,此時的愛因斯坦,說話緩慢、單調,時而緘默沉思。人整個儿沉浸在思維過程中,周圍的一切都視而不見。索洛文回憶的一些軼聞趣事,很可說明這一點。
  在愛因斯坦生日的那一天,索洛文和哈比希特打算去他家吃晚飯,所以帶去了他從未品嘗過的魚子醬,這也是愛因斯坦早就想品嘗的東西。吃飯之前,大家一直談著慣性原理的話題。朋友們入席后,愛因斯坦仍滔滔不絕地講著慣性問題。他把魚子醬送到口里,仍在繼續評論:
  “牛頓說,物体的慣性是對絕對空間講的。馬赫說,物体的慣性是對遙遠的星系講的。到底誰對呢?”
  魚子醬吃完了,演講的人停下來,用手在桌上划了一個大問號。
  朋友們問他:
  “請問愛因斯坦先生,你知道你剛才吃的是什么嗎?”
  “不知道,是什么東西?”愛因斯坦反問道。
  “是魚—子—醬”,朋友們齊聲告訴愛因斯坦。
  “怎么?哎喲,是魚子醬呀!”愛因斯坦惋惜地叫了起來。
  沉默片刻后,他又說:
  “不必請我這樣的傢伙嘗什么山珍海味,他反正也不知道它的价值。”
  朋友們大笑起來。
  在伯爾尼,常有一些大音樂家來巡回演出,朋友們常出席他們的音樂會。有一次,捷克交響樂隊要來伯爾尼舉行音樂會。音樂會前夕,索洛文提議大家去听音樂會,但恰好這些天他們正在津津有味地閱讀休謨的書。遵照愛因斯坦的建議,他們決定放棄音樂會,代之以到索洛文那儿繼續讀書。可是第二天,索洛文弄到一張票,他預備好他的伙伴們愛吃的煮雞蛋作晚飯,并留下一張便條:
  “親愛的朋友們——請吃雞蛋,并致敬意与歉意!”
  按時來到索洛文家的愛因斯坦和哈比希特讀了便條后,用完晚飯,在房間里抽夠煙才走,走時也留下一張便條:
  “親愛的朋友——請嘗濃煙,并致敬意与歉意!”
  第二天見面時,愛因斯坦緊皺雙眉,气憤地責罵:
  “坏蛋!你竟敢為了什么音樂會就忽視了科學院會議!外國佬,蠢貨!再有這种狂妄行為,你就要被開除了!”
  然后,他們又一起坐下來研讀休謨,直到午夜之后才分手。
  愛因斯坦是在1902年6月16日正式得到伯爾尼專利局的正式任命的,聘他為三級專家,實際上就是技術審查員,年薪3500法郎。
  愛因斯坦應聘二級工程師,結果降為三級,名稱也改了。但是這些對于愛因斯坦都無關緊要。他終于有了固定的職業,不必再為生活操心。他可以在工作之余,專心致志地研究他心愛的物理學了,夠了,他滿意了。
  愛因斯坦每天上午步行到專利局,走上四樓,坐在他那間狹長的辦公室里,工作8個小時。當時,專利局里使用的是一种長腿坐椅,那些審查專利的工程師和專家們養成了一個習慣:把坐椅往后一仰,雙腿翹到桌上,悠閒地審查圖紙。愛因斯坦不習慣這樣,他宁可緊張、聚精會神地伏案工作。有一天,他從家里帶來一把鋸子,一聲不響地把椅腿鋸掉了一截。他又可按自己的習慣,整個身子都埋在桌子上的圖紙中。
  愛因斯坦很快就贏得了大家的喜愛。一個同事問他:“怎樣才能做一個好公務員?”
  愛因斯坦微笑著看了這位同事一眼,慢吞吞地說,這有一個公式:
  A=X+Y+Z,
  在這個公式中,A是成功,X是干活,Y是游戲,Z是沉默。
  有一次,一位喜歡和人吵架的同事在和人吵架后,來找愛因斯坦評理。愛因斯坦听他說話的火藥味儿還濃得很,大有一触即發之勢,便笑呵呵地拿起心愛的小提琴,說:
  “來,來,我們還是來拉拉韓德爾吧!”
  這位同事忍不住笑了。因為作為德國古典作曲家的韓德爾的名字,在德語中也有“吵架”的意思。
  我們這位喜歡幽默、說話詼諧的三級專家,坐在四樓86號辦公室里,審查一份份專利申請。他必須像局長所嚴格要求的那樣,提出一針見血的意見,并且寫出精确的鑒定書。當時正是人類發明欲望极為強烈的時代,專業和業余發明家,工人農民和大學生,大家都在開動腦筋搞發明,都想取得專利權。呈報上來的新發明,大部分是一些細微末節的小東西,還有不少是永動机之類的無聊玩意儿。
  愛因斯坦帶著怀疑的眼光審視這些五花八門的新發明。敏銳的直覺,使他很快就從复雜的圖紙中抓到了本質的東西。錯誤的、荒唐的、异想天開的,往邊上一扔;有价值和新穎有趣的新發明、新創造,分別寫出鑒定書,歸檔。一天的工作,往往不到半天就做完了。
  這時,他就可以拿出小紙片來,做自己的物理學研究了。原來,這就是他那個成功公式中的游戲Y呢!一行行數字,一個個公式,很快就寫滿了一張;一張張紙片,很快變成了一疊。他眼睛盯在紙上,耳朵听著門外,一有腳步聲,就赶緊把紙片藏到抽屜里去。因為局長規定,上班時間不准做私事。他“偷”上班的時間做私事。不,他是在發現自然的規律,這應該算是人類最大的公事。
  8小時之后,愛因斯坦回到家里,又繼續他那發現自然規律的工作,至于到什么時候結束,那誰也不知道了。上班是有鐘點的,下班以后,時鐘上的那兩根指針對于愛因斯坦來說,其實已沒有任何作用。
  有了固定職業后,愛因斯坦在克拉姆胡同49號租了一套便宜的住房,他可以考慮成家了。在定居伯爾尼之前,愛因斯坦就有了和米列娃結婚的打算。但愛因斯坦的雙親极力反對這門婚事。1902年,愛因斯坦為此事還与母親之間產生了暫時的不和,他的母親不論當時還是后來,一直都不喜歡米列娃。1902年,愛因斯坦的父親患心髒病,愛因斯坦回到米蘭父親身邊。父親終于在臨終之前同意了儿子的婚事。1902年10月10日,赫爾曼·愛因斯坦逝世,葬于米蘭。1903年1月6日,愛因斯坦和米列娃結了婚。婚禮十分簡單,證婚人是索洛文和哈比希特。喜慶筵席結束之后,愛因斯坦帶著新娘回克拉姆胡同,走到房門口,糟糕,又忘了帶鑰匙!新娘只好站在新房門口,等新郎去找鑰匙。米列娃知道,忘記帶鑰匙是愛因斯坦的老毛病了。在蘇黎世上大學的時候,愛因斯坦的鄰居就常听見他半夜三更站在大門口,壓低了嗓音向著門縫里叫:“房東太太!我是——愛因斯坦!對不起,我又忘記帶鑰匙了!”
  1年多后,米列娃生下一個儿子,起名叫漢斯·阿爾伯特。儿子的出生,給愛因斯坦帶來快樂,也帶來了沉重的負擔。他本來已經拉著專利局和物理學研究這兩部沉重的車,現在又套上了家庭這部車。
  一匹馬同時拉著三部車!
  這是奇跡,是人的智慧、精力和耐性极度發揮的奇跡。
  這個年輕的父親,左手抱著儿子,右手做著計算。孩子的啼哭和他自己哄孩子的聲音:“嗯,嗯,小漢斯,小漢斯!”仿佛是另一個世界里的聲音。他有一种奇妙的自我孤立的本領。現在,他的世界里只有自己一個人,那里的聲音是分子、原子、光量子!空間、時間、以太!
  這個專利局的小公務員,推著一部嬰儿車,在伯爾尼的馬路上散步。他邁著庄重的步子,每走十几步就站住,從上衣口袋里拿出紙片和鉛筆,寫下几行數字和公式,低頭看一眼恬睡的儿子,抬頭看一下鐘樓上的那座大鐘,又向前走去。時間到了,已經盡了做父親的職責。他赶緊回到克拉姆胡同,把儿子交給米列娃,自己鑽到一角去做他未完成的計算。
  這個年輕人,頭腦里激蕩著實驗、假設、公式和定律,眼中閃耀著奇异的光彩,手在飛快地書寫,那一個個奇妙的數學符號,將构造出一個新的世界。他是藝術家,他在窺視自然的奧秘,陶醉在自然的庄嚴、和諧和美麗之中;他是戰士,他在向茫茫的未知世界進軍;他是勞動者,他寫過的一張張草稿紙,可以堆成一座山。
  這個年輕人,哪里像物理學家呢?他沒有受過名師的教誨,也沒有在大學里占有一個席位,他連研究物理學所必須具備的最起碼的圖書資料都沒有。可是,這個年輕人有勇气,有決心,他要解決物理學中最困難的“以太之謎”。這個難解的謎,困惑了多少物理學家!現在,這個年方26歲的小公務員已經披挂上陣,他要來解這個謎了。
  愛因斯坦在心頭醞釀這個問題,已有10年之久。多少次,眼前似乎閃現出亮光,再轉個彎,該就是光明的境地了。可是,忽然又墜入黑暗之中。又有多少次,他似乎已經走近成功的大門,鑰匙又拿在手上了。可一個不眠之夜后,他又會悄悄走到貝索那里,輕聲告訴他,手上的鑰匙開不了那扇大門。
  再說,大門里面究竟又是什么東西呢?
  今天,愛因斯坦手里又握著一把鑰匙。他相信,用這把鑰匙,總能解開那個以太之謎了。可是,在下班的路上,他拖著疲乏而又絕望的腳步,對貝索說:
  “不行,不行!一切都是錯誤的,徒勞無用的!”
  夜深了,愛因斯坦躺在床上,他哪里睡得著!那個謎還在折磨他。沒有一絲希望,沒有一線光明。但是突然,在籠罩著一切的漆黑的天幕背后,似乎有什么東西在搏動。出現了一線亮光,黑暗裂開了。一下子,那淡青色的、杏黃色的、血紅色的、絳紫色的千万道光芒,全部沖了出來。太陽升起來了,他心里的太陽升起來了,愛因斯坦立即翻身起床。他看了一眼正在酣睡的米列娃和小漢斯,悄悄走到外面的屋子,點上煤油燈,開始寫……
  愛因斯坦終于找到了解開以太之謎的金鑰匙。
  像山里的溪水,被巨石攔住去路,流水積聚起來,一旦溢出,即為飛瀑,奔騰跳躍,一瀉千里。現在,愛因斯坦的筆在飛馳,像發狂一樣……
  5個星期以后,愛因斯坦寫成了《論動体的電動力學》。
  以前他還寫了三篇論文,連同剛寫成的這一篇,一共有四篇了。在這四篇論文中,他挑了份量最輕的那篇寄到蘇黎世的聯邦工業大學。這次,大門向他敞開了,他成了愛因斯坦博士。但是,當不當博士無關緊要,在伯爾尼的專利局、郵政局里,博士多的是。重要的是另外三篇論文,他把它們寄到萊比錫去了。
  這一切,都發生在1905年。
  可也就在1905年,哈比希特和索洛文先后离開伯爾尼。
  富于創造性的奧林比亞科學院結束了輝煌的日子。1906年5月,在給索洛文的信中,愛因斯坦不無傷感地說:
  “你去后,我再沒同什么人交往。甚至同貝索在回家途中慣常的談話也中止了。”
  1905年3月,愛因斯坦邀請哈比希特重返伯爾尼。
  “敬請閣下蒞臨我們無尚光榮的科學院召開的几次會議,這樣就可使它的成員增加百分之五十。”
  此后不久,愛因斯坦又給哈比希特寫了如下一封信:
  “親愛的哈比希特!我們之間現在籠罩著一种神圣的沉默,如果我用無足輕重的廢話來打破它,似乎是一种褻瀆。然而,在這個世界上一切高尚的東西難道不總是遭到這种命運嗎?您究竟在忙些什么,您,冰凍的鯨魚,干癟的罐頭式的靈魂片,而……我還能把充滿百分之七十的忿怒和百分之三十的怜憫都扔向您的腦袋嗎?您可以感謝這后面的百分之三十,由于它我才沒有把裝著切好的大蔥和大蒜的鐵罐寄給悄悄溜去過复活節的您。您為什么直到現在還沒有把您的學位論文寄給我呢?難道您這可怜的人不了解,我將是高高興興地和津津有味地閱讀它的几個男子漢中的一個嗎?我答應回敬給您四篇作品,其中第一篇很快就寄去,因為我在等作者應得的贈閱本。它講的是光的輻射和能量,是很革命的。只要您先把自己的作品寄給我,您自己就會看到它。第二篇的內容是通過研究中性物質稀溶液中的擴散和內摩擦來測定原子的實際大小。第三篇證明:根据熱的分子理論,懸浮在液体中大小為1/1000毫米的物体進行著分子熱運動引起的可以覺察到的不規則運動。懸浮物体的這种運動,确實已被生理學家觀測到了,他們稱它為‘布朗分子運動’。第四篇作品是從動体的電動力學概念出發并將修改空間和時間的學說;這篇東西的純動力學部分准會引起您的興趣……您的阿爾伯特·愛因斯坦向您致敬!我的妻子和已滿周歲好尖聲哭叫的小傢伙向您致以友好的問候!”

★ 小公務員的大發現

  在伯爾尼的歲月里,愛因斯坦在科學上取得丰碩的成果,第一批研究結果的問世,就像閃電划破了時代的夜空一般。1905年,對于26歲的愛因斯坦來說,是碩果累累的一年,對物理學史來說,則是革命的一年:相對論誕生出來了!
  在這一年,來比錫出版的《物理學紀事》雜志上發表了三篇論文,作者是同一個人——阿爾伯特·愛因斯坦。一篇是討論布朗運動的,用最有力的證据證明了分子的存在,它的作者在物理學史上占有光榮的一頁。一篇是發展普朗克的量子論,提出了光量子假設,它的作者將因此獲得科學界的最高獎賞——諾貝爾獎金。第三篇就是《論動体的電動力學》。這是相對論的第一篇論文。它開創了物理學的新紀元,它的作者的名字是和牛頓并列的。
  一個26歲的青年,伯爾尼專利局里默默無聞的小職員,利用業余時間進行科學研究,在物理學三個未知領域里,齊頭并進,同時取得巨大成果,這在科學史上,不能不說是一個奇跡。也許只有1665—1666年可以和1905年相媲美。當時瘟疫席卷英國,劍橋大學被迫關閉,23歲的牛頓回到故鄉烏爾索普村。他在鄉居期間,發明了微積分,發現了白光的組成,并且開始研究引力問題。
  天才,一個真正的天才!人們也只好這樣解釋。
  愛因斯坦當然不這么看。
  他對為他寫傳記的作家塞利希說:“我沒有什么特別的才能,不過喜歡尋根刨底地追究問題罷了。”
  他也對一位物理學界的同行說過:“空間時間是什么,別人在很小的時候就已經搞清楚了;我智力發育遲,長大了還沒有搞清楚,于是一直在揣摩這個問題,結果也就比別人鑽研得深一些。”
  但不管怎么說,愛因斯坦是物理學史上當之無愧的革命者。牛頓繼承哥白尼、伽俐略和開普勒,完成了物理學的第一次革命,創立了牛頓力學。法拉第、麥克斯韋完成了物理學的第二次革命,創立了電磁場理論。以愛因斯坦為代表的新一代物理學家,則進行了物理學的第三次革命,創立了相對論和量子力學。
  從時間順序看,愛因斯坦在1905年的創造性研究中,最早的研究工作是分子物理學。
  愛因斯坦關于熱運動的主要研究內容,是用統計方法分析原子、分子運動問題以及研究運動和熱之間的關系問題。在這方面,愛因斯坦的工作超過了奧地利天才的物理學家玻爾茲曼和美國科學家吉布斯的研究成果,他在物理學方面的探索深度胜過數學的論證。同時,在玻爾茲曼的思想引導下,他把概率作為熱學的數學演算基礎。
  所有這些問題,都是愛因斯坦單獨研究出來的,以致有人曾對玻恩說過,“統計力學的所有具有重要特點的新發現”全是愛因斯坦搞出來的。這位年輕的研究家研究分子物理學的明确意圖是想借助于可靠的結果,為他篤信的原子論的正确性提供論据,因為當時原子論還處在爭論之中。
  許多人否定分子和原子的存在。他們說:
  “存在原子嗎?存在分子嗎?多大?什么樣子的?”
  愛因斯坦相信世界是物質的。他相信原子和由原子組成的分子是存在的。但是,怎樣才能用最有力的證据證明原子和分子存在呢?他開始研究分子運動論。在那些失業的日子里,他已經開始研究分子運動論。現在,坐在專利局的辦公室里,他要來研究布朗運動了。1827年,英國植物學家布朗在顯微鏡下觀察,發現在液滴中浸泡的花粉粒子不停地在作不規則運動。后來,以發現者的名字把這种粒子的亂動稱之為布朗運動。粒子越小,液体溫度越高,運動就越激烈。
  几十年來,無數學者為解釋這种現象的奧秘,作了种种徒勞的努力。早在愛因斯坦前20年,法國物理學家曾經猜測,布朗運動是由于懸浮粒子受到顯微鏡下觀察不到的液体分子的不規則碰撞所造成。這种富于想象的解釋,在當時不僅缺少數學基礎,而且沒有任何的實驗證明。
  在《分子熱運動論所要求的平靜液体中懸浮粒子的運動》一文中,愛因斯坦以統計方法論證了懸浮粒子的運動速度及其顆粒大小与液体的粘滯系數之間存在著可用實驗檢驗的數量關系。
  愛因斯坦對于以前布朗運動方面的工作并不了解,他把顯微鏡下可見粒子的運動看作是顯微鏡下看不到的液体分子運動的表征。他用統計方法,解釋了在他之前波蘭物理學家斯莫魯科夫斯基論證過的這种現象,并且作出數學表述。1908年,法國物理學家佩蘭通過實驗完全證實了“布朗運動的愛因斯坦定律”。由于這項工作,佩蘭榮獲了1926年諾貝爾獎金。
  愛因斯坦關于分子物理學的研究證明了下述觀點是正确的,即熱是能量的一种形式,它是由不規則的分子運動所引起。同時,還使原子論得到了充實,即從物理意義上說來,“物質”是由分子和原子构成。
  根据愛因斯坦提出的測定分子体積方法,加上關于布朗運動的公式,能夠數出分子的數目。過去,物理學一直依賴奧地利物理學家格施米德發明的近似方法,而現在可以根据愛因斯坦的理論,用精确的數學方法進行計算了。
  愛因斯坦對于熱運動的研究,除了對專業學科十分重要,還在認識論上具有重大意義。它說明,某些自然科學家否定和怀疑原子論是沒有道理的,愛因斯坦對分子觀念的證明是令人信服的,以至連馬赫和另一位原子論的堅決反對者奧斯瓦爾德也聲稱“改信原子學說”了。關于這一點,愛因斯坦在《自述》中說得很清楚:
  “在那些年代里,我自己的興趣主要不在于普朗克的成就所得出的個別結果,盡管這些結果可能非常重要。我的主要問題是:從那個輻射公式中,關于輻射的結构,以及更一般地說,關于物理學的電磁基礎,能夠得出什么樣的普遍結論呢?在我深入討論這個問題之前,我必須簡要地提到關于布朗運動及有關課題(起伏現象)的一些研究,這些研究主要是以古典的分子力學為根据的。在不知道玻爾茲曼和吉布斯的已經發表而且事實上已經把問題徹底解決了的早期研究工作的情況下,我發展了統計力學,以及以此為基礎的熱力學的分子運動論。在這里,我的主要目的是要找到一些事實,盡可能地确證那些有确定的有限大小的原子的存在。這時我發現,按照原子論,一定會有一种可以觀察到的懸浮微粒的運動,而我并不知道,關于這种‘布朗運動’的觀察實際上早已是人所共知的了。最簡單的推論是以如下的考慮為根据的。如果分子運動論原則上是正确的,那么那些可以看得見的粒子的懸浮液就一定也像分子溶液一樣,具有一种能滿足气体定律的滲透壓。這种滲透壓同分子的實際數量有關,亦即同一克當量中的分子個數有關。如果懸浮液的密度并不均勻,那么這种滲透壓也會因此而在空間各處有所不同,從而引起一种趨向均勻的擴散運動,這种擴散運動可以從已知的粒子遷移率計算出來。但另一方面,這种擴散過程也可以看作是懸浮粒子因熱騷動而引起的、原來不知其大小的無規則位移的結果。通過把這兩种考慮所得出的擴散通量的數值等同起來,就可以定量地得到這种位移的統計定律,也就是布朗運動定律。這些考察同經驗的一致,以及普朗克根据輻射定律(對于高溫)對分子的真實大小的測定,使當時許多怀疑論者(奧斯瓦爾德、馬赫)相信了原子的實在性。這些學者之所以厭惡原子論,無疑可以溯源于他們的實證論的哲學觀點。這是一個有趣的例子,它表明即使是有勇敢精神和敏銳本能的學者,也可以因為哲學上的偏見而妨礙他們對事實作出正确解釋。這种偏見——至今還沒有滅絕——就在于相信毋須自由的概念构造,事實本身就能夠而且應該為我們提供科學知識。這种誤解之所以可能,只是因為人們不容易認識到,經過驗證和長期使用而顯得似乎同經驗材料直接相聯系的那些概念,共實都是自由選擇出來的。”
  愛因斯坦對于布朗運動的理論研究,成功地繼承了過去分子物理學的工作,并使它獲得完滿結果。他在光學理論方面的研究工作是同已經取得的發現分不開的。不過,這一研究工作,一開始就具有革命性:它意味著科學發展史上的一次“飛躍”。
  1905年,愛因斯坦的第一篇著作《有關光的產生和轉化的一個試探性觀點》問世了。在以后的几年中,他還發表了几篇有關量子物理學的論文。
  在光的新理論中,愛因斯坦以普朗克1900年提出的假設為基礎,認為在熱輻射過程中能量的放出和吸收都是以不連續方式進行;能量的最小數值叫量子,它的數值取決于基本作用量h——“普朗克常數”。每次放出和吸收的輻射能都是這個數值的整數倍。
  普朗克的這一發現与當時普遍認為正确的光的波動理論是不相容的。光的波動學說認為光是以波動狀態連續傳播的。19世紀初,這一學說戰胜了牛頓的微粒說。后來,麥克斯韋和赫茲還在實驗和理論上證實了這個學說。
  普朗克希望通過分析熱輻射,能夠解開熱學和電磁學之間聯系的奧秘。他想通過自己的研究,將物理學中這兩個領域彼此不相矛盾地統一起來。突然,他當時面臨一個事實,發現某些輻射過程具有不連續量子的特性,這一點無法納入經典物理學世界觀中去。由于在學術上,普朗克的基本態度是保守的,因此普朗克堅持不懈地企圖尋求某种方法和途徑把他獲得的認識与經典假設調和起來。不過,事實證明是行不通的。
  愛因斯坦在思想方法上沒有任何保守性,他很少顧及權威和因襲的教條,因而進一步發展了普朗克的思想,邁出了勇敢的第一步。他認識到,正确運用普朗克假設之后,光的學說便煥然一新:雖然光是在空間連續傳播的一种波動現象,但光僅能集中于特定地點,產生物理作用。因此,光具有不連續的顆粒特性,它可以是一束光量子,即“光子”。
  愛因斯坦用下面的比喻解釋過光子假說和普朗克理論的相互關系:
  “如果啤酒總是裝在可容一品脫的瓶子里出售,由此完全得不出啤酒是由等于一品脫的不可分割的部分所組成的結論。”
  為了檢驗小桶里的啤酒是否由不可再分割的部分所組成,我們可以把小桶里的啤酒分別倒進一定數量的容器中,比方說十個容器中。我們用完全任意的方式將啤酒分份,听任偶然去确定每一個容器中倒進多少。我們測量一下在每一個容器中啤酒有多少,然后再把啤酒倒回小桶里。我們多次重复這种操作。如果啤酒不是由不可分割的部分所組成的,那么在每個容器中啤酒的平均分量和所有這些容器的平均分量將是同樣的。如果啤酒是由不可分割的部分組成的,那么在各容器之間就會出現不同的啤酒的平均分量。設想一种极端的情況,小桶里只能容納一份不可分割的啤酒。這時,整個一份啤酒每一次只能倒進一個容器,在這些容器里面所裝的東西之間的區別就十分巨大了:一個容器中裝了小桶里所有的啤酒,剩下的容器將空無一物。如果小桶是由兩份、三份……這种不可再分割的份額組成的,那么偏离平均分量將越來越小。因此,按照偏离平均分量的大小,即按照起伏的大小,可以判斷啤酒的不可分割的份額的大小。
  我們轉回來研究電磁波。讓電磁波占滿一個被限定的“桶”壁——由許多單個胞格所組成的某個空間容積。是否可以把這些波的能量分為隨便多大數量的部分,或許我們將碰到不可進一步分割的“份額”?并且,如果輻射的電磁場是間斷的,那么它的最小“份額”的大小又是怎樣的呢?
  測量一下胞格中能量的分量對于平均分量的偏离——這個分量在由一個胞格轉到另一個胞格時的變化,就可以解答這些問題。如果最小“份額”大,那么這种變化就大;如果“份額”小,那么變化也小。
  愛因斯坦的光量子學說,以最簡煉的方式闡明了“光電效應”,這种效應的基礎是光与電子之間進行能量交換。這樣便解釋了光束打到金屬上時,能把電子從其表面拉出來。這些電子在脫离金屬表面之后的動能,与光源的強度無關,而完全取決于其顏色,在紫外光的情況下,電子的動能最大。1886年,赫茲發現了這個現象,盡管許多物理學家對此作過進一步的深入研究,但是運用光的波動學說無論如何也解釋不清。然而,借助愛因斯坦的光量子理論卻可以把光電效應闡述得清楚。紫外光是由能量高的光子、亦即沖擊力大的光粒子构成,而紅光是由能量較低的光量子构成,所以紫外光打出的電子比紅光打出的電子的動能要大。
  10年之后,美國實驗物理學家密立根的研究證明,愛因斯坦對于光電效應的解釋是正确的。“康普頓效應”是以發現者的名字命名的一种散射現象,這是波長极短的x射線跟原子中結合得很松散的電子發生作用時產生的一种現象。1923年,這一效應證實了光子的實在性,給人的印象极為深刻,從此以后光量子學說成為現代物理學的當然組成部分。
  愛因斯坦關于光的新理論,究竟超過他同時代自然科學家的思想境界有多遠,這從1913年柏林第一流的物理學家們的評論中可以一目了然。當愛因斯坦被任命為柏林科學院院士時,他們在贊揚了他在科學上的多方面成就后,要大家特別重視他的光量子假說:
  “他在探索過程中,往往會超出預想目標,比如在光量子假說方面就是這樣,因而對他作出評价不會太困難;在精密自然科學中,一次冒險也不作,便不會有真正的創新。”
  光量子假說在學術上具有划時代的意義,是整個原子物理學進一步發展的基礎。不論是1913年玻爾提出的赫赫有名的原子模型,還是20年代初期法國物理學家德布洛伊天才的假說“物質波”,沒有光量子假說都是難于設想的。
  愛因斯坦關于光的新理論,在哲學上從兩個方面說來是重要的:其一,證明了普朗克在熱輻問題上發現的量子現象并非是輻射現象所特有,而在一般物理過程中都有表現。這樣,由于普朗克的發現而動搖了的舊的形而上學觀念,即大自然不作飛躍的觀點徹底垮台了。其二,愛因斯坦的研究結果,揭示了光的兩重性。原來光既是微粒,又是波動。于是,光的辯證矛盾得以證實。愛因斯坦的發現使惠更斯和牛頓彼此對立的光學理論統一起來,在更高一級上成為天才的假說。
  它是自然界中辯證法的光輝范例。
  后來,愛因斯坦也時常感到遺憾,因為人們都認為他是“相對論之父”。他在“相對論爭論”中曾經對荷蘭朋友說過:“為什么總是在我的相對論上饒費口舌?我還干了其他有用的、或許是更好的事情嘛!”
  确實,愛因斯坦如果不是相對論的創始人,他仍然是科學史上最偉大的物理學家之一。他有關熱運動、光量子理論和固体比熱等問題的研究,對于自然科學的進一步發展有著极其重要意義。然而,相對論無疑是他最重要的成就。与他其他的研究工作相比,相對論對自然科學思想体系產生了更深遠的影響,它的作用遠遠超出哲學思想的范疇。它引起了一場最激烈的爭論。也正是它點燃了愛因斯坦譽滿天下的火炬。
  1911年,勞厄撰寫了第一篇關于相對論的專著。他在《物理學歷史》一文中指出,自古至今的物理學問題,還沒有比得上空間与時間概念對人們產生這樣巨大的震動。這也說明,愛因斯坦為什么對這類問題的研究特別重視。后來出版了千百本各种書刊,有反對相對論的,也有贊同相對論的。1905年,愛因斯坦在《物理學年鑒》上發表了長達30頁的論文《論動体的電動力學》。這篇文章宣告了相對論的創生。1905年,也還在這一雜志上,他以題為《物体的慣性同它所包含的能量有關嗎?》一文又作了重要補充。這兩篇論文都收集在1913年相對論重要的歷史文獻《相對論原理》一書中,与讀者再次見了面。
  對于愛因斯坦在相對論中研究的問題,當時物理界的看法如何呢?
  19世紀,先是光學的机械理論居于統治地位。這种理論認為,光是一种稱之為“光以太”或簡稱“以太”的彈性介質的波動。以太能穿透一切物体,而又不影響物体的運動。但是,事實上,光學研究的新成果愈來愈難以符合机械以太假說。于是,物理學家斷言,可以把光看作是以太的一种特殊“狀態”。這种狀態被看成是電磁力場,法拉第把它抽象地引進自然科學領域,而后又被麥克斯韋用抽象得出奇的數學公式進行概括。
  光以太學說与牛頓力學所引出的“絕對空間”理論緊密相連。牛頓認為:
  “絕對空間由于它的本性以及它同外界事物無關,它永遠是同一的和不動的。”
  于是,牛頓認為可以把以太看作是絕對參考体系,它決定了世界上一切運動的永琲熊晶麊牯A。
  牛頓進而認為,也存在著“絕對時間”。他說:
  “絕對的、真正的數學時間自身在流逝著,它的本性是均勻的。它的流逝同任何外界事物無關。”
  這种觀點認為,時間在均勻地流逝,并且想象在宇宙中有一种“標准鐘”,人們可以從放在任意地方的這种時鐘上讀出“絕對時間”。后來,牛頓又談到了“絕對運動”,這是由“絕對空間”和“絕對時間”聯想到的。他給“絕對運動”下的定義,亦即“物体從一絕對地點轉移到另一絕對地點”。
  絕對時間和絕對空間是牛頓力學的根基。然而,牛頓的絕對時間和絕對空間有明顯的毛病:既然絕對時間和絕對空間同任何外界事物沒有關系,那么怎樣才能知道它們存在呢?這個問題,牛頓沒有辦法回答。他只能說,絕對時間和絕對空間是上帝的創造。后來,康德又把絕對時間和絕對空間說成是先驗的。先驗的意思就是先于經驗,人一生下來就有的。這樣,牛頓和康德把絕對時間和絕對空間捧上了先驗的王國,不許人對它們有怀疑。
  不過,怀疑絕對時間和絕對空間的人還是有的。萊布尼茲就批判過絕對時間和絕對空間,但是沒有把它們批倒。到19世紀,馬赫又對牛頓的時空概念作了有力的批判,但還是沒有批倒。這是因為要改變時間和空間的概念,客觀條件還沒有成熟。建立在絕對時間和絕對空間基礎上的牛頓力學,200多年來,在解決宏觀低速現象的問題中,取得了無比輝煌的成功。直到20世紀初,在物理學中,牛頓巨大的身影仍然君臨一切,絕對時間和絕對空間的概念,在物理學家的心里依舊是神圣不可侵犯的。要等到物理學的研究對象,從宏觀領域進入原子和電子的微觀領域,從低速領域進入光速和近光速的高速領域,以牛頓力學和麥克斯韋電磁場理論為基礎的經典物理學,才暴露出嚴重問題。
  此外,實驗物理學也使人們對牛頓關于時空和運動的教條產生极大的怀疑。地球以每秒30公里的速度在其軌道上繞著太陽轉動。我們的太陽系以每秒20公里的速度在宇宙中飛馳。最后是我們的銀河系,它与其他遙遠的銀河系相比,以相當高的速度不停地在運動。那么,要是光以太是靜止存在于“絕對空間”之中,并且天体穿過它運行,這种運動的結果對于光以太來說必然是顯著的,而且使用精密的光學儀器也一定能夠驗證“以太風”。
  美國物理學家邁刻爾遜做了第一個實驗。他出生于波蘭,1881年曾在柏林和波斯坦做過亥姆霍茲的獎學金研究生。他的實驗由于實驗裝置不夠齊全,結果說服力不夠強。6年以后,邁刻爾遜在美國使用親自設計的高精度鏡式干涉儀,同莫勒合作重复了他以前的實驗。這台新式測試儀如此的精确,以致于儀器本身受“以太風”的影響都能清晰地顯示出來。但是這次實驗以及以后的多次反复實驗,都沒有看到那种現象。證明光速完全是琠w的、与光源和觀察者的運動無關。“邁刻爾遜實驗”是物理學史上最著名的實驗之一,也是相對論的基本實驗。愛因斯坦十分欽佩邁刻爾遜的實驗技巧。
  邁刻爾遜的實驗得到的結果,是徹底否定了光以太的存在。一開始,人們還想使虛构的以太假說与光速琠w的事實一致起來,從而來“拯救”以太。1895年,荷蘭物理學家洛侖茲假定,快速運動物体在運動方向上會產生机构收縮(“洛倫茲收縮”),為的是用這种方法在机械世界觀范疇內把邁刻爾遜實驗結果跟光以太和絕對空間捏合起來。這种設想盡管十分巧妙,畢竟是人為假想,不僅明顯帶有目的性假說的性質,而且從長遠看來不會使理論物理學家滿意。
  邁刻爾遜的實驗結果使理論物理學家陷入難以自拔的思維困境,又像是一個無法解開的死結,但它被年輕的愛因斯坦,以無畏的劍一下砍斷了。
  愛因斯坦在學生時代就已經從《自然科學通俗讀本》深知光速的意義,從阿勞時期開始,一直在反复琢磨:倘若一個人以光速跟著光波跑,那將會看到什么結果呢?聯想到麥克斯韋的電動力學和邁刻爾遜實驗的否定結果以及馬赫對牛頓力學基礎的批判,正是在這個早先的理想實驗中,相對論應運而生。在自傳中,愛因斯坦這樣記述著他的相對論的出發點:
  “這樣,人們搞清楚了物理學中某一事件与空間坐標的時間值的意義。”
  對時間值的分析成為相對論研究的直接起點。愛因斯坦一開始就研究了同時性的概念。他的研究結果歸納如下:倘若有一种速度無限大的傳遞信號,那么在科學上是十分重要的,据此可以建立起相距遙遠地方的兩個事件的絕對同時性。不過,由于作為最大信號速度的光速是有限的,并且對所有的觀察者而言又都是一樣的,因而“絕對同時”沒有什么物理意義,也喪失了理論依据。
  所有涉及到時間的判斷,往往是關于同時事件的判斷。因而,同時概念的相對性導致時間概念的相對性,這是邏輯的必然。絕對同時不存在了,那么也不會再有絕對的、對所有參考系全都适用的相同時間。從而,每一參考系都有它自身的時間,即它的“參考系時間”。正如愛因斯坦后來發現的那樣,整個問題的關鍵在于虛空的空間中光速是琠w的。假使承認這一琠w性(這點已被邁刻爾遜實驗所證實),時間相對性就是不可避免的。
  愛因斯坦的時間學說是嶄新的,在他以前還沒有一位物理學家或哲學家這樣徹底地研究過同時性,并且得出這樣深刻的結論。馬赫要求,把物理學中無法由經驗驗證的荒唐的因素全部加以取締。馬赫的這一要求,導致愛因斯坦取締牛頓“絕對時間”概念的想法。
  由于時間和運動是彼此密切相連的,像馬克思就說過,時間是“運動在量值方面的表現”。所以時間概念的相對論化,使“絕對運動”概念也失去了立足之地。一個物体或一參考系的運動,只有在与另一物体或參考系相比較而存在,并在其對比中數值也是适宜的。不存在什么“絕對運動”。愛因斯坦的“狹義相對論”認為,在相互作直線——非加速運動的所有參考系中,自然規律是同樣有效。在它們之間,時間和空間值可以用“洛侖茲變換”這一特別的等式進行換算。1905年,愛因斯坦提出了相對論,他把作為光波載体的以太,從物理學世界中清除出去了。愛因斯坦認為,光以太原本只是物理學界的一個“幽靈”,他把獨立的物理實体——電磁場請出來,坐在以太的位置上,這也是嶄新的、勇敢的行動。盡管法國物理學家彭加勒在他之前就曾提過應該拋棄以太假說,但是他沒能把這种動議變成新的自然觀的基底。
  “無以太物理學”乃是愛因斯坦思想的成果。
  愛因斯坦在光的學說中引起的革命性進展,這种物理學中不存在以太的觀點,即使當時著名的物理學家也長時間接受不了。就連洛侖茲,這位在狹義相對論醞釀階段起過重要作用的科學家,直到1928年,還表示對光學現象沒有以太作載体不完全理解。
  如今,先以太假說也像燃素學說中所謂在燃燒過程中從物質里跑掉、名曰“火气”的東西一樣,已經成為科學的史跡。它又像其他的科學假說那樣,在特定的時期內為研究工作服務,一旦完成使命,即被送進科學謬誤博物館里去了。
  拋棄光以太假說是一樁天才的破坏之作。在愛因斯坦取得的成就中,首先的建設工作是引進一個定律,即用C表示琠w的真空光速,把它納入各种自然常數之列,運用到物理學的基本規律中去。
  愛因斯坦首次發現,光速在力學和光學中同等重要。在那儿,光速仿佛是一切過程不可達到的最高臨界速度,無論怎樣把力施加上去,把能量傳送上去,怎么也不可能達到或超越光速,無論給初速度附加多少速度,也是徒勞。根据光速琠w這一事實,引出了相對論的兩個著名的“佯謬”,引起人們的廣泛重視,也是多少年來激烈爭論的焦點所在。陷于因襲的形而上學机械觀中不能自拔的那些物理學家、哲學家,都曾經堅決反對過或者無情地嘲諷過相對論的這些“荒誕無稽”的結論。即使那些想沿著愛因斯坦所開辟的嶄新道路共同前進的人們當中,也有一部分在相對論上難于跟上愛因斯坦的腳步。
  其中一個“佯謬”便是快速運動著的一把尺子,它跟靜止狀態相比,在運動方向上長度縮短了。這個問題是從邁刻爾遜實驗結果提出來的,后來形成了洛侖茲的机械收縮假說。愛因斯坦認為,這种收縮可以用兩個參考系之間存在著的相對速度來解釋。
  另一個“佯謬”是在快速運動的參考系中的鐘,与靜止參考系中的鐘相比,它走得慢了。這涉及到“時間膨脹”,也叫做時間延伸或時間失真。根据這一佯謬會得出諸如這樣的結果:一個乘高速宇宙飛船長時期在太空遨游的人,當他返回地球地面時,与一直留在地球上的他的孿生兄弟相比,他應該年輕得多。這是因為宇宙飛行員的生物鐘以及他的一切生理過程,比留在地球上的人要慢得多。但要想使生物鐘佯謬和孿生兄弟佯謬產生的效應顯現出來的話,宇宙飛船的速度一定要十分接近光速;可是這一條件与現實宇宙飛行的條件相距甚遠。
  只要相對時間膨脹得不到實驗證明,激烈的爭論就不可能中斷。不過在30年代末,從激發氫原子的實驗中,無可置疑地證實了時間的相對膨脹。后來,在宇宙線的研究過程中再次明确地得到了證實。由于宇宙線粒子的速度特別大,這一效應的數值也較大。
  1905年,愛因斯坦的狹義相對論宣判了机械自然觀的死刑,這是自然科學史上的一次大變革,也是辯證法在物理學基礎中的胜利。它把牛頓經典運動定律中所說的那种關于時間和運動的形而上學的机械觀點提高到辯證法的高度。牛頓定律是速度遠遠小于光速的极限定律。牛頓的形而上學觀點方法,盡管是當時所公認的定律,但是由于物理學的發展,碰到了無法逾越的鴻溝。愛因斯坦運用辯證思維的沖擊力量摧毀這些障礙,并為物理學的進一步發展開辟了道路。在愛因斯坦以前,雖然有其他一些研究家确實已經采用形式數學的方法解決了運動物体的電動力學問題,然而愛因斯坦的功績仍是不可低估的。
  只有個別物理學家能夠當即把愛因斯坦的理論看作是一個天才的發現。當時著名的理論家中,普朗克首先稱贊愛因斯坦的《論動体電動力學》一文具有划時代的意義。普朗克在一次演講中說:愛因斯坦時空觀的“勇敢精神的确超乎自然科學研究和哲學認識論上至今所取得的一切大膽成果”。确實有不少著名的專家,在很長一段時間里,對愛因斯坦的學說抱怀疑態度,其中尤以實驗研究家居多。
  有意思的是,曾在聯邦工業大學任教做過愛因斯坦老師的數學家明可夫斯基,卻是相對論的熱烈擁護者。當年愛因斯坦經常逃課,明可夫斯基罵他“懶胚”。“懶胚”學生不去上老師的課,老師現在卻熱心學起學生的論文來。明可夫斯基把自己的助教和學生叫來,他花了好几個小時,給他們講相對論。他說,真沒有想到,愛因斯坦這個小伙子能寫出這樣深刻的論文。教授順便也提到了自己的想法。他的想法同樣是非常深刻的。那是一种真知灼見,是一种美妙的數學方法。經過明可夫斯基的數學處理,狹義相對論的形式更完美了,而且指明了廣義相對論的道路。
  明可夫斯基的論文在1907年發表。第二年夏天,在科隆舉行的“德國自然科學家和醫生協會”第80屆年會上,他做了一個著名的報告,宣傳相對論的思想,題目是“空間和時間”,他說了一段著名的話:
  “先生們!我要向諸位介紹的空間和時間的觀念,是從實驗物理學的土壤中生長起來的,這就是它們力量的所在。這些觀念是帶有革命性的。從現在起,空間自身和時間自身消失在陰影之中了,現實存在的只有空間和時間的統一体。”
  明可夫斯基的報告引起了巨大反響。可惜3個多月后,疾病就奪去了他年僅44歲的生命。去世前,他万分遺憾地說:
  “在發展相對論的年代里死掉,真是太可惜了。”
  由狹義相對論可得出兩個重要結論,涉及質量和運動、質量和能量的相互關系。顯然,目的就是闡述這些問題的辯證關系。愛因斯坦對這些問題的解決,其意義遠遠超出狹窄的學術專業范圍。
  在愛因斯坦之前,慣性質量,即物体對運動的慣性阻抗被認為是一個不可改變的量。這符合牛頓形而上學的机械自然觀。1895年,奧斯瓦爾德在呂貝克自然科學家大會的報告中還提出質量不變的經典觀點。時過不久,1901年實驗物理學家在進行高速運動電子的實驗時,發現電子的質量隨著速度增加而變大。愛因斯坦在他的相對論中也論證了這一事實。
  只要是運動物体的速度遠低于光速,由于運動所引起的質量增加就不明顯。因為在經典力學中,物体很大而運動速度很小,質量的增加往往被忽視。相反,在相對力學中,質量的增加起著重要作用。在其后的時期中,原子物理學家們在大型實驗設備上,加速了基本粒子。這些實踐證明愛因斯坦的學說是正确的。
  第二個結論的重要意義更為深遠,其影響大大超出力學和物理學的范圍,對于世界各國人民的命運和人類的未來都十分重要。
  《論動体電動力學》一文發表后不久,愛因斯坦就在給哈比希特的信中寫道:
  “我還在琢磨有關電動力學研究的結論。根据相對論原理連同麥克斯韋方程的要求,就可以用質量直接度量物体所含的能量;光可以轉化為質量。鈾元素中必然會產生質量顯著減少的現象。這個想法既有趣又富于吸引力。但是我還無法知曉,上帝是對它感到高興呢;還是在故意捉弄我?”
  這個“既有趣又富于吸引力”的想法,被愛因斯坦寫進前面提過的有關物体慣性同它所含能量的關系的論文里。這篇僅三頁的論文是世界自然科學史上最精悍而又成果輝煌的著作。它奠定了質量与能量“等价”原理的基礎。
  愛因斯坦定律的數學公式是舉世聞名的:E=MC2在今天几乎變成成語。它表明能量(E)的轉換与相應的質量(m)的轉換分不開;而光速(c)的平方是比例系數,表示質量可以轉換為能量。這樣所謂“質量虧損”也被解釋清楚了。在力學、化學、熱學和電學過程中,質量虧損太小,一直未被發現。但在原子物理學中它卻十分重要,因為原子核的各种組元的質量總是大于由這些組元构成的原子核的質量。有人認為,欠缺的質量轉換為能量,這就是將核組元拉在一起所需的“結合能”。原子力是轉換成能量的質量,在人工核反應中,這种巨大的能量便被釋放出來。
  愛因斯坦關于質量和能量等价性的發現,簡化了物理守琠w律的內容。長期以來,彼此分立的質量守琠M能量守琠w律,現在可以合并為一條定律:對于一個閉合物質系來說,質量和能量的總合在所有過程中不變。
  所有這些發現的時机的确已經成熟了,無須再要什么重要准備,也無須再獲取什么局部成果。在已有的准備工作和成果中,有俄國列別捷夫有關光對固定的壓力研究,還有奧地利物理學家哈瑟諾爾的重要探索。然而,愛因斯坦邁出的這一步對這方面的研究則具有決定性作用。


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