天馬行空小職員發(fā)表高論 價(jià)值連城短論文裝備大軍

梁衡

上回說(shuō)到以太說(shuō)雖經(jīng)多方改良但已很難維持局面，這時(shí)有人便干脆提出一個(gè)全新的革命學(xué)說(shuō)，此人就是愛(ài)因斯坦(1879～1955年)。

1905年當(dāng)物理學(xué)界正被天空出現(xiàn)的兩朵烏云所困擾時(shí)，愛(ài)因斯坦正在瑞士伯爾尼專(zhuān)利局當(dāng)一個(gè)三級(jí)小職員，但他已經(jīng)想清楚這個(gè)問(wèn)題，提出了一個(gè)嶄新的“相對(duì)論”。

邁克爾遜實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論順著還是逆著地球運(yùn)動(dòng)的方向光速都是一樣。愛(ài)因斯坦就緊緊抓住這一點(diǎn)把它固定下來(lái)，叫光速不變?cè)怼＞褪钦f(shuō)光源無(wú)論是向我們跑來(lái)、離去或靜止都不能改變光速。這是因?yàn)楣庠吹倪\(yùn)動(dòng)造成光的頻率和波長(zhǎng)的改變，它們互相補(bǔ)償，所以光速保持不變。這是愛(ài)因斯坦理論中基本的一條，有它為前提才能討論以后的問(wèn)題。這好像很難懂，但我們用實(shí)際生活中的例子一比也就十分清楚了。比如你原地不動(dòng)，對(duì)面有人向你扔過(guò)來(lái)一個(gè)皮球。你能看到他的頭、臉、身、手和皮球，這當(dāng)然是因?yàn)楣鈴乃砩戏瓷涞侥愕难劾铩Ｈ绻凑战?jīng)典的速度合成原理，球一出手后就有一個(gè)向你而來(lái)的速度，這時(shí)球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手前要快(多出一個(gè)球速)。但是這一“快”就糟了，你就會(huì)先看到正在空中的球，后看到拿在手里的球。如果真是這樣，我們?cè)趺茨芸椿@球比賽呢，生活中的一切動(dòng)作豈不都要顛倒過(guò)來(lái)？所以無(wú)論光源如何動(dòng)，光速總是不變的。經(jīng)典理論的速度合成原理一碰到光速就不適用了。在天文觀察中也能說(shuō)明這一點(diǎn)，有一種“雙星”是在軌道上互相繞著運(yùn)行，就是說(shuō)某星一會(huì)兒向地球飛來(lái)，一會(huì)兒又繞走了，離地球而去。如果按速度合成原理這麻煩就更多了，這星會(huì)以光速加星速、光速減星速(星速對(duì)地球來(lái)說(shuō)又在不斷變)等不同速度接連送到我們眼里。我們看到的就不是一顆星，而是一大堆星的幻影了。可是這種現(xiàn)象從沒(méi)有發(fā)生，否則本來(lái)就夠紛亂的星空就更是一鍋粥了。當(dāng)然，愛(ài)因斯坦還有許多具體的證明，我們這里不過(guò)是盡量從淺處說(shuō)明罷了。

既然承認(rèn)光速不變，我們就有了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度，用這個(gè)尺度來(lái)量時(shí)間，這下可發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大問(wèn)題——原來(lái)時(shí)間卻沒(méi)有個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)，它是相對(duì)的，可變的。這就碰到了牛頓經(jīng)典物理學(xué)最要害的地方。牛頓認(rèn)為時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，自從上帝將它創(chuàng)造好后就在那里安安靜靜地存在，獨(dú)立地存在，與外界任何事物無(wú)關(guān)。現(xiàn)在愛(ài)因斯坦說(shuō)：不，在兩個(gè)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參照系中，一切自然規(guī)律都是相對(duì)的。在這個(gè)參照系里觀察是靜止的，在那個(gè)參照系觀察就可能是運(yùn)動(dòng)的，不單力學(xué)實(shí)驗(yàn)，連光學(xué)實(shí)驗(yàn)，任何實(shí)驗(yàn)也測(cè)不出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)時(shí)間。因?yàn)槲覀冇醚劬幢恚吹降氖潜戆l(fā)來(lái)的光信號(hào)，而光的傳播需要時(shí)間，我們所處的位置不同，看到的時(shí)間表面上相同，實(shí)際已經(jīng)不同了。從月球到地球，光約走1.25秒，地球上紅光一閃，一顆炸彈爆炸，在月球上的宇航員和地球上的人都“同時(shí)”看到了這一閃，可是實(shí)際上月球上的宇航員比地球上的人要晚看到1.25秒。我們平時(shí)總覺(jué)得同時(shí)，那是因?yàn)楣馑偬欤@種誤差根本覺(jué)不出來(lái)。所以愛(ài)因斯坦在給人講相對(duì)論時(shí)常先在黑板上畫(huà)一條白線(xiàn)，幽默地說(shuō)：“請(qǐng)你們想象這是宇宙中的一條線(xiàn)，在這條線(xiàn)的每一個(gè)點(diǎn)上都掛著一塊表。”他講到高興時(shí)常常過(guò)了點(diǎn)，便問(wèn)前排的人現(xiàn)在幾點(diǎn)，然后抱歉地說(shuō)：“對(duì)不起，我給宇宙里的每一處都掛上一塊表，可是沒(méi)有能給自己口袋里掛一塊表。”

在確定了光速不變，拋棄了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀后，愛(ài)因斯坦得出這樣幾個(gè)重要結(jié)論。

第一，便是看來(lái)很不可信的“鐘慢尺縮”。就是說(shuō)在運(yùn)動(dòng)中的鐘會(huì)比靜止時(shí)走得慢，尺子也會(huì)縮短。我們平時(shí)處在低速運(yùn)動(dòng)中當(dāng)然不可能覺(jué)察，但是如果以每秒26萬(wàn)公里的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，一米的尺子就會(huì)縮成半米，地上過(guò)了一小時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘卻才走了半小時(shí)。一個(gè)人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行，當(dāng)他歸來(lái)時(shí)會(huì)奇怪地發(fā)現(xiàn)，兒子已白發(fā)蒼蒼，而自己卻還那樣年輕。這樣的試驗(yàn)我們當(dāng)然還不能做，但是同樣道理的實(shí)驗(yàn)卻完全可以證明運(yùn)動(dòng)中的鐘確實(shí)會(huì)變慢。前幾回我們講到原子的放射性時(shí)，已經(jīng)知道了什么叫“半衰期”。某一種基本粒子的半衰期是固定不變的，因此我們可以把它看成是一個(gè)“鐘”。根據(jù)相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)粒子比靜止粒子的半衰期就應(yīng)該長(zhǎng)一些，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從粒子加速器里出來(lái)的以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)的粒子比其他靜止的粒子確是衰變得慢。

相對(duì)論的第二個(gè)結(jié)論是揭示了質(zhì)量和速度的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)中的物體比靜止時(shí)質(zhì)量增加。

第三個(gè)結(jié)論是講質(zhì)量和能量的關(guān)系，這就是那個(gè)極其著名的愛(ài)因斯坦方程：

E＝mc2

過(guò)去我們講過(guò)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，而愛(ài)因斯坦現(xiàn)在卻把兩個(gè)定律統(tǒng)一在一個(gè)公式里了。E是能量，m是質(zhì)量，c是光速。從公式中可以看出，每一點(diǎn)物質(zhì)，只要它有質(zhì)量（這是當(dāng)然的），哪怕是石塊、木棍、塵埃都含有極大的能量，因?yàn)楣馑偈且粋€(gè)很大的數(shù)字。比如1千克煤，完全燃燒后只能放出3.35×1014千焦的熱，這只是它所蘊(yùn)藏的極小的一部分能量，如果能把它的全部能量都釋放出來(lái)就有9.04×1014千焦。這相當(dāng)于一個(gè)大城市幾年消耗的電力。而每克物質(zhì)所含的能量就有8.37×1011千焦。可惜我們現(xiàn)在還沒(méi)辦法將它們?nèi)酷尫懦鰜?lái)。

好，辦不到的事我們先不去說(shuō)它，但是自然界切實(shí)存在的事卻可以來(lái)驗(yàn)證這個(gè)公式。很久以來(lái)人們一直不理解太陽(yáng)為什么能如此長(zhǎng)期地燃燒而不滅。開(kāi)始人們解釋說(shuō)太陽(yáng)就像一塊大煤在持續(xù)燃燒，可是一算這塊煤頂多夠燒1500年，而太陽(yáng)系已存在了幾十億年。放射性發(fā)現(xiàn)后人們又猜測(cè)太陽(yáng)是一塊大鈾在不斷地衰變而放出能量，這樣倒真可以持續(xù)幾十億年。但是，很可惜太陽(yáng)不是鈾構(gòu)成的，正好相反它是氫、氮這類(lèi)的輕元素構(gòu)成的。到20世紀(jì)的二三十年代，人們用愛(ài)因斯坦的公式來(lái)解釋太陽(yáng)聚變釋放能量的過(guò)程才圓滿(mǎn)地回答了這個(gè)問(wèn)題。這樣，愛(ài)因斯坦的這個(gè)質(zhì)量等價(jià)定律使經(jīng)典物理學(xué)中不能稱(chēng)重的能量也變得可以稱(chēng)一稱(chēng)了。現(xiàn)在我們已經(jīng)可以算出一個(gè)10瓦的燈泡每分鐘發(fā)射的光輕于7×10-12克，但是每天太陽(yáng)放出輻射能，其損失的質(zhì)量將達(dá)4×1011噸。電磁場(chǎng)也可以稱(chēng)量，一個(gè)1米直徑的銅球充電到1000伏的電勢(shì)時(shí)，它周?chē)膱?chǎng)重2×10-22克，一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室里的磁場(chǎng)重10-15克。熱能也可以稱(chēng)量，一公升水在100℃時(shí)比同樣數(shù)量的冷水重10-20克，一個(gè)兩萬(wàn)噸級(jí)的原子彈所釋放的總能量約重1克。

各位讀者，這個(gè)愛(ài)因斯坦真正是不簡(jiǎn)單，我們平時(shí)誰(shuí)會(huì)想到光、熱、電、磁是可以稱(chēng)出重量的呢？而他想到了，并且還找到了切切實(shí)實(shí)的換算辦法。人們過(guò)去對(duì)能量守恒和質(zhì)量守恒的研究，就如在一座大山的兩頭挖著隧洞，兩條洞就要銜接了，可是彼此誰(shuí)也不知道。這時(shí)愛(ài)因斯坦走來(lái)舉起鎬頭輕輕這么一敲，兩洞之間的阻隔就轟然倒塌，質(zhì)能之間有了一條可以隨意暢行的坦途。這就是科學(xué)研究的突破，這就是飛躍。凡科學(xué)偉人都是善于找見(jiàn)這個(gè)問(wèn)題與那個(gè)問(wèn)題，這個(gè)領(lǐng)域與那個(gè)領(lǐng)域之間的結(jié)合部和聯(lián)系點(diǎn)，從而打出一個(gè)新的天地，或者將過(guò)去人們?cè)谙蚩茖W(xué)進(jìn)軍中建立的分散根據(jù)地溝通連成一片。科學(xué)成果的取得像我們政權(quán)的取得一樣，也是這樣由小到大，由分散到統(tǒng)一。

愛(ài)因斯坦1879年3月14日生于德國(guó)南部的烏爾姆小鎮(zhèn)。這個(gè)小鎮(zhèn)就是當(dāng)年笛卡兒在夢(mèng)中發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)系的地方，而1879年又正是麥克斯韋完成了他在人世間的偉業(yè)后開(kāi)始長(zhǎng)眠之時(shí)。真是天將降大任于斯人而精心選擇了此時(shí)此地。他并不像其他科學(xué)家那樣小時(shí)候就聰慧早熟，四五歲時(shí)還不大會(huì)說(shuō)話(huà)，以至于父母真怕這孩子會(huì)癡傻，中學(xué)畢業(yè)時(shí)又沒(méi)拿到畢業(yè)證。但是他卻很喜歡抽象的思維，剛上中學(xué)時(shí)領(lǐng)到一本新幾何課本，他立即被那里面嚴(yán)密的邏輯證明迷住了，以至于老師還沒(méi)有正式開(kāi)課，他早把這本書(shū)自學(xué)完了。他喜歡自己學(xué)習(xí)、思考，討厭學(xué)校那種強(qiáng)制性的教學(xué)法。愛(ài)因斯坦是一個(gè)天生不愿受任何約束的人，他大學(xué)畢業(yè)后在伯爾尼專(zhuān)利局當(dāng)一名審查專(zhuān)利的小職員，與其他三個(gè)青年人成立了自己的“奧林匹亞科學(xué)院”，經(jīng)常東南西北地亂扯閑談，從物理到哲學(xué)無(wú)所不包，而新思想就在這種碰撞中閃出了火花。大凡一種新科學(xué)思想的生成，一是要有充分的外部自由，沒(méi)有什么旁加的干涉和硬派定的題目，純出于研究者自覺(jué)的興趣，自由地干他所想干的事，如牛頓在家鄉(xiāng)躲瘟疫而發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力，如孟德?tīng)栐谛薜涝喊l(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律，如卡文迪許把自己關(guān)在房里發(fā)現(xiàn)氧氣。二是要敢想，如哥白尼敢把舊天文學(xué)倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，如赫胥黎敢想象人是猴子變的，如普朗克敢把連續(xù)的輻射想象成不連續(xù)的能量子。愛(ài)因斯坦就具備了這兩條。他還是一個(gè)16歲的中學(xué)生時(shí)，就想：要是人和光速一樣快地運(yùn)動(dòng)，會(huì)是什么樣子。他26歲時(shí)在專(zhuān)利局做著小職員，聽(tīng)到了邁克爾遜的一系列實(shí)驗(yàn)和洛倫茲修修補(bǔ)補(bǔ)的解釋?zhuān)愦蠊P一揮連續(xù)寫(xiě)了三篇論文，提出了上面我們談到的那些別人無(wú)論如何也不敢想的問(wèn)題。就是那個(gè)為相對(duì)論掃清了道路的邁克爾遜，至死也不敢相信相對(duì)論的原理。1931年，當(dāng)他79歲第一次見(jiàn)到愛(ài)因斯坦時(shí)，這位老前輩遺憾地說(shuō)，“我真沒(méi)想到，我的實(shí)驗(yàn)反倒促成了相對(duì)論這樣一個(gè)怪物的誕生”。

這個(gè)“怪物”是在1905年誕生的。愛(ài)因斯坦天馬行空般的思維，捕捉到了這種絕妙的構(gòu)思，于是一揮而就，給當(dāng)時(shí)的權(quán)威雜志《物理學(xué)紀(jì)年》寫(xiě)去一篇只有三頁(yè)的論文。論文中他沒(méi)有引用任何一個(gè)權(quán)威人物的結(jié)論，全是自己的語(yǔ)言，自己的思想。這篇東西在當(dāng)時(shí)并未引起多大反響，因?yàn)樗鼘?shí)在太怪了，愛(ài)因斯坦自己也說(shuō)：“推斷非常誘人，然而上帝是否在笑我，在騙我，當(dāng)前還不得而知。”但是之后隨著實(shí)驗(yàn)的不斷驗(yàn)證，這篇論文卻變得價(jià)值連城。

1905年，當(dāng)載有愛(ài)因斯坦的《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》一文的黃色封面的《紀(jì)年》送到普朗克教授手里時(shí)，他正躺在柏林醫(yī)院里治病。這篇文章就像一支強(qiáng)心針一樣使他猛然起身下床，大喊一聲：“一個(gè)新的哥白尼出現(xiàn)了！”然后立即喊家人拿紙筆來(lái)給愛(ài)因斯坦寫(xiě)信：“先生，您的這篇文章將會(huì)在世界上引起一場(chǎng)什么樣的戰(zhàn)斗啊！您知道嗎？這只有為哥白尼世界觀的傳播而進(jìn)行的斗爭(zhēng)才能與之相比。可惜我們未曾晤面，我也是第一次拜讀大作。請(qǐng)告訴我，您現(xiàn)在哪里工作，我能為您做點(diǎn)什么？”

愛(ài)因斯坦回信說(shuō)：“我現(xiàn)在是專(zhuān)利局的一個(gè)三級(jí)職員，不過(guò)最近他們準(zhǔn)備提升我為二級(jí)，這樣生活問(wèn)題也可能會(huì)好一些。”

普朗克沒(méi)想到對(duì)方竟連個(gè)大學(xué)的教職也沒(méi)有得到，他的這些研究是在什么條件下完成的啊。他立即提筆給伯爾尼的格魯涅爾教授寫(xiě)信。

格魯涅爾拿到信立即找到愛(ài)因斯坦，請(qǐng)他送一篇論文來(lái)，愛(ài)因斯坦送上自己關(guān)于相對(duì)論的那篇論文，格魯涅爾自己拿不準(zhǔn)，又請(qǐng)搞實(shí)驗(yàn)物理的福爾斯特教授來(lái)審讀。幾天后論文退了回來(lái)，上面批著“讀過(guò)了，然而不知道在說(shuō)些什么。”

因?yàn)閻?ài)因斯坦提出了一個(gè)超出一般人思維水平的怪理論，所以他盡管得到普朗克等少數(shù)物理學(xué)家的賞識(shí)，但還是在本地找不到一個(gè)好工作。直到1909年，他的母校蘇黎世大學(xué)才聘他為副教授，后來(lái)又到布拉格工作幾年，再回蘇黎世。而普朗克總不死心，他認(rèn)為柏林這個(gè)歐洲物理學(xué)的中心不能沒(méi)有愛(ài)因斯坦，決心要把他挖來(lái)。

1913年夏天，一輛火車(chē)駛進(jìn)蘇黎世車(chē)站。車(chē)上下來(lái)兩個(gè)年過(guò)半百的學(xué)者，瘦一點(diǎn)的是普朗克，那個(gè)矮胖子是能斯特。他們今天是專(zhuān)來(lái)游說(shuō)愛(ài)因斯坦去柏林的。愛(ài)因斯坦手捧一束鮮花早就在車(chē)站恭候。自從上次索爾維會(huì)議之后他們已結(jié)為忘年之交。

普朗克一下車(chē)就和這位34歲的青年物理學(xué)家熱情擁抱，像對(duì)自己的孩子那樣親熱。接著他們邊走邊談。能言善辯的能斯特立即擺出愛(ài)因斯坦到柏林后的優(yōu)惠條件：“知道您是一個(gè)喜歡自由的人，但是我們也不能不給您一點(diǎn)榮譽(yù)和職務(wù)。第一，任威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)；第二，任柏林大學(xué)的教授；第三，任普魯士科學(xué)院的院士。不過(guò)當(dāng)所長(zhǎng)可以不管事，當(dāng)教授可以不教書(shū)，時(shí)間全由您支配。另外，其他院士只是名譽(yù)，您這個(gè)院士卻是實(shí)任，每月薪水一萬(wàn)二千馬克。”

愛(ài)因斯坦哈哈笑道：“您可真會(huì)做買(mǎi)賣(mài)，把我作為一只良種母雞，舍得花大價(jià)錢(qián)買(mǎi)去好為你們下蛋。可是我自己還不知道能不能再下蛋呢。去不去柏林，容我再作幾天的考慮。”

（摘自《數(shù)理化通俗演義》 同心出版社 圖/黃煜博）

本欄編輯：姜煒