梁衡

上回說到以太說雖經多方改良但已很難維持局面，這時有人便干脆提出一個全新的革命學說，此人就是愛因斯坦(1879～1955年)。

1905年當物理學界正被天空出現(xiàn)的兩朵烏云所困擾時，愛因斯坦正在瑞士伯爾尼專利局當一個三級小職員，但他已經想清楚這個問題，提出了一個嶄新的“相對論”。

邁克爾遜實驗證明，無論順著還是逆著地球運動的方向光速都是一樣。愛因斯坦就緊緊抓住這一點把它固定下來，叫光速不變原理。就是說光源無論是向我們跑來、離去或靜止都不能改變光速。這是因為光源的運動造成光的頻率和波長的改變，它們互相補償，所以光速保持不變。這是愛因斯坦理論中基本的一條，有它為前提才能討論以后的問題。這好像很難懂，但我們用實際生活中的例子一比也就十分清楚了。比如你原地不動，對面有人向你扔過來一個皮球。你能看到他的頭、臉、身、手和皮球，這當然是因為光從他身上反射到你的眼里。如果按照經典的速度合成原理，球一出手后就有一個向你而來的速度，這時球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手前要快(多出一個球速)。但是這一“快”就糟了，你就會先看到正在空中的球，后看到拿在手里的球。如果真是這樣，我們怎么能看籃球比賽呢，生活中的一切動作豈不都要顛倒過來？所以無論光源如何動，光速總是不變的。經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明這一點，有一種“雙星”是在軌道上互相繞著運行，就是說某星一會兒向地球飛來，一會兒又繞走了，離地球而去。如果按速度合成原理這麻煩就更多了，這星會以光速加星速、光速減星速(星速對地球來說又在不斷變)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?？墒沁@種現(xiàn)象從沒有發(fā)生，否則本來就夠紛亂的星空就更是一鍋粥了。當然，愛因斯坦還有許多具體的證明，我們這里不過是盡量從淺處說明罷了。

既然承認光速不變，我們就有了一個標準尺度，用這個尺度來量時間，這下可發(fā)現(xiàn)了一個大問題——原來時間卻沒有個固定標準，它是相對的，可變的。這就碰到了牛頓經典物理學最要害的地方。牛頓認為時間和空間都是絕對的，自從上帝將它創(chuàng)造好后就在那里安安靜靜地存在，獨立地存在，與外界任何事物無關。現(xiàn)在愛因斯坦說：不，在兩個做勻速直線運動的參照系中，一切自然規(guī)律都是相對的。在這個參照系里觀察是靜止的，在那個參照系觀察就可能是運動的，不單力學實驗，連光學實驗，任何實驗也測不出絕對運動和絕對時間。因為我們用眼睛看表，看到的是表發(fā)來的光信號，而光的傳播需要時間，我們所處的位置不同，看到的時間表面上相同，實際已經不同了。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”看到了這一閃，可是實際上月球上的宇航員比地球上的人要晚看到1.25秒。我們平時總覺得同時，那是因為光速太快，這種誤差根本覺不出來。所以愛因斯坦在給人講相對論時常先在黑板上畫一條白線，幽默地說：“請你們想象這是宇宙中的一條線，在這條線的每一個點上都掛著一塊表?！彼v到高興時常常過了點，便問前排的人現(xiàn)在幾點，然后抱歉地說：“對不起，我給宇宙里的每一處都掛上一塊表，可是沒有能給自己口袋里掛一塊表。”

在確定了光速不變，拋棄了牛頓的絕對時空觀后，愛因斯坦得出這樣幾個重要結論。

第一，便是看來很不可信的“鐘慢尺縮”。就是說在運動中的鐘會比靜止時走得慢，尺子也會縮短。我們平時處在低速運動中當然不可能覺察，但是如果以每秒26萬公里的速度運動時，一米的尺子就會縮成半米，地上過了一小時，運動中的時鐘卻才走了半小時。一個人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行，當他歸來時會奇怪地發(fā)現(xiàn)，兒子已白發(fā)蒼蒼，而自己卻還那樣年輕。這樣的試驗我們當然還不能做，但是同樣道理的實驗卻完全可以證明運動中的鐘確實會變慢。前幾回我們講到原子的放射性時，已經知道了什么叫“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“鐘”。根據相對論，運動粒子比靜止粒子的半衰期就應該長一些，實驗結果，從粒子加速器里出來的以接近光速的速度運動的粒子比其他靜止的粒子確是衰變得慢。

相對論的第二個結論是揭示了質量和速度的關系，運動中的物體比靜止時質量增加。

第三個結論是講質量和能量的關系，這就是那個極其著名的愛因斯坦方程：

E＝mc2

過去我們講過質量守恒定律和能量守恒定律，而愛因斯坦現(xiàn)在卻把兩個定律統(tǒng)一在一個公式里了。E是能量，m是質量，c是光速。從公式中可以看出，每一點物質，只要它有質量（這是當然的），哪怕是石塊、木棍、塵埃都含有極大的能量，因為光速是一個很大的數字。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就有9.04×1014千焦。這相當于一個大城市幾年消耗的電力。而每克物質所含的能量就有8.37×1011千焦?？上覀儸F(xiàn)在還沒辦法將它們全部釋放出來。

好，辦不到的事我們先不去說它，但是自然界切實存在的事卻可以來驗證這個公式。很久以來人們一直不理解太陽為什么能如此長期地燃燒而不滅。開始人們解釋說太陽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，而太陽系已存在了幾十億年。放射性發(fā)現(xiàn)后人們又猜測太陽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，很可惜太陽不是鈾構成的，正好相反它是氫、氮這類的輕元素構成的。到20世紀的二三十年代，人們用愛因斯坦的公式來解釋太陽聚變釋放能量的過程才圓滿地回答了這個問題。這樣，愛因斯坦的這個質量等價定律使經典物理學中不能稱重的能量也變得可以稱一稱了。現(xiàn)在我們已經可以算出一個10瓦的燈泡每分鐘發(fā)射的光輕于7×10-12克，但是每天太陽放出輻射能，其損失的質量將達4×1011噸。電磁場也可以稱量，一個1米直徑的銅球充電到1000伏的電勢時，它周圍的場重2×10-22克，一個普通實驗室里的磁場重10-15克。熱能也可以稱量，一公升水在100℃時比同樣數量的冷水重10-20克，一個兩萬噸級的原子彈所釋放的總能量約重1克。

各位讀者，這個愛因斯坦真正是不簡單，我們平時誰會想到光、熱、電、磁是可以稱出重量的呢？而他想到了，并且還找到了切切實實的換算辦法。人們過去對能量守恒和質量守恒的研究，就如在一座大山的兩頭挖著隧洞，兩條洞就要銜接了，可是彼此誰也不知道。這時愛因斯坦走來舉起鎬頭輕輕這么一敲，兩洞之間的阻隔就轟然倒塌，質能之間有了一條可以隨意暢行的坦途。這就是科學研究的突破，這就是飛躍。凡科學偉人都是善于找見這個問題與那個問題，這個領域與那個領域之間的結合部和聯(lián)系點，從而打出一個新的天地，或者將過去人們在向科學進軍中建立的分散根據地溝通連成一片?？茖W成果的取得像我們政權的取得一樣，也是這樣由小到大，由分散到統(tǒng)一。

愛因斯坦1879年3月14日生于德國南部的烏爾姆小鎮(zhèn)。這個小鎮(zhèn)就是當年笛卡兒在夢中發(fā)現(xiàn)坐標系的地方，而1879年又正是麥克斯韋完成了他在人世間的偉業(yè)后開始長眠之時。真是天將降大任于斯人而精心選擇了此時此地。他并不像其他科學家那樣小時候就聰慧早熟，四五歲時還不大會說話，以至于父母真怕這孩子會癡傻，中學畢業(yè)時又沒拿到畢業(yè)證。但是他卻很喜歡抽象的思維，剛上中學時領到一本新幾何課本，他立即被那里面嚴密的邏輯證明迷住了，以至于老師還沒有正式開課，他早把這本書自學完了。他喜歡自己學習、思考，討厭學校那種強制性的教學法。愛因斯坦是一個天生不愿受任何約束的人，他大學畢業(yè)后在伯爾尼專利局當一名審查專利的小職員，與其他三個青年人成立了自己的“奧林匹亞科學院”，經常東南西北地亂扯閑談，從物理到哲學無所不包，而新思想就在這種碰撞中閃出了火花。大凡一種新科學思想的生成，一是要有充分的外部自由，沒有什么旁加的干涉和硬派定的題目，純出于研究者自覺的興趣，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)萬有引力，如孟德爾在修道院發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律，如卡文迪許把自己關在房里發(fā)現(xiàn)氧氣。二是要敢想，如哥白尼敢把舊天文學倒轉過來，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。愛因斯坦就具備了這兩條。他還是一個16歲的中學生時，就想：要是人和光速一樣快地運動，會是什么樣子。他26歲時在專利局做著小職員，聽到了邁克爾遜的一系列實驗和洛倫茲修修補補的解釋，便大筆一揮連續(xù)寫了三篇論文，提出了上面我們談到的那些別人無論如何也不敢想的問題。就是那個為相對論掃清了道路的邁克爾遜，至死也不敢相信相對論的原理。1931年，當他79歲第一次見到愛因斯坦時，這位老前輩遺憾地說，“我真沒想到，我的實驗反倒促成了相對論這樣一個怪物的誕生”。

這個“怪物”是在1905年誕生的。愛因斯坦天馬行空般的思維，捕捉到了這種絕妙的構思，于是一揮而就，給當時的權威雜志《物理學紀年》寫去一篇只有三頁的論文。論文中他沒有引用任何一個權威人物的結論，全是自己的語言，自己的思想。這篇東西在當時并未引起多大反響，因為它實在太怪了，愛因斯坦自己也說：“推斷非常誘人，然而上帝是否在笑我，在騙我，當前還不得而知。”但是之后隨著實驗的不斷驗證，這篇論文卻變得價值連城。

1905年，當載有愛因斯坦的《論運動物體的電動力學》一文的黃色封面的《紀年》送到普朗克教授手里時，他正躺在柏林醫(yī)院里治病。這篇文章就像一支強心針一樣使他猛然起身下床，大喊一聲：“一個新的哥白尼出現(xiàn)了！”然后立即喊家人拿紙筆來給愛因斯坦寫信：“先生，您的這篇文章將會在世界上引起一場什么樣的戰(zhàn)斗??！您知道嗎？這只有為哥白尼世界觀的傳播而進行的斗爭才能與之相比?？上覀兾丛蠲?，我也是第一次拜讀大作。請告訴我，您現(xiàn)在哪里工作，我能為您做點什么？”

愛因斯坦回信說：“我現(xiàn)在是專利局的一個三級職員，不過最近他們準備提升我為二級，這樣生活問題也可能會好一些。”

普朗克沒想到對方竟連個大學的教職也沒有得到，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信。

格魯涅爾拿到信立即找到愛因斯坦，請他送一篇論文來，愛因斯坦送上自己關于相對論的那篇論文，格魯涅爾自己拿不準，又請搞實驗物理的福爾斯特教授來審讀。幾天后論文退了回來，上面批著“讀過了，然而不知道在說些什么?！?/p>

因為愛因斯坦提出了一個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物理學家的賞識，但還是在本地找不到一個好工作。直到1909年，他的母校蘇黎世大學才聘他為副教授，后來又到布拉格工作幾年，再回蘇黎世。而普朗克總不死心，他認為柏林這個歐洲物理學的中心不能沒有愛因斯坦，決心要把他挖來。

1913年夏天，一輛火車駛進蘇黎世車站。車上下來兩個年過半百的學者，瘦一點的是普朗克，那個矮胖子是能斯特。他們今天是專來游說愛因斯坦去柏林的。愛因斯坦手捧一束鮮花早就在車站恭候。自從上次索爾維會議之后他們已結為忘年之交。

普朗克一下車就和這位34歲的青年物理學家熱情擁抱，像對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因斯坦到柏林后的優(yōu)惠條件：“知道您是一個喜歡自由的人，但是我們也不能不給您一點榮譽和職務。第一，任威廉皇帝物理研究所所長；第二，任柏林大學的教授；第三，任普魯士科學院的院士。不過當所長可以不管事，當教授可以不教書，時間全由您支配。另外，其他院士只是名譽，您這個院士卻是實任，每月薪水一萬二千馬克?！?/p>

愛因斯坦哈哈笑道：“您可真會做買賣，把我作為一只良種母雞，舍得花大價錢買去好為你們下蛋?？墒俏易约哼€不知道能不能再下蛋呢。去不去柏林，容我再作幾天的考慮?！?/p>

（摘自《數理化通俗演義》 同心出版社 圖/黃煜博）

本欄編輯：姜煒