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数理化通俗演义: 第六十一回天马行空 小职员发表高论，价值连城 短论文装备大军——狭义相对论的创立
上回说到以太说虽经多方改良但已很难维持局面，这时有人便乾脆提出一个全新的革命学说，此人就是爱因斯坦(1879－1955)。 1905年当物理学界正被天空出现的两朵乌云所困扰时，爱因斯坦正在瑞士伯尔尼专利局当一个三级小职员。他已经想清楚这个问题，提出了一个崭新的“相对论”。 各位读者，这相对论实在难懂，据说当时全世界只有三个人能弄懂它。爱因斯坦成名之后许多人慕名去听他的报告，但又常常听不懂，后来爱因斯坦也摸着这些听众的心理，总是在报告的前半部分讲些热情洋溢的话，然后宣布：“现在休息，那些对下面问题不感兴趣的女士、先生们可以退场了。”爱因斯坦很羡慕卓别林的电影拥有众多的知音。一次，他们见面了，爱因斯坦说：“卓别林先生，您真伟大，您演的电影全世界人人都能看懂。”那位幽默大师立即说：“您也很伟大，您的相对论全世界几乎没有几个人能够弄懂。”相对论如此难懂，我们就只好深理浅说，长话短叙，先简单交待几句再讲爱因斯坦的故事。 迈克尔逊实验证明，无论顺着还是逆着地球运动的方向光速都是一样。爱因斯坦就紧紧抓住这一点把它固定下来，叫光速不变原理。就是说光源无论是向我们跑来、离去或静止都不能改变光速。这是因为光源的运动造成光的频率和波长的改变，它们互相补偿，所以光速保持不变。这是爱因斯坦理论中基本的一条，有它为前提才能讨论以后的问题。这好像很难懂，但我们用实际生活中的例子一比也就十分清楚了。比如你原地不动，对面有人向你扔过一个皮球来。你能看到他的头、脸、身、手和皮球，这当然是因为光从他身上反射到你的眼里。如果按照经典的速度合成原理，球一出手后就有一个向你而来的速度，这时球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手前要快(多出一个球速)。但是这一“快”就糟了，你就会先看到正在空中的球，后看到拿在手里的球。如果真是这样，我们怎么能看篮球比赛呢，生活中的一切动作岂不都要颠倒过来？所以无论光源如何动，光速总是不变的。经典理论的速度合成原理一碰到光速就不适用了。在天文观察中也能说明这一点，有一种“双星”是在轨道上互相绕着运行，就是说某星一会儿向地球飞来，一会儿又绕走了，离地球而去。如果按速度合成原理这麻烦就更多了，这星会以光速加星速、光速减星速(星速对地球来说又在不断变)等不同速度接连送到我们眼里。我们看到的就不是一颗星，而是一大堆星的幻影了。可是这种现象从没有发生，否则本来就够纷乱的星空就更是一锅粥了。当然，爱因斯坦还有许多具体的证明，我们这里不过是尽量从浅处说明罢了。 既然承认光速不变，我们就有了一个标准尺度，用这个尺度来量时间，这下可发现了一个大问题－原来时间却没有个固定标准，它是相对的，可变的。这就碰到了牛顿经典物理学最要害的地方。牛顿认为时间和空间都是绝对的，自从上帝将它创造好后就在那里安安静静地存在，独立地存在，与外界任何事物无关。现在爱因斯坦说：不，在两个作匀速直线运动的参照系中，一切自然规律都是相对的。在这个参照系里观察是静止的，在那个参照系观察就可能是运动的，不单力学实验，连光学实验，任何实验也测不出绝对运动和绝对时间。因为我们用眼睛看表，看到的是表发来的光信号，而光的传播需要时间，我们所处的位置不同，看到的时间表面上相同，实际已经不同了。从月球到地球，光约走1.25秒，地球上红光一闪，一颗炸弹爆炸，在月球上的宇航员和地球上的人都“同时”看到了这一闪，可是实际上月球上的宇航员比地球上的人要晚看到1.25秒。我们平时总觉得同时、同时，那是因为光速太快，这种误差根本觉不出来。所以爱因斯坦在给人讲相对论时常先在黑板上划一条白线，幽默地说：“请你们想像这是宇宙中的一条线，在这条线的每一个点上都挂着一块表”。他讲到高兴时常常过了点，便问前排的人现在几点，然后抱歉地说：“对不起，我给宇宙里的每一处都挂上一块钱，可是没有能给自己口袋里挂一块表。” 在确定了光速不变，抛弃了牛顿的绝对时空观后，爱因斯坦得出这样几个重要结论。 第一，便是看来很不可信的“钟慢尺缩”。就是说在运动中的钟会比静止时走得慢，尺子也会缩短。我们平时处在低速运动中当然不可能觉察，但是如果以每秒26万公里的速度运动时，一米的尺子就会缩成半米，地上过了一小时，运动中的时钟却才走了半小时。一个人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行，当他归来时会奇怪地发现，儿子已白发苍苍，而自己却还那样年轻。这样的试验我们当然还不能做，但是同样道理的实验却完全可以证明运动中的钟确实会变慢。前几回我们讲到原子的放射性时，已经知道了什么叫“半衰期”。某一种基本粒子的半衰期是固定不变的，因此我们可以把它看成是一个“钟”。根据相对论，运动粒子比静止粒子的半衰期就应该长一些，实验结果，从粒子加速器里出来的以接近光速的速度运动的粒子比其他静止的粒子确是衰变得慢。 相对论的第二个结论是揭示了质量和速度的关系，运动中的物体比静止时质量增加。第三个结论是讲质量和能量的关系，这就是那个极其著名的爱因斯坦方程： E＝mc^2 过去我们讲过质量守桓定律和能量守桓定律，而爱因斯坦现在却把两个定律统一在一个公式里了。E是能量，m是质量，c是光速。从公式中可以看出，每一点物质，只要它有质量(这是当然的)，那怕是石块、木棍、尘埃都含有极大的能量，因为光速是一个很大的数字。比如1公斤煤，完全燃烧后只能放出3.35×10^4千焦的热，这只是它所蕴藏的极小的一部分能量，如果能把它的全部能量都释放出来就有9.04×10^14千焦。这相当于一个大城市几年消耗的电力。而每克物质所含的能量就有8.37×10^11千焦。可惜我们现在还没办法将它们全部释放出来。 好，办不到的事我们先不去说它，但是自然界切实存在的事却可以来验证这个公式。很久以来人们一直不理解太阳为什么能如此长期地燃烧而不灭。开始人们解释说太阳就像一块大煤在持续燃烧，可是一算这块煤顶多够烧1500年，而太阳系已存在了几十亿年了。放射性发现后人们又猜测太阳是一块大铀在不断地衰变而放出能量，这样倒真可以持续几十亿年。但是，很可惜太阳不是铀构成的，正好相反它是氢、氮这类的轻元素构成的。到本世纪的二、三十年代，人们用爱因斯坦的公式来解释太阳聚变释放能量的过程才圆满地回答了这个问题。这样，爱因斯坦的这个质量等价定律使经典物理学中不能称重的能量也变成可以称一称了。现在我们已经可以算出一个10瓦的灯泡每分钟发射的光轻于7×10^-12克，但是每天太阳放出辐射能，其损失的质量将达4×10^11吨。电磁场也可以称量，一个1米直径的铜球充电到1000伏的电势时，它周围的场重2×10^-22克，一个普通实验室里的磁场重10^-15克。热能也可以称量，一公升水在100℃时比同样数量的冷水重10^-20克，一个两万吨级的原子弹所释放的总能量约重1克。 各位读者，这个爱因斯坦真正是不简单，我们平时谁会想到光、热、电、磁是可以称出重量的呢？而他想到了，并且还找到了切切实实的换算办法。人们过去对能量守恒和质量守恒的研究，就如在一座大山的两头挖着隧洞，两条洞就要衔接了，可是彼此谁也不知道。这时爱因斯坦是来举起镐头轻轻这么一敲，两洞之间的隔壁就轰然倒塌，质能之间有了一条可以随意畅行的坦途。这就是科学研究的突破，这就是飞跃。凡科学伟人都是善于找见这个问题与那个问题，这个领域与那个领域之间的结合部、联系点，从而打出一个新的天地，或者将过去人们在向科学进军中建立的分散根据地沟通联成一片。科学成果的取得像我们政权的取得一样，也是这样由小到大，由分散到统一。我们回想一下前面讲过的几个科学伟人，牛顿对比了月亮、苹果之间的重力联系，创立了万有引力；法拉第找见了电磁间的联系，使磁变成了电；麦克斯韦弄清了电场磁场间的联系，创立了电磁场理论。现在爱因斯坦又找见了质能之间的联系，创立了相对论。人类在征服自然中就是这样步步登高，视野愈来愈宽阔。治学之大敌是甘做井底之蛙，只见头上的一眼蓝天而不知世界之大。 这个道理说来容易，但为什么总是只有少数伟人才能做到这点呢？自然那牛顿、法拉第、麦克斯韦各有其长，而爱因斯坦更有他的特殊之处。 爱因斯坦1879年3月14日生于德国南部的乌尔姆小镇。这个小镇就是当年笛卡儿在梦中发现坐标系的地方，而1879年又正是麦克斯韦完成了他在人世间的伟业后开始长眠之时。真是天将降大任于斯人而精心选择了此时此地。他并不像其他科学家那样小时候就聪慧早熟，四、五岁时还不大会说话，以至于父母真怕这孩子会痴傻，中学毕业时又没拿到毕业证。但是他却很喜欢抽象的思维，刚上中学时领到一本新几何课本，他立即被那里面严密地逻辑证明迷住了，以至于老师还没有正式开课，他早把这本书自学完了。他喜欢自己学习、思考，他讨厌学校那种强制性的教学法，他说：“依我看，学校若主要靠恫吓、威胁和人为的权威教学，那是最坏的。这种教学方法摧残了学生们的健康感情、诚恳正直和信心，培养出来的是唯唯诺诺的庸碌之辈。”爱因斯坦是一个天生不愿受任何约束的人，他大学毕业后在伯尼尔专利局当一名审查专利的小职员，这给他提供了一个自由的环境。他与其他三个青年人组织起来成立了自己的“奥林匹亚科学院”，经常东南西北地乱扯闲谈，从物理到哲学无所不包，而新思想就在这种碰撞中闪出了火花。大凡一种新科学思想的生成，一是要有充分的外部自由，没有什么旁加的干涉和硬派定的题目，纯出于研究者自觉的兴趣，自由地干他所想干的事，如牛顿在家乡躲瘟疫而发现万有引力，如孟德尔在修道院发现遗传规律，如卡文迪许把自己关在房里发现氧气。二是要敢想，如哥白尼敢把旧天文学倒转过来，如赫胥黎敢想像人是猴子变的，如普朗克敢把连续的辐射想像成不连续的能量子。爱因斯坦就具备了这两条。他还是一个16岁的中学生时，就想：要是人和光速一样快地运动，会是什么样子。他26岁时在专利局作着小职员，听到了迈克尔逊的一系列实验和洛伦兹修修补补的解释，便大笔一挥连续写了三篇论文，提出了上面我们谈到的那些别人无论如何也不敢想的问题。就是那个为相对论扫清了道路的迈克尔逊，至死也不敢相信相对论的原理。1931年，当他79岁第一次见到爱因斯坦时，这位老前辈遗憾地说，“我真没想到，我的实验反倒促成了相对论这样一个怪物的诞生。” 这个“怪物”是在1905年诞生的。爱因斯坦天马行空般的思维，捕捉到了这种绝妙的构思，于是一挥而就，给当时的权威杂志《物理学纪年》写去一篇只有三页的论文。论文中他没有引用任何一个权威人物的结论，全是自己的语言，自己的思想。这篇东西在当时并未引起多大反响，因为它实在太怪了，爱因斯坦自己也说：“推断非常诱人，然而上帝是否在笑我，在骗我，当前还不得而知。”但是以后随着实验的不断验证，这篇论文却变得价值连城。后来，1936年，美国一支志愿军要出发去支持西班牙的反法西斯战争，但是苦于没有军费。他们就派代表去会见爱因斯坦。爱因斯坦说：“我能给你们帮什么忙呢？” “我们只要您1905年的那篇论文手稿。” “这对战斗有什么用呢？” “先生，您的这篇手稿现在可以拍卖400万美元，这正是当前我们最缺少的东西。” “噢，原来是这样。可惜手稿早已散失，不过我可以找来杂志重抄一份。” 爱因斯坦找来那本《纪年》，花了一个晚上将论文重抄了一份，真的靠它武装了一支军队。不但是论文手稿，后来只要爱因斯坦到一个地方讲学，他写过公式的那块黑板，也常常是听课人的必争之物，他们视为最珍贵的纪念。这是后话。 再说，当1905年载有爱因斯坦的《论运动物体的电动力学》一文的黄色封面的《纪年》送到普朗克教授手里时，他正躺在柏林医院里治病。这篇文章就像一支强心针一样使他猛然起身下床，大喊一声：“一个新的哥白尼出现了！”然后立即喊家人拿纸笔来给爱因斯坦写信，“先生，您的这篇文章将会在世界上引起一场什么样的战斗啊！您知道吗？这只有为哥白尼世界观的传播而进行的斗争才能与之相比。可惜我们未曾晤面，我也是第一次拜读大作。请告诉我，您现在哪其工作，我能为您做点什么？” 爱因斯坦回信说：“我现在是专利局的一个三级职员，不过最近他们准备提升我为二级，这样生活问题也可能会好一些。” 普朗克火了，想不到对方竟连个大学的教职也没有得到，他的这些研究是在什么条件下完成的啊。他又立即提笔给伯尔尼的格鲁涅尔教授写信：“我向您推荐一位青年，他是我们当代最伟大的物理学家之一，他就是阿尔伯特•爱因斯坦，请您能帮助他在大学里得到一个教授职务。” 格鲁涅尔拿到信立即找到爱因斯坦，请他送一篇论文来，爱因斯坦送上自己关于相对论的那篇论文，格鲁涅尔自己拿不准，又请搞实验物理的福尔斯特教授来审读。几天后论文退了回来，上面批着“读过了。然而不知道在说些什么。” 因为爱因斯坦发明了一个超出一般人思维水平的怪理论；所以他尽管得到普朗克等少数物理学家的赏识，但还是在本地找不到一个好工作。直到1909年他的母校苏黎世大学才聘他为副教授，后来又到布拉格工作几年，再回苏黎世。而普朗克总不死心，他认为柏林这个欧洲物理学的中心不能没有爱因斯坦，决心要把他挖来。 1913年夏天，一辆火车驶进苏黎世车站。车上下来两个年过半百的学者，瘦一点的是普朗克，那个矮胖子是能斯特。他们今天是专来游说爱因斯坦去柏林的。爱因斯坦手捧一束鲜花早就在车站恭候。自从上次索尔维会议之后他们已结为忘年之交。 普朗克一下车就和这位34岁的青年物理学家热情拥抱，像对自己的孩子那样亲热。接着他们边走边谈。能言善辩的能斯特立即摆出爱因斯坦到柏林后的优惠条件：“知道您是一个喜欢自由的人，但是我们也不能不给您一点荣誉和职务。第一，任威廉皇帝物理研究所所长；第二，任柏林大学的教授；第三，任普鲁士科学院的院士。不过当所长可以不管事，当教授可以不教书，时间全由您支配。另外，其他院士只是名誉，您这个院士却是实任，每月薪水1万2千马克。” 爱因斯坦哈哈笑道：“您可真会做买卖，把我作为一只良种母鸡，舍得花大价钱买去好为你们下蛋。可是我自己还不知道能不能再下蛋呢。去不去柏林，容我再作几天的考虑。” 这次普朗克和能斯特到底能不能把爱因斯坦请去，且听下回分解。 |
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