爱因斯坦传记(三)

在一个月内，名不见经传的爱因斯坦向德国最有声望的杂志《物理学年鉴》（Annalen der Physik）发表了四篇论文。他挑出分量最轻

的一篇，内容是通过中性物质的稀溶液的扩散和内摩擦来测定原子的大小，寄给了他的母校苏黎士联邦工业学院，毫不费力地取得了博士学

位。另一篇是关于研究悬浮微粒的布朗运动的，也开辟了一个新方向。
    第三篇是著名的光电效应，历史上第一次提出光量子的理论，在发展与相对论并称二十世纪物理学两大基石的量子力学中意义重大，几

年后单凭此而不是相对论就获得诺贝尔物理奖。其实就爱因斯坦的贡献来看，一生完全可以五次登上诺贝尔奖的领奖台。光量子理论；狭义

相对论；广义相对论；统计物理中的玻色──爱因斯坦凝聚；还有我们熟悉的激光的理论工作也归功于他。
    第四篇的论文名字很朴素，叫《论运动物体的电动力学》。然而稍通物理学史的人都知道这是一篇惊世骇俗的文章，它宣布了狭义相对

论的诞生。在这篇文章里，爱因斯坦没有卖弄令人目眩的数学技巧，平实而又深刻是爱因斯坦论文的一贯风格。读懂它并不需要高深的数学

知识，但更需要革命性的思想和与日常经验决裂的勇气，尤其是在当时。
    爱因斯坦提出的假设很简单，第一，我们无法确定相对静止的物体到底是处于静止状态还是匀速运动状态。因为绝对静止的空间不存在

了，一切静止都是相对的。第二，光在真空中的速度永远不变而且不可超越，它与光源的速度无关。也即，对于站在地面上的人看，20米/秒

的车上发出的光和即使以光速飞行的火箭（当然是不可能的）上发出的光的速度是一样的，均为30万公里/秒。
    从这两个假设出发首先得出的古怪结论是：所谓"同时"是相对的！假设我们站在地面上，一架飞机从我们面前匀速飞过。在我们地面上

的人看来，我们右边的人挥起手的"同时"左边的人弯下腰，而在飞机上的人则坚决不这样认为，他们认为我们右边的人先挥手，而左边的人

后弯腰。与此相反，在飞机上的人认定机头处空中小姐不小心打破只碟子的"同时"机尾处的乘客点燃支香烟，而地面上的人异口同声地说碟

子先落在地上然后香烟才被点着。
    荒谬吗？我奉劝各位不要带着秒表上飞机一证真伪，因为"同时"事件在另一群人眼中的时间差是千万分之一秒，你可不具备那个反应能

力。而这又是由于飞机的速度尽管达到几百米每秒，比起光的速度，30万公里/秒，还是望尘莫及的。不过这样也不错，至少平时说"这两件

事同时发生"时不用再地加上诸如"在我们这群相对静止的人看来"之类的复杂状语了。
    为了更好地解释狭义相对论，爱因斯坦设计了一个著名的思想实验。所谓思想实验，就是在地球上的实验室无法实现的条件下作的假想

实验，因为跨入二十世纪以来，人们对通常状态下的物质研究几乎穷尽，动辄就研究绝对零度的低温或者上亿度的高温，速度接近光速的运

动或者万万分之一米长度的空间。这对爱因斯坦这位思想大师来说轻车熟路，并很快成为他在学术上进攻或者防守的利器。
    爱因斯坦这样假设："观察者M站在铁路边上，在沿火车前进方向上有一个点B,在运动相反方向同样距离上有一点A，某一时刻A和B同时闪

电，观察者M自然认定这两个点是同时闪光的，因为光的传播速度不变，而他又恰好站在两个闪光点的中心。"
    "假定在闪电时，有一列车从A点到B点方向运动。在两道闪电的一刹那，在火车内的观察者N恰好在与地面观察者M相对的位置上，但N正

向闪光点B运行，而离开闪光点A,自然他看到B点的闪光比A点的早，但他知道他是在运动中的，根据自己运动的速度，也很容易得出两道光是

同时发生的结论。"
    但根据前面两个基本假设，同样可想，火车是静止的，而地面正在向后运动。因此，火车上的观测者N是相继看到那些闪光的，因而他得

出B点发光比A点早的结论。他又知道自己的位置是在两个闪光的中间，由于他认为自己是静止的，所以他不得不断定他看到的头一个闪光比

他看见的下一个早。"
    有趣的是地面上的观测者M也不能不同意这个结论，他的确看见两个闪光是同时发生的。但既然现在他是被假定运动着的。当他考虑到光

速和他是在向发光的A点运动着这一事实，也作出B点闪光比A点早的结论。
    总之一句话，对于闪电是否同时发生的问题，我们不能一口咬定是或不是，而是要就选定的参考系来回答。
    你可能已经迷惑了，但再往下推导更会导致你意想不到的结论。比如说"尺缩效应"和"钟缓效应","质增效应"。"尺缩效应"指在你面前有

把尺子，当它相对你运动的时候，你会发现它的长度缩短。
    而"钟缓效应"指在运动的参考系里时钟会变慢。比如，在地面上和飞机上各有一人手那时钟，这时飞机上一只鸡蛋落在机舱的地板上。

从鸡蛋脱手的那一瞬间开始，机上和地上的人同时开始记时，到落地时止。结果是地面上的人测出的时间长一些。换句话说，在地面静止的

人看来，处于运动状态的物体时间变慢。
    "质增效应"是指运动中的物体质量增加。譬如一筐一斤重的鸡蛋，如果它飞得足够快，我们在地面上静止的人称来重量会达到五斤。它

飞得更快的话，会毫不犹豫地将地球上最大的磅秤压歪。但它永远也到不了光速，不光是鸡蛋，任何有质量的物质的速度都绝对达不到光速

。光也是一种物质，它的速度之所以能臻极限，原因就是光本身静止时是没有质量的。当然，你若据次推理出质量越小的物质跑得越快，显

然是荒谬的。
    至此相对论的费解可见一斑。而在爱因斯坦出名后，有一段时间里很多人在"弄懂"了自己的相对论后，忙不迭地再向自己的亲友介绍。
    还是有部分人自始至终地困惑。一次，一位大学生找到爱因斯坦请教为何时间时快时慢。爱因斯坦不愿再制造玄想，他的幽默发挥了作

用，"朋友，当你夏天坐在一个火炉旁，你会觉得一分钟是一小时，而当你坐在一个美丽女郎身边时，一小时就象一分钟，难道不是这样么？

"，大众媒体对相对论也异乎寻常地加以关注。从牛顿时代以来，观众们第一次渴望了解高高在上的物理学家们到底在弄些什么，虽然其中猎

奇的心情远重于对科学精神的景仰。很多哲学家，神学家，印象派画家，现代派诗人，专栏作家，以及各行各业的人纷纷在报刊杂志上撰文

用自己的语言表达自己对相对论的理解和认识。
    最后推导出来的公式更是威力惊人，它是由爱因斯坦在发表狭义相对论后一个月在另一篇论文中提出的，在今天则几乎是条成语。它就

是"E=MC2"，表示能量等于质量乘以光速的平方。留心的观众会注意到，在好莱坞的电影和动画片中如果要刻画一位资深教授，则会让他在黑

板上写上一些不知所云的杂乱公式后，重重地补上E=MC2这几个大字的。
    能量等于质量乘以光速的平方，即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊心动魄的，几百年以来所毫无疑义的，

不，甚至人类自诞生来就模糊意识到的质量守恒定律被破坏了。质量和能量本身并无区别，而且可以相互转换。即使是最前卫的哲学家也会

吸口冷气，太不可思议了。但不管哲学家怎么喋喋不休地发挥思辨的威力，物理学家是不屑一顾的，他们只认定确凿的事实和严密的逻辑。

物理学家和自然哲学家都是研究世界的奥秘的，但在这一点上，两者有本质的区别。
    而在绝大多数人眼里，能量等于质量乘以光速的平方，即能量是质量的九百万倍，多么诱人的前景呀。指甲盖般大小的物质的质量如果

完全消失，其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的。我们这个星球从进入工业化社会以来，能源问题就仿佛人类脖子上的绞索，越勒越紧。
    甚至在本世纪的九十年代，一个超级大国在海湾名为抗击侵略实为保障石油供应的畅通还狠狠地开过一仗。而相对论诞生了，能量似乎

唾手可来，无数的科幻小说展示着在能量极大丰富的年代里，机床永不停息地转动，电线纵横四野，地球上即使最阴暗的角落也装上了电灯

，到处一片光明，因为我们这个星球别的没有，质量可大得吓人，我们可以一点一点象吃面包一样将地球的质量全变成能量。
    然而当记者兴致勃勃地向爱因斯坦教授提出灿烂的前景时，这个老实人摇头否认了："这根本不能，没人能随便减少质量，上帝未必会允

许开这个玩笑。"
    仔细想想，我们何尝能够轻易地将物质的质量消除掉。譬如一块石头，我们尽可以用锤子砸成小块，然后碾成碎末，可是当你仔细地收

集这些碎末后就会发现它的质量并未变化。就算是化学反应，当我们耐心收集在空气中燃烧的煤炭的生成物，包括水蒸气，二氧化碳，煤渣

之类的物质，并放在天平上后，我们一定会失望地低下头。
     看来是不可能了。但是爱因斯坦当时的话也说得过满。可能即便是他也未曾料到科学发展的势道惊人如斯。上帝的玩笑也有人敢开了。
    十几年后，德国物理学家发现在核裂变前后质量出现了亏损，虽然亏损质量微不足道，但是带来的后果是可怕的。仅仅在几年后，人类

第一颗原子弹在美国爆炸成功，紧接着rib人遭受了自基督降世以来最残酷的惩罚，几十万人死伤，其中一部分人瞬间还被原成基本粒子，真

成了魂飞魄散。E=MC2在给人间带来希望之前，带来的先是致命的创伤。当然，这一切对于深爱和平的爱因斯坦来说无疑是一记重拳，直至临

死前他为此仍耿耿不已。
    不过总的来说，我们尽管以种种或好奇或欣赏的角度来看相对论，但是它离日常生活委实过远。所以人们在白天惊讶地讨论完相对论带

来的后果之后，晚上仍可以高枕无忧地阖上眼睛。
    但是如果我们生活在一个光速可轻易接近的社会可就大不一样了。让我们假想这样一个星球：
    首先在这个星球上拥有人数最多的职业是哲学家。他们自小就深刻地理解任何运动都是相对的这一观点。因为即使在孩童的眼里，玩具

一运动起来长度就会变短，这在地球上非把小孩吓哭不可。孩子若想看见自己父母的真实脸孔，非得让他们静止不动。他们能够平心静气地

面对一切变化，也因为从小他们就在不确定中长大。
    他们的计时系统是繁琐的。你要想弄清楚标准时间，首先要考虑的是你处于什么状态。当然是相对星球上所规定的标准静止系来说的。
    这些人的语言是索然无味的，同地球人相比，他们加入了很多复杂的定语和状语，而且定语和状语的地位与主语和宾语是平齐的。这个

民族长于思辨，然而在展示他们的文采时就不免大打折扣了。
    他们个个绅士风度，无论走路还是开车都是慢条斯理。他们的行动稍一变快就会损坏路面而给政府带来不必要的负担。但他们还是常常

在运动中，读书看报亦是如此，这样可以充分地利用时间。
    当然他们也如绅士般的胸襟宽阔，能容忍一切错误，因为要想绝对精确地存活在那里几近幻想。
    比如一早在地铁站，两个小伙子在等车，下面是他们的对话：
    "嗨，老兄，你好。请问在静止的地面上看现在几点了？"
    回答的人立刻站稳，然后说："在静止的地面上看是七点五十四分。"
    第一个人点点头："火车还有一分钟就要到站，那我还可以花半个小时吃完这块面包，再读完今天的早报了。"言毕，他就匆忙地走动，

虽然在静止的人看来面包加重了胃的负担，但他本人显然意识不到，请注意他身体也是在运动中的。
    等半小时后他回到这里时，尽管百般注意，地板上还是被踩了个坑。在他低声抱怨政府在施工中时偷工减料声中，火车进站了。
    两人在火车上继续讨论。
    "你看，窗外那个姑娘身材真不错。"一个由衷地赞叹到。
    "老兄，你又犯错了，她相对我们是运动的。所以在现在我们看来很完美的身材下车后再看一定会大失所望的。"
    但是最大的麻烦的不是在一般性的谈话中，而是在法庭审判中。看，现在法官一筹莫展了。案子本身很简单。在两辆对开的列车上，两

个人互朝对方射了一枪。显然，一人行凶应处极刑，另一人自卫应当释放。可谁先开的枪呢？双方都有满车的人作证是对方先动的手，而且

证人们都是品性良好，素无犯罪记录的守法公民。
    好了，让难题留给法官来解决，我们则从荒而不谬的想象中走回来。
    显然爱因斯坦在接受鲜花和掌声的同时，也面临着无数人的驳斥与挑战。当然反对最大的声音来自物理学家自己的阵营，这里包括许多

成名已久的人物，比如英国皇家学会会长汤姆逊勋爵，还有以寻找以太的实验而名动天下的迈克尔逊教授，这位执著的先生可谓九死不悔，

直至1932年还在奋力追寻并不存在的以太。
    太多的人以经典物理的卫道士自居，他们人人手持大棒，头罩钢盔，虎势眈眈地盯着这群试图把牛顿拉下马的"暴徒"们。而爱因斯坦和

他的少数派支持者们坚定地手挽着手，细弱的声音终于会聚成洪亮的口号："革命！革命！"这不是十月革命时的俄国，但是人们热切期盼的

心情何等相似呀。
    爱因斯坦可以把他的一些无聊的对手的攻击象蛛丝般轻轻拂去，然而对那些和他一样认真而严肃的对手的挑战则不可等闲视之。
    这时有人提出著名的"双生子佯谬"。一对孪生子自小就惨遭分离，哥哥被塞入一艘以近光速运行的宇宙飞船飞离地球，弟弟则眼巴巴地

看着哥哥飞走。弟弟如果懂相对论，一定会想，哥哥在高速运动的宇宙飞船中长大，他那里的时间比地上慢得多，有朝一日我们兄弟俩再见

一面，我成了步履蹒跚的老翁，哥哥则正是青春少年时，那时将真是会感慨万千呀。可是与此同时，哥哥在羡慕留在地球上的弟弟，弟弟的

世界以那么快的速度离我而去，他们的钟表一定走得很慢，他会比我年青得多哩。问题是两人一见面，究竟会怎么样？不能简单地回避二人

见面的可能性。
    问题是在狭义相对论中自始至终都是有这样一个前提，运动都是是简单的匀速直线运动。而如果哥哥确实想见到弟弟，则须先减速到静

止，再回头扑向地球。这其间就不属于狭义相对论的范围了，它要由后来的广义相对论来解决。
    1916年，他与格罗斯满曼合作的论文《广义相对论纲要和引力理论》正式发表，正如爱因斯坦所料，一石再激千层浪。
    静寂已久的物理学界从未象这次一般阵线分明。保守的一派在狭义相对论发表时觉得爱因斯坦只不过还在变魔术；到广义相对论发表时

，人人都在摇头，都说一个天纵其才的物理学家就此精神失常，即使原来很多支持爱因斯坦的人也认为他走得太远，而少数真正革新的一派

则信心满怀，他们坚信新的时代即将到来了！。