愛因斯坦和相對論

和新原子物理學(xué)一樣激動(dòng)人心的是　，由于我們對時(shí)間、空間和宇宙的本性有了更為細(xì)致的認(rèn)識(shí)，物理學(xué)的世界正在不斷向更寬廣、更深遠(yuǎn)的方向發(fā)展。第二次科學(xué)革命的這一領(lǐng)域是由于愛因斯坦的偉大工作，他是一位卓越和富有創(chuàng)造力的理論家和唯一堪與牛頓相媲美的思想家。但是要講清楚這一內(nèi)容，我們需要回到麥克斯韋以及他對光的見解。

麥克斯韋引進(jìn)了革命性的方程組，從而驗(yàn)證了電磁場的存在，并且確定了磁、電和光都是同一領(lǐng)域——電磁領(lǐng)域的一部分。他堅(jiān)持說，光是一種波，而不是粒子，他認(rèn)為光是通過所謂的“以太”（ether），一種看不見的媒質(zhì)傳播的。根據(jù)他的理論，這種媒質(zhì)充滿所有空間。但是一些物理學(xué)家開始看出了這里面的問題——問題不是出在麥克斯韋的電磁場方程，而是有關(guān)以太的思想上。

以太問題

麥克斯韋并不是第一位想到，有某種看不見的叫做以太的媒質(zhì)必定充滿茫茫太空，“從星星到星星連續(xù)不斷”。這種思想可以追溯到古希臘時(shí)代。麥克斯韋在1873年的一次演講中說道：“毋庸置疑，行星間和恒星間的太空不是一片虛無，而是被一種物體或?qū)嶓w占據(jù)，它肯定是我們所知的物體中最大的，也許是最均勻的?！?/p>

以太的思想看來是必需的，因?yàn)?，如果光是一種波，就意味著它必須在某種媒質(zhì)中才能傳播。但是，僅僅靠“意味著”，并不是好的科學(xué)方法——如果以太存在，應(yīng)該能夠找到證據(jù)來證明它的存在。

美國物理學(xué)家邁克耳孫想到了一個(gè)辦法。如果充滿宇宙的以太是靜止的，那么地球在以太中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在地球上看來，以太就像“風(fēng)”一樣，迎面吹來。因此，順著以太風(fēng)一起運(yùn)動(dòng)的光束會(huì)被以太風(fēng)帶著走，而逆著以太風(fēng)的光束應(yīng)該走得更慢。邁克耳孫1881年在德國隨亥姆霍茲一起研究時(shí)，建造了一種叫做干涉儀的儀器，可以把光束一分為二，它們相互垂直運(yùn)行，隨后又重新匯合　，通過這一方式，就有可能以極高的精確度測量光線在順著以太風(fēng)和逆著以太風(fēng)時(shí)的差異。

邁克耳孫完成了這一實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果卻讓他困惑——光束分成兩半后的速率并沒有差別。他的結(jié)論是：“靜止以太假說的結(jié)果被……證明是不正確的，由此得出的必然結(jié)論是，這一假說是錯(cuò)的?！?/p>

但是，也許他的結(jié)果是錯(cuò)的。于是，在1887年，他和莫雷一起，在美國俄亥俄州的克利夫蘭做了一個(gè)試驗(yàn)。他們運(yùn)用改進(jìn)后的設(shè)備，針對每一個(gè)可以想象的環(huán)節(jié)都采取了措施以避免誤差。應(yīng)該說，這一回肯定能夠成功地檢測到以太了吧?？墒牵瑢?shí)驗(yàn)再次以失敗告終。

結(jié)果，邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)成為科學(xué)史上最有名的失敗實(shí)驗(yàn)。他們的出發(fā)點(diǎn)是研究以太，可結(jié)論卻是以太并不存在。但如果這是對的，光怎么可能在缺乏媒介的情況下以“波”的形式傳播呢？實(shí)驗(yàn)還表明，光的速度是常數(shù)。

這是一個(gè)完全出乎預(yù)料的結(jié)論。但實(shí)驗(yàn)極為謹(jǐn)慎，結(jié)論不容反駁。當(dāng)時(shí)物理學(xué)界元老之一的開爾文勛爵在1900年皇家學(xué)會(huì)的演講中講到，邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn)“以高度的細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)從而確保結(jié)果的值得信賴”，卻是“針對光的機(jī)制投下了一朵烏云”。

這一結(jié)論使各地的物理學(xué)家感到困惑。以太存在的想法是錯(cuò)的——但是，如果真是這樣，那么，光作為一種波，沒有供其運(yùn)行的媒質(zhì)它又怎么能夠傳播呢？

邁克耳孫和莫雷一起，在1887年證明空間不存在靜止的“以太”。

再有，邁克耳孫-莫雷的結(jié)果看來使得牛頓的相對性原理也成了問題，這一原理已有200年之久，且已得到滿意的驗(yàn)證：物體的速度可以不同，這取決于觀察者的參照系。假如有兩輛車沿高速公路行駛（1887年沒有很多的車或高速公路，但你可以借用這一概念），一輛車每小時(shí)55千米，另一輛車每小時(shí)54千米。在慢車司機(jī)看來，快車的速率只不過是每小時(shí)1千米。但為什么光速卻不是這樣？

邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)恰恰證明：光速總是常數(shù)——不管以什么作為參照系。如果宇航員的太空船正以每秒299 000千米的速率航行，旁邊有一束光（光速為每秒300 000千米），他看到的光不會(huì)是每秒1 000千米，而是恒定的每秒300 000千米。光速是一個(gè)普適的絕對值（當(dāng)然，沒有任何太空船能夠接近這一速率）。

邁克耳孫和莫雷揭示了科學(xué)作家所謂的“自然界深?yuàn)W之謎”。然而，不出5年，有史以來最偉大的科學(xué)家之一，正是抓住光速不變的思想，開始用他的狹義相對論理出了頭緒。且慢，還有另一場革命也正在醞釀之中。

量子奧秘

普朗克不像是那種發(fā)動(dòng)革命的人。他是一位瘦高個(gè)子，安靜而又不失威嚴(yán)——有人說他“乏味和書生氣十足”——不管是在物理學(xué)還是在生活中，他都忠于傳統(tǒng)和權(quán)威。

普朗克在1900年解決“黑體問題”時(shí)，初創(chuàng)了量子理論。由于這頂工作，也獲得了1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

普朗克1858年出生在德國的基爾，后來隨家遷到慕尼黑。父親是一位民法教授。他不是一個(gè)早慧的孩子，9歲開始受教育。他的童年生活乏善可陳，大學(xué)生活也差不多。但他在柏林大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)時(shí)，授課老師中有這樣一些受人尊敬的德國科學(xué)家：亥姆霍茲、克勞修斯、基爾霍夫。他應(yīng)付學(xué)業(yè)完全沒有問題，但也看不出有什么特長。他做博士論文選的是熱力學(xué)，因?yàn)樗澷p克勞修斯在這個(gè)領(lǐng)域里的工作，但是他的論文反響平平。所有跡象表明，他追求的就是一種波瀾不驚的生涯。即使在1889年擔(dān)任了柏林大學(xué)教授職務(wù)之后，他依然循規(guī)蹈矩。確實(shí)，他選擇熱力學(xué)作為自己的專業(yè)看來很難有重大突破。實(shí)際上，當(dāng)他最初步入科學(xué)生涯時(shí)，他的教授中有一位就警告過他不要從事物理學(xué)，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)到頭了，所有偉大的工作已經(jīng)完成，給新物理學(xué)家留下的，只不過是清理少數(shù)次要細(xì)節(jié)的煩瑣事務(wù)而已。

非常巧合，在熱力學(xué)領(lǐng)域的“次要細(xì)節(jié)”里有一項(xiàng)是所謂的“紫外災(zāi)難”，這個(gè)名稱如此醒目，足以引起人們關(guān)注。它源于黑體輻射現(xiàn)象所引出的問題。

物理學(xué)意義上的黑體，就是能夠吸收所有頻率的光而決不出現(xiàn)絲毫的反射現(xiàn)象。理論上，由于黑體吸收所有的頻率，當(dāng)它被加熱時(shí)也應(yīng)該輻射所有的頻率。問題就在這里。物理學(xué)家預(yù)料高端的頻率數(shù)應(yīng)比低端的頻率數(shù)要大得多——因?yàn)楦哳l率具有更短的波長，因而可以更多地充斥于黑體中。所以，黑體輻射問題就是，如果一個(gè)物體同等地輻射所有頻率，高頻范圍內(nèi)的輻射數(shù)將大大超過低頻范圍內(nèi)的輻射數(shù)。這樣一來，幾乎所有的輻射都應(yīng)當(dāng)屬于高頻，也就是說，處于光譜的紫外端。

但情況卻不是如此。在　19世紀(jì)　90年代沒有人能夠用物理理論解釋為什么會(huì)是這樣，盡管肯定有個(gè)別人做過這樣的嘗試。

正如物理學(xué)家西格雷1980年在他的《從X射線到夸克》（From X-Rays to Quarks）一書中所寫的：“普朗克對基本而普遍的問題之鐘情，驅(qū)使他研究黑體問題，這個(gè)問題與原子模型或者其他特定假設(shè)沒有牽連。他鐘情于絕對，黑體就是這樣的問題?！?/p>

普朗克也許一直都是保守人士，也許還很古板　，但是他追求精益求精　，即使他從不奢望做大事情。他小時(shí)放棄學(xué)習(xí)鋼琴，是因?yàn)樗J(rèn)為他不能成為大鋼琴家，只能成為好鋼琴家。黑體問題對他有吸引力，是因?yàn)樗邪盐铡慵荚谀抢?，哪怕它們散亂如麻。他所要做的就是把它們放在桌面上，進(jìn)行歸類、按正確的方法使它們井然有序。沒有人做過這件事，但是他肯定自己能勝任——于是這一份小小的榮譽(yù)也許非他莫屬。

他用了6年多時(shí)間終于找到答案，這個(gè)答案的發(fā)現(xiàn)，使物理學(xué)再也不同于從前。因?yàn)椋谄届o地解決黑體輻射之謎后，普朗克發(fā)現(xiàn)了一條關(guān)鍵的原則，一旦其他科學(xué)家驗(yàn)證了這一原則，我們對世界的認(rèn)識(shí)就永遠(yuǎn)地改變了。

正如一位科學(xué)史家說的：“普朗克好比是這樣一個(gè)人，在火尚未發(fā)現(xiàn)之前，他要找到最好的方式來鉆孔，經(jīng)年累月，甚至數(shù)十年，在他能找到的各種材料上，以各種能夠想象的方式鉆孔。就在這一過程中，偶然地發(fā)現(xiàn)了火。”

1900年，普朗克在直覺的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)簡單方程，可以精確描述整個(gè)頻率帶的輻射分布。他的基本假定是這樣的：如果能量不是無限可分，情況會(huì)怎樣？如果能量也像物質(zhì)一樣，可以以粒子或者波包的形式存在，或者就存在于他所謂的“量子”里（quantum，這個(gè)詞原來是拉丁文，意思是“有多少”）？

普朗克還發(fā)現(xiàn)，這些量子的大小與輻射頻率成正比。因此，低頻的輻射很容易發(fā)生——它只需要小的能量波包或者能量子。但是，要達(dá)到兩倍高的頻率，輻射也許就需要兩倍的能量。

換句話說，根據(jù)普朗克的思想，能量只能以整量子的形式發(fā)射，物體在低頻下輻射比較容易——不需要太多能量就能組成一個(gè)能量子。但是在高頻下，要把相當(dāng)于一個(gè)量子的能量集中于一起并不那么容易。在光譜高頻端輻射所需的能量子是如此之大以致它極不容易發(fā)生。所以，黑體并不等同地輻射所有的頻率——這就是所謂“紫外災(zāi)難”的關(guān)鍵所在。

只有當(dāng)溫度升高，高頻輻射所需要的更大的能量子才比較容易形成——因此，這些頻率下的輻射變得更容易了。這就是為什么一個(gè)較低發(fā)熱體（如人體）只在紅外光譜區(qū)域內(nèi)輻射的原因。鐵棒加熱到相對低的溫度就能發(fā)出紅光，但是當(dāng)它加熱到更高溫度時(shí)，它的顏色就會(huì)發(fā)生變化，先是橙色，然后是黃色，最后是藍(lán)色。

輻射頻率與能量子大小之比是一個(gè)常數(shù)h，稱為普朗克常數(shù)——現(xiàn)在公認(rèn)為是宇宙基本常數(shù)之一。

普朗克解決了黑體之謎，但是一旦解決方案在他面前展示其全部含義時(shí)，對于他所看到的這一最終圖景，他卻高興不起來。他不希望看到經(jīng)典物理學(xué)遭受破壞，可量子理論做的就是這件事。還有，他知道，由他所開始的事情不可能再停止下來。理論的力量是如此之大，即使它的含義使他不安?！拔覀儽仨毢土孔永碚撓嗵帯?，他在作結(jié)論時(shí)講道：“相信我，它還會(huì)蔓延……它將深入所有的領(lǐng)域。”

不過，普朗克并不是全面推廣量子理論的人。

在他的余生中，他以發(fā)現(xiàn)量子而著稱，但他卻一直致力于，使得他那令人不安的發(fā)現(xiàn)和他所鐘愛的經(jīng)典物理學(xué)相協(xié)調(diào)。這一努力注定要失敗?！岸嗄陙恚彝饺坏叵胍够玖孔优c經(jīng)典理論相協(xié)調(diào)，為此我嘔心瀝血”，他在生命接近終結(jié)時(shí)這樣寫道。但是他信奉他一貫使用的那種客觀、理性方法的明晰性。

“我的許多同事幾乎把這件事看成是一場悲劇，但是我不這樣看，因?yàn)樵谶@一過程中，我的思想得到了深刻的澄清，它對我來說珍貴無比。現(xiàn)在我可以肯定，作用量子比我原來想的，具有更基本的意義?！?/p>

在第一批認(rèn)識(shí)到量子基本意義的人當(dāng)中，有他的一位德國同胞，把他的理論用于解決另一個(gè)令人困惑的物理學(xué)的奧秘上，并以其獨(dú)立和革命性的思想推進(jìn)科學(xué)，最終和普朗克一樣，回到量子的奧秘，并把自己的余生鎖定在與量子理論有關(guān)的論戰(zhàn)中。

愛因斯坦和光電效應(yīng)

如果普朗克以保守性而著稱，那么，愛因斯坦就完全以叛逆者的形象出現(xiàn)：他寧可孤軍奮戰(zhàn)，在思想的最高領(lǐng)域里神游，不屑于一般人的日常事務(wù)。愛因斯坦曾經(jīng)這樣解釋，他已經(jīng)在科學(xué)中擺脫了“我”和“我們”。他在思考中寧可代之以“它”。作為一位智者和“祖父般的”老人，他在晚年贏得了“圣者”的聲望，成為古怪而又可愛的精靈化身。但是在他的年輕時(shí)代，以及在他取得最大成就的階段，他也許表現(xiàn)出粗魯、不耐煩、任性和自私。就像最偉大的前輩牛頓一樣，他對自己的天賦充滿信心，走自己的路，給自己提出挑戰(zhàn)，對他所謂“受愿望、希望和原始感覺支配的……純粹個(gè)人的鏈條”，一點(diǎn)也不在意。

愛因斯坦，所有時(shí)代最偉大的物理學(xué)家（這一點(diǎn)是可以論證的）。

1879年，愛因斯坦出生于德國烏爾姆，這一年，19世紀(jì)最偉大的理論物理學(xué)家麥克斯韋去世。愛因斯坦性情孤僻，即使在童年和早期學(xué)校時(shí)代就是如此。作為一個(gè)早熟的孩子，生性孤獨(dú)，有時(shí)也感到痛苦。由于厭惡德國學(xué)校體制的嚴(yán)格管理和墨守成規(guī)，他寧可自學(xué)。他后來在一封信中寫道：“當(dāng)我在路特坡爾高級(jí)中學(xué)念7年級(jí)（大約15歲）時(shí)，我被班主任叫去，希望我離開學(xué)校。讓我吃驚的是，我沒有做錯(cuò)什么。他僅僅回答：‘只要你在場，就會(huì)敗壞班級(jí)對我的尊敬?！?/p>

“可以肯定地說，是我　自己需要離開學(xué)?！饕蚴谴舭搴蜋C(jī)械的教學(xué)方法。因?yàn)槲覍ξ淖值挠洃浟μ?，這使我面臨極大的困難，而克服這些困難對我來說似乎又沒有什么意義。所以，我寧可忍受各種懲罰，也不愿靠死記硬背去學(xué)習(xí)那些廢話。”

1894年，愛因斯坦的家庭醫(yī)生根據(jù)愛因斯坦的要求，給他開了一個(gè)健康證明，證明他需要休息以恢復(fù)健康，于是他從學(xué)校退了學(xué)，那年他才15歲。他有一個(gè)計(jì)劃。他的目的是逃避高中管制，把一年時(shí)間用于旅行和自學(xué)，然后報(bào)考瑞士蘇黎世著名的聯(lián)邦工學(xué)院。正如他經(jīng)?；貞浀哪菢?，接下來的一年是他一生中最快樂的時(shí)期之一。他在德國和意大利的深山里穿行，研讀他的物理書本，在熱那亞參觀美術(shù)畫廊和博物館。但是他的計(jì)劃失敗了。16歲時(shí)，他參加聯(lián)邦工學(xué)院的入學(xué)考試，卻沒有通過。

情況也許是一場災(zāi)難，年輕的愛因斯坦陷入痛苦的深淵，就像許多其他落榜生那樣，但是他的數(shù)學(xué)和物理學(xué)成績非常出色，于是獲得了一位教授的注意，這位教授鼓勵(lì)愛因斯坦旁聽他的物理課。他還勸告愛因斯坦不要放棄希望，可以申請到實(shí)行進(jìn)步教學(xué)法的瑞士州立中學(xué)學(xué)習(xí)。

愛因斯坦在瑞士州立中學(xué)里，自由成長，不受管制，很快獲得了文憑，他再次申請進(jìn)入聯(lián)邦工學(xué)院。1896年秋天，雖然沒有達(dá)到入學(xué)年齡，但還是被錄取了。

4年后的1900年，他從聯(lián)邦工學(xué)院獲得了學(xué)位。但這些年并不是快樂的年份。他熱愛瑞士，愛得很深，以至于1901年加入了瑞士籍，但他并不是快樂的學(xué)生。即便蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院相對自由的空氣對他的氣質(zhì)來說，還是太受限制了。關(guān)于他在學(xué)院的那段時(shí)期，他后來在《自述》中寫道：“無論是否喜歡，為了應(yīng)付考試，一個(gè)人都必須把所有材料填進(jìn)自己的腦袋。對我來說，這種強(qiáng)迫造成了何等的壓抑效應(yīng)。我發(fā)現(xiàn)，在我通過畢業(yè)考試后的整整一年里，思考任何科學(xué)問題都使我大倒胃口?！?/p>

畢業(yè)后情況并沒有任何好轉(zhuǎn)。他在大學(xué)里沒有交上很多朋友，也沒有建立許多聯(lián)系，他的高傲的確疏遠(yuǎn)了一些教授（他們也許可以幫助他獲得大學(xué)職位）。他的經(jīng)濟(jì)狀況不太穩(wěn)定，眼下又找不到工作。整整一年他過的是毫無保障的生活，只能應(yīng)聘一些臨時(shí)工作，當(dāng)家庭教師或偶爾擔(dān)任代課教師。在經(jīng)歷了不堪回首的大學(xué)歲月之后，他對科學(xué)的熱愛又緩慢恢復(fù)過來，于是他重拾學(xué)業(yè)，開始做博士論文研究。

最后，他交上了一點(diǎn)好運(yùn)，正如發(fā)生在他身上的許多事情一樣，這一好運(yùn)出乎意料。他的一位同學(xué)，知道他需要工作，于是就對自己的父親提起愛因斯坦。這位同學(xué)的父親把愛因斯坦推薦給朋友海勒（Friedrich Haller），伯爾尼瑞士專利局的負(fù)責(zé)人。正好這時(shí)有一職位空缺，于是愛因斯坦得到了面試機(jī)會(huì)。對于愛因斯坦這樣的人，這一工作是輕松的，它的任務(wù)就是在新的專利申請書送交上級(jí)官員之前，先對它們進(jìn)行審查，評判其科學(xué)性或技術(shù)上的可行性。愛因斯坦的面試順利通過，但這份工作屬于行政事務(wù)，根據(jù)法律，這個(gè)職位要登廣告。愛因斯坦被告知，在其他申請被篩選后會(huì)得到通知。最后的決定要經(jīng)過幾個(gè)月。這是一個(gè)艱難的等待，但是愛因斯坦卻把這段時(shí)間用于準(zhǔn)備一篇關(guān)于熱力學(xué)的論文，這篇論文他交給聯(lián)邦工學(xué)院，作為博士論文的一部分。

但該文最終被拒絕作為博士論文（盡管后來還是出版了），他作為科學(xué)家的生涯看來依然不見指望。正好這時(shí)，專利局通知他已被錄用。

1902年6月，他來到瑞士專利局工作。這里與學(xué)術(shù)界相去甚遠(yuǎn)，但愛因斯坦卻認(rèn)為這一工作相當(dāng)完美。叛逆者找到了一個(gè)臨時(shí)的家。他終于可以擺脫那令人痛恨的僵化思維模式以及嚴(yán)格的學(xué)院管理體制的束縛，并且有許多空余時(shí)間留給自己。工作本身富有趣味，輕松，有時(shí)也很吸引人。尤其是當(dāng)辦公桌上鋪滿各種別出心裁、近乎狂想的科學(xué)發(fā)明時(shí)。他那出色的科學(xué)洞察力足以判斷其中的對與錯(cuò)。他樂于向上級(jí)提供更理智、更原創(chuàng)的概念。但是，更重要的是剩下許多時(shí)間可用于思考：往往一天的工作上午幾個(gè)小時(shí)就完成了，留下的其余時(shí)間可以自由地思考和設(shè)計(jì)自己的科學(xué)概念，幸運(yùn)的是，做這些事情不需要實(shí)驗(yàn)室，只需要一支削尖的鉛筆、一疊紙和他那獨(dú)特的頭腦。

到了1905年，他已經(jīng)寫成了不少于五篇的論文，所有這些論文都發(fā)表在當(dāng)年的《德國物理學(xué)年鑒》（German Yearbook of Physics）上，其中有三篇特別重要。這一年他獲得了博士學(xué)位。

其中一篇論文解釋了被稱為“光電效應(yīng)”的神秘現(xiàn)象，人們關(guān)注此現(xiàn)象已有好幾年：某些金屬在光的照射下會(huì)發(fā)射出電子。一直沒有人能夠?qū)@種現(xiàn)象作出解釋，盡管1902年物理學(xué)家倫納（Philipp von Lenard，1862—1947）發(fā)現(xiàn)，在光強(qiáng)與發(fā)射的電子能量之間沒有關(guān)系。更亮的光似乎應(yīng)該引起更多的電子發(fā)射，但事實(shí)上，它們激發(fā)出的電子不會(huì)比弱光所激發(fā)出的電子具有更高的能量。經(jīng)典物理學(xué)對此無法提供解釋。

這就是愛因斯坦的切入點(diǎn)，他搬出了普朗克的量子理論，這一理論已被塵封好幾年，遭遇冷落。普朗克曾經(jīng)指出，光以獨(dú)特的“波包”形式輻射，愛因斯坦則加上：光也以“波包”形式傳播。愛因斯坦指出，根據(jù)量子理論，一個(gè)特定的波長由具有固定能量的量子組成。當(dāng)一個(gè)能量子轟擊金屬的一個(gè)原子時(shí)，原子釋放出一個(gè)具有固定能量的電子，再?zèng)]有別的。更亮的光含有更多的量子，但每個(gè)量子攜帶的能量不變，它會(huì)引起更多電子的輻射，但這些電子所攜帶的能量并不更多。光的波長越短（頻率越高），量子所攜帶的能量越高，則激發(fā)的電子也具有更高能量。非常長的波長（更低的頻率）是由能量更低的量子組成，在某些情況下因其能量太小而不足以引起電子釋放。這一閾值與不同的金屬有關(guān)。

這就是普朗克理論自用于解釋黑體現(xiàn)象以來的第一次應(yīng)用——它再次成功地對經(jīng)典物理學(xué)不能解釋的物理現(xiàn)象作出了解釋。由于這一工作，愛因斯坦獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是建立量子力學(xué)重要的第一步，亦即意識(shí)到所有物質(zhì)具有間斷和分離性，尤其是在非常小的尺度上，這一特性尤為顯著。

在經(jīng)典物理學(xué)中，能量和物質(zhì)就像是沿著一面光滑的斜坡運(yùn)動(dòng)；而在量子力學(xué)中，能量和物質(zhì)就像是沿樓梯運(yùn)動(dòng)。根據(jù)量子理論，一個(gè)物體只有吸收或輻射足夠的能量，以便在另一個(gè)允許的能級(jí)上存在時(shí)，才能增高或降低能級(jí)。在量子躍遷中，物質(zhì)與能量僅存在于一層與另一層“樓梯”之間，不能存在于允許的能級(jí)之外。

只要不涉及非常小或非常大與非?？斓奈矬w，經(jīng)典力學(xué)總顯得是正確的。普朗克的量子理論則有助于在原子以及更小的粒子的微小尺度上解釋事物的機(jī)理。

然而，愛因斯坦正是由于關(guān)注非常大且非?？欤垂馑伲┑念I(lǐng)域而聞名于世。但我們還是先對他在那一年發(fā)表的另一篇著名論文說上幾句吧——另一個(gè)已經(jīng)使物理學(xué)家煩惱了幾十年的問題。

布朗運(yùn)動(dòng)

1827年的一天，蘇格蘭植物學(xué)家布朗正在用顯微鏡觀察水中懸浮的植物花粉，突然他注意到這些花粉顆粒在做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。也許這些震蕩運(yùn)動(dòng)正是這種微小顆?！吧Α钡淖C據(jù)。但是，當(dāng)布朗又檢驗(yàn)水中懸浮的無生命染色顆粒時(shí)，結(jié)果也觀察到了同樣的運(yùn)動(dòng)：這是一種無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。然而，他沒有對這一運(yùn)動(dòng)給出解釋，在此后的75年里也沒有任何人作出解釋。

20世紀(jì)初　，愛因斯坦從數(shù)學(xué)上證明，在水中做常規(guī)運(yùn)動(dòng)的分子足以推動(dòng)微小的顆粒搖晃不定。他計(jì)算出不同大小分子和運(yùn)動(dòng)角度所產(chǎn)生的效應(yīng)，從而推出一個(gè)方程，可用于計(jì)算進(jìn)行撞擊的分子及其組成原子的大小。幾年后，1908—1909年，佩蘭（Jean-Baptiste Perrin， 1870—1942）做了一系列實(shí)驗(yàn)，根據(jù)觀察證實(shí)了原子的存在，并且驗(yàn)證了愛因斯坦的理論工作。這是第一次針對原子的存在，提供了純粹觀察性而不是推理性的證據(jù)。

狹義相對論

法國物理學(xué)家佩蘭通過觀察實(shí)驗(yàn)證明了物質(zhì)的原子特性，并且從數(shù)學(xué)上驗(yàn)證了分子的存在。1926年他因此項(xiàng)工作榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

不可思議的是，愛因斯坦并不是因?yàn)椤?905年發(fā)表的五篇論文中最重要的那篇而獲得諾貝爾獎(jiǎng)——這篇論文涉及后來叫做狹義相對論的理論。之所以叫“狹義”，是因?yàn)樗婕耙粋€(gè)特殊情況，在此愛因斯坦只討論物體沿直線做勻速運(yùn)動(dòng)的情況。你可以回憶一下，邁克耳孫和莫雷測不出光速的任何變化。愛因斯坦在對此實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不知情的情況下，也在思考這一問題，他的論證從這一假設(shè)開始，真空中的光速恒為常數(shù)。即使光源在運(yùn)動(dòng)，即使測量光的觀測者也在運(yùn)動(dòng)，但都不影響光速。

愛因斯坦還拋棄了以太概念，而邁克耳孫和莫雷卻糾纏于其中。麥克斯韋需要它，因?yàn)樗J(rèn)為光以波的形式運(yùn)動(dòng)，如果真是這樣，就需要有某種媒質(zhì)光才能傳播。但是，如果光像普朗克量子理論所述，是以分立的波包或量子形式傳播，情況又是怎樣呢？它就會(huì)更像粒子，從而不需要任何媒質(zhì)也能傳播。

依據(jù)這些假設(shè)——光速是常數(shù)，沒有以太，光以量子傳播和運(yùn)動(dòng)是相對的，愛因斯坦就能夠證明為什么邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)會(huì)得到這樣的結(jié)果，從而排除了對麥克斯韋電磁方程組有效性的質(zhì)疑。

因此，在狹義相對論中，愛因斯坦基本上只是對牛頓物理學(xué)作了這樣的修改：在他的公式里，光的相對速率總是相同的。不管相對于任何參照系，它都不發(fā)生變化，即使其他事物互相間有相對變化。質(zhì)量、空間和時(shí)間全都跟著你的運(yùn)動(dòng)速度而變化。在旁觀者看來，你運(yùn)動(dòng)得越快，你的質(zhì)量也就越大，你占據(jù)的空間就越小，時(shí)間也過得越慢。你越是接近光速，這些效應(yīng)就越顯著。你如果是一名宇航員，正以光速的90%在運(yùn)動(dòng)（光速約為30萬千米每秒），你旅行5年后（根據(jù)你的日歷手表）回到地球，卻發(fā)現(xiàn)留下的朋友已經(jīng)過了10年?；蛘?，如果你可以加快發(fā)動(dòng)機(jī)，使你以光速的99. 99%在運(yùn)動(dòng)，只旅行了6個(gè)月，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在你離開的這段時(shí)間里，地球上已經(jīng)流逝了　50年。

所以，在相對論看來，說時(shí)間是相對的，它并不總是以同樣的速率流逝。例如，運(yùn)動(dòng)的鐘表走得慢些。20世紀(jì)60年代，密歇根大學(xué)一個(gè)科學(xué)家小組制備了兩套原子鐘，精確度達(dá)到13個(gè)小數(shù)位。他們把其中一套安裝在飛機(jī)上，在世界各地飛行，另一套完全相同的原子鐘留在地上。當(dāng)飛機(jī)帶著原子鐘回到地面時(shí)，這些原子鐘與地面上的原子鐘比較，它們比留在地面上的原子鐘的確少滴答了幾次。

相對論還說，物體運(yùn)動(dòng)得越快，在靜止的觀察者看來，它沿運(yùn)動(dòng)方向的長度就收縮得越厲害。在同一觀察者看來，質(zhì)量卻似乎是增加了。此外，根據(jù)相對論，沒有任何物體能夠達(dá)到光的速率（或者，更精確地說，達(dá)到所有電磁輻射在真空中的運(yùn)行速率，電磁輻射包括無線電波、X射線、紅外線，等等）。光速是最高限值，因?yàn)楫?dāng)物體接近光速時(shí)，它的質(zhì)量接近無窮大。

最讓人們吃驚的是，愛因斯坦運(yùn)用他的著名方程式E=mc2，證明了能量和質(zhì)量正是同一事物的兩個(gè)方面。在這個(gè)方程中，E是能量，m　是質(zhì)量，c2是　光速的平方，是一個(gè)常數(shù)。

所有這些看來都與常識(shí)完全相悖。但常識(shí)是根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)形成的，如果你進(jìn)入了非常非?？斓氖澜?，就不會(huì)覺得相對論真有那么奇怪。

當(dāng)然我們大多數(shù)都沒有這樣的經(jīng)驗(yàn)。但不管它顯得多么有悖常理，近一百年來每一次實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)都證明了愛因斯坦是正確的。

廣義相對論

令人不可思議的是，愛因斯坦在發(fā)表光電效應(yīng)、布朗運(yùn)動(dòng)和狹義相對論的論文之后又過了4年，才在蘇黎世大學(xué)找到一個(gè)教學(xué)崗位，盡管薪金很少。但是到1913年，由于普朗克的努力，柏林附近的威廉皇帝學(xué)院（Kaiser Wilhelm Institute，簡稱KWI）為他新設(shè)了一個(gè)職位。自從1905年發(fā)表論文之后，愛因斯坦一直在研究一個(gè)更大的理論——廣義相對論。狹義相對論僅適合于直線勻速運(yùn)動(dòng)。但是，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體加速、減速或者沿螺旋軌道轉(zhuǎn)彎時(shí)，情況會(huì)怎樣呢？更普遍的加速運(yùn)動(dòng)更是復(fù)雜，而能夠解釋這種運(yùn)動(dòng)的理論必將更為有用。

現(xiàn)在，愛因斯坦來到了威廉皇帝學(xué)院，有機(jī)會(huì)完成這項(xiàng)工作。1916年，他發(fā)表了廣義相對論，這一理論具有深遠(yuǎn)意義，特別是在宇宙尺度上。許多物理學(xué)家認(rèn)為它是有史以來最為精彩的智慧結(jié)晶。

廣義相對論保留了狹義相對論的原則　，與此同時(shí)增加了引力這一維度——因?yàn)橐κ且鸺铀俸蜏p速的力，也是使衛(wèi)星繞著行星、行星繞著太陽旋轉(zhuǎn)的力。

愛因斯坦認(rèn)識(shí)到，無法區(qū)分引力效應(yīng)與加速效應(yīng)之間的差別。于是他放棄了引力是一種力的思想，代之以一種人為設(shè)想的方式，即我們觀察的物體就是以那種方式在空間和時(shí)間里運(yùn)動(dòng)。根據(jù)愛因斯坦相對論，在三維空間（長、寬、高）之外再加上第四維——時(shí)間，共同組成所謂的時(shí)空連續(xù)體。

為了說明加速和引力本質(zhì)上具有相同效應(yīng)這一思想，愛因斯坦以纜繩斷裂、從建筑物頂層下落的電梯為例。電梯下落時(shí)，乘客的感覺是“失去了重量”，就好像他們是在宇宙飛船上一樣。此時(shí)，他們是在做自由下落運(yùn)動(dòng)。如果梯內(nèi)的乘客看不見梯外的任何東西，他們就無法區(qū)分這一體驗(yàn)與乘坐飛船在地球軌道上遨游時(shí)的體驗(yàn)有什么不同。

愛因斯坦利用這一等效性，寫出了一組方程式，其中引力不再是一種力，而是一種時(shí)空的彎曲，就好像每個(gè)大物體都置于一塊大橡膠的表面。星星之類的大物體在時(shí)空里轉(zhuǎn)彎，就像是位于橡膠板上的大球會(huì)使橡膠表面凹陷那樣。質(zhì)量引起空間和時(shí)間的變形就導(dǎo)致了我們所謂的引力。引力的“力”并不真正是恒星或行星等物體的特性，而是來自空間形狀本身。

事實(shí)上，這一彎曲已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。愛因斯坦在三個(gè)領(lǐng)域里作出預(yù)言，在這三個(gè)領(lǐng)域中，他的廣義相對論都與牛頓的引力理論有矛盾：

1.愛因斯坦廣義相對論允許行星軌道的近日點(diǎn)（離太陽最近的點(diǎn)）有位移現(xiàn)象（水星軌道就有這樣的位移，該現(xiàn)象曾經(jīng)使天文學(xué)家困惑了多年）。

2.光在逆著引力離開星體時(shí)，會(huì)受強(qiáng)引力場的作用產(chǎn)生紅移。

3.光被引力場偏折的量應(yīng)該　比牛頓預(yù)言的大得多。

第一條預(yù)言并不特別引人注目，因?yàn)榱芯S利爾（Urbain Le Verrier， 1811—1877）已經(jīng)觀測到了水星軌道的位移，并且在1845年為了作出解釋提出有另一個(gè)內(nèi)行星存在的假設(shè)。但是，一直沒有人能夠找到這顆傳說中的行星，愛因斯坦的理論則解釋了此現(xiàn)象從而一舉解決了這個(gè)奧秘。

至于強(qiáng)引力場中的紅移，很快就得到了證實(shí)。美國天文學(xué)家亞當(dāng)斯（Walter Sydney Adams，1876—1956）曾經(jīng)證明恒星的發(fā)光度，或亮度，一般可以通過光譜而測定。1915年，他正在研究天狼星的伴星。從這顆星的光譜可以斷定，這顆星雖然很暗，卻非常之熱。極高的溫度應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生與恒星表面積相關(guān)的極為強(qiáng)烈的發(fā)光度，現(xiàn)在的情況卻是，這顆星極為暗淡，這只能說明天狼星的伴星具有極小的表面積和極大的密度——比普通的物質(zhì)密得多。按照盧瑟福的思想，原子內(nèi)大部分是空虛的空間；但是，天文學(xué)家的結(jié)論卻是，這顆星可能是由坍縮的原子所組成，原子中的亞原子粒子緊緊擠在一起了。英國天文學(xué)家愛丁頓（Arthur Stanley Eddington， 1882—1944）建議亞當(dāng)斯，說這顆白矮星（這類超密天體后來叫這個(gè)名字）一定具有特別強(qiáng)的引力場。

這一可能性使它成為檢驗(yàn)愛因斯坦理論第二個(gè)預(yù)言（紅移）現(xiàn)象的合適對象。果然，1925年，亞當(dāng)斯有機(jī)會(huì)尋找這一偏移，并正好找到了它。白矮星的吸收光譜與正常光譜相比，確實(shí)向紅端偏移。在20世紀(jì)60年代，更精致的測量儀器使人們有可能測試到太陽發(fā)出的光線所產(chǎn)生的更小偏移，結(jié)果也確證了愛因斯坦的預(yù)言。

廣義相對論誕生于第一次世界大戰(zhàn)的中期，所以對于第三個(gè)預(yù)言，光的引力偏折的驗(yàn)證，一直拖延到戰(zhàn)后才得以進(jìn)行。1919年，倫敦皇家天文學(xué)會(huì)組織了兩個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)——一個(gè)去巴西北部，一個(gè)去西非海岸邊的普林西比島——利用一次正好在太陽附近有許多更亮的星星出現(xiàn)時(shí)所發(fā)生的日食。1919年　5月　29日，日食發(fā)生了，他們在白天的黑空里，對附近的恒星進(jìn)行了測量。然后把這些測量數(shù)據(jù)與　6個(gè)月前的半夜天空對比，當(dāng)時(shí)同樣的星星不在太陽附近。引力偏折的效應(yīng)非常明顯，證明愛因斯坦是對的。他立即成為世界上最出名的科學(xué)家，他的名字也就變得家喻戶曉了。

與此同時(shí)，德國——長期以來都是科學(xué)中著名成果的最初發(fā)源地之一——對于正在國內(nèi)工作的眾多杰出科學(xué)家越來越不友好了，特別是對許多像愛因斯坦那樣已被列入納粹猶太名單的人。20世紀(jì)30年代初，開始出現(xiàn)這些預(yù)兆：剝奪猶太人公民權(quán)，逮捕他們，猶太人財(cái)產(chǎn)和猶太教堂被大肆掠奪和破壞。最后在1940年，希特勒政權(quán)在奧斯維辛以及其他許多地方建立了死亡集中營，幾百萬猶太人被監(jiān)禁拷打，用毒氣熏死。20世紀(jì)30年代初，開始出現(xiàn)大規(guī)模流亡現(xiàn)象，其中包括許多非猶太裔科學(xué)家，他們本著自己的做人原則而離開德國，因?yàn)椴辉敢庠谕聜儽黄群Φ牡胤焦ぷ鳌?930年，愛因斯坦永遠(yuǎn)離開了德國。他來到美國加州理工學(xué)院演講，之后再也沒有返回德國。他接受新澤西州普林斯頓高等研究所的職位，在那里他成了永久居民，1940年成為美國公民。

愛丁頓堅(jiān)定地支持愛因斯坦的相對論。他通過參加1919年的一次遠(yuǎn)征，觀察了日食，從而　驗(yàn)證了廣義相對論。他還正確地建議，天狼星的伴星β星，是檢驗(yàn)廣義相對論預(yù)言的紅移非常適宜的對象。愛因斯坦認(rèn)為，愛丁頓1923年關(guān)于相對論的論文是各種文字表述中寫得最好的。

愛因斯坦總是在同事間的思想交流中起催化劑的作用，他一生都活躍在物理學(xué)的世界里。但這位叛逆者也發(fā)現(xiàn)，正如普朗克所感覺到的那樣，物理學(xué)的改變之快超過了他愿意接受的程度。地平線上隱隱出現(xiàn)這樣的挑戰(zhàn)，諸如玻爾的互補(bǔ)性原理和海森伯（Werner Karl Heisenberg， 1901—1976）的不確定原理，對此，他一生都在質(zhì)疑。愛因斯坦也許會(huì)喃喃而語：“上帝從不對宇宙玩擲骰子這套把戲”，或者“上帝也許是狡黠的，但沒有惡意”。在他生命的最后幾十年里，他把大部分時(shí)間用于探討能把引力和電磁現(xiàn)象包容在一起的途徑，但沒有成功。直到生命最后的日子里，他仍然是一個(gè)孤獨(dú)的提問者，對自然和人性提出各種質(zhì)問。他總在尋找真理的終極之美。

愛因斯坦在新澤西州普林斯頓高等研究所。

玻爾與愛因斯坦對量子問題的最早論戰(zhàn)。愛因斯坦主張的光理論必須以某種方式將波動(dòng)性和粒子性有機(jī)地結(jié)合起來，并且波和粒子這兩個(gè)側(cè)面可以因果性互相聯(lián)系起來，而玻爾卻堅(jiān)持光的經(jīng)典波動(dòng)理論，否認(rèn)光量子假設(shè)的有效性。

玻爾是量子力學(xué)中著名的哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖。他們不僅創(chuàng)建了量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論，并給予合理的解釋，使量子力學(xué)得到許多新應(yīng)用，如原子輻射、化學(xué)鍵、晶體結(jié)構(gòu)、金屬態(tài)等。更難能可貴的是，玻爾與他的同事在創(chuàng)建與發(fā)展科學(xué)的同時(shí)，還創(chuàng)造了“哥本哈根精神”——這是一種獨(dú)特的、濃厚的、平等自由地討論和相互緊密地合作的學(xué)術(shù)氣氛。

1930年出席在哥本哈根理論物理研究所召開的一次會(huì)議的代表。前排左起第二、三、四分別為玻爾、海森伯、泡利。

1916年，密立根通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了愛因斯坦的理論工作，也證明了普朗克常數(shù)獨(dú)立于黑體輻射。

1921年，在玻爾的倡議下成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所。它在量子力學(xué)的興起時(shí)期是全世界最重要、最活躍的學(xué)術(shù)中心。圖為當(dāng)時(shí)的理論物理學(xué)研究所。