石破天惊的五篇论文
2014-07-22 08:57 来源:经济观察报 作者:冯八飞 编辑:经济观察网
导语:1905年成为奇迹年,是因为爱因斯坦的五篇文章。

爱因斯坦系列之四

经济观察报 冯八飞/文

爱因斯坦这块儿石头掉到地球上,到1905年石破天惊。在爱因斯坦这部传奇中,1905年、1919年和1922年是最重要的3个年份。此处先表1905年。

1905年成为奇迹年,是因为爱因斯坦的五篇文章。

1905年6月9日莱比锡《物理学刊》发表爱因斯坦的论文“关于光的产生和转化的一个启发性观点”。 这篇文章是《物理学刊》发表的最成功的文章之一,因为它提出“光量子”假说,完满解释困扰物理学家20多年的光电效应,在物理学上第一次证明光既是微粒又是波,一统惠更斯与牛顿彼此对立的光学理论。即使没有相对论,单凭光的波粒二重性理论,爱因斯坦仍然可称历史上最伟大的物理学家之一。16年后,爱因斯坦因这个理论获诺贝尔物理学奖。

第一篇论文发表前,爱因斯坦于1905年4月30日完成第二篇论文“分子大小的新测定”,7月20日,他将这篇17页的论文作为博士论文提交苏黎世大学。其实他首先提交的是奇迹年的第四篇论文“论运动物体的电动力学”,但被苏黎世大学拒绝,因为导师们都看不懂,所以才改交“分子大小的新测定”。

这个苏黎世大学不是枪毙他第一次博士论文的苏黎世ETH大学,它比ETH宽容得多。导师委员会对这篇17页的论文质量评价很高,但却再次退货,因为论文格式有误,还有些笔误。最主要的原因非常搞笑,他们认为17页作为博士论文太短了。看官须知,无论中国还是德国,现在博士论文动辄就是几百页。于是,作为妥协,爱因斯坦又勉强加了几页废话,最后这篇21页的论文于7月底被苏黎世大学接受,8月15日爱因斯坦将它寄给《物理学刊》,最终发表在该刊1906年第4期上。论文发表前,1906年1月15日,爱因斯坦凭这21页在苏黎世大学获博士学位。这篇论文至今仍为全世界物理学论文引用率冠军,比爱因斯坦的相对论高出4倍,比他的光量子论文高出8倍!

犹太物理青年爱因斯坦并不知道他已经发表了世界物理学历史引用率冠军,他只是继续投稿。第三篇“关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动”7月18日发表在《物理学刊》,被公认为第二篇“对世界产生革命性影响”的科学论文。为什么?因为它证实了原子。咱们现在都知道世界万物由原子构成,但实际上直到20世纪初,绝大多数科学家根本不承认原子。你一说原子,他们就会问,原子在哪儿?有多少个?在这篇论文中,爱因斯坦通过实验中获取的蔗糖溶液的粘滞性与扩散率进行计算,最后算出1克物体中原子数大约为3.3×1023个。爱因斯坦通过计算原子移动算出了原子的数量。原子还能移动?确实,原子会移动。问题是,原子动了跟没动差不多。此话怎讲?举个例子,我们向上扔硬币,硬币掉地上,正面朝下您就向左一步,正面朝上您就向右一步。正常情况下,无论怎么扔,您向左和向右的次数差不多,也就是说,扔过一定次数之后,您通常还站在原地附近。原子的移动很像扔硬币。原子虽然没动,但世界却被爱因斯坦推动了。

爱因斯坦于1905年6月30日完成的奇迹年第四篇论文名字非常物理学:“论运动物体的电动力学”,其灵感是爱因斯坦5月一天早晨醒来躺在床上时突然出现在脑海中的。该文于9月26日在《物理学刊》发表。每一个了解物理学历史的人都知道,这是一篇真正翻天覆地的雄文,因为,它标志着狭义相对论的诞生。

据说地球上只有12个人真正懂相对论。这12个里面肯定不包括我这个搞语言学的。但讲爱因斯坦躲不过相对论,所以我这个业余爱因斯坦爱好者就麻起胆子来讲下我理解的科普版加简化版相对论。先说好啊,说错了不负刑事责任啊!

先得从19世纪的物理学发展说起。1864年,英国物理学家麦克斯韦用电磁理论完美地统一了电与磁,证实“光是一种恒速运动的电磁波”,当场让世界物理学陷入一片大混乱。麦克斯韦的论证有什么问题么?举个例子。你坐在每小时30公里前进的汽车上,另一辆汽车以每小时60里的速度赶过你。对你而言,后面这辆车是以每小时30公里的相对速度超过你。这事儿在牛顿那儿很好解释,牛顿认为相对速度是两个速度之差,即:60-30=30。这个不是问题。问题在后面:如果那天正好有雾霾,后面这辆车看不见道儿,打开了车灯,问题就来了。假定光速相对于坐在前面车上的你来说为c,那么,按照牛顿运动定律,后面那辆车射出的灯光,其速度应为60+c-30=c+30。在这种情况下,只有光速是无限的,光速c才可能等于c+30。也就是说,麦克斯韦说“光是恒速运动的电磁波”不对!

对于全世界物理学家而言,这个问题即:麦克斯韦和牛顿,他俩只能有一个是对的,而实验已经证明麦克斯韦确实对。可人家牛顿已经对了250多年啦!因此,绝大部分物理学家都选择站在牛顿那边儿。可爱因斯坦站在麦克斯韦这边儿:他认为光速是恒定的,错的是牛顿。那时,在物理界说牛顿不对,相当于林肯在1863年元旦颁布《解放黑奴宣言》一样,翻天覆地!

麦克斯韦这个问题的核心是光的速度到底是多少。

看官须知,测量光速这事儿不是从麦克斯韦或爱因斯坦开始的,已经开始好几百年了。我们冲着山峰大骂情敌,回声会反弹回来。如果知道我们的立足点到山峰的直线距离,再利用喊出声音到听到回声的时间,我们就能算出音波的速度是多少。测量光速跟这个相似。1638年意大利科学家伽利略出版《两门新科学的对话》时就提到当时测量光速的实验:两个人远远对面站着,每人拿着用布遮起来的灯笼,一个人先拿开灯笼上的布,对面的人看见光之后也拿开灯笼上的布,再加上两者之间的时间,就能算出光速。遗憾的是伽利略只提到了这个实验,并未记录实验结果。

第一个真正科学测量光速的是丹麦科学家罗默。他1675年观测木星各个卫星的运行周期,先测出木卫1的周期是42.5小时,6个月后地球转到离木星最远的点,木卫1 发生卫星蚀的时间向后推迟了1000秒。惟一的解释是:这1000秒正好等于木卫1的光穿过地球轨道直径这段多出来的距离时所用的时间。但17世纪时地球轨道直径被认为是2.76亿公里(正确值是3亿公里),按此数值,罗默得出的光速为每秒27.6万公里,明显偏小。

1728年英国天文学家布莱德利使用望远镜法按照“光行差”重新算出光速。这个方法很专业。大致说起来相当于冯教授在雨中奔跑,雨点打中冯教授脑袋的角度取决于冯教授跑的速度和雨点的下落速度。布莱德利据此算出光速为每秒31.29万公里。这个数值虽然不精确,但它有一点很精确:它证实光速不是无限的。

真正测定光速的人,是德国人迈克尔森,他1924-1926年在加利福尼亚山间实验,把8个面、12个面和16个面的旋转镜安装在威尔逊山上,远处的反射镜则安排在35公里之外的圣安东尼奥山上。为保证测量精度,美国海岸与国土测量局还专门为迈克尔森精测了这段距离,其误差小于5厘米,因此这次实验的结果误差不超过1%。精益求精的迈克尔森为测光速整整花了半个世纪,耗尽心血,在最后一次测试时中风去世,以生命践行“死而后已”。他测定的光速是每秒299796(±4)公里,此即现在通用的光速。我们老说光速每秒30万公里,其实只是一个大约数,并不精确,还差着200来公里呢。

迈克尔森这个实验也判了以太死刑。“以太”英语为“aether”或“ether”,希腊文中意为“青天”,是亚里斯多德设想的构成世界的五大元素之一。17世纪时法国哲学家笛卡尔认为它是物体相互传递作用力的介质。两百年后科学家发现光其实也是一种波。可波在传播时都要借助一种别的物质,物理学称为“介质”,例如声波传播的介质是空气,水波传播的介质是水。如果没有空气,声波无法传播,咱们看电影就都是默片。

这么一来,问题就产生了:我们能看见几亿光年外星星发出的光,可宇宙是真空,既无空气也无水,这星光在宇宙中传播,介质是什么呢?惠更斯认为这个介质是以太。他说以太没有质量(即没有重量),绝对静止,因此我们既看不见以太也感觉不到以太,但宇宙其实就是充满以太的大海,地球和太阳这些星球相当于“泡”在以太大海中的船。后来英国的法拉第发现电磁场,麦克斯韦建立电磁学基本方程组,证明电场与磁场互相激发就形成连续的电磁振荡,此即电磁波。麦克斯韦还证明电磁波在真空中传播的速度是每秒30万公里,所以最后证明光波就是电磁波的一种。于是,以太不仅是光波传递的介质,也是电磁波传递的介质。经惠更斯与法拉弟背书,到19世纪末,以太理论盛极一时,全世界公论宇宙中充满以太。

论断斩钉截铁,论据呢?世界人民忙了半天,到19世纪末仍未找到以太存在的证据。看官须知,地球以每秒30公里的速度在宇宙中飞驰(毛泽东说“坐地日行八万里”是错的,正确值是259万多公里),如果地球周围都是“以太”,那我们肯定能感到“以太风”,就像开车时打开车窗就会感到风一样。因此,当时大家都在疯狂寻找“以太风”。

最后为“以太”盖棺论定的就是迈克尔森。他从1881年在柏林洪堡大学开始找以太风,一直到1887年最后一次跟化学家莫雷合作,精益求精,仍然没测到“以太风”。“迈克尔森-莫雷实验”是物理学史上最著名的实验之一,它彻底否定了“以太”的存在,也就侧面论证了相对论。有意思的是,迈克尔森的名字也叫“阿尔伯特”。对这个同名人,爱因斯坦相当推崇。可这个实验也让全世界物理大腕儿接近崩溃:他们必须承认以太并不存在,否则就得相信地球是静止的。显然,地球并不是静止的。“迈克尔森-莫雷实验”与热辐射中的“紫外空难”让全世界物理学大腕儿们如坐针毡:这俩问题不解决,物理学就有全面崩溃的危险,因此,他们把这两个问题称为“科学史上两朵小小的乌云”。

爱因斯坦之所以被称为人类历史上最伟大的物理学家,就因为他驱散了这两朵乌云。他证明光速每秒30万公里,不需通过介质,因此也就用不着绞尽脑汁去找以太啦!在物理学界,这是惊天动地的大革命。否定“以太”,是爱因斯坦天才性的破坏,也是物理学中最具建设性的破坏。其实,爱因斯坦在这里本来想解决的问题,是他从中学就开始思考的问题:如果冯教授骑着一道光去追前面的一道光,他会看见什么呢?按麦克斯韦理论,光速不变,就是说冯教授看到前面还是一道以光速前进的光。可根据牛顿力学的速度合成定理,不同惯性系光速不同,冯教授看见的应当是停在原处来回跳的电磁波。那么,到底冯教授会看见什么呢?这就跟迈克尔森用生命换来的光速有关系了。举个例子:对站在铁道旁的人来说,以每秒20米速度前进的火车发出的灯光和以光速飞行的宇宙飞船发出的灯光,其速度都是每秒30万公里。就是说,火车发出的灯光不是30万公里加20米。

解决“以太”问题,就是解决光速问题。在第四篇论文中,爱因斯坦对此有两个答案:第一,我们无法确定相对静止的物体到底是静止的还是在匀速运动,因此,不存在绝对静止的空间。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。世界物理学被爱因斯坦这两句话彻底搞乱了,“光速不变”彻底摧毁牛顿的绝对时空观。

爱因斯坦这两个假设告诉我们,我们人类坚信了几千年的“同时”,其实并不是“绝对的”,而是“相对的”!时间不是绝对的,猛一说可能不太好接受。难道地球上的一秒,不等于宇宙中的一秒吗?有时候真不等于。举个例子:对于北京人来说,北京的白天和黑夜是不是绝对的?是。地球上的白天和黑夜是不是绝对的?很容易跟着回答“是”,其实不是。回答这个问题得先明确地点。当北京是白天时,纽约正是黑夜。因此,地球的白天和黑夜是“相对的”。也就是说,不确定具体地点,我们根本没法回答这个问题。也就是说,地球的时间跟月球的时间不是一回事,太阳系的时间跟银河系的时间不是一回事,放大到整个宇宙,每个角落里的时间都是相对的。再举个例子:“上”和“下”是不是绝对的?17世纪之前人类认为地球是扁平的,那时全人类的“上”和“下”都是绝对的。1622年葡萄牙航海家麦哲仑率领一大波亡命徒环球航行,虽然麦哲仑在菲律宾被当地人用弯刀砍死,但他的船队最后回到了出发的港口——西班牙的塞维利亚。用脚后跟儿想也能明白:这证明地球是圆的。在圆的地球上,“上”和“下”就变成相对的了,因为北京的“下”,可能正好是纽约的“上”。因此,空间也是相对的。

爱因斯坦的这篇论文还提出了著名的“尺缩效应”、“钟缓效应”和“质增效应”。“尺缩效应”的意思是,如果光速不变,你静止不动,就会看见坐在高速宇宙飞船中的朋友手中的尺子变短了。更奇怪的是,你朋友根本不认为他手中的尺子变短了,相反,他认为他是静止的,高速前进的是你,而你手中的尺子倒是变短了!这就是光速世界中的“尺缩效应”及其相对性。

“钟缓效应”同理。你静止不动,就会看见宇宙飞船中你朋友手中的表走得比你手中的表慢了。而同时,你朋友却觉得他没动,你倒在动,而你手中的表比他手中的表慢了。钟缓效应意味着时间膨胀。尺缩效应与钟缓效应已被当代高科技实验所证实。按相对论,时间和空间会随速度加快而变化,速度越快,时间越慢,空间越窄,当速度达到光速,时间就会停止,而空间则被压缩成一条线。汽车开到200公里,驾驶员的视野会变窄,所以开车超速很危险。

就这样,那个困扰爱因斯坦10年的问题有了答案:当冯教授以光速骑着一道光追赶前面的另一道光时,他在前面看到的还是以每秒30万公里飞行的一道光。如果他迎着另一道光飞驰,看到的也不是以每秒60万公里向他飞过来的光,迎面而来的光其速度仍为每秒30万公里。因为在光速下,时间停止,空间变成一条线,如果再上升,时间和空间就会变成负数,而这显然是荒谬的。

这篇论文中最不可思议的是“质增效应”,它说高速运动中的物体的重量会增加。例如高速飞行的宇宙飞船上的一筐3斤鸡蛋,如果我们地面上的人来称,会变成30斤。所以,卖鸡蛋的人坐在航天飞机上卖就发大了。当然,你先得买一张航天飞机的机票,那得卖不少的鸡蛋才行。

第五篇论文是第四篇论文的续篇,1905年11月21日发表在《物理学刊》,题目是:“物体惯性是否决定其包含的能量?”这篇论文只有区区3页,然而,它与第四篇论文一起成为狭义相对论、广义相对论、原子弹和那个人类历史上最著名的公式“E=MC2”的基础。此是后话,这里先按下不表。

世界物理学革命多如牛毛,但真正的大革命其实只有两次,第一次革命是牛顿力学让哥白尼、伽利略和开普勒成为历史,第二次就是相对论让牛顿成为历史。5篇论文横空出世,物理学史从此称1905年为“奇迹年”。西方科学史上至今只有3个“奇迹年”。第一个奇迹年是1543 年。这一年波兰天文学家哥白尼的《天体运行论》和比利时医生、现代解剖学创始人维萨留斯的《人体构造》双双出版,标志着西方科学告别神学,就此拉开西方辉煌科学革命的大幕,奠定西文领袖世界数百年之雄厚基础。第二个奇迹年是1666年,牛顿这年从剑桥回家乡躲鼠疫,闲得发疯,只好研究数学解闷儿,结果发现了微积分、万有引力和光谱理论(即太阳光由7种颜色组成)。看官须知,物理学史上的奇迹年不是并列的,因为后者都证明前者错误或不完整。从此,物理的“奇迹年”不再指哥白尼和牛顿,而是爱因斯坦的1905年。很多年后爱因斯坦回忆说,发现狭义相对论,就像上帝微笑着引导我逐步前行,尽头就是狭义相对论。他这个回忆相当搞笑,因为他根本不信上帝。但他相信上帝引导他发现了狭义相对论。

此即上帝之所以是上帝。

奇迹年的这五篇论文,每一篇都足以让爱因斯坦走入物理学历史。

那么,爱因斯坦是否一夜成名了呢?

(作者系对外经贸大学教授,柏林洪堡大学博士生导师)

 

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