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第八章 愛因斯坦的宇宙(2)

萬物簡史 作者:(美)比爾·布萊森


10年以后,邁克爾遜已經(jīng)是克利夫蘭凱斯學(xué)校的一名教授,開始有興趣測量一種名叫以太漂移的東西--運動物體穿越空間所產(chǎn)生的一種頂頭風(fēng)。牛頓物理學(xué)的預(yù)言之一是,在觀察者看來,光在穿越以太過程中的速度是不一樣的,取決于觀察者是朝著還是逆著光源的方向移動。但誰也想不出對此進行測量的方法。邁克爾遜突然想到,地球有半年時間是朝著太陽的方向運動,有半年時間是逆著太陽的方向運動的。他認為,只要在相對的季節(jié)里進行仔細測量,把兩者之間光的運動速度進行比較,就能找到答案。

邁克爾遜說服電話的發(fā)明者、剛剛發(fā)了財?shù)膩啔v山大·格雷厄姆·貝爾提供資金,制造了一臺邁克爾遜自己設(shè)計的巧妙而靈敏的儀器,名叫干涉儀,用來非常精確地測定光的速度。接著,在和藹而又神秘的莫雷的協(xié)助下,邁克爾遜進行了幾年的精心測量。這是一件非常細致而又很花力氣的活兒,邁克爾遜的精神一下子完全垮了,工作不得不中斷了一段時間。

但是,到1887年,他們有了結(jié)果。而且,這個結(jié)果完全出乎這兩位科學(xué)家的意料。

加州理工大學(xué)天體物理學(xué)家基普·S.索恩寫道:"結(jié)果證明,光的速度在各個方向、各個季節(jié)都是一樣的。"這是200年來--實際上恰好是200年--出現(xiàn)的第一個跡象,說明牛頓定律也許不是在任何時候、任何地方都適用的。用威廉·H.克羅珀的話來說,邁克爾遜-莫雷結(jié)果成為"很可能是物理學(xué)史上最負面的結(jié)果"。為此,邁克爾遜獲得了諾貝爾物理學(xué)獎--從而成為獲此殊榮的第一位美國人--但要過20年之后。與此同時,邁克爾遜-莫雷實驗像一股霉味那樣令人不快地浮動在科學(xué)家的腦海深處。

令人注目的是,盡管他有了這項發(fā)現(xiàn),當(dāng)20世紀來到的時候,邁克爾遜覺得自己和別人一樣,認為科學(xué)工作快要走到盡頭--用一位作者在《自然》雜志上的話來說:"只要添上幾個角樓和尖頂,在房頂上刻幾處浮雕就夠了。"

當(dāng)然,實際上,世界即將進入一個科學(xué)的世紀。到時候,誰都會懂得一點,誰都不會什么都懂??茖W(xué)家快要發(fā)現(xiàn)自己在粒子和反粒子的汪洋大海里漂浮,東西瞬間存在,瞬間消失,使毫微秒時間也顯得十分緩慢,平平常常,一切都是那么古怪。科學(xué)正從宏觀物理學(xué)向微觀物理學(xué)轉(zhuǎn)變。前者,物體看得見,摸得著,量得出;后者,事情倏忽發(fā)生,快得不可思議,完全超出了想像的范圍。我們快要進入一個量子時代,而推動其大門的第一人就是那位迄今為止一直很倒霉的馬克斯·普朗克。

1900年,普朗克42歲,已是柏林大學(xué)的理論物理學(xué)家。他揭示了一種新的"量子理論"

,該理論認為,能量不是一種流水般連續(xù)的,而是一包包地傳送的東西,他稱其為量子。這確實是一種新奇的概念,而且是一種很好的概念。從短期來說,它能為邁克爾遜-莫雷實驗之謎提供一種解釋,因為它表明光原來不一定是一種波動。從長遠來說,它將為整個現(xiàn)代物理學(xué)奠定基礎(chǔ)。無論如何,它是第一個跡象,表明世界快要發(fā)生變化。

但是,劃時代意義的事件--一個新時代的黎明--要到1905年才發(fā)生。當(dāng)時,德國的物理學(xué)雜志《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了一系列論文,作者是一位年輕的瑞士職員。他沒有上過大學(xué),沒有用過實驗室,通常跑的也只是伯爾尼國家專利局的小小圖書館。他是專利局的三級技術(shù)審查員。(他申請?zhí)嵘秊槎墝彶閱T,但遭到了拒絕。)

他的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦。在那個重要的一年,他向《物理學(xué)年鑒》遞交了五篇論文,用斯諾的話來說,其中三篇"稱得上是物理學(xué)史上最偉大的作品"--一篇使用普朗克剛剛提出的量子理論審視光電效應(yīng),一篇論述懸浮小粒子的狀況(即現(xiàn)在所謂的布朗運動),一篇概述了狹義相對論。

第一篇解釋了光的性質(zhì)(還促使許多事情成為可能,其中包括電視),為作者贏得了一個諾貝爾獎。第二篇提供了證據(jù),證明原子確實存在--令人吃驚的是,這個事實過去一直存在一些爭議。第三篇完全改變了世界。

愛因斯坦1879年生于德國南部的烏爾姆,但在慕尼黑長大。他的早年生活幾乎難以說明他將來會成為大人物。大家都知道,他到三歲才學(xué)會說話。19世紀90年代,他父親的電器生意破產(chǎn),舉家遷往米蘭,但這時候已經(jīng)十來歲的阿爾伯特去了瑞士繼續(xù)他的學(xué)業(yè)--雖然他一開始就沒有通過大學(xué)入學(xué)考試。1896年,他放棄了德國籍,以免被征入伍,進入了蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué),攻讀旨在培養(yǎng)中學(xué)教師的四年制課程。他是一名聰明而又不突出的學(xué)生。

1900年,他從學(xué)校畢業(yè),沒過幾個月就開始把論文投給《物理學(xué)年鑒》。他的第一篇論文論述(在那么多可寫的東西中偏偏論述)吸管里流體的物理學(xué),與普朗克的量子理論發(fā)表在同一期上。從1902年到1904年,他寫出了一系列關(guān)于統(tǒng)計力學(xué)的論文,結(jié)果發(fā)現(xiàn),多產(chǎn)的J.威拉德·吉布斯1901年在康涅狄格州已經(jīng)悄悄地發(fā)表了同樣的作品:《統(tǒng)計力學(xué)的基本原理》。

阿爾伯特曾愛上一位同學(xué),一位名叫米勒娃·瑪麗奇的匈牙利姑娘。1901年,他們沒有結(jié)婚就生了個孩子,一個女兒。他們很謹慎,把孩子給了人家。愛因斯坦從沒有見過自己的孩子。兩年以后,他和瑪麗奇結(jié)了婚。在此期間,愛因斯坦接受了瑞士專利局的一個職位,在那里待了隨后的7年。他很喜歡這份工作:它很有挑戰(zhàn)性,能使他的腦子忙個不停,但又不至于轉(zhuǎn)移他對物理學(xué)的注意力。就是在這種背景下,他于1905年創(chuàng)立了狹義相對論。


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