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专利局小职员的遗产

(2005年03月19日 12:58:30)

□作者:

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专利局小职员的遗产

Gary Stix




  1905年,瑞士专利局一位职员的天才思想永远地改变了世界。至今,他的智力遗产仍然是竞相构造一种万有理论的新一代物理学家的灵感源泉。


阿尔伯特?爱因斯坦浸淫20世纪物理学,并且成为科学界象征性的代表人物。他的工作永远改变了人们看待自然界的方式。“牛顿,请原谅我,”爱因斯坦请求道,因为相对论完全抛弃了统治两个多世纪、包含万物自然法则仲裁者的绝对时空观。

除了几年前有一篇被驳回的博士论文之外,这位26岁的专利局职员并没有什么值得称道的地方,他利用业余时间和在工作期间偷偷地研究物理学,激进地指出当代物理学家“欠缺深度”并且进一步证明了这一点。除了狭义和广义相对论之外,他所做的工作还帮助建立起量子力学和统计力学,化学和生物技术也得益于爱因斯坦关于分子的存在性及其行为方式的研究。

更令人惊异的是,他在堪称奇迹的一年(1905年)当中,通过一系列文章宣扬他的这些见解。除了1665和1666年(最早的“奇迹年”,当时牛顿为躲避黑死病而呆在自己的家乡,并且开始着手微积分、万有引力定律和颜色理论的基础工作)之外,科学史上没有哪一阶段可以与1905年的科学成就相媲美。国际物理学界已经将2005年定为“世界物理年”,作为对爱因斯坦百年纪念的一份礼物。

物理学和工程学众多领域的科学家,在整个20世纪都在不断地测试、实践和应用源自于爱因斯坦工作的思想。大家都知道,爱因斯坦的著名公式E = mc2是原子弹以及由原子弹产生的历史的关键。爱因斯坦关于光电效应的解释,成为光敏二极管和电视摄像管等技术的基础[参见本期50页Philip Yam的文章《Everyday Einstein》]。一百年之后,技术专家仍然可以从爱因斯坦理论中收获新颖的发明创造。

衡量天才的标志之一涉及通过实验来充分探索一种新理论的内涵所需要的时间。从这个意义上,爱因斯坦仍然很出色。最近发射的一艘太空探测器将考察广义相对论的各种假设。而且,物理学家并不是等所有问题都找到答案之后才开始探索其他的问题;现在,物理学中许多最振奋人心的工作具有更加雄心勃勃的、超越爱因斯坦的目标——超越其思想,并且完成一项类似于他在其生命最后30年中所致力于的但直至去世都未能获得成功的工作。

很显然,广义相对论和粒子物理构成对物理学的一种不完备描述,因为后者基本上属于量子力学,而广义相对论和量子论就如同水火不相容。尽管经过数十年努力,爱因斯坦还是没有找到一种能够统一相对论和电磁学的理论框架。他原本基于必然性而不是量子力学中的概率和随机事实来阐明物理学,而正是这些让他离开自己建立起来的物理学领域。当前的新一代科学家也在构建自己的万有理论,而且与爱因斯坦相比,他们掌握了关于物理学基本作用力更完整的描述,并且对量子力学没有事先存在的偏见。如果这种努力取得成功,将得到什么回报?对于最后成功的物理学家而言,他们的名字将和爱因斯坦和牛顿一样不朽。对于我们这些外行而言,他们将为我们提供了对自然界的惊鸿一瞥以及各种现在难以理解的新技术,就如同黑洞和量子计算机在一百年前的遭遇一样。

要超越爱因斯坦,首先必须完整地理解他的个人成就。1905年春,这位年轻的“专利局苦力”(爱因斯坦这样称呼自己)给好友Conrad Habicht写了一封信,称他自己有一些“不合逻辑的妄语”,该说法引自将要发送给他的一系列文章。唯一被他称为“非常有革命性的”信件并没有讨论相对论,但是却帮助他获得1921年的诺贝尔奖(1922年颁发)。论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》于3月份完成,继承并且延伸了马克斯?普朗克的量子思想——高温物体仅以特定离散束的形式发射或吸收能量。

作为1905年的五项主要成果之一,爱因斯坦在该文中将量子概念应用于解释光电效应:当一块带静电的金属受到光线照射时会释放电子。他认为光束是由粒子(后来被称作光子)组成,从而与光只有波动属性的主流观念相矛盾。该文于6月发表在德文刊物《物理学纪事》(Annalen der Physik)上,它为构成量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。光电效应后来成为众多技术的基础。



 



当时爱因斯坦还没有获得博士学位。苏黎世大学驳回了他于1901年提交的一篇论文,这是一项有关气体分子运动论的寻常研究。除了放弃经历了他所谓获得高级学位的“喜剧”的学术思想之外,爱因斯坦保留了所有其他的观点,但是在1905年,他决定再试一次。根据他姐姐Maja介绍,爱因斯坦首先提交了关于狭义相对论的文章,但是苏黎世大学认为其观点“荒诞不经”。然后,他又选择提交在4月30日完成的《分子大小的新测定》,该文于7月被接受。据报道,该文是他和最亲密的朋友Michele Besso在喝茶交谈时触发的灵感,当时爱因斯坦正在思索液体粘性与溶解的糖分子大小之间的关系。通过考虑大量的这种糖分子,爱因斯坦导出计算扩散速度的数学公式。这样,通过估算扩散系数和溶液的粘度就可以得出糖分子的大小。

在完成这篇文章几天之后,爱因斯坦又撰写了一篇相关文章,其目的也是为“特定大小原子的存在”提供证明。在当时一些圈子里,原子仍然是有争议的概念。文章《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》于7月发表在《纪事》(Annalen)上,预测了给定体积的液体中分子的数量和质量,以及这些分子如何快速运动。这种飘忽不定的运动被称作布朗运动,以罗伯特?布朗在19世纪初对水中花粉粒不规则的“之”字型运动的观察而命名。爱因斯坦认为,水分子的运动足够剧烈,从而能够推动悬浮的颗粒,使得颗粒的飘舞在显微镜下能够观察得到。该文是对现代统计力学的一项重大贡献,其导出的方法可用于模拟空气污染物的行为或股票市场涨落走势[参见本期56页W. Wayt Gibbs的文章《Atomic Spin-offs for the 21st Century》]。

接下来的一篇文章于6月底完成,题目为《论动体的电动力学》。相对性原理的出现要早于爱因斯坦数百年。1632年伽利略就提出:无论观察者的运动状态如何,只要其运动速度不变,所有物理定律都相同。在一艘匀速运动轮船的甲板上观察,石块从桅杆上垂直落下;从静止轮船的甲板上看到的将是同样的情况。对于牛顿在17世纪中期提出的力学定律而言,该相对性原理也成立。但是随着19世纪后期电磁学的出现,这种一致性被打乱了。因为麦克斯韦方程表明,电磁辐射以波动的形式在空间传播,物理学家假设它通过一种叫做“以太”的媒质,类似于声波在空气中传播。麦克斯韦证明,相对于以太场中的某个静止参考系,光和其他电磁波在真空中行进的速度为每秒3亿米。但是在以太场中,相对性对光不再成立。按照相对性原理,只要观察者在运动,光速就应当不再是每秒3亿米。然而,试验者并没有发现对于运动对象而言预期的光速变化,光速始终保持不变。

爱因斯坦着手处理的正是电磁学与物理学其他领域的这种不调和。作为一位具有深刻审美意识的科学家,他无法容忍相对性原理不能像解释牛顿力学一样去解释电磁学。1905年的那篇关于狭义相对论的文章于当年9月发表,通过将相对性原理应用于电磁学,他重新肯定了该原理适合于所有物理学,并且确认光速为一个常数。在解决了相对性悖论的同时,文章还提出一个与人们常规直觉相违背的新的相对性原理,即无论观察者是坐在前廊的摇椅上,还是乘坐以接近光速飞升的未来太空船上,光速对他都保持不变。

光速不变原理彻底摧毁了我们的绝对时空观。速度等于距离除以时间。当位于一个参考系(摇椅)中的观察者正在观察另一个参考系中某人(太空船中的宇航员)的移动时,由于方程一侧的光速保持不变,则另一侧的距离(长度)和时间都应当发生变化。更确切地说,摇椅上的人将感到高空中宇航员的时间过得较慢;对他而言,太空船在运动方向的长度也会缩短。

如果摇椅上的人能够测量太空船飞行时宇航员的体重,他会发现,他们的体重将比飞船起飞前增加了。爱因斯坦奇迹年的第五篇,也是最后一篇文章于11月份发表在《纪事》上,作为狭义相对论作品的一个补遗。他在文中描述道:“物体质量是其内能的一个尺度”。爱因斯坦于1907年将内能概念重新表述为有史以来最著名的科学方程。方程E = mc2同样适用于动能。相对于摇椅中观察者,太空船的速度越快,则其动能和质量也越大,从而使得它越来越难以加速。当飞船速度接近光速时,提升飞行速度所需要能量增量太过巨大,以致于继续加速越来越费劲,这也是为什么超光速火箭飞船只可能出现在科幻小说中的原因之一。

1905年之后,最佳成就才真正出现。作为一项知识成果,1916年发表的广义相对论让爱因斯坦(或者除了牛顿之外的任何其他物理学家)先前和此后所做的工作都显得黯然失色[参见本期108页Alan Lightman 的文章《Einstein and Newton: Genius Compared》]。在发明狭义相对论的优先权上,数学家Henri Poincare差一点就击败爱因斯坦,但是他没有迈出抛弃以太网这一最后的也是最关键的一步。狭义相对论调和了牛顿力学和麦克斯韦电磁学之间的矛盾,但是它仅仅适用于匀速直线运动的物体。对于物体的运动速度和方向不断变化的真实世界,需要一种广义的相对论;换句话说,它必须考虑加速度的影响,包括宇宙间最普遍存在的重力加速度。牛顿认为,重力是远距离瞬时产生的一种作用力,而爱因斯坦则重新将它想象成时空的一种内在属性,恒星或任何大质量物体都会使得其周围的爱因斯坦时空产生弯曲,这样,行星将沿着时空连续体中的弯曲路径运动。

美国自然历史博物馆天体物理学部主任、最近刚主办的爱因斯坦成就展的负责人Michael Shara说道,“质量使得时空弯曲以及弯曲的时空决定物质运动路径,这纯粹是天才的思想,物理学家最终会发现广义相对论对人造卫星和脉冲星测量的影响,但可能要等到20世纪后期。即使到那时,爱因斯坦关于引力的精美几何描述也难以得到完全再现。”

广义相对论文章发表之后不久,在1919年日食期间的一次实验中观察到,太阳引力场使经过它的星光发生偏转,从而证实了广义相对论的一个预言。广义相对论的这一证据使得爱因斯坦很快成为媒体明星人物,尽管在那些争相拥挤着一睹其容为快的人当中,有许多压根就不知道他究竟取得了什么科学成就。有人谣传,爱因斯坦曾宣称世界上只有12个人理解相对论。即使他真的说过类似的话,这么小的数目多少有些夸张。很快,世界上出现了一批忠实的爱因斯坦迷。《科学美国人》杂志甚至发起了一项竞赛:给出相对论最容易理解的解释,奖金为5000美元,吸引了数百名参赛者。爱因斯坦开玩笑说,他是朋友圈子里唯一没有参加这项竞赛的人。“我认为不能获胜,”他自嘲地说[参见本期102页Daniel C. Schlenoff的文章《A Century of Einstein》]。

从1916至1925年,爱因斯坦又对量子理论作出新的贡献,包括关于最终导致激光出现的受激辐射理论。但是他不再沉醉于量子力学,因为在描绘亚原子粒子世界的现象时,量子力学信奉统计概率而不是因果率。在其一生后半期,直到1955年去世,爱因斯坦致力于统一场论,该理论不仅将引力场和电磁场看作同一事物的两个方面,而且解释了基本粒子以及诸如电子电量或光速等常数的存在性。

事实证明,这些努力走进了死胡同,这部分由于爱因斯坦拒绝量子物理学的新转向,部分由于两种基本核力(强相互作用和弱相互作用)直到他去世之后才得到充分的理解。在一部1993年的传记中,Albrecht Folsing在提到爱因斯坦的爱好时指出,“即使爱因斯坦的忠实崇拜者也不得不承认,如果这位毫无争议的伟大科学家在他余生的最后30年(大约从1926年开始)完全投身进去,那么物理学进程将不会遭遇如此严重的停滞”。其他人则更宽容。爱因斯坦论文集的前任保护人Ze'ev Rosenkranz评价说,也许这位物理学家只是领先于他的时代,“不懈地探索万有理论,是爱因斯坦对科学最重要的遗产。”
[柯江华/译 赵庚新/校]


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