愛因斯坦傳(25)_學達書庫

二五

　　為了檢驗小桶裡的啤酒是否由不可再分割的部分所組成，我們可以把小桶裡的啤酒分別倒進一定數量的容器中，比方說十個容器中。我們用完全任意的方式將啤酒分份，聽任偶然去確定每一個容器中倒進多少。我們測量一下在每一個容器中啤酒有多少，然後再把啤酒倒回小桶裡。我們多次重複這種操作。如果啤酒不是由不可分割的部分所組成的，那麼在每個容器中啤酒的平均分量和所有這些容器的平均分量將是同樣的。如果啤酒是由不可分割的部分組成的，那麼在各容器之間就會出現不同的啤酒的平均分量。設想一種極端的情況，小桶裡只能容納一份不可分割的啤酒。這時，整個一份啤酒每一次只能倒進一個容器，在這些容器裡面所裝的東西之間的區別就十分巨大了：一個容器中裝了小桶裡所有的啤酒，剩下的容器將空無一物。如果小桶是由兩份、三份……這種不可再分割的份額組成的，那麼偏離平均分量將越來越小。因此，按照偏離平均分量的大小，即按照起伏的大小，可以判斷啤酒的不可分割的份額的大小。

　　我們轉回來研究電磁波。讓電磁波占滿一個被限定的「桶」壁——由許多單個胞格所組成的某個空間容積。是否可以把這些波的能量分為隨便多大數量的部分，或許我們將碰到不可進一步分割的「份額」？並且，如果輻射的電磁場是間斷的，那麼它的最小「份額」的大小又是怎樣的呢？

　　測量一下胞格中能量的分量對於平均分量的偏離——這個分量在由一個胞格轉到另一個胞格時的變化，就可以解答這些問題。如果最小「份額」大，那麼這種變化就大；如果「份額」小，那麼變化也小。

　　愛因斯坦的光量子學說，以最簡煉的方式闡明了「光電效應」，這種效應的基礎是光與電子之間進行能量交換。這樣便解釋了光束打到金屬上時，能把電子從其表面拉出來。這些電子在脫離金屬表面之後的動能，與光源的強度無關，而完全取決於其顏色，在紫外光的情況下，電子的動能最大。1886年，赫茲發現了這個現象，儘管許多物理學家對此作過進一步的深入研究，但是運用光的波動學說無論如何也解釋不清。然而，借助愛因斯坦的光量子理論卻可以把光電效應闡述得清楚。紫外光是由能量高的光子、亦即衝擊力大的光粒子構成，而紅光是由能量較低的光量子構成，所以紫外光打出的電子比紅光打出的電子的動能要大。

　　10年之後，美國實驗物理學家密立根的研究證明，愛因斯坦對於光電效應的解釋是正確的。「康普頓效應」是以發現者的名字命名的一種散射現象，這是波長極短的x射線跟原子中結合得很鬆散的電子發生作用時產生的一種現象。1923年，這一效應證實了光子的實在性，給人的印象極為深刻，從此以後光量子學說成為現代物理學的當然組成部分。

　　愛因斯坦關於光的新理論，究竟超過他同時代自然科學家的思想境界有多遠，這從1913年柏林第一流的物理學家們的評論中可以一目了然。當愛因斯坦被任命為柏林科學院院士時，他們在讚揚了他在科學上的多方面成就後，要大家特別重視他的光量子假說：「他在探索過程中，往往會超出預想目標，比如在光量子假說方面就是這樣，因而對他作出評價不會太困難；在精密自然科學中，一次冒險也不作，便不會有真正的創新。」

　　光量子假說在學術上具有劃時代的意義，是整個原子物理學進一步發展的基礎。不論是1913年玻爾提出的赫赫有名的原子模型，還是20年代初期法國物理學家德布洛伊天才的假說「物質波」，沒有光量子假說都是難於設想的。

　　愛因斯坦關於光的新理論，在哲學上從兩個方面說來是重要的：其一，證明了普朗克在熱輻問題上發現的量子現象並非是輻射現象所特有，而在一般物理過程中都有表現。這樣，由於普朗克的發現而動搖了的舊的形而上學觀念，即大自然不作飛躍的觀點徹底垮臺了。其二，愛因斯坦的研究結果，揭示了光的兩重性。原來光既是微粒，又是波動。於是，光的辯證矛盾得以證實。愛因斯坦的發現使惠更斯和牛頓彼此對立的光學理論統一起來，在更高一級上成為天才的假說。

　　它是自然界中辯證法的光輝範例。

　　後來，愛因斯坦也時常感到遺憾，因為人們都認為他是「相對論之父」。他在「相對論爭論」中曾經對荷蘭朋友說過：「為什麼總是在我的相對論上饒費口舌？我還幹了其他有用的、或許是更好的事情嘛！」

　　確實，愛因斯坦如果不是相對論的創始人，他仍然是科學史上最偉大的物理學家之一。他有關熱運動、光量子理論和固體比熱等問題的研究，對於自然科學的進一步發展有著極其重要意義。然而，相對論無疑是他最重要的成就。與他其他的研究工作相比，相對論對自然科學思想體系產生了更深遠的影響，它的作用遠遠超出哲學思想的範疇。它引起了一場最激烈的爭論。也正是它點燃了愛因斯坦譽滿天下的火炬。

　　1911年，勞厄撰寫了第一篇關於相對論的專著。他在《物理學歷史》一文中指出，自古至今的物理學問題，還沒有比得上空間與時間概念對人們產生這樣巨大的震動。這也說明，愛因斯坦為什麼對這類問題的研究特別重視。後來出版了千百本各種書刊，有反對相對論的，也有贊同相對論的。1905年，愛因斯坦在《物理學年鑒》上發表了長達30頁的論文《論動體的電動力學》。這篇文章宣告了相對論的創生。1905年，也還在這一雜誌上，他以題為《物體的慣性同它所包含的能量有關嗎？》一文又作了重要補充。這兩篇論文都收集在1913年相對論重要的歷史文獻《相對論原理》一書中，與讀者再次見了面。

　　對於愛因斯坦在相對論中研究的問題，當時物理界的看法如何呢？

　　19世紀，先是光學的機械理論居於統治地位。這種理論認為，光是一種稱之為「光以太」或簡稱「以太」的彈性介質的波動。以太能穿透一切物體，而又不影響物體的運動。但是，事實上，光學研究的新成果愈來愈難以符合機械以太假說。於是，物理學家斷言，可以把光看作是以太的一種特殊「狀態」。這種狀態被看成是電磁力場，法拉第把它抽象地引進自然科學領域，而後又被麥克斯韋用抽象得出奇的數學公式進行概括。

　　光以太學說與牛頓力學所引出的「絕對空間」理論緊密相連。牛頓認為：「絕對空間由於它的本性以及它同外界事物無關，它永遠是同一的和不動的。」

　　於是，牛頓認為可以把以太看作是絕對參考體系，它決定了世界上一切運動的永恆的絕對狀態。

　　牛頓進而認為，也存在著「絕對時間」。他說：「絕對的、真正的數學時間自身在流逝著，它的本性是均勻的。它的流逝同任何外界事物無關。」

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