愛因斯坦傳(27)_學達書庫

二七

　　愛因斯坦首次發現，光速在力學和光學中同等重要。在那兒，光速仿佛是一切過程不可達到的最高臨界速度，無論怎樣把力施加上去，把能量傳送上去，怎麼也不可能達到或超越光速，無論給初速度附加多少速度，也是徒勞。根據光速恒定這一事實，引出了相對論的兩個著名的「佯謬」，引起人們的廣泛重視，也是多少年來激烈爭論的焦點所在。陷於因襲的形而上學機械觀中不能自拔的那些物理學家、哲學家，都曾經堅決反對過或者無情地嘲諷過相對論的這些「荒誕無稽」的結論。即使那些想沿著愛因斯坦所開闢的嶄新道路共同前進的人們當中，也有一部分在相對論上難於跟上愛因斯坦的腳步。

　　其中一個「佯謬」便是快速運動著的一把尺子，它跟靜止狀態相比，在運動方向上長度縮短了。這個問題是從邁刻爾遜實驗結果提出來的，後來形成了洛侖茲的機械收縮假說。愛因斯坦認為，這種收縮可以用兩個參考系之間存在著的相對速度來解釋。

　　另一個「佯謬」是在快速運動的參考系中的鐘，與靜止參考系中的鐘相比，它走得慢了。這涉及到「時間膨脹」，也叫做時間延伸或時間失真。根據這一佯謬會得出諸如這樣的結果：一個乘高速宇宙飛船長時期在太空遨遊的人，當他返回地球地面時，與一直留在地球上的他的孿生兄弟相比，他應該年輕得多。這是因為宇宙飛行員的生物鐘以及他的一切生理過程，比留在地球上的人要慢得多。但要想使生物鐘佯謬和孿生兄弟佯謬產生的效應顯現出來的話，宇宙飛船的速度一定要十分接近光速；可是這一條件與現實宇宙飛行的條件相距甚遠。

　　只要相對時間膨脹得不到實驗證明，激烈的爭論就不可能中斷。不過在30年代末，從激發氫原子的實驗中，無可置疑地證實了時間的相對膨脹。後來，在宇宙線的研究過程中再次明確地得到了證實。由於宇宙線粒子的速度特別大，這一效應的數值也較大。

　　1905年，愛因斯坦的狹義相對論宣判了機械自然觀的死刑，這是自然科學史上的一次大變革，也是辯證法在物理學基礎中的勝利。它把牛頓經典運動定律中所說的那種關於時間和運動的形而上學的機械觀點提高到辯證法的高度。牛頓定律是速度遠遠小於光速的極限定律。牛頓的形而上學觀點方法，儘管是當時所公認的定律，但是由於物理學的發展，碰到了無法逾越的鴻溝。愛因斯坦運用辯證思維的衝擊力量摧毀這些障礙，並為物理學的進一步發展開闢了道路。在愛因斯坦以前，雖然有其他一些研究家確實已經採用形式數學的方法解決了運動物體的電動力學問題，然而愛因斯坦的功績仍是不可低估的。

　　只有個別物理學家能夠當即把愛因斯坦的理論看作是一個天才的發現。當時著名的理論家中，普朗克首先稱讚愛因斯坦的《論動體電動力學》一文具有劃時代的意義。普朗克在一次演講中說：愛因斯坦時空觀的「勇敢精神的確超乎自然科學研究和哲學認識論上至今所取得的一切大膽成果」。確實有不少著名的專家，在很長一段時間裡，對愛因斯坦的學說抱懷疑態度，其中尤以實驗研究家居多。

　　有意思的是，曾在聯邦工業大學任教做過愛因斯坦老師的數學家明可夫斯基，卻是相對論的熱烈擁護者。當年愛因斯坦經常逃課，明可夫斯基罵他「懶胚」。「懶胚」學生不去上老師的課，老師現在卻熱心學起學生的論文來。明可夫斯基把自己的助教和學生叫來，他花了好幾個小時，給他們講相對論。他說，真沒有想到，愛因斯坦這個小夥子能寫出這樣深刻的論文。教授順便也提到了自己的想法。他的想法同樣是非常深刻的。那是一種真知灼見，是一種美妙的數學方法。經過明可夫斯基的數學處理，狹義相對論的形式更完美了，而且指明了廣義相對論的道路。

　　明可夫斯基的論文在1907年發表。第二年夏天，在科隆舉行的「德國自然科學家和醫生協會」第80屆年會上，他做了一個著名的報告，宣傳相對論的思想，題目是「空間和時間」，他說了一段著名的話：「先生們！我要向諸位介紹的空間和時間的觀念，是從實驗物理學的土壤中生長起來的，這就是它們力量的所在。這些觀念是帶有革命性的。從現在起，空間自身和時間自身消失在陰影之中了，現實存在的只有空間和時間的統一體。」

　　明可夫斯基的報告引起了巨大反響。可惜3個多月後，疾病就奪去了他年僅44歲的生命。去世前，他萬分遺憾地說：「在發展相對論的年代裡死掉，真是太可惜了。」

　　由狹義相對論可得出兩個重要結論，涉及質量和運動、質量和能量的相互關係。顯然，目的就是闡述這些問題的辯證關係。愛因斯坦對這些問題的解決，其意義遠遠超出狹窄的學術專業範圍。

　　在愛因斯坦之前，慣性質量，即物體對運動的慣性阻抗被認為是一個不可改變的量。這符合牛頓形而上學的機械自然觀。1895年，奧斯瓦爾德在呂貝克自然科學家大會的報告中還提出質量不變的經典觀點。時過不久，1901年實驗物理學家在進行高速運動電子的實驗時，發現電子的質量隨著速度增加而變大。愛因斯坦在他的相對論中也論證了這一事實。

　　只要是運動物體的速度遠低於光速，由於運動所引起的質量增加就不明顯。因為在經典力學中，物體很大而運動速度很小，質量的增加往往被忽視。相反，在相對力學中，質量的增加起著重要作用。在其後的時期中，原子物理學家們在大型實驗設備上，加速了基本粒子。這些實踐證明愛因斯坦的學說是正確的。

　　第二個結論的重要意義更為深遠，其影響大大超出力學和物理學的範圍，對於世界各國人民的命運和人類的未來都十分重要。

　　《論動體電動力學》一文發表後不久，愛因斯坦就在給哈比希特的信中寫道：「我還在琢磨有關電動力學研究的結論。根據相對論原理連同麥克斯韋方程的要求，就可以用質量直接度量物體所含的能量；光可以轉化為質量。鈾元素中必然會產生質量顯著減少的現象。這個想法既有趣又富於吸引力。但是我還無法知曉，上帝是對它感到高興呢；還是在故意捉弄我？」

　　這個「既有趣又富於吸引力」的想法，被愛因斯坦寫進前面提過的有關物體慣性同它所含能量的關係的論文裡。這篇僅三頁的論文是世界自然科學史上最精悍而又成果輝煌的著作。它奠定了質量與能量「等價」原理的基礎。

　　愛因斯坦定律的數學公式是舉世聞名的：E＝MC2在今天幾乎變成成語。它表明能量（E）的轉換與相應的質量（m）的轉換分不開；而光速（c）的平方是比例係數，表示質量可以轉換為能量。這樣所謂「質量虧損」也被解釋清楚了。在力學、化學、熱學和電學過程中，質量虧損太小，一直未被發現。但在原子物理學中它卻十分重要，因為原子核的各種組元的質量總是大於由這些組元構成的原子核的質量。有人認為，欠缺的質量轉換為能量，這就是將核組元拉在一起所需的「結合能」。原子力是轉換成能量的質量，在人工核反應中，這種巨大的能量便被釋放出來。

　　愛因斯坦關於質量和能量等價性的發現，簡化了物理守恆定律的內容。長期以來，彼此分立的質量守恆和能量守恆定律，現在可以合併為一條定律：對於一個閉合物質系來說，質量和能量的總合在所有過程中不變。

　　所有這些發現的時機的確已經成熟了，無須再要什麼重要準備，也無須再獲取什麼局部成果。在已有的準備工作和成果中，有俄國列別捷夫有關光對固定的壓力研究，還有奧地利物理學家哈瑟諾爾的重要探索。然而，愛因斯坦邁出的這一步對這方面的研究則具有決定性作用。

　　※四　蘇黎世—布拉格—蘇黎世

　　§「俄國佬」教授

　　1908年10月之後不久，愛因斯坦的學術生涯就開始了。

　　在此前兩年，已在物理學界嶄露頭角的愛因斯坦仍生活在平凡的圈子裡。

　　每天上午9時準時到達專利局，那不得不捱過去的8小時是全家人的經濟來源。下班以後，他還得聽妻子愈來愈頻繁的絮叨和抱怨，生煤爐，或帶著兒子到阿勒河的河濱散步。河水靜靜地流去，日子單調得令人發狂。已一頭撞開物理學新紀元大門的愛因斯坦，面對無法改變的生活現實，也一籌莫展。

　　在相對論幾篇論文發表後的日子裡，愛因斯坦曾在給索洛文的信中發過這樣的牢騷：「……我快到不能動彈、無所建樹，似乎到了只能對年輕人的革命精神發發牢騷的年紀了。」

　　上帝太不公平了！

　　不過好事也還是有的。

　　1906年4月1日，愛因斯坦在專利局幹了19個月後，終於升了一級，成了聯邦專利局的二級技術員，工資也漲到每年4500法郎。哈勒局長相當不錯，他按自己的職業眼光欣賞著愛因斯坦的能力，並在給上司的報告中，極力表揚愛因斯坦克盡職守，成績優異，並說他工作之餘堅持學習，獲得了博士學位。

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