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專利局小職員的遺產
（2005年03月19日 12:58）
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□作者:
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專利局小職員的遺產
Gary Stix
1905年，瑞士專利局一位職員的天才思想永遠地改變了世界。至今，他的智力遺產仍然是競相構造一種萬有理論的新一代物理學家的靈感源泉。
阿爾伯特?愛因斯坦浸淫20世紀物理學，並且成為科學界象征性的代表人物。他的工作永遠改變了人們看待自然界的方式。“牛頓，請原諒我，”愛因斯坦請求道，因為相對論完全拋棄了統治兩個多世紀、包含萬物自然法則仲裁者的絕對時空觀。
除了幾年前有一篇被駁回的博士論文之外，這位26歲的專利局職員並沒有什麼值得稱道的地方，他利用業余時間和在工作期間偷偷地研究物理學，激進地指出當代物理學家“欠缺深度”並且進一步證明了這一點。除了狹義和廣義相對論之外，他所做的工作還幫助建立起量子力學和統計力學，化學和生物技術也得益于愛因斯坦關于分子的存在性及其行為方式的研究。
更令人驚異的是，他在堪稱奇跡的一年（1905年）當中，通過一系列文章宣揚他的這些見解。除了1665和1666年（最早的“奇跡年”，當時牛頓為躲避黑死病而呆在自己的家鄉，並且開始著手微積分、萬有引力定律和顏色理論的基礎工作）之外，科學史上沒有哪一階段可以與1905年的科學成就相媲美。國際物理學界已經將2005年定為“世界物理年”，作為對愛因斯坦百年紀念的一份禮物。
物理學和工程學眾多領域的科學家，在整個20世紀都在不斷地測試、實踐和應用源自于愛因斯坦工作的思想。大家都知道，愛因斯坦的著名公式E = mc2是原子彈以及由原子彈產生的歷史的關鍵。愛因斯坦關于光電效應的解釋，成為光敏二極管和電視攝像管等技術的基礎[參見本期50頁Philip Yam的文章《Everyday Einstein》]。一百年之後，技術專家仍然可以從愛因斯坦理論中收獲新穎的發明創造。
衡量天才的標志之一涉及通過實驗來充分探索一種新理論的內涵所需要的時間。從這個意義上，愛因斯坦仍然很出色。最近發射的一艘太空探測器將考察廣義相對論的各種假設。而且，物理學家並不是等所有問題都找到答案之後才開始探索其他的問題；現在，物理學中許多最振奮人心的工作具有更加雄心勃勃的、超越愛因斯坦的目標——超越其思想，並且完成一項類似于他在其生命最後30年中所致力于的但直至去世都未能獲得成功的工作。
很顯然，廣義相對論和粒子物理構成對物理學的一種不完備描述，因為後者基本上屬于量子力學，而廣義相對論和量子論就如同水火不相容。盡管經過數十年努力，愛因斯坦還是沒有找到一種能夠統一相對論和電磁學的理論框架。他原本基于必然性而不是量子力學中的概率和隨機事實來闡明物理學，而正是這些讓他離開自己建立起來的物理學領域。當前的新一代科學家也在構建自己的萬有理論，而且與愛因斯坦相比，他們掌握了關于物理學基本作用力更完整的描述，並且對量子力學沒有事先存在的偏見。如果這種努力取得成功，將得到什麼回報？對于最後成功的物理學家而言，他們的名字將和愛因斯坦和牛頓一樣不朽。對于我們這些外行而言，他們將為我們提供了對自然界的驚鴻一瞥以及各種現在難以理解的新技術，就如同黑洞和量子計算機在一百年前的遭遇一樣。
要超越愛因斯坦，首先必須完整地理解他的個人成就。1905年春，這位年輕的“專利局苦力”（愛因斯坦這樣稱呼自己）給好友Conrad Habicht寫了一封信，稱他自己有一些“不合邏輯的妄語”，該說法引自將要發送給他的一系列文章。唯一被他稱為“非常有革命性的”信件並沒有討論相對論，但是卻幫助他獲得1921年的諾貝爾獎（1922年頒發）。論文《關于光的產生和轉化的一個啟發性觀點》于3月份完成，繼承並且延伸了馬克斯?普朗克的量子思想——高溫物體僅以特定離散束的形式發射或吸收能量。
作為1905年的五項主要成果之一，愛因斯坦在該文中將量子概念應用于解釋光電效應︰當一塊帶靜電的金屬受到光線照射時會釋放電子。他認為光束是由粒子（後來被稱作光子）組成，從而與光只有波動屬性的主流觀念相矛盾。該文于6月發表在德文刊物《物理學紀事》（Annalen der Physik）上，它為構成量子力學基石的光的波粒二重性獲得廣泛接受鋪平了道路。光電效應後來成為眾多技術的基礎。
當時愛因斯坦還沒有獲得博士學位。甦黎世大學駁回了他于1901年提交的一篇論文，這是一項有關氣體分子運動論的尋常研究。除了放棄經歷了他所謂獲得高級學位的“喜劇”的學術思想之外，愛因斯坦保留了所有其他的觀點，但是在1905年，他決定再試一次。根據他姐姐Maja介紹，愛因斯坦首先提交了關于狹義相對論的文章，但是甦黎世大學認為其觀點“荒誕不經”。然後，他又選擇提交在4月30日完成的《分子大小的新測定》，該文于7月被接受。據報道，該文是他和最親密的朋友Michele Besso在喝茶交談時觸發的靈感，當時愛因斯坦正在思索液體粘性與溶解的糖分子大小之間的關系。通過考慮大量的這種糖分子，愛因斯坦導出計算擴散速度的數學公式。這樣，通過估算擴散系數和溶液的粘度就可以得出糖分子的大小。
在完成這篇文章幾天之後，愛因斯坦又撰寫了一篇相關文章，其目的也是為“特定大小原子的存在”提供證明。在當時一些圈子里，原子仍然是有爭議的概念。文章《關于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》于7月發表在《紀事》（Annalen）上，預測了給定體積的液體中分子的數量和質量，以及這些分子如何快速運動。這種飄忽不定的運動被稱作布朗運動，以羅伯特?布朗在19世紀初對水中花粉粒不規則的“之”字型運動的觀察而命名。愛因斯坦認為，水分子的運動足夠劇烈，從而能夠推動懸浮的顆粒，使得顆粒的飄舞在顯微鏡下能夠觀察得到。該文是對現代統計力學的一項重大貢獻，其導出的方法可用于模擬空氣污染物的行為或股票市場漲落走勢[參見本期56頁W. Wayt Gibbs的文章《Atomic Spin-offs for the 21st Century》]。
接下來的一篇文章于6月底完成，題目為《論動體的電動力學》。相對性原理的出現要早于愛因斯坦數百年。1632年伽利略就提出︰無論觀察者的運動狀態如何，只要其運動速度不變，所有物理定律都相同。在一艘勻速運動輪船的甲板上觀察，石塊從桅桿上垂直落下；從靜止輪船的甲板上看到的將是同樣的情況。對于牛頓在17世紀中期提出的力學定律而言，該相對性原理也成立。但是隨著19世紀後期電磁學的出現，這種一致性被打亂了。因為麥克斯韋方程表明，電磁輻射以波動的形式在空間傳播，物理學家假設它通過一種叫做“以太”的媒質，類似于聲波在空氣中傳播。麥克斯韋證明，相對于以太場中的某個靜止參考系，光和其他電磁波在真空中行進的速度為每秒3億米。但是在以太場中，相對性對光不再成立。按照相對性原理，只要觀察者在運動，光速就應當不再是每秒3億米。然而，試驗者並沒有發現對于運動對象而言預期的光速變化，光速始終保持不變。
愛因斯坦著手處理的正是電磁學與物理學其他領域的這種不調和。作為一位具有深刻審美意識的科學家，他無法容忍相對性原理不能像解釋牛頓力學一樣去解釋電磁學。1905年的那篇關于狹義相對論的文章于當年9月發表，通過將相對性原理應用于電磁學，他重新肯定了該原理適合于所有物理學，並且確認光速為一個常數。在解決了相對性悖論的同時，文章還提出一個與人們常規直覺相違背的新的相對性原理，即無論觀察者是坐在前廊的搖椅上，還是乘坐以接近光速飛升的未來太空船上，光速對他都保持不變。
光速不變原理徹底摧毀了我們的絕對時空觀。速度等于距離除以時間。當位于一個參考系（搖椅）中的觀察者正在觀察另一個參考系中某人（太空船中的宇航員）的移動時，由于方程一側的光速保持不變，則另一側的距離（長度）和時間都應當發生變化。更確切地說，搖椅上的人將感到高空中宇航員的時間過得較慢；對他而言，太空船在運動方向的長度也會縮短。
如果搖椅上的人能夠測量太空船飛行時宇航員的體重，他會發現，他們的體重將比飛船起飛前增加了。愛因斯坦奇跡年的第五篇，也是最後一篇文章于11月份發表在《紀事》上，作為狹義相對論作品的一個補遺。他在文中描述道︰“物體質量是其內能的一個尺度”。愛因斯坦于1907年將內能概念重新表述為有史以來最著名的科學方程。方程E = mc2同樣適用于動能。相對于搖椅中觀察者，太空船的速度越快，則其動能和質量也越大，從而使得它越來越難以加速。當飛船速度接近光速時，提升飛行速度所需要能量增量太過巨大，以致于繼續加速越來越費勁，這也是為什麼超光速火箭飛船只可能出現在科幻小說中的原因之一。
1905年之後，最佳成就才真正出現。作為一項知識成果，1916年發表的廣義相對論讓愛因斯坦（或者除了牛頓之外的任何其他物理學家）先前和此後所做的工作都顯得黯然失色[參見本期108頁Alan Lightman 的文章《Einstein and Newton: Genius Compared》]。在發明狹義相對論的優先權上，數學家Henri Poincare差一點就擊敗愛因斯坦，但是他沒有邁出拋棄以太網這一最後的也是最關鍵的一步。狹義相對論調和了牛頓力學和麥克斯韋電磁學之間的矛盾，但是它僅僅適用于勻速直線運動的物體。對于物體的運動速度和方向不斷變化的真實世界，需要一種廣義的相對論；換句話說，它必須考慮加速度的影響，包括宇宙間最普遍存在的重力加速度。牛頓認為，重力是遠距離瞬時產生的一種作用力，而愛因斯坦則重新將它想象成時空的一種內在屬性，恆星或任何大質量物體都會使得其周圍的愛因斯坦時空產生彎曲，這樣，行星將沿著時空連續體中的彎曲路徑運動。
美國自然歷史博物館天體物理學部主任、最近剛主辦的愛因斯坦成就展的負責人Michael Shara說道，“質量使得時空彎曲以及彎曲的時空決定物質運動路徑，這純粹是天才的思想，物理學家最終會發現廣義相對論對人造衛星和脈沖星測量的影響，但可能要等到20世紀後期。即使到那時，愛因斯坦關于引力的精美幾何描述也難以得到完全再現。”
廣義相對論文章發表之後不久，在1919年日食期間的一次實驗中觀察到，太陽引力場使經過它的星光發生偏轉，從而證實了廣義相對論的一個預言。廣義相對論的這一證據使得愛因斯坦很快成為媒體明星人物，盡管在那些爭相擁擠著一睹其容為快的人當中，有許多壓根就不知道他究竟取得了什麼科學成就。有人謠傳，愛因斯坦曾宣稱世界上只有12個人理解相對論。即使他真的說過類似的話，這麼小的數目多少有些夸張。很快，世界上出現了一批忠實的愛因斯坦迷。《科學美國人》雜志甚至發起了一項競賽︰給出相對論最容易理解的解釋，獎金為5000美元，吸引了數百名參賽者。愛因斯坦開玩笑說，他是朋友圈子里唯一沒有參加這項競賽的人。“我認為不能獲勝，”他自嘲地說[參見本期102頁Daniel C. Schlenoff的文章《A Century of Einstein》]。
從1916至1925年，愛因斯坦又對量子理論作出新的貢獻，包括關于最終導致激光出現的受激輻射理論。但是他不再沉醉于量子力學，因為在描繪亞原子粒子世界的現象時，量子力學信奉統計概率而不是因果率。在其一生後半期，直到1955年去世，愛因斯坦致力于統一場論，該理論不僅將引力場和電磁場看作同一事物的兩個方面，而且解釋了基本粒子以及諸如電子電量或光速等常數的存在性。
事實證明，這些努力走進了死胡同，這部分由于愛因斯坦拒絕量子物理學的新轉向，部分由于兩種基本核力（強相互作用和弱相互作用）直到他去世之後才得到充分的理解。在一部1993年的傳記中，Albrecht Folsing在提到愛因斯坦的愛好時指出，“即使愛因斯坦的忠實崇拜者也不得不承認，如果這位毫無爭議的偉大科學家在他余生的最後30年（大約從1926年開始）完全投身進去，那麼物理學進程將不會遭遇如此嚴重的停滯”。其他人則更寬容。愛因斯坦論文集的前任保護人Ze'ev Rosenkranz評價說，也許這位物理學家只是領先于他的時代，“不懈地探索萬有理論，是愛因斯坦對科學最重要的遺產。”
[柯江華/譯 趙庚新/校]
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