Sunday, December 4, 2011

宇宙的精灵 #2.3



你那一向调皮捣蛋的儿子哪天回到家对你毕恭毕敬,不用想,他一准是在外边闯祸了。爱因斯坦这次是把祸给闯大发了。1905年是科学史上属于爱因斯坦的“奇迹年”,这一年里他连续发表了五篇论文,论题分别是:光量子假说,原子的测量,证明分子存在的布朗运动,狭义相对论,质量关系式。在当年爱因斯坦给朋友的信中,对现在与爱因斯坦齐名的相对论,他只是淡淡地说“它修正了时空理论”;而对光量子假说 ,他用了“是非常革命性的”这个评语。

1905年的物理学世界,天下已经大定,广袤天空飞逝于无形的电磁现象,交由麦克斯韦统辖。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell),伟大的英国物理学家。人们常常有这样的类比:1687年牛顿的《原理》统一了天上的运动和地上的运动,1873年麦克斯韦的《电磁学通论》统一了电的运动和磁的运动。有如天赐的麦克斯韦方程勾画出优美的电磁统一的运动流形(图2.3),使人们不得不怀疑麦克斯韦是否进过上帝的密室。



图2.3  电磁辐射——电场、磁场与电磁波传播方向互为直角,构成一幅严格对称的优美图形





麦克斯韦于187948岁时英年早逝,这一年爱因斯坦出生。这是否上帝的又一次刻意的安排?上一次是1642年,伽利略和牛顿在同一年去世和出世,出世者最终完成了去世者未尽的伟业。1887年赫兹的伟大实验验证,宣告电磁学大厦的最终竣工验收通过。没有人怀疑这幢大楼的质量,轰轰烈烈地在里面开张营业。1994年,英国科学家马可尼(G..Maconi)研制成功无线电接收装置,并在英国邮电总局的支持下成立了“无线电报与电信有限公司”,实现了跨洋通信,开启了人类无线通讯的时代。理论与实践的结合同样完美。

麦克斯韦的航船欢畅地奔赴前方,根本没有想到会在光电实验上翻船。这只是一个普通的实验,并不是万众瞩目的那种。理论解释的暂时困难在科学活动中实属稀疏平常,一蹴而就倒是罕见。哪怕理论的潜力已充分发掘,理论的修改和修补仍大有可为,这是科学发展的常态。这种情形下就轻率地重起炉灶、另辟蹊径,恐怕也只有爱因斯坦这种离群索居的“民科”、头长反骨的年轻人才干得出来。

爱因斯坦并不否定麦克斯韦方程,他说过这种以连续空间函数描述电磁传播现象的方法,已经证明十分卓越,恐怕很难有更好的方法可以替代。光量子假说的锋芒所指,并不是电磁理论耸立于地面上的巨构,而是这个巨构深扎的基础。无怪乎他自己也意识到“是非常革命性的”。这已经不是对自己出生那年去世的麦克斯韦不敬的问题了,他是向全世界科学家安身立命的经典力学体系宣战!

力学体系,核心概念就是“力”。对于不相接触的物体的力的传递,比如地球对月球的吸引磁石对铁针的吸引,是牛顿体系长期悬而未决的一个问题。从17世纪起,以牛顿为代表的“超距作用”派和以笛卡尔为代表的“媒递作用”派就开始了PK。前派认为作用力以无限大的速度超空间传递,后派则认为力的传递必定借助一定的媒介,正如声音的传递必须借助于空气。

法国人笛卡尔(Rene Descartes),现代哲学之父,解释几何的创立者,同时也是现代科学的前驱。他提出,隔空作用力通过“以太”传递。超距作用固然不可思议,以太同样虚无飘渺。但有科学的理性精神在,你就得拿出理论论证,并且这种理论还必须有可供实验检验的经验推论。这点不能跟一些“大师”吹嘘的“超距发功”、“隔空取物”混淆。

电磁学的建立似乎给以太说提供了支持。英国实验物理学家法拉弟(M.Fraday)用以太作预设,提出了“场”的概念,认为电磁力是通过以太这种连续的介质传播的。麦克斯韦正是发展了法拉弟的思想,建立起了严密完整的电磁学体系。电磁学在理论和实践上的巨大成功,使人们对以太的存在不再怀疑,问题仅仅是如何用实验来证明。

可是1887年美国科学家迈克尔逊和莫雷的“以太风观测实验”零结果,给科学界又蒙上了一层阴影,与“紫外灾难”一起并称为牛顿力学天空的“两朵乌云”。难道蔚为大观的电磁学大厦居然没有基础,是一个豆腐渣工程?那这座大厦的居民可就悬喽!

就算我们依了爱因斯坦,光的本质是粒子流,电磁运动不需要以太这个介质,光量子自己给自己构造电磁场,可是看这个怪模怪样的光量子,他能服从“牛四条”的管束吗?在经典物理中,物质的本质是质量,呈现是广延(长宽高),你看看这个光量子,他以E(能量)的面目示人,剖开来一看——hv!刚刚说完光是粒子,可是粒子怎么用只有波才有的v(频率)来定义呢?人家搞科学是要钱,你搞科学是要命呐!

所以爱因斯坦的光量子说一开始遭到普遍的冷遇和反对,这没有什么奇怪。奇怪的是“量子之父”普朗克也站到了反对者的行列,不,前列,这倒是令人诧异的。按说你原先势单力薄,现在有了同盟军;按说你的身份地位不便冲锋陷阵,现在跳出个楞头青愿充当打手;你该高兴才对呀,哪有大义灭亲的道理?

爱因斯坦的光量子假说一提出,普朗克马上就表示这个年轻人“走得太远了”。在普朗克的心目中,量子只是写在纸上的一个符号,是为了解释热辐射做的一个假设,是热辐射的吸收和释放的一种方式,而不是一种客观的实在。普朗克把量子定格在稿纸上,囚禁在“空腔”里,可是这个头长反骨的年轻却把量子释放出来,让他充斥整个宇宙,普朗克从内心里生出莫名的恐惧,如果让小爱得逞,牛顿世界从此将不得安生!

爱因斯坦依然当着他的专利员,每周六天,每天八小时。1906年他从三级技术员升到二级技术员,工资也提了不老少。但升职的理由不是他那几篇革命性的文章,而是因为他取得了博士学位。米列娃不善家务,年轻时的科学梦由于跟爱因斯坦的恋爱结婚生子而渐行渐远,不免时有怨言,爱因斯坦不得不分担部分家务。有位青年学者慕名探访偶像,见到的却是被炉子弄得狼狈不堪的爱因斯坦。后者苦笑地说:我在研究热辐射,但这只炉子却辐射不出热能。为了巩固量子论的阵地,他正重新推导普朗克的辐射公式呢。

与光量子说遭到普遍反对的境遇相比,相对论的命是好多了。人们逐渐理解、接受并热议。1919年,广义相对论得到了爱丁顿为首的英国科学家的“伟大的验证”,相对论更是如日中天。1896年刚入苏工大时立下的当教师的“伟大理想”也实现了,他先后在苏工大、布拉格大学和柏林大学任教。

与此同时,他与米列娃的婚姻也走到了尽头。他俩曾讨论过“(第一次)世界大战和我们的婚姻,哪一个结束得更早”的问题。结果他们的家庭大战与世界大战同时结束,于1918年办理了离婚手续,随后爱因斯坦又与自己的堂姐兼表姐(我懒得去想这两个头衔怎么能安在同一个人的头上)爱尔莎结婚。爱因斯坦似乎有“恋姐情结”,他的第一个恋人是阿劳中学时寄宿房东的女儿,比他大两岁,米列娃比他大三岁,爱尔莎同样比他大三岁。大概这进的小爱还没有长大,需要一个姐姐的照顾。

在与米列娃离婚时有一项承诺,爱因斯坦将获得的诺贝尔奖金归米列娃所有。唉,为这诺贝尔奖折腾得也是够久的了,足够打N次世界大战。1910年起,就被以相对论的名义提名。但每次都是议而不决。诺奖委员会重实验轻理论是一个原因。因此普朗克的量子假说也是直到1919年才获奖。另一个原因是,德国一股反“犹太物理学”的暗流兴起,一些反犹科学家不断以各种莫名其妙的理由贬低相对论的价值。勒纳德就是得力干将之一。他的实验是光量子说的直接诱因,爱因斯坦一再表示“感谢勒纳德前驱性的工作”。可是政治的狂热可以烧坏科学良心,勒纳德把爱因斯坦的学说贬得一钱不值,诬为胡说八道。由于这种压力,1921年又一次议而不决,这一年的物理奖干脆空着。同时,诺奖委员会的道德压力也十分沉重。有人提出了一个问题:“如果50年后人们发现爱因斯坦没有获得诺贝尔奖,我们将如何解释?”这让委员们汗颜!1922年,有人出了个怪招,以“光电效应实验的理论”为由,既不提相对论,也不提光量子假说。委员们以这个名义投票通过,把1921年的诺贝尔物理学奖颁给爱因斯坦。同时投票通过的还有,把1922年的物理奖授予丹麦科学家波尔(我们下站就要拜访他啦)。不管怎么说,爱因斯坦终于可以兑现承诺把奖金交给前妻。而米列娃很有头脑地投资房地产,在苏黎世买了三套住宅用于出租。



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