一、初放异彩1900年爱因斯坦从联邦工业大学毕业以后，几乎有两年时间，就像他早年作为一个“差生”的历史所预计的那 样，没有什么成就。他申请当助教，但助教的位置给了别人。在这段时期里，他在知识分子的圈子里找些临时工作以维持生计。瑞士一所中学里有位教师服两个月的 兵役，他就补缺去代课。他也曾在一所私立的寄宿学校当补习老师，还曾替苏黎世联邦观象台做过一些计算工作，而一直未能立即投身到物理学的研究中去。 最后，到1902年春，爱因斯坦的好朋友，留校当了助教的“无可挑剔的学生”格罗斯曼帮了他的忙。格罗斯曼的父亲把爱因斯坦推荐给瑞士伯尔尼专利局局 长，经过一番严格的考试，他被任命为专利局三等技术员，干起了专利审查员的工作。这使他解除了经济上的困难，也提高了他的工作兴趣，并时时激发他的科学想 象力。除了8小时的工作，他有充分的空余时间来思索宇宙之谜了。 在伯尔尼专利局的7年业余时间里，这位年轻的专利审查员创造了举世瞩目的科学奇迹。他简直把20世纪中理论物理发展的主要方向都勾划出来了，开创了物理学的一个新时代。 爱因斯坦真是生逢其时！在联邦工业大学学习和进入伯尔尼专利局工作的那些年，他跨越着一个动荡的激动人心的世纪之交，而这也正是他思想活跃、青春勃发的 年代。物理学历史的发展正经历着一个令人困惑、危机四伏，并预示着一场伟大的革命即将到来的时期。当历史的需要呼唤一位伟人出现时，他正以矫健的步伐走向 历史舞台了。 历史的车轮进入19世纪下半叶，由牛顿奠基，并经过数代物理学家的艰苦努力，一座庄严雄伟、美丽壮观而又动人心弦的经典 物理学的殿堂骄傲地耸立起来了。大至恒星和星系，小至分子和原子，遍及声、热、光、电磁，物理学似乎都已给出了完满的解释。正如美国著名物理学家迈克尔逊 在1894年所说：“虽然任何时候也不能担保，物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但是似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起 来了，下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。”在19世纪70年代，当普朗克进入慕尼黑大学向自己的老师约里表示， 决心献身于理论物理学时，约里回答说：“年轻人，你为什么要断送自己的前途呢？要知道，理论物理学已经终结。微分方程已经确立，它们的解法已经制定，可供 计算的只是个别的局部情况。可是，把自己的一生献给这一事业，值得吗？”面对着经典物理学的完美的大厦，几乎所有的物理学家都心满意足了，他们思考着往后 的研究怎样去追求更高的精确性和在小数点后更多的位数去寻找物理学的真理。 正当物理学家们还沉浸在沾沾自喜之中的时候，新的发现和新的实验事实就开始接二连三地冲击经典物理学的大厦了。 1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了惊人贯穿能力的X射线；1896年法国物理学家贝克勒耳发现了铀元素具有放射性；1897年英国的汤 姆孙和荷兰的塞曼通过测定阴极射线的荷质比确证了电子的存在；1898年居里夫妇又发现了放射性极强的新元素钋和镭；1902年卢瑟福和索迪根据对放射性 进行的实验研究提出了元素嬗变理论……新的物理事实展示了物质结构隐藏着更深层的秘密。与此同时，黑体辐射、光电现象、原子光谱等一系列实验事实与经典物 理学的理论产生了尖锐的对立。 在历史跨入新世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵于1900年4月27日在皇家学会发表 了一篇著名的讲演，并以这次讲演为基础撰写了题为“悬浮在热和光动力理论上空的19世纪的乌云”的文章，刊登于1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学 杂志》合刊上。文章一开头，开耳芬写道：“动力学理论断言热和光是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌 云是随着光的波动论而开始的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论。它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动的呢？第二朵乌云 是麦克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。” 19世纪末的物理学界根深蒂固地确立了一种思想，认为有一种到处存在的、能穿透一切的介 质，它充满所有物质的内部和它们之间的空间，惠更斯把这种介质称为宇宙以太。以太是传播光波的基础。由于遥远的星光可以传播到地球，所以以太应当充满整个 宇宙。因为光是横波，所以作为传播光的介质，以太应具有固体的性质；同时由于光速非常大，所以不得不认为以太的弹性系数极大，它应当是绝对刚性的。而另一 方面，宇宙天体包括地球和太阳等在运动过程中似乎又并没有受到以太的阻力，因此又必须假定它的密度几乎为零，或者如开耳芬勋爵所假定的那样以太有着类似胶 状物质的性质，但这样就会同以太具有绝对刚性的假定发生矛盾。如果以太不阻碍物质的运动，说明以太和物质粒子之间没有任何相互作用，可是当光穿过玻璃或水 时速度又变了，这又得假定以太同物质之间有着相互作用。此外，还得要求以太具有绝对透明的性质……总之，以太到底是什么东西，它有什么性质？这本身就充满 着混乱和矛盾。 关于“第二朵乌云”，开耳芬在文章中简单回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该理论所遇到的困难，特别指出了一些理 论计算值与实际观测值之间的偏离。他说：“事实上，玻耳兹曼—麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大。”并断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼 —麦克斯韦学说。” 经典物理学遭遇到了一场深重的危机，而危机正是科学革命的前夜。尽管开耳芬勋爵只提到了两朵乌云，实际上19世纪 物理学的上空几乎已是乌云密布了。然而这位在物理学史上素以保守著称的英国爵士，似乎以超人的洞察力揭示的两个难题，竟与此后物理学上两个伟大的理论革命 有着密切的联系。 1905年作为物理学史上光辉灿烂的一年，永久载入了科学史册。在这一年，爱因斯坦完成了6篇使科学领域发生巨变的 划时代论文，其中3篇发表在德国莱比锡出版的《物理学杂志》的同一卷上。1905年的第一篇论文，他是在26岁生日（3月14日）之后的第3天完成的。它 证明光是由不连续的微小颗粒或者叫做光量子的微粒所组成的。今天，量子原理几乎影响了所有的物理学分支，它阐明了自然界中连续体所具有的基本的微粒状态。 在3篇论文中，爱因斯坦提出了一种测量分子大小的新方法，并证实布朗运动显示原子是存在的，大大推动了原子理论和统计力学的发展。而其余两篇论文，爱因斯 坦创立了狭义相对论，引起了物理学思想和观念的革命，开创了物理学的新纪元。他几乎同时在相对论、光量子理论和分子运动论这三个不同领域里齐头并进，并取 得具有重大意义的成果。自从23岁的伊萨克·牛顿在1665年到1666年由于鼠疫流行而避居乡间期间，发明微积分并发展了引力理论以后，科学界一直没有 取得过如此丰硕的创造性成果。 1905年快过去100年了，我们即将跨越一个新的世纪之交。我们回首这要过去的一个世纪，物理学取得 了惊人的进展，这些进展是与一个伟大的名字爱因斯坦分不开的。1949年获得诺贝尔奖的法国物理学家戴布劳格利说过一段话：“20世纪上半叶取得了物理学 上最惊人的突破，这成为科学史上辉煌的一章。就在这短短的几十年中，物理学中耸立起两座丰碑，它们在今后几个世纪中将一直巍然屹立着，这就是相对论和量子 理论。相对论是阿尔伯特·爱因斯坦富有创造力的思想的成果。量子理论的首块基石由普朗克奠定，但量子理论中的最重要的进展也应归功于爱因斯坦。”而爱因斯 坦在这两个伟大理论中的贡献，正是发端于他在1905年所写的论文。 在1905年短短的几个月中，爱因斯坦创造了如此丰富的科学研究 成果，确实是科学史上的奇迹。更令人钦佩的是，所有这些贡献竟是一个在学术机构大门以外默默无闻工作于伯尔尼专利局的年轻小职员做的。他在完成本职工作的 前提下，完全靠利用业余时间自己摸索，没有任何的学术联系，甚至和这一行的前辈也基本上没有接触，更没有名师指导。若干年以后，他在与自己的学生利奥波 特·英费尔德谈起自己的科学经历时说，一直到30岁左右，他还从来没有见到过一位真正的理论物理学家。英费尔德曾风趣地补充说：“除非是在镜子里。”然而 爱因斯坦成功了。这需要多么大的毅力！他付出了多么大的代价！正如爱因斯坦自己在1933年所写的那样：“一旦这种想法的正确性得到了承认，最后成果就水 到渠成了。任何聪明的大学生理解这些成果都不会有什么困难。但是，在一个人茅塞顿开、恍然大悟之前，在黑暗中探索他能感受到但又表达不出的真理的那些年代 里，那种强烈的求知欲望，那种时而有信心时而又产生疑虑的心理变化，只有亲身经历的人才能知道是什么滋味。” (责任编辑：中国历史网) |