可在伯爾尼,愛因斯坦缺乏資料和信息,甚至連古伊的研究都不知道,又無必要的實驗設備,他隻能從理論上,對“布朗運動”給予解釋。
他憑著在蘇黎世工業大學讀書時多次做過的“布朗運動”實驗的經驗,運用新的統計力學的方法,計算出“布朗運動”的規律,並且指出:利用觀察“布朗運動”,可以計算出分子的大小,從而也就證明了分子的存在。
受條件所限,愛因斯坦不可能進行“布朗運動”的研究和實驗。因此,他在論文的最後,誠懇地希望有誌於此的實驗物理學家們,能夠用實驗來證明自己的理論。
巴黎大學的實驗物理學家佩蘭(1870—1942)響應了愛因斯坦的號召。
他用極其精密的實驗,終於驗證了愛因斯坦的理論,計算出了分子的大小。
佩蘭的實驗,用鐵的事實證明了原子和分子的存在。就連最頑固地反對原子理論的兩位頗具盛名的物理學家——奧地利著名物理學家馬赫、德國著名化學家奧斯特瓦爾德——也不得不公開承認原子是真實存在的。
1905年6月,愛因斯坦完成了他具有劃時代意義的重要論文,即我們曾經提到過的《論運動物體的電動力學》,創立了影響整個世界的狹義相對論。
在科學史上,這是一篇非常奇特的論文。它的主要貢獻是創立了相對論,但卻沒有冠以“相對論”的名稱。全篇論文隻有9000字,而且不像其他的科學論文,引經據典,旁征博引,實驗數據翔實準確,它沒有任何文獻資料,更沒有什麼實驗數據,可以說,它完全是作者科學思想的結晶,10年苦苦思索的結晶。
在愛因斯坦不足16歲的時候,有一次乘坐馬車去阿勞,忽然產生了一個奇怪的念頭:如果有人以光速和光線一齊前進,那麼,是不是將看到光線乃是靜止在空間中的電磁波呢?
根據傳統的經典物理學理論,答案是肯定的。就好比我們坐在一輛勻速行駛的汽車上,觀察與我們以同樣的速度一塊兒前進的另一輛汽車一樣,我們會感覺那輛汽車似乎是不動的。
可是,愛因斯坦卻憑著推理和想象,認為那是不可能的。
火車上的乘客,相對於火車沒有運動,相對於地麵卻以每秒幾千米的速度飛馳而過。火車相對於地麵運動,地球相對於太陽運動,這些都是相對運動。但是,如果按此道理繼續推導下去,太陽相對於銀河係中心運動,銀河係相對於什麼運動呢?
按照經典物理學的解釋,除去相對運動外,還有絕對運動,即相對於絕對空間的運動。而絕對空間,牛頓把它解釋為:“絕對的空間,就基本性而言,和外界任何事物無關,而永遠是相同的和不動的。”
可是,絕對空間既然和外界毫無關係,那麼又是如何存在、如何被人了解的呢?對這一問題,物理學大師牛頓無法回答,隻好把絕對空間以及絕對時間說成是上帝的創造。
顯然,對於信奉無神論的愛因斯坦來說,這根本算不上是答案!
愛因斯坦在1949年發表的自傳中寫道:
在阿勞的那一年(從1895年10月到1896年秋),我想到這樣一個問題,如果人以光速追隨光波運動,那麼人會處在一個不隨時間而改變的波場之中。然而,像這類事似乎並不存在!這是與狹義相對論有關的少年的第一次思想實驗。
經過10年沉思以後,我從(這個)悖論中得到這樣一個(狹義相對論)原理,我在16歲時已經無意中想到過這個悖論。
愛因斯坦的研究,從古老的“以太之謎”問題入手。
“以太”這個詞,是古希臘人的創造。他們認為空氣中充滿著以太。
頓借用以太一詞,把它作為萬有引力的傳播媒介。
而光的“波動說”,則認為以太是光波的傳播媒介,就像空氣是聲波的媒介一樣。
“波動說”還認為:以太無所不在,不但充滿宇宙空間,而且滲透於氣體、水和一切物體之中,它沒有一點摩擦阻力,不影響一切物體的運動。
19世紀末,以太又被人們說成是電磁場的承擔者和電磁波的傳播者。還有的人,幹脆把這種看不見摸不著、說不清道不明的以太,說成是牛頓的絕對空間!
以太更成了無人能解的謎中之謎!
愛因斯坦早就懷疑以太的存在問題。“難道光隻有借助傳播媒介才能傳播嗎?而這種傳播媒介又隻能是以太嗎?”
“既然沒有任何東西能夠證明絕對空間和絕對時間的存在,那麼,它們就是不存在的。”
歐洲的許多享有世界聲譽的物理學家,如荷蘭著名物理學家洛倫茲,為了拯救經典物理學,而做了大量的工作。
曆史和洛倫茲教授開了一個天大的玩笑,他為拯救物理學而發明了以他的名字命名的“洛倫茲變換”。可結果卻是沒有拯救得了垂死的舊物理學,倒給創造新物理學的愛因斯坦提供了方便。洛倫茲變換,成為愛因斯坦相對論中的基本公式之一。
好像是一位醫術高明的醫生,為了拯救一個已經死亡的病人,而使出渾身解數,結果,死人沒有救活,卻發明創造出了醫治活人的極有價值的方法。
愛因斯坦從來就是謙虛的。他細心地聽取反麵意見,吸收前人的科學成果,充實自己那愛思考的大腦,再錘煉出光耀世界的偉大成果!
愛因斯坦又是從來不懼怕任何對手和權威的。為了探索和證實真理,愛因斯坦敢於向任何權威挑戰!
在狹義相對論中,愛因斯坦提出了兩個基本原理:
一、光的速度是不變的;
二、物理定律,特別是光速不變定律,同慣性係的選取光點,即所謂狹義相對性原理。
3個月後,他又根據狹義相對論原理,推導出了物體的質量也與運動密切相關,運動速度增加,質量也隨著增加,並得出了質能關係式:E=mc2,即物體的能量相當於質量與光速的平方的乘積,從而揭示了原子內部所蘊藏的巨大能量的秘密!
對於相對論原理,愛因斯坦自己曾經做過一段簡明扼要的說明:
“要點是這樣的:早先人們認為,假如由於某種奇跡,一切有形體的事物突然一下子消失了,那麼空間和時間仍會留下來。照相對論來說,空間和時間是和一切事物一起消失的。”
狹義相對論誕生了。這是要埋葬經典物理學的基本理論的新學說,它完全是離經叛道的東西。
圍繞著狹義相對論,歐洲的物理學家們采取各自不同的三種態度:
第一種人數量多,他們堅持傳統的經典物理學。因為和牛頓相比,伯爾尼專利局的一個小公務員顯得是太渺小了,所以,他們對所謂的狹義相對論,采取了不屑一顧的態度。
第二種人數量少,卻包括不少權威人士。他們不能容忍對經典物理學的背叛和革命,積極地想方設法,力圖把狹義相對論消滅在萌芽狀態!
電子學的權威學者,德國著名物理學家考夫曼(1871—1947),寫了一篇文章,用大量的實驗數據論證他對高速電子所做的實驗,得到的結果與狹義相對論相反。
以考夫曼的名氣和影響,足以把狹義相對論判死刑。
狹義相對論麵臨著挑戰,愛因斯坦麵臨著挑戰。全歐洲都注視著伯爾尼:看這個小公務員如何回答權威的論斷。
出乎人們的意料,愛因斯坦在巨大的壓力麵前,沒有任何反常的表現,更沒有去反駁對狹義相對論的懷疑,仍然是一心一意地發展和完善自己的相對論。
他自信狹義相對論是客觀而又偉大的自然規律的寫照。難道自然規律還會有錯誤嗎?
沒過多久,傳來消息,說考夫曼的實驗裝置有毛病……
第三種人數最少,但卻有逐漸增加的趨勢。
他們為狹義相對論的誕生而激動,為物理學新的革命而振奮。在他們之中,有普朗克教授、法國物理學家朗之萬教授、德國物理學家維恩教授,甚至還有洛倫茲。
普朗克在讀過愛因斯坦的論文後,立即寫信給愛因斯坦,給他以鼓勵和提醒。他寫道:
“你這篇論文發表之後,將會發生這樣的戰鬥,隻有為哥白尼的世界觀進行過的戰鬥才能和它相比……”
愛因斯坦馬上回信,感謝教授的關心和支持,同時談了自己的工作和生活情況。
普朗克讀了愛因斯坦的回信很感慨:愛因斯坦是使物理學發生革命的天才,真正的20世紀的哥白尼,可卻在伯爾尼專利局裏幹雜事,並且還沒有擺脫生活重擔的拖累。
教授幫不上別的忙,可宣傳相對論卻是責無旁貸的。
普朗克在柏林大學的物理學討論會上介紹相對論。
另一位熱心宣傳相對論的是閔可夫斯基教授。他在瑞士聯邦工業大學的時候,曾經是愛因斯坦的數學老師,經常因為愛因斯坦不去上課,而罵他是“懶蛋”。
現在,老師熱情地宣傳相對論,並且對其做了數學處理,使狹義相對論更加完美,並且打開了通向廣義相對論的道路。