第三章學生物理發現的啟迪3
5.相對論的發現
一次不尋常的日全食觀測
1919年5月29日，發生了人類曆史上一次不尋常的日全食觀測。
兩支日食觀測隊，一支由天文學家愛丁頓帶隊，一支由天文學家克勞姆林帶隊，從英國出發，飄洋過海，分別來到了非洲西部的普林西比島和南美的索布臘爾，他們嚴陣以待，等待著一個盼望了多年的莊嚴時刻的到來。
中午，太陽一點點被月亮遮住了，天漸漸暗了下來。天文學家們用早已準備好的精密照相設備，抓緊302秒的日全食機會，一張接著一張緊張地拍照。不過，他們不是像通常那樣拍攝日食時太陽的日珥、日冕的照片，而是拍攝太陽及其附近星星的照片。
還在1911年，愛因斯坦根據相對論預言，由於太陽的引力場作用，星光在接近太陽表麵時將發生偏轉，1915年，他又更精確地把偏轉角度更正為17秒角度。
怎樣才能檢驗愛因斯坦的預言呢?白天，陽光照耀，看不見星星，夜晚，星星出來了，太陽又下山了，隻有在日全食時，才有可能看到緊挨著太陽的星光。現在這個時刻來了。如果觀測的結果真的像愛因斯坦預言的那樣的話，那麼200多年以前，偉大的科學家牛頓所提出的萬有引力定律就必須修正了，難怪科學家們如此激動。
11月6日，英國皇家學會和皇家天文學會在倫敦舉行聯席會議，聽取兩支日食隊的正式報告。他們的觀測結果表明，星光在路過太陽附近時真的拐彎了，一個隊的觀測結果是偏轉了161±030秒，另一個隊的結果是偏轉了198±012秒，與愛因斯坦的預言相當吻合。
整個會場沸騰了。英國皇家學會會長、電子的發現者湯姆孫致詞，他說：“愛因斯坦的相對論是人類思想史上最偉大的成就之一……這不是發現了一個孤島，而是發現了新的科學思想的新大陸。”
這一評價毫不過分。愛因斯坦的相對論結束了牛頓經典物理學的統治，開創了現代物理學的新紀元。它從根本上改變了人們對空間、時間和宇宙的認識。相對論已成為現代物理學的兩大基石之一，對現代科學的發展產生了巨大的影響。
愛因斯坦是怎樣發現相對論的呢?
物理學上空的兩朵烏雲
19世紀末，在許多物理學家的眼中，物理學已發展到了登峰造極的地步，不會再有什麼大的突破了。在迎來20世紀第一個春天時，久負盛名的物理學家、英國的開爾文爵士在他的《新年獻辭》中就躊躇滿誌地宣布：“科學的大廈已經建成，後輩物理學家能做的僅僅是一些零星的修補工作”。
不過，開爾文畢竟是一位有眼力的科學家，他指出：“在物理學晴朗上空的遠處，還存在兩朵令人不安的小小烏雲。”他所指的兩朵烏雲與當時用經典物理學無法解釋的兩個實驗有關，一個是黑體輻射實驗，一個是邁克耳遜——莫雷實驗。
在開爾文的心目中，這兩朵烏雲很快就會散去，他完全沒有料到，竟是這兩朵小小的烏雲釀成了物理學上的大革命，前一個促成了量子論的誕生，後一個迎來了相對論的問世。
提起邁克爾遜——莫雷實驗，我們還要從尋找神秘的以太談起。
以太這個詞是古代希臘人創造的。他們認為天空和宇宙中充滿著以太。隨著元素說的興起，以太說漸為人們所淡忘。
17世紀，法國科學家笛卡爾把以太這個詞引到了物理學中。他認為宇宙空間充滿著以太，物體之間的相互作用就是通過以太為媒介傳遞的。
光的波動學說的成功使以太說更加興盛起來。聲波要靠空氣才能傳播，水波要靠水來傳播。太陽光穿過宇宙空間照到地球上也要靠媒質來傳遞，這個媒質就是以太。
法拉第和麥克斯韋建立的電磁理論中又一次引入了以太，電磁波要靠以太來傳遞。
那麼以太究竟是什麼樣的呢?誰也沒有見過。科學家們賦予了以太種種奇特的性質：它是無色、透明、靜止的，充滿整個宇宙空間；由於光波是一種橫波，而隻有固體媒質才能傳播橫波，因此以太必須是固態的；行星在以太中運行，沒有受到任何影響，因此，以太是沒有任何質量和摩擦阻力的……
這些性質本身就是相互矛盾的，看來以太簡直是太玄了。可是科學家們仍然不願意放棄以太，不僅因為它是光和電磁波傳播的媒質，而且因為它是牛頓絕對空間的化身。
牛頓認為，存在一個與外界事物無關，永遠相同和不動的絕對空間。宇宙萬物包括太陽係、銀河係等等都相對於這個絕對空間而運動。以太是靜止的，充滿了整個宇宙空間，它正是牛頓絕對空間的化身。
物理學家們做了種種實驗和天文觀測，想要驗證以太的存在，並確定它的屬性，但是都沒有能夠得到確切的結論。
邁克爾遜實驗引起的風波
1879年3月，在美國航海曆書局進行合作研究的美國年輕物理學家邁克爾遜偶然看到了麥克斯韋寫來的一封信。信中提到的測量地球相對以太運動的想法給了他很大啟示。邁克爾遜想出一個巧妙的辦法來測定地球相對於以太的運動：既然地球繞著太陽以每秒約30公裏的速度運轉，那麼朝地球運動的方向和與它垂直方向同時各射出一束光，從離光源相同距離的反射體反射回來，前者走過的路程將比後者短一些，兩束光相遇應當形成幹涉條紋。邁克爾遜用他發明的幹涉儀做了多次實驗，始終沒有看到他預期的幹涉條紋。
1887年，邁克爾遜在化學家莫雷的幫助下，進一步改進了實驗裝置，他們把幹涉儀安裝在一個很重的石板上，石板懸浮在水銀液麵上，儀器可以十分平滑地隨意轉動。這個儀器是那樣靈敏，甚至可以測出植物每一分鍾的生長量，一根條紋百分之一的移動變化。
實驗開始了，為了免除種種可能因素造成的誤差，他們使光束射出的方向與地球運動的方向成各種角度，在一年中的各個季節、白天和黑夜的不同時間進行了許多觀測，結果每一次都沒有出現幹涉條紋，也就是說，地球相對於以太的運動是零。
實驗的零結果公布後，在物理學界引起了震動，它表明了根本不存在以太。那麼牛頓所說的絕對空間也不複存在，經典物理學麵臨著嚴重的危機。
為了拯救岌岌可危的以太，以支撐行將倒塌的經典物理學大廈，物理學家們提出了各種各樣的假說。
愛爾蘭物理學家斐茲傑惹提出了收縮說，認為當物體在以太中運動時，它的長度會在運動方向上發生收縮，這樣邁克爾遜的儀器在指向地球方向時會縮短，正好抵消了互相垂直的兩束光的光程差。
荷蘭物理學家洛侖茲不僅提出了收縮論，還推導出了後來相對論中使用的基本公式洛侖茲變換公式。不過洛侖茲是以以太這一絕對空間的存在為前提，為了彌補舊理論和新的實驗事實之間的裂紋，他不得人為地提出了好幾個假設。
法國物理學家彭加勒更激進，他大聲疾呼，應該建立一門嶄新的力學，在這門力學中光速將成為一個不可逾越的障礙，物理定律對於洛侖茲變換應具有不變的形式。
這一切表明產生狹義相對論的曆史條件已經成熟了。洛侖茲、彭加勒已經走到了相對論的大門口，但是由於他們沒有擺脫牛頓絕對時空觀的束縛，因而沒能叩開相對論的大門。
1905年，一個默默無聞、既無名師指點，又不在專門研究機構工作的26歲的年青人打開了相對論的大門，他就是後來被人們譽為20世紀哥白尼、牛頓的偉大科學家愛因斯坦。
愛因斯坦為什麼能戰勝許多物理學界的前輩而捷足先登呢?讓我們循著他的成長道路看一看吧。
另類學生
愛因斯坦於1879年3月14日誕生在德國南部的一個古老小城烏爾姆。他的父母都是猶太人，父親和叔父一起開了一家小工廠。
愛因斯坦小時候不但不是一個神童，而且還被人看作是一個笨拙的、反應遲鈍的孩子。他4歲才學會說話，小學時功課也不出色。有一次他的父親問校長，這孩子長大應該選擇什麼職業，校長回答：“幹什麼都一樣，反正他決不會有什麼成就。”
愛因斯坦的叔叔是一個精明的工程師，曾把畢達哥拉斯定理(勾股定理)告訴愛因斯坦。12歲的愛因斯坦雖然從沒學過幾何，但他苦思冥想，竟然獨立地把這個兩千多年前哲人提出的定理證明出來了，他第一次嚐到了發現真理的快樂。
中學時代，愛因斯坦的數學和物理知識遠遠超過了同年級的孩子們，其他各科卻成績平平。他特別討厭德國中學那種把人當做機器、強迫訓練的教學方式，他的許多知識都是靠家庭中自學學到的。有一個叫塔爾梅的大學生，非常喜愛這個長著棕色大眼睛的小弟弟，經常和他討論問題，並借給他許多自然科學與哲學的書籍。愛因斯坦發現，在人類之外，有一個巨大的獨立的世界存在著，它像一個永恒的謎，吸引著愛因斯坦去探索。
17歲時，愛因斯坦進入了瑞士蘇黎士聯邦工業大學。他的興趣由數學轉向了物理學。他利用課餘時間，閱讀了當時的物理大師基爾霍夫、亥姆霍茲、赫茲、洛侖茲、麥克斯韋的主要著作，還學習了著名哲學家馬赫、休謨、斯賓諾沙的著作，他們的懷疑批判精神深深影響了愛因斯坦的哲學思想。