第三章學生物理發現的啟迪3(2 / 3)

愛因斯坦不是一個循規蹈矩的好學生,他常惹得老師大發雷霆。一次上實驗課,大家都在按部就班地操作,突然“砰”的一聲響,愛因斯坦的手被炸傷了。原來,他又是把寫有規定操作步驟的紙揉成一團塞在衣袋裏,按照自己的想法去做。有的課,愛因斯坦認為不重要就不去聽,而是自學他自己認為重要的東西。因此,他的物理老師韋伯曾批評他:“愛因斯坦,你絕頂聰明,可惜你有一個缺點,你不讓人教你!”數學老師閔克夫斯基因他常缺課,罵他是“一條懶狗”。

幸虧愛因斯坦有一個好朋友格羅斯曼,他與愛因斯坦的不修邊幅相反,是一個兢兢業業的好學生,筆記記得非常詳細。愛因斯坦靠借他的筆記,才應付了許多考試。

奧林匹亞研究院院長

盡管愛因斯坦才華橫溢,成績優異,但由於他是猶太人,更因為他的直率、不諳事故和獨立性格,討不到老師和權威們的歡心,因此他大學畢業就失業了。

還是他的好朋友格羅斯曼幫助了他。格羅斯曼的父親介紹他去伯爾尼專利局工作。在等待專利局位置空出來的一段時間,愛因斯坦不得不當家庭教師。

1902年,愛因斯坦登了一則廣告,招收聽物理學的學生。在伯爾尼大學學哲學的索洛文找到愛因斯坦。他們一見如此,談起哲學、物理學,是那樣投機,早把教課、掙錢的事一古腦兒忘了。

以後每天晚上,他們都聚在一起,讀書、討論和研究。後來另外兩個年青人哈比希特和貝索也加入進來。他們輪流到各人家裏聚會,有時也到一家叫奧林匹亞的小咖啡館聚會,因此,開玩笑地把他們這個小團體叫奧林匹亞研究院,“院長”自然是學識超人的愛因斯坦。

他們的活動往往從吃晚飯開始,一邊吃著簡單的食品,一邊就開始閑談馬赫、斯賓諾沙、黎曼、彭加勒的著作,哲學、數學、物理學、文學無所不包。有時,一本書剛念不到一頁,就展開了熱烈的討論。愛因斯坦討論起來是那樣專注,有一次朋友們為他準備了他早就想吃的魚子醬,愛因斯坦一邊吃,一邊大談牛頓的慣性定律,魚子醬吃完了,同伴們問他剛才吃的是什麼,愛因斯坦回答:“不知道呀。”當別人告訴他那是魚子醬時,愛因斯坦好惋惜呀,連味都沒有品出來。

這樣的活動持續了三年半。正是這種不同思想的碰撞、共振,引發出一係列創造性思維的火花,愛因斯坦的許多科學思想,都是在奧林匹亞研究院孕育和形成的。

那時,愛因斯坦已在伯爾尼專利局擔任三級技術員。對付專利局的工作,愛因斯坦的才能綽綽有餘,他有許多時間可以馳騁在他所喜愛的物理學天地中。在伯爾尼的歲月,是愛因斯坦科學生涯中最富有創造性,成果也最多的幾年。就在1905年3月到9月的短短半年中,愛因斯坦在量子論、分子運動論、相對論三個領域齊頭並進,同時取得了重大突破。

3月,他提出了光量子論,闡明了光電效應的理論,愛因斯坦1921年就是因此而獲得諾貝爾物理獎。

4月,發表《分子大小的測定方法》,5月完成了布朗運動理論的研究,從理論上解釋了布朗運動,提出測定分子大小的新方法。

6月,發表《論動體的電動力學》,正是這篇不到9000字的論文,宣告了狹義相對論的誕生。

9月,提出質能轉換公式,為40年後的原子能的利用開辟了道路。

他的學生蘭佐斯評論說,愛因斯坦一生理應獲得5個諾貝爾獎,指的就是以上4項成果再加廣義相對論。在這些成就中,影響最大的還是相對論。

創立狹義相對論

愛因斯坦建立狹義相對論依據了兩個基本原理,一是相對性原理,即在任何慣性參考係中,所有的自然規律都相同;二是光速不變原理。

早在17世紀,伽利略就發現了相對性原理。比如,在一個勻速行駛的火車上向上拋出一個小球,小球將垂直落地,與在地麵上向空中拋出一個小球的情況一樣,也就是說在沒有受到外力作用的慣性係中,所有的力學定律都相同。伽利略還提出了伽利略變換,通過這一變換,不同慣性係描寫力學規律的方程式都具有相同形式。

可是,電磁學的發展向相對性原理發出了挑戰,描寫電磁運動的麥克斯韋方程,用伽利略變換去套,不再保持不變的形式。結論隻能是麥克斯韋方程隻適合於靜止的以太坐標係。

電磁學的實驗事實與經典物理學的矛盾也深深困惑著愛因斯坦,難道真的存在一個特殊優越的以太坐標係嗎?難道相對性原理對電磁規律就不普遍適用了嗎?愛因斯坦的哲學思想使他堅信,世界不是雜亂無章的,而是簡單的、和諧的、有規律的,應該可以找到一些規律,對世界加以統一的描寫。

愛因斯坦綜觀了當時有關以太和光速測定的實驗,毅然否定了以太這個特殊優越坐標係的存在,確認相對性原理不僅對力學規律,而且對任何自然規律,包括電磁規律也是適用的,這就是狹義相對論的第一個原理。

但是,要確定電磁規律滿足相對性原理,就必須引出光速不變的原理,即光在真空中傳播的速度與光源的速度無關,與觀察者的速度也無關。這顯然和經典力學相矛盾。在經典力學中,一個人站在以速度V0行駛的火車上,向著列車行進的方向開槍,子彈速度為V,那麼地麵上觀察者看到的速度應是V0+V。何以解釋光速與光源速度無關呢?這成了橫在愛因斯坦前的一大難關,使他大傷腦筋。

1905年暮春的一個夜晚,愛因斯坦正躺在床上,突然一個思想閃過他的腦海:“對於一個觀測者來說是同時發生的事件,對另一個觀測者不見得是同時。”他一骨碌從床上爬起來,抓住這個靈感不放,終於找到了解決問題的鑰匙,那就是時間的相對性。

愛因斯坦設想了這樣一個實驗,有一列勻速行駛的火車開進車站,當車頭A′和車尾B′分別通過A柱和B柱時,有兩道閃電擊中了A柱和車頭A′,B柱和車尾B′。那麼怎麼知道這兩個閃電是不是同時發生的呢?如果站在AB(或A′B′)的中點,同時看到從A和B(或A′和B′)傳來的光信號,那麼這兩道閃電就是同時發生的。對於站在站台AB中間的鐵路工人來說,他看到兩個光信號同時到達中點,因此,他說這兩道閃電是同時發生的。可是對坐在火車中點的乘客來說,由於火車是從B開向A的,那麼他將先看到A′閃電的光,後看到B′閃電的光,假如火車是以光速前進的話,那麼他將永遠也看不到B′閃電,因為B′閃電發出的光永遠也追不上乘客。對乘客來說,這兩個閃電不是同時發生的。我們把這個火車叫愛因斯坦火車。

可見,同時性的概念是相對性的,每一個慣性係有它自己的同時時間。這是對牛頓絕對時間觀念的大膽挑戰。牛頓認為,世界上有一個絕對時間,它均勻的流逝著,與任何事物無關。全宇宙隻有一個標準“時鍾”,兩個事件的發生時間與這個標準時鍾比是同時的,這兩個事件就是同時發生的。

愛因斯坦正是從大家認為沒有問題的“同時性”中看出了問題,以此為突破口,引入了全新的空間和時間觀念,通過數學推導,推出洛侖茲變換,經這個變換,無論是力學方程還是麥克斯韋方程在不同慣性係中都可以保持形式不變了。狹義相對論建立了。

幾個重要的結論

根據狹義相對論,愛因斯坦還得出了一係列重要的結論:

1一把高速運動的尺子與靜止狀態相比,在運動方向上縮短了。比如一列長100米的火車,以12光速前進,地麵上的人就會發現它的長度隻有85米。

2快速運動的鍾,會走得慢了。比如一個乘高速宇宙飛船到太空旅行一年的人,回到地麵時會比他的孿生兄弟年輕得多。

鍾慢尺縮效應被稱為相對論的兩個著名佯謬。的確,用常人眼光來看這兩個結論簡直不可思議,荒誕無稽。關鍵是因為我們生活在低速世界中,而愛因斯坦講的是高速世界的情況。

事實已為這兩個結論做出了驗證。1977年,歐洲原子核研究中心的一個小組發現,近光速飛行的μ介子壽命比靜止的μ介子壽命長。還有兩個美國人,把原子鍾放到噴氣飛機上,繞地球飛行一周後回到地麵,與地麵靜止的原子鍾相比,時鍾變慢效應與相對論預言在10%精度內相符。

狹義相對論還有兩個重要結論:物體的質量會隨著速度增加而變大。這已由加速器中高速運動的粒子所證實,並用在了加速器的設計中。

另一個是質量和能量能夠互相轉換,物體的能量等於其質量乘以光速的平方,即著名的質能轉換公式E=mc2。它也已為實驗所驗證,正是這個關係式為人類打開原子能利用的大門提供了依據。

相對論發表後,許多物理學家,包括一些著名的物理學家對愛因斯坦的嶄新時空觀無法接受。洛侖茲這位曾在狹義相對論醞釀階段起過重要作用的科學家,直到晚年還表示對沒有以太無法理解。而邁克爾遜則說,沒想到他的實驗會引出相對論這個怪物。

但是,也有一批物理學家意識到了相對論的重大革命性意義。量子論的創始人之一普朗克讚譽愛因斯坦是20世紀的哥白尼,他指出,這篇論文發表後將要發生的戰鬥,隻有為哥白尼學說進行過的戰鬥才能和之相比擬。