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2005的100年前,人類的奇迹年...

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daviddvdd 發表於 2006-2-13 09:07 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
     1919年5月29日清晨,巴西南部一個叫做索不拉爾的偏僻村莊里。太陽剛剛升起。上帝賜予了當地人永久的寧靜,在他們眼中,世界不過是藍天,麥田,草原,綿羊,僅此而已。甚至剛結束的硝煙瀰漫的第一次世界大戰彷彿也是天邊的傳說。
    但他們還是一大早就被人吵醒了,門口來了一隊行裝古怪的外國人。有的操著蹩足的葡萄牙語向他們問好,有的打著手勢借水喝,更多人在忙著架設天文望遠鏡和照相機。
    中午時分,燦爛的陽光慢慢開始變暗,本世紀一次著名的日全食發生了。圍觀的人群騷動了起來,紛紛在胸口畫著十字,有人急忙去找牧師,而那些外國人則胸有成竹地開始進行觀測。
    他們是一支天文觀測隊,來自遙遠的英國,此行的目的是驗證一個德國人的奇怪理論。
    很快數據得到了處理,而且底片也衝出來了。
    領隊的教授是一個標準的英格蘭紳士,雖然紳士們最推崇沉著冷靜的作風,但是教授的目光明顯流露出期待和不安。當他將濕漉漉的底片放在燈下時,很快教授先生的手連同大鬍子都激動地抖了起來,宇宙有界還是無界,我們所屬的空間平直還是彎曲,牛頓思想勝利還是被顛覆,都取決這幾張小小的底片了。他深吸一口氣,睜大了眼睛。
    很快,即使離屋子五十米以外的地方都可以聽到一聲毫無風度的嚎叫:「我的上帝,難道那個叫愛因斯坦的德國人到底說中了?!「
    在兩張重疊的底片上可以清晰地看到一條筆直的星光在穿過陰影中的太陽時,竟然發生了偏轉,偏轉角是1.7秒。
    
     英國皇家學會的大廳里,坐滿了英倫三島的科學精英。他們有的可能意識到這會是個不平凡的日子,特地換上節日才穿里的西裝。
    當大會主席湯姆遜爵士,扶了扶眼鏡,慢吞吞地宣布這次大會的議題是《廣義相對論在天文學上的驗證》時,底下的學者們就開始竊竊私語,而後聲音愈來愈大,有的甚至不等主持人的召喚隔著橡木桌就站起來大聲辯論,湯姆生幾次搖玲試圖控制局勢都未成功,他遺憾地搖搖頭,向旁邊的幾位委員尷尬地笑笑。
    但是當著名的天文學家愛丁頓勛爵,這次天文測量的總領隊出席在會場時,下面頓時靜了下來。他滿臉風塵,聲音低啞而且發言簡短,但縱使會場離他最遠的人也聽清了這樣幾句,「……鐵一般的事實……光線彎曲了……與愛因斯坦博士的計算結果完全一致……「
    會議開到很晚,沒人提前退出會場,甚至沒有人站起來發言。鮮紅的地毯,昏黃搖曳的燭光,將沉思中的學者們的臉襯得或明或暗。沒人感到飢餓,沒人感到倦意,更為糟糕的是工作人員似乎也受上了物理學家風範的影響,粗心得連晚餐也忘了上。但人們根本顧不上這些,從白髮班駁的老學究,到頗富朝氣的新銳,都在默默地思考著,激動著。
    無論是贊成派還是反對派,都清楚這的確是重要的一天,不僅二十世紀物理學的一代巨人就此崛起,而且是他,愛因斯坦,親手掄起大槌,將牛頓苦心創建,業已竣工百年的經典物理學的大廈砸開第一道裂紋。
    牛頓也錯了?物理學就此混亂?末日就此到來?呵,依撒克.牛頓,我們心中的神祗,我們都是你忠實的追隨者,你會怎樣指示我們呢?人們紛紛把目光投向大廳正中牛頓的巨幅畫像上。
    牛頓不說話,他只是高深莫測地笑著。
    
     在倫敦,第二天影響甚大的《泰晤士報》頭版頭條的報道是《光線彎曲了,牛頓神話的破滅》,盛讚愛因斯坦是繼牛頓之後的最偉大的物理學家,他更正了人類的時空觀,拓展了人類的思維世界,並且斷言他的相對論產生的影響決不會只囿於二十世紀。很快,從躑躅在倫敦街頭的商販,到面目黝黑的煤炭工人,都隱約知道了科學界最近發生了驚天動地的事,至於對其它人有什麼影響,一時還領悟不到。畢竟,這離相對論的副產品之一──原子彈的誕生,還有漫長的二十六年。
     在大西洋彼岸的紐約,慣用嘩眾取寵手法的《紐約時報》的頭條標題是「俄國爆發革命「,但接下去以更大的標題寫道:「愛因斯坦的勝利「,「恆星在不在它們應在的位置上出現,但是似乎不必擔心。「按照他們的報道,公眾們已開始懷疑九九乘法表的正確性,學生們則開始拒絕作幾何題,又據稱,愛因斯坦在把他的著作交付出版商時,警告說全世界僅有12個人懂相對論,但出版商樂於承擔這個風險。
     在巴黎,沙龍里「相對論「立時成了最時髦的詞語。雍容的女貴族可以一邊撫著懷中的哈巴狗,一邊和女友們眉飛色舞地談論「相對論「,如同在談論昨夜剛上演的歌劇。她們並不需要紙和筆。
     在柏林,官方機構正在為難是否宣傳這位並不是日爾曼人而是猶太人的傳奇科學家的時候,大街小巷的啤酒館里的人都在神秘而興奮地談論著愛因斯坦和他的相對論。是的,自從一戰以德國的慘敗而告終后,很久沒有這樣激動人心的話題了。一個德國人能受到戰勝國的推崇,真是少見。一夜之間,即使是小學生也把愛因斯坦那著名的公式 寫入了練習簿。
    1919 第一次世界大戰的硝煙剛剛散盡。為民族主義所鼓動的人們在狂歡或狂悲過後,卻發現轟轟烈烈的一戰除了大口徑重炮,齊柏林飛艇,滿目瘡痍的建築物和以百萬計親人充當的炮灰以外,委實沒有剩下什麼。理性終於在人們的冷靜中回歸,科學再度被擺上至高無上的地位。
    不管怎麼講,1919年的愛因斯坦如日中天。
  街頭的電車剛剛停穩,就下來一個穿褐色風衣,頭髮凌亂的中年人。剛才在電車上,警惕的售票員幾乎把他認作小偷,因為他實在很少見這種脖子上扎著領帶,腳下穿著拖鞋的人。不過要是他知道這就是大名鼎鼎的愛因斯坦教授,一定會驚訝得說不出話的。愛因斯坦先生剛剛從他朋友洛侖茲教授的電報里得知廣義相對論被證實的消息,他不過微微一笑,自然,一切都在意料中了。
    心情畢竟很好,他邊走邊哼著舒伯特的小夜曲,但是沒過多久聲音就小了下去。愛因斯坦,這位歷史上出名的智者,又一次晃著碩大的頭腦陷入沉思,他在想些什麼呢……
  
  1879年3月14日,阿爾伯特.愛因斯坦誕生於德國南部一個寧靜的小城烏爾姆。和牛頓一樣,這個註定要震撼世界的人的童年並未有任何特異之處。
     他的父親海爾曼.愛因斯坦雖說是一位商人,但是他年青在學校里展現的數學方面的才華是有目共睹的。而他的母親艾爾莎則是音樂愛好者,並經常在家庭聚會大聲朗誦席勒的詩篇。父親的數學才華加上母親的藝術天賦,照理小愛因斯坦應該聰穎過人。然而這個孩子天生沉默寡言,以致憂心的母親一度懷疑他是否有智力障礙。
     但是當他的母親奏起鋼琴時,小愛因斯坦就會側過腦袋傾聽。他的湛藍的目光顯得很是深邃,孩子顯然是聽懂了。這就是美呀。也許他畢生所追求的自然界和諧的美就根源於此。
     很快愛因斯坦就發現小城的環境並不適合他。彎曲而狹窄的街道,莊嚴的哥特式教堂,威武雄壯的炮台,這裡似乎更適宜培養出一批熱血的日爾曼戰士,而不是他這種視自由為生命的思想家。在宏大的閱兵式上,普魯士軍官刻板的軍令,士兵們單調的步伐,往往成為孩童們模仿的對象。而這時可憐的愛因斯坦緊張地抓住大人的手,他要回家。軍號和刺刀是他厭惡了一生的東西。
     在學校的情況似乎也妙不到哪裡去。他是一個猶太人,而歐洲排猶的習俗由來已久。周圍同學有意無意的傷害,使小愛因斯坦更加孤僻。老師們也沒有注意到蜷在教室一角的他,在老師看來,不能掌握拉丁文語法的孩子是沒有前途的,而且小愛因斯坦回答問題時總顯得很遲鈍。他們並不能理解這是愛因斯坦思考比同齡人深刻得多的緣故。
     這期間也發生了觸及愛因斯坦終生的事。
    他的父親送給小愛因斯坦一個羅盤針。不管他怎麼撥動指針,它永遠只朝一個方向。這在大人們看來是司空見慣,但在孩子的眼裡充滿了神奇,一定有什麼神秘的力在推動它,怎麼才能找到這種力呢?孩子為這苦惱了一段時間。
    在他升入中學的時候,他第一次接觸到了幾何。這更是一個充滿魔力的世界。書上各種複雜的定理歸根到底由幾個公理推論而出,一切是那麼的簡明,而證明過程又嚴格得無可挑剔,自然界有它獨特的秩序美。
    更令小愛因斯坦驚奇的是自然界竟也會騙人!人們通過粗淺的直覺經驗得來的結論往往是那麼的不可靠。上帝不僅淘氣,而且吝嗇,他經常會把真理象皮球一樣踢向更深處,然後轉過身向人們扮個鬼臉。人類對真理的追尋如同與上帝的角力。「或許我們對世界的看法根本就有偏差,因為它不過是建立在幾個公理之上的,如果這些公理本身也有漏洞呢?「當小愛因斯坦擺弄著圓規和三角板的時候,心中升起這樣的念頭。當然他沒有說出來,說出來也只會導致大人緊張地伸出手去摸他的額頭,沒有人相信若干年後這個羸弱的孩子會輕輕掀翻整個人類的世界觀。
    對於愛因斯坦而言,長期音樂的熏陶賦予他美感與想象,對常見事物的深思訓練了他的洞察力,而幾何題迷宮一樣的推理使他的思路更加縝密。他無疑是幸運的。
    然而愛因斯坦還是不能足夠敏銳地回答老師的問題而遭白眼,還是不得不交出自己精心製作卻依舊醜陋的泥捏小板凳而遭同學們嘲笑,拉丁語的課文念得結結巴巴,算術考試也由於馬虎而錯誤百出,整個少年時代,學業不過平平。
    
     從1896年到1900年,愛因斯坦求學於瑞士蘇黎士工業大學,這是他一生中十分平靜和愜意的地方。
     瑞士立國數百年,自由的氛圍歐洲無國可及。愛因斯坦在這裡聽不到士兵們無休止的衝殺聲,空氣清新,陽光也分外的和媚,即使巡邏在街頭的警察也是步履緩慢,眼角蘊含著笑意。
     在這裡,愛因斯坦的自由散漫發揮到極致。他可以穿著拖鞋進出教室,可以蓬頭垢面地整天窩在實驗室,可以和同學們在一起自由討論,可以不去上自己不喜歡的課。他甚至對數學這樣重要的課都去敷衍。在他當時看來,物理世界是簡單而優美的,上帝只垂青1,2,3,4,而數學只是徒增形式上的複雜。這甚至影響他多年以後的研究工作。
     用現在的眼光看來,當時無論數學還是物理都發展得遠不夠充分。到二十世紀末,我們才發現數學和物理交叉愈來愈深。以前只是物理簡單地從數學中尋找工具,而現在甚至物理可以導致數學中的突破。
     我記得在一次報告中,諾貝爾物理獎獲得者李政道博士伸出雙手,這樣說道:「物理學和數學猶如一根樹枝上的兩片葉子。「
     可是一般說來, 極富洞察力具有哲學家氣質的人,並不一定很勝任細瑣而又精密,邏輯性強的數學推理工作。
     從來沒有人能兼兩者之長,牛頓不能,愛因斯坦也不能。
     更主要的是愛因斯坦發現展現他面前的數學分支繁複,數論,幾何,拓撲等等,任意一門就會耗盡一生的精力。這情形猶如布里丹之驢。這頭可憐的驢子因為擺在它面前的兩堆稻草同樣厚而無法選取吃哪一堆,最終活活餓死。
  但是,愛因斯坦很快就要為自己的選擇付出代價了。考試之前,他對著自己散亂不堪的筆記發愣。幸好他的老朋友格羅斯曼先生是一個生來與愛因斯坦處處相反的人,他的筆記和他的人一樣,光鮮齊整,一絲不苟。當愛因斯坦在發展廣義相對論時發現幾何知識欠缺而找其時已為數學教授的格羅斯曼援手時,這已經是十幾年以後的事了。
     愛因斯坦用格羅斯曼的筆記馬虎對付了考試,但這並未改變老師對他的看法。在教授們眼中,他懶惰無比,性格怪僻,而且他是唯一與教授打招呼用「喂「的學生。這也是愛因斯坦雖然聰明絕頂,卻不諳世事,天真得如同孩子的緣故。
    他的數學老師閔可夫斯基看見愛因斯坦從實驗室裡衣冠不整地跑出來,便將他擋住:
    「愛因斯坦,你也許是個聰明人,但你決不適合搞物理,為什麼你不嘗試一下其它職業,比如學醫或者法律呢?「
    「也許吧。「愛因斯坦淡淡地回答道。
    僅僅幾年後,閔可夫斯基為他「並不勤勞「的學生的狹義相對論搖旗吶喊,並為此名動四海時,一位記者不合時宜地問道:
    「教授先生,您何以曾斷言愛因斯坦不適合從事物理工作呢?「
     「他太懶了,至少在當時。「教授聳聳肩。
    不幸的是這位閔可夫斯基先生不久就身纏沉痾,臨死前曾大發感慨:在相對論剛出世的年月就死去,真是可惜呀。
    
    也不能說愛因斯坦在這幾年無所事事,他主要的精力花在實驗室里,當時全世界的物理學家都在疲於奔命地尋找以太,他也曾設計過幾個實驗,顯而易見,簡陋的條件和根本不存在的以太使他的努力徒勞。
    他也經常和他的朋友們去一個叫做「都會「的咖啡廳 。他們在這裡經常進行哲學話題的探討,一次同學介紹了馬赫的作品《力學》給他。馬赫是對牛頓的經典力學開炮的第一人,他尖銳地抨擊了牛頓絕對空間和絕對時間的觀念。
    愛因斯坦如獲至寶,馬上拿回去通宵閱讀。馬赫的思想赫然如黑夜中的明星,空間也是絕對的,時間也是絕對的,既然都是絕對而孤立的,那麼我們怎麼能感覺到時間和空間的存在呢?
    夜已經很深了,愛因斯坦屋內的燈光依舊閃爍,這位思想的巨人,又開始磨礪他的曠世利劍了。
當愛因斯坦走出校門,卻悲慘地發現自己畢業即失業,而且父親在義大利辦的公司也破了產,絲毫幫不上忙。他曾努力地申請留在蘇黎士工業學院教書,但是高高在上的教授們冷漠地拒絕了他。沒有人喜歡一個離經叛道的鬥士。
     秋天晚上的瑞士已頗見寒意了,我們的愛因斯坦先生披著深色的風衣,手中的舊皮箱里盛著全部的家當,涼風拂著亂髮,靜靜地走在漫長的街道上,路燈劃下斜斜的影子。
    真是安靜呀,事實上終其一生,愛因斯坦都是在這種靜謐中度過,這不僅是指外部環境上的,更是他內心深處的。無論他是在日內瓦時的窮困潦倒,或是在柏林時的譽滿全球,還是在普林斯頓時的無人喝彩,孤獨的感覺始終如影身隨。
    後來他曾反覆說過自己最希望的職業是看守燈塔,洶湧而漆黑的海面上一盞明燈,指引了航船的同時也照亮了自己的內心,那裡更象是一間祈禱室,可以靜靜地聆聽上帝的指示。他甚至不願意接受作為教授這項職業所領的薪水,而寧願把物理學研究作為業餘愛好。看來顯然是受了中世紀的大哲學家斯賓諾沙的影響,這位先哲的正式職業是在荷蘭阿姆斯特丹的一家偏僻的眼睛店裡磨鏡片。
    可是現在真是發愁呀,轆轆的飢腸,妻子焦灼期盼的眼睛,還有她肚裡的孩子……
    迎面刮來一張殘破的報紙,愛因斯坦沒精打采地一瞥,上面印著份招聘啟事:"伯爾尼專利局,徵聘二級工程師,須受高等教育,精通機械工程或物理學……"
    愛因斯坦眼睛一亮。
    
     很快伯爾尼專利局的職員們迎來了一位新同事,這位同事似乎格外地忙。工作十分賣力不說,還經常和夫人一起排隊買麵包,或者推著嬰兒車在公園閑轉,而在上班時還偷偷地在紙上寫寫畫畫。幸虧他的上司一點兒也不知道這位年輕的專利審查員完成任務是多麼迅速,不然他這種拙劣的表演很快就會露餡的。
     其時已經是1905年,愛因斯坦26歲。當時他久已遠離的物理學界正處於更大的混亂中,尋找以太的實驗徹底失敗,一些物理學家提出種種解釋。比如愛爾蘭物理學家斐茲傑諾提出,運動的物體可能因為以太風壓縮而變短,但這遭到更多人的反駁。不僅如此,幾年以前,倫琴發現的X射線更使人覺察到物質內部有更為基本的結構,而普朗克在1900年提出的量子論,也已經掀開了物理學新的篇章,只是當時沒有人意識到罷了。無論怎樣,用"山雨欲來風滿樓"來形容當時的情形是再恰當不過的。
     然而愛因斯坦在學術上處於十分封閉的狀態,他沒有機會聽取報告,也沒機會參加學院的討論班,和他交往頻繁的不過是一些民間物理學愛好者。但是這並不能阻止他向物理學的塔尖邁進。
     他一直在苦思"以太之迷",而且他走的道路與所有人的都不同。還在他中學的時候,他一度對邁克斯韋的電磁理論崇拜之致。這並不是因為它能解決很多實際問題,比如導致電磁波的發現。愛因斯坦看中的是公式本身具有完美的對稱性,但是顯然這種協變性與牛頓的經典理論是相衝突的。
     比方說,按照牛頓力學的觀點,如果一個人站在速度為20米/秒的車上以相對於車以10米/秒的速度向前拋出一個皮球,在地面靜止的人來看,球的速度是20加10等於30米/秒。任何初通物理的人都會得出這個結論。然而,我們知道光也是一種電磁波,它在真空中的速度是30萬公里/秒,如果那個站在車上的人拿的是支手電筒,那麼在地面上的人看來,光的速度是多少呢,還是30萬公里/秒加上20米/秒嗎?還能簡單地疊加嗎?
     要是你以30萬公里/秒的速度追上一束光,你會看到怎樣的景象呢,你會看到光波在原地不動地抖動嗎?
     愛因斯坦進行了一次冒險,他寧願為了從對稱性這種單純的美學觀點出發,而放棄掉人們習以為常的經驗。他也是信仰上帝的,但他不是信仰那個只手捏控人類命運的上帝,而是那個在萬物的有序和諧中顯示出來的上帝。
    
     我們稱之為冒險,是因為僅僅在幾十年後,兩個在美國留學的年青人在研究基本粒子中"t-q之迷"的時候,提出的"在弱相互作用中宇稱不守恆"理論,簡單地說就是對稱性的破壞,在當時激起軒然大波,按照普通美國人的解釋是他們又推翻了愛因斯坦的相對論。事實上推翻的不是相對論,而是從古希臘文明以來人們對自然界恆久抱有的美麗幻想。彷彿無數物理學家費勁心機終於戰戰兢兢揭開上帝──這位夢中情人頭上的面紗,卻失望地看到一張坑坑窪窪的老嫗的臉。
     這兩個值得全人類驕傲的年青人都是中國人,他們一個叫李政道,一個叫揚振寧。
    
     觀念上的重大修改無疑引起很多麻煩,對於新觀念的創始人來說更是如此。很快愛因斯坦的頭腦里塞滿了以太,量子,時間,空間這些東西,以至於給他的孩子小漢斯拿著奶瓶餵奶時也時常走神。而邏輯上的混亂讓愛因斯坦更是無所適從。
    他疲倦地從辦公室回到家裡,頭腦里天旋地轉,然而憑直覺愛因斯坦逐步認定有種極平常的經驗在作祟,究竟是什麼呢?他越想越困,眼睛慢慢快要闔上了,這時,廚房裡傳來妻子米列娃的呼喚,"阿爾伯特,吃飯的時間到了,還不快收拾桌子?"
     "時間!?"宛如流星劃過腦際,愛因斯坦幾乎從椅子上跳將下來。他匆匆翻開牛頓的《自然科學的哲學原理》。在上面牛頓以確鑿的口氣寫道:
    "絕對空間就其本性來說與外界任何事物毫無關係,它永遠是同一的,不動的。"
     "絕對的,真實的數學時間本身按其本性來說是均勻流逝的,與外界的任何事物無關。"
    "在運動系和靜止系坐標變換時,顯然,時間是不變的。"
    不會是這樣的,一定不是這樣,愛因斯坦一邊埋著頭,一邊踱著步,一個在運動著的車上的人看到的時間,與在地上靜止的人看到的時間未必相同,嘿嘿,根本不存在絕對的空間和絕對的時間,既然如此,我們費力尋找的以太,刻意想測量出地球相對於絕對空間的速度,都是徒然。以太不是找不到,而是根本就不存在!!
    
     在一個月內,名不見經傳的愛因斯坦向德國最有聲望的雜誌《物理學年鑒》(Annalen der Physik)發表了四篇論文。他挑出分量最輕的一篇,內容是通過中性物質的稀溶液的擴散和內摩擦來測定原子的大小,寄給了他的母校蘇黎士聯邦工業學院,毫不費力地取得了博士學位。另一篇是關於研究懸浮微粒的布朗運動的,也開闢了一個新方向。
    第三篇是著名的光電效應,歷史上第一次提出光量子的理論,在發展與相對論並稱二十世紀物理學兩大基石的量子力學中意義重大,幾年後單憑此而不是相對論就獲得諾貝爾物理獎。其實就愛因斯坦的貢獻來看,一生完全可以五次登上諾貝爾獎的領獎台。光量子理論;狹義相對論;廣義相對論;統計物理中的玻色──愛因斯坦凝聚;還有我們熟悉的激光的理論工作也歸功於他。
    第四篇的論文名字很樸素,叫《論運動物體的電動力學》。然而稍通物理學史的人都知道這是一篇驚世駭俗的文章,它宣布了狹義相對論的誕生。在這篇文章里,愛因斯坦沒有賣弄令人目眩的數學技巧,平實而又深刻是愛因斯坦論文的一貫風格。讀懂它並不需要高深的數學知識,但更需要革命性的思想和與日常經驗決裂的勇氣,尤其是在當時。
     愛因斯坦提出的假設很簡單,第一,我們無法確定相對靜止的物體到底是處於靜止狀態還是勻速運動狀態。因為絕對靜止的空間不存在了,一切靜止都是相對的。第二,光在真空中的速度永遠不變而且不可超越,它與光源的速度無關。也即,對於站在地面上的人看,20米/秒的車上發出的光和即使以光速飛行的火箭(當然是不可能的)上發出的光的速度是一樣的,均為30萬公里/秒。
     從這兩個假設出發首先得出的古怪結論是:所謂"同時"是相對的!假設我們站在地面上,一架飛機從我們面前勻速飛過。在我們地面上的人看來,我們右邊的人揮起手的"同時"左邊的人彎下腰,而在飛機上的人則堅決不這樣認為,他們認為我們右邊的人先揮手,而左邊的人後彎腰。與此相反,在飛機上的人認定機頭處空中小姐不小心打破只碟子的"同時"機尾處的乘客點燃支香煙,而地面上的人異口同聲地說碟子先落在地上然後香煙才被點著。
     荒謬嗎?我奉勸各位不要帶著秒錶上飛機一證真偽,因為"同時"事件在另一群人眼中的時間差是千萬分之一秒,你可不具備那個反應能力。而這又是由於飛機的速度儘管達到幾百米每秒,比起光的速度,30萬公里/秒,還是望塵莫及的。不過這樣也不錯,至少平時說"這兩件事同時發生"時不用再地加上諸如"在我們這群相對靜止的人看來"之類的複雜狀語了。
     為了更好地解釋狹義相對論,愛因斯坦設計了一個著名的思想實驗。所謂思想實驗,就是在地球上的實驗室無法實現的條件下作的假想實驗,因為跨入二十世紀以來,人們對通常狀態下的物質研究幾乎窮盡,動輒就研究絕對零度的低溫或者上億度的高溫,速度接近光速的運動或者萬萬分之一米長度的空間。這對愛因斯坦這位思想大師來說輕車熟路,並很快成為他在學術上進攻或者防守的利器。
     愛因斯坦這樣假設:"觀察者M站在鐵路邊上,在沿火車前進方向上有一個點B,在運動相反方向同樣距離上有一點A,某一時刻A和B同時閃電,觀察者M自然認定這兩個點是同時閃光的,因為光的傳播速度不變,而他又恰好站在兩個閃光點的中心。"
     "假定在閃電時,有一列車從A點到B點方向運動。在兩道閃電的一剎那,在火車內的觀察者N恰好在與地面觀察者M相對的位置上,但N正向閃光點B運行,而離開閃光點A,自然他看到B點的閃光比A點的早,但他知道他是在運動中的,根據自己運動的速度,也很容易得出兩道光是同時發生的結論。"
     但根據前面兩個基本假設,同樣可想,火車是靜止的,而地面正在向後運動。因此,火車上的觀測者N是相繼看到那些閃光的,因而他得出B點發光比A點早的結論。他又知道自己的位置是在兩個閃光的中間,由於他認為自己是靜止的,所以他不得不斷定他看到的頭一個閃光比他看見的下一個早。"
     有趣的是地面上的觀測者M也不能不同意這個結論,他的確看見兩個閃光是同時發生的。但既然現在他是被假定運動著的。當他考慮到光速和他是在向發光的A點運動著這一事實,也作出B點閃光比A點早的結論。
     總之一句話,對於閃電是否同時發生的問題,我們不能一口咬定是或不是,而是要就選定的參考系來回答。
    
  


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:44:21
  你可能已經迷惑了,但再往下推導更會導致你意想不到的結論。比如說"尺縮效應"和"鍾緩效應","質增效應"。"尺縮效應"指在你面前有把尺子,當它相對你運動的時候,你會發現它的長度縮短。
     而"鍾緩效應"指在運動的參考系裡時鐘會變慢。比如,在地面上和飛機上各有一人手那時鐘,這時飛機上一隻雞蛋落在機艙的地板上。從雞蛋脫手的那一瞬間開始,機上和地上的人同時開始記時,到落地時止。結果是地面上的人測出的時間長一些。換句話說,在地面靜止的人看來,處於運動狀態的物體時間變慢。
     "質增效應"是指運動中的物體質量增加。譬如一筐一斤重的雞蛋,如果它飛得足夠快,我們在地面上靜止的人稱來重量會達到五斤。它飛得更快的話,會毫不猶豫地將地球上最大的磅秤壓歪。但它永遠也到不了光速,不光是雞蛋,任何有質量的物質的速度都絕對達不到光速。光也是一種物質,它的速度之所以能臻極限,原因就是光本身靜止時是沒有質量的。當然,你若據次推理出質量越小的物質跑得越快,顯然是荒謬的。
     至此相對論的費解可見一斑。而在愛因斯坦出名后,有一段時間裡很多人在"弄懂"了自己的相對論后,忙不迭地再向自己的親友介紹。
     還是有部分人自始至終地困惑。一次,一位大學生找到愛因斯坦請教為何時間時快時慢。愛因斯坦不願再製造玄想,他的幽默發揮了作用,"朋友,當你夏天坐在一個火爐旁,你會覺得一分鐘是一小時,而當你坐在一個美麗女郎身邊時,一小時就象一分鐘,難道不是這樣么?"
    大眾媒體對相對論也異乎尋常地加以關注。從牛頓時代以來,觀眾們第一次渴望了解高高在上的物理學家們到底在弄些什麼,雖然其中獵奇的心情遠重於對科學精神的景仰。很多哲學家,神學家,印象派畫家,現代派詩人,專欄作家,以及各行各業的人紛紛在報刊雜誌上撰文用自己的語言表達自己對相對論的理解和認識。
     最後推導出來的公式更是威力驚人,它是由愛因斯坦在發表狹義相對論后一個月在另一篇論文中提出的,在今天則幾乎是條成語。它就是"E=MC2",表示能量等於質量乘以光速的平方。留心的觀眾會注意到,在好萊塢的電影和動畫片中如果要刻畫一位資深教授,則會讓他在黑板上寫上一些不知所云的雜亂公式后,重重地補上E=MC2這幾個大字的。
     能量等於質量乘以光速的平方,即使是在不甚關心其實用價值的純理論型的物理學家看來也是驚心動魄的,幾百年以來所毫無疑義的,不,甚至人類自誕生來就模糊意識到的質量守恆定律被破壞了。質量和能量本身並無區別,而且可以相互轉換。即使是最前衛的哲學家也會吸口冷氣,太不可思議了。但不管哲學家怎麼喋喋不休地發揮思辨的威力,物理學家是不屑一顧的,他們只認定確鑿的事實和嚴密的邏輯。物理學家和自然哲學家都是研究世界的奧秘的,但在這一點上,兩者有本質的區別。
     而在絕大多數人眼裡,能量等於質量乘以光速的平方,即能量是質量的九百萬倍,多麼誘人的前景呀。指甲蓋般大小的物質的質量如果完全消失,其釋放的能量是用以萬噸煤炭來計算的。我們這個星球從進入工業化社會以來,能源問題就彷彿人類脖子上的絞索,越勒越緊。
    甚至在本世紀的九十年代,一個超級大國在海灣名為抗擊侵略實為保障石油供應的暢通還狠狠地開過一仗。而相對論誕生了,能量似乎唾手可來,無數的科幻小說展示著在能量極大豐富的年代里,機床永不停息地轉動,電線縱橫四野,地球上即使最陰暗的角落也裝上了電燈,到處一片光明,因為我們這個星球別的沒有,質量可大得嚇人,我們可以一點一點象吃麵包一樣將地球的質量全變成能量。
     然而當記者興緻勃勃地向愛因斯坦教授提出燦爛的前景時,這個老實人搖頭否認了:"這根本不能,沒人能隨便減少質量,上帝未必會允許開這個玩笑。"
     仔細想想,我們何嘗能夠輕易地將物質的質量消除掉。譬如一塊石頭,我們盡可以用鎚子砸成小塊,然後碾成碎末,可是當你仔細地收集這些碎末后就會發現它的質量並未變化。就算是化學反應,當我們耐心收集在空氣中燃燒的煤炭的生成物,包括水蒸氣,二氧化碳,煤渣之類的物質,並放在天平上后,我們一定會失望地低下頭。
     看來是不可能了。但是愛因斯坦當時的話也說得過滿。可能即便是他也未曾料到科學發展的勢道驚人如斯。上帝的玩笑也有人敢開了。
     十幾年後,德國物理學家發現在核裂變前後質量出現了虧損,雖然虧損質量微不足道,但是帶來的後果是可怕的。僅僅在幾年後,人類第一顆原子彈在美國爆炸成功,緊接著日本人遭受了自基督降世以來最殘酷的懲罰,幾十萬人死傷,其中一部分人瞬間還被原成基本粒子,真成了魂飛魄散。E=MC2在給人間帶來希望之前,帶來的先是致命的創傷。當然,這一切對於深愛和平的愛因斯坦來說無疑是一記重拳,直至臨死前他為此仍耿耿不已。
  


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:45:33
  不過總的來說,我們儘管以種種或好奇或欣賞的角度來看相對論,但是它離日常生活委實過遠。所以人們在白天驚訝地討論完相對論帶來的後果之後,晚上仍可以高枕無憂地闔上眼睛。
     但是如果我們生活在一個光速可輕易接近的社會可就大不一樣了。讓我們假想這樣一個星球:
     首先在這個星球上擁有人數最多的職業是哲學家。他們自小就深刻地理解任何運動都是相對的這一觀點。因為即使在孩童的眼裡,玩具一運動起來長度就會變短,這在地球上非把小孩嚇哭不可。孩子若想看見自己父母的真實臉孔,非得讓他們靜止不動。他們能夠平心靜氣地面對一切變化,也因為從小他們就在不確定中長大。
     他們的計時系統是繁瑣的。你要想弄清楚標準時間,首先要考慮的是你處於什麼狀態。當然是相對星球上所規定的標準靜止系來說的。
     這些人的語言是索然無味的,同地球人相比,他們加入了很多複雜的定語和狀語,而且定語和狀語的地位與主語和賓語是平齊的。這個民族長於思辨,然而在展示他們的文采時就不免大打折扣了。
     他們個個紳士風度,無論走路還是開車都是慢條斯理。他們的行動稍一變快就會損壞路面而給政府帶來不必要的負擔。但他們還是常常在運動中,讀書看報亦是如此,這樣可以充分地利用時間。
     當然他們也如紳士般的胸襟寬闊,能容忍一切錯誤,因為要想絕對精確地存活在那裡幾近幻想。
    比如一早在地鐵站,兩個小夥子在等車,下面是他們的對話:
     "嗨,老兄,你好。請問在靜止的地面上看現在幾點了?"
     回答的人立刻站穩,然後說:"在靜止的地面上看是七點五十四分。"
     第一個人點點頭:"火車還有一分鐘就要到站,那我還可以花半個小時吃完這塊麵包,再讀完今天的早報了。"言畢,他就匆忙地走動,雖然在靜止的人看來麵包加重了胃的負擔,但他本人顯然意識不到,請注意他身體也是在運動中的。
     等半小時后他回到這裡時,儘管百般注意,地板上還是被踩了個坑。在他低聲抱怨政府在施工中時偷工減料聲中,火車進站了。
     兩人在火車上繼續討論。
     "你看,窗外那個姑娘身材真不錯。"一個由衷地讚歎到。
     "老兄,你又犯錯了,她相對我們是運動的。所以在現在我們看來很完美的身材下車后再看一定會大失所望的。"
     但是最大的麻煩的不是在一般性的談話中,而是在法庭審判中。看,現在法官一籌莫展了。案子本身很簡單。在兩輛對開的列車上,兩個人互朝對方射了一槍。顯然,一人行兇應處極刑,另一人自衛應當釋放。可誰先開的槍呢?雙方都有滿車的人作證是對方先動的手,而且證人們都是品性良好,素無犯罪記錄的守法公民。
     好了,讓難題留給法官來解決,我們則從荒而不謬的想象中走回來。
     顯然愛因斯坦在接受鮮花和掌聲的同時,也面臨著無數人的駁斥與挑戰。當然反對最大的聲音來自物理學家自己的陣營,這裡包括許多成名已久的人物,比如英國皇家學會會長湯姆遜勛爵,還有以尋找以太的實驗而名動天下的邁克爾遜教授,這位執著的先生可謂九死不悔,直至1932年還在奮力追尋並不存在的以太。
    太多的人以經典物理的衛道士自居,他們人人手持大棒,頭罩鋼盔,虎勢眈眈地盯著這群試圖把牛頓拉下馬的"暴徒"們。而愛因斯坦和他的少數派支持者們堅定地手挽著手,細弱的聲音終於會聚成洪亮的口號:"革命!革命!"這不是十月革命時的俄國,但是人們熱切期盼的心情何等相似呀。
    愛因斯坦可以把他的一些無聊的對手的攻擊象蛛絲般輕輕拂去,然而對那些和他一樣認真而嚴肅的對手的挑戰則不可等閑視之。
    這時有人提出著名的"雙生子佯謬"。一對孿生子自小就慘遭分離,哥哥被塞入一艘以近光速運行的宇宙飛船飛離地球,弟弟則眼巴巴地看著哥哥飛走。弟弟如果懂相對論,一定會想,哥哥在高速運動的宇宙飛船中長大,他那裡的時間比地上慢得多,有朝一日我們兄弟倆再見一面,我成了步履蹣跚的老翁,哥哥則正是青春少年時,那時將真是會感慨萬千呀。可是與此同時,哥哥在羨慕留在地球上的弟弟,弟弟的世界以那麼快的速度離我而去,他們的鐘錶一定走得很慢,他會比我年青得多哩。問題是兩人一見面,究竟會怎麼樣?不能簡單地迴避二人見面的可能性。
    問題是在狹義相對論中自始至終都是有這樣一個前提,運動都是是簡單的勻速直線運動。而如果哥哥確實想見到弟弟,則須先減速到靜止,再回頭撲向地球。這其間就不屬於狹義相對論的範圍了,它要由後來的廣義相對論來解決。
  


作者:湖人附近 回復日期:2003-10-12 09:45:40
  第一


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:47:58
  1912年,已小有名望的愛因斯坦受聘回到母校。那裡他的親密老同學如格羅斯曼在等著他,曾經嘲笑過他的教授們等著他,渴望全新物理知識的工業大學的學生們也等著他。
    他的生活境遇卻也沒提高哪裡去,因為第二個孩子愛德華出生了,家庭的負擔驟然重起來。儘管在他的相對論中每一個物體邊上都掛了個鐘來矯正時間,而在現實生活中卻常常為家裡沒有一塊鐘錶而苦惱。而且給學生們上課也並不是很情願的事,這絕對不是因為愛因斯坦鄙視他們,而是愛因斯坦的風格委實不適合教學。他的板書猶如他年青時的筆記一樣不忍卒讀,而且思想跳躍性奇大,往往就一個問題大發見解而不顧整個課程的進度。開始慕名而來聽課的學生甚至擠到了走廊,但後來就門可羅雀了。
    但是他幸運地找到了他的合作夥伴,格羅斯曼教授。此時的格羅斯曼在數學上已頗有建樹。而廣義相對論的建立則超出了愛因斯坦在數學上的能力,非得與人合作不可。所以廣義相對論的難度之大,在深度和廣度上在當時已超出了即使是第一流的物理學家或者數學家的理解能力。通常出現這種情況,物理學家模糊能夠理解廣義相對論的深刻本質,卻對怪如天書的數學公式望洋興嘆;數學家大概能看得懂要命的公式,但對其艱深的物理內涵苦思不解。
    如此看來,《紐約時報》當時所竭力宣稱的"全世界只有12個人懂廣義相對論"並非單純的噱頭。至少愛丁頓教授就這樣看。愛丁頓就是前文那個堅信廣義相對論必然正確且親自率天文隊去觀測並證實的英國人。當記者帶給他一個更極端的消息"地球上僅有三個半人理解相對論"時,他立即低下了頭。記者跟著道:"我們都知道您肯定是其中之一,但您似乎不必謙虛至此。"愛丁頓卻抬頭反駁道:"對不起,我不是謙虛,剛才我一直在想另外那半個人到底是誰?"
    廣義相對論的創建足足花了愛因斯坦十年的工夫,這是他一生中精力最旺盛的十年。可見它要讓人在鐵一般的事實找到以前接受它是多麼困難呀。
    但也有慧眼識英雄的伯樂。他們是身在柏林的見識遠卓的兩位科學偉人,一個叫普朗克,一個叫能斯脫。
    普朗克是最早提出量子論的人,也是高度評價相對論的第一人。他不止一次地把愛因斯坦比作當代的哥白尼。當時的普朗克幾乎是德意志民族的科學象徵,他出身貴族,溫文爾雅,交遊廣際,受到上至皇帝威廉二世,下至底層百姓的衷心尊敬,甚至在當時的一馬克金幣背面都刻著他的頭像。
    能斯脫則既是二十世紀著名的化學家,也是一位擁有傑出政治才能的組織者。
    他們一致想把這個出生在德國的猶太巨人拉回柏林。他們提出的條件是誘人的,包括聘請愛因斯坦擔任正在籌建中的威廉皇帝物理學會會長,並擔任年薪1200馬克的普魯士科學院的院士和柏林大學的終身教授。這對愛因斯坦來說可謂是名利雙收,而且說好了可以不用教學而專心研究,更主要地是又找到了"很多"志同道合的人。據新聞界的說法:"全世界懂相對論的12個人中有8個就在柏林。"
    這是世界少有的優越條件,愛因斯坦怎能不動心呢?但是這和愛因斯坦的一貫追求尖銳地不合。當初他們一家人不正是為了躲避德國人對猶太人敵視的目光而棄離故土的嗎?雖然他現在功成名就,但是在遙遠的柏林仍會有寄人籬下的感覺。可是在哪裡不是寄人籬下呢?作為猶太人,他們在歐洲流浪已近千年,大部分人連自己民族的母語--希伯來語都不會說。
     什麼時候我們猶太人才會有自己的祖國呢?愛因斯坦的眼眶濕潤了。他做夢也沒有想到在暮年會見到自己的國家在中東崛起,雖然那是在600萬鮮活的生命教訓了幾乎滅種的猶太人之後。
     他執意去柏林了。但是他的妻子米列娃堅決反對。米列娃是他在蘇黎士工業大學時的同班同學,塞爾維亞人,在當時是一位罕見的女物理學家。在高傲的日爾曼人眼裡,猶太人是流氓,斯拉夫人則是乞丐。身為斯拉夫人米列娃向來心高氣傲,是不會喜歡柏林那陰冷的空氣的。
     況且夫婦二人積怨已深,主要是米列娃是個激進的女權主義者,她不願淪為庸俗的家庭主婦,她也要有自己的事業。但是米列娃總是被愛因斯坦的巨大光環籠罩住,顯不出她的所在。同時愛因斯坦是一個向上帝選擇了智慧的人,選擇了智慧就選擇了孤獨,選擇了孤獨就選擇了痛苦。他自始至終無法溶入他的家庭,他的生命的絕大部分既沒有留給妻子,也沒有留給孩子,而是留給了上帝和他心愛的物理學。
     不合則散。愛因斯坦吻別了在夢中的小漢斯和小愛德華,他們是睡得多麼香甜呀。
     愛因斯坦又一次提著大皮箱,在一個寂靜的夜裡慢慢地走上了征程,這次他真的除了物理學什麼都沒留下。


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:49:18
  3
     1916年,他與格羅斯滿曼合作的論文《廣義相對論綱要和引力理論》正式發表,正如愛因斯坦所料,一石再激千層浪。
     靜寂已久的物理學界從未象這次一般陣線分明。保守的一派在狹義相對論發表時覺得愛因斯坦只不過還在變魔術;到廣義相對論發表時,人人都在搖頭,都說一個天縱其才的物理學家就此精神失常,即使原來很多支持愛因斯坦的人也認為他走得太遠,而少數真正革新的一派則信心滿懷,他們堅信新的時代即將到來了!。
     這是怎樣的理論呢?
     那還得從牛頓時代開始。牛頓在發表萬有引力的公式時,他定義了物體的引力質量;而在推導他著名的牛頓第二定理時,又引進了慣性質量。為了驗證這兩種質量的等價性,牛頓親自用空心擺作了實驗,在當時的條件下,精度是千分之一。百年後,貝塞爾還是用單擺,精度提高到十萬分之一。從1890年起尼厄用扭擺孜孜不倦地作了二十五年實驗,精度自是更上一層樓,達到了億分之一。直至本世紀七十年代狄克等人採用最新技術,發現即使在千億分之一的精度內,兩者仍是相等的。
     看來是沒有什麼問題了。但是自牛頓以降,從來沒有人考慮到這兩種質量在數值上的嚴格相等決非偶然。然而這決逃不過愛因斯坦那鷹隼般銳利的眼睛。擅長在人們司空見慣的現象中找到突破口的,就這一點來說,愛因斯坦算得上古今獨步。
     我們都有這樣的生活經驗,坐在汽車裡突然起動時,會覺得自己的後背受力的推動。按照牛頓的解釋,這是因為在一個加速的參考系裡(比如汽車剛起動時),物體受慣性力的緣故。
     愛因斯坦的思想實驗又開始發揮威力了。當你處在自由下落的電梯里,你會發現自己完全失重,如果電梯體積大得能容納一座高樓的話,你可以先在你的心上人面前吹噓一番,然後爬到第二十層樓的窗檯放心地跳將下去,你不會跌成肉泥而會滑稽得象個氣球一樣懸在空中,就象若干年後我們在電視里看到太空艙里臃腫的宇航員一樣。
     但是如果在沒受任何引力作用的太空中電梯以9.8米每秒平方的加速度(稍通物理的人都知道這是地球的重力加速度)向上運動時,他是絕對不能斷定自己是在地球上受引力的作用還是在受慣性力的作用。還記得伽利略的大船嗎,它那裡詳盡地說明了勻速運動和靜止無法分辨。這個足夠大的"電梯"里也是如此,當你發現隨手丟下一個東西,它會象在地球上一樣愈來愈快地砸向地面的時候,你會從第二十層樓的窗台上忙不迭地蹦回屋內,。你若有可能向空中開上一炮,那條美麗的彈道曲線與地球上的一樣吻合。你作任何實驗都不能證實你所在的外部環境究竟如何。
     愛因斯坦的結論是在局部的區域內,引力和慣性力是不可分辨的。這就是著名的等效原理。如此一來,牛頓時代所固有的慣性系(勻速直線運動或靜止系)比非慣性系(加速運動系)優越的觀念需要徹底修改了。在愛因斯坦的理論中,任何參考系都是平等的,不管靜止的也好,還是運動的也好,你站在任何一個參考系都不會改變你對世界的看法和對自然規律的表述。
     總的來說廣義相對論仍是美學的直接產物。可以想象愛因斯坦對於所有參考系中慣性系趾高氣揚地凌駕於非慣性系之上時,心中是一種怎樣的不適呀。萬物平權,這是至高無上的美學準則。深刻與美,則一貫是愛因斯坦科研奉行的主旨。
     在物理學發展的長河中,有些理論的創始人只能冠以一個名字。廣義相對論便是一例。可以說,沒有愛因斯坦再過兩百年也未必會有人發現它,這於狹義相對論是不同的。發展狹義相對論的時候,彷彿如鯁在喉,多少人在沒日沒夜地思考它,因為大家都明白沒它就意味著物理學的徹底崩潰,愛因斯坦不過憑藉他的天賦捷足先登罷了。
     廣義相對論則不同,它是在沒有任何先兆下橫空出世的。沒有任何實驗上的矛盾,沒有任何實際中的需求,沒有任何人意識到它的必要性。即使沒它也不妨礙火箭發射,衛星上天和通訊技術,計算機的迅猛發展。但顯然人類對宇宙本身的認識會大大延遲一步。
     以當代物理學家的眼光看,廣義相對論與其說是一門科學,不如說更象一門藝術,它把幾何學和物理學完美地結合在一起,給人最深的印象不是邏輯體系的無可挑剔,而首先是一種優雅的美。
     更主要的是廣義相對論繼狹義相對論之後,又一次掀起了時空觀的大革命。
     可能你又緊張地四處張望,我們的日常經驗又有什麼不合邏輯了呢?
     有的。翻開初中一年級的幾何課本,扉頁里就提出了一條人所共知的平行公理:"在平面內過已知直線外一點,只有一條直線和已知直線平行。"這是早在公元前300年就由歐幾里德作為歐氏幾何的第五公設載入《幾何原本》。
     第五公設又稱平行公理。以它和其它的幾個公理建立起來的歐氏幾何獲得輝煌的成功。隨之導出的許多定理成了我們腦中根深蒂固的觀念:三角形內角和180度,勾股定理描述的是直角三角形的斜邊的長度的平方等於兩直角邊的平方和等等。後來笛卡兒在此的基礎上創立了解析幾何,順勢導致了微積分的誕生。
     歐氏幾何成了人類創立千年的完美的數學大廈的重要基石。而且在人類的文明中,從平常無奇的桌椅,到氣勢恢弘的宮殿,從呼嘯而至的炮彈,到俯瞰人間的衛星,無不閃爍著歐氏幾何的光彩。這有什麼問題呢?一加一難道不等於二嗎?
     最早產生懷疑的是敏銳的數學家。他們懷疑的根據是僅是歐氏幾何的第五公設表述過繁。數學家和物理學家都有同樣的毛病,凡是複雜的就是不夠優美的。從古希臘時代就有人懷疑這第五公設只不過是條定理,一定可以用其它的幾條公理證明出來。看來不怎麼費勁,但是這一努力就是一千多年。
     直到18末世紀出了個曠世的數學家,他的名字叫高斯。直至今天人們仍津津樂道他在小學一年級就別出心裁地創造出從一加二加到一百時新演算法的奇迹。被譽為"數學王子"的他的光輝掩蓋著整個十九世紀。高斯最早認識到這種證明是徒勞的,平行公理是獨立成立的,而且把用別的公理抽換掉平行公理,導出來一套奇怪的幾何。不過,高斯是個謹慎的人,他將手稿壓下沒有發表。他考慮到他在數學界至高無上的地位,這樣冒然出擊導致的只會是所有人的攻擊。
     但是他是對我們這個空間產生懷疑的第一人。他曾提出作個實驗,在三個臨近的山峰上測量一下三角形內角和到底是不是180度。
     還是有勇敢的鬥士。他們是俄國的羅巴切夫斯基和匈牙利的波爾約,各自獨立地提出非歐幾何向全世界挑戰。經過艱苦的努力,他們終於使大部分數學家承認還存在一套與歐氏幾何並列的幾何,它的前提是過直線外一點至少可以有兩條直線與該直線共面而不相交。導出的結論令人困惑:三角形的內角和小於180度,同一直線的斜線和垂線不一定相交等等。
  


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:50:36
  沒有多久,高斯最得意的嫡傳弟子黎曼又把第五公理換成了同一平面的兩條直線一定相交,演繹出與歐氏幾何,羅巴切夫斯基幾何鼎足並稱的黎曼幾何,這已經快接近答案。可惜黎曼只是一個數學家,他模糊意識到什麼,但是最終不可能揭開事實的真相。他到死也未料到他所創建的新幾何才是我們這個世界真正成立的。
     儘管一系列優秀的數學家前仆後繼地發展了非歐幾何。但是即使在數學家內部也只不過認為這是一套漂亮的遊戲而已。幸好數學家的癖好和物理學家亦有不盡相同之處,在他們的世界里漂亮但無用的玩意兒觸目皆是,但在物理學家那裡會被無情地拋棄掉。彷彿上帝為了捉弄人類,先扔下一把鑰匙,物理學家不屑一顧而數學家們喜滋滋地撿走了,幾十年後再重重地扔下一把大鎖砸在愛因斯坦頭上,愛因斯坦幾經努力才在數學家的舊倉庫中找到了那把銹跡斑斑的鑰匙。
     一開始愛因斯坦沒有充足的信心完成廣義相對論,他發現導致的幾何結果當真匪夷所思。但是老朋友格羅斯曼介紹的黎曼幾何使他茅塞頓開,這不就是他這些年來苦苦覓尋的嗎?愛因斯坦無疑是極端幸運的。如果讓愛因斯坦自己來憑空創造一套幾何,縱使有格羅斯曼的幫助,也勢必成挾泰山以超北海,是所不能了。回首當年,黎曼,這位繼高斯后首屈一指的大數學家,為這套幾何亦是耗盡了一生的心血。
     愛因斯坦認識到,我們所在的這個空間,不是簡單的長,寬,高三維空間,而是包含時間在內的四維時空;不是我們想象中的平直,而是一個彎曲的空間。
     彎曲就意味著如果現在你朝某個方向射出一束光線,若干年後,如果地球,甚至銀河系還存在的話,你會發現光從你背後繞了回來。當然,再不可能找到象當年那樣為了驗證地球是球體而勇於拔錨揚帆環航世界一周的麥哲倫船長了。
     我們這個空間應遵循的規律是符合黎曼幾何的,而不是歐氏幾何。比如說,當你精確測量空間三點的所連成三角形的內角和,會發現它大於180度。憑你直覺的經驗,一定會覺得兩點間直線最短,實際上真正短的是一條曲線,"世界線"。
     至於真正意義上的四維時空,決不僅是幾何上的花樣。它第一次深刻地揭示了空間和時間如何不可分割。現在我們定義空間中任意一個物體,僅有長,寬,高的坐標是不夠的,還必須加上時間。可是,在滿眼三維物體的這個世界上,我們怎麼能夠擁有四維的想象呢?
     如果把作為三維物體的書本放到光源的對面,它的影子會投射在二維的牆面上,隨著書本的轉動,影子的形狀也會改變。有機械製圖經驗的人僅憑三張不同側面的投影就能大致想象實物的樣子。
     四維時空的觀點則認為,我們日常所見到的所有事物,不過是四維時空中的"原物"在空間上的一種"投影"。這樣就可以清楚地解釋一輛高速行駛的列車為什麼對於靜止在月台的人來說長度會縮短。因為我們所看到的不過是一個"投影"而已。"原物"在四維時空中旋轉,從而分到屬於空間的三維部分(我們見到的)少了些,分到屬於時間的一維部分多了些。實際上,"原物"(注意是在四維時空)是不變的。
     正如愛因斯坦的老師閔可夫斯基在1908年德國自然科學家學會的第八十次年會上的報告中宣稱的那樣:"我們現在講述的空間和時間的觀點,是在實驗物理學基礎上發展起來的,這就是理論之所以有力的原因。它的意義是革命性的。從此以後,時間和空間退化為虛幻的影子,只有兩者結合才能保持獨立的存在。"
     在牛頓力學中,一個物體如果不受外力的作用,它將作勻速直線運動。在相對論中亦是如此,但是這個"直"線是是四維時空中的直線,在三維空間中則表現為彎曲的"世界線"。上帝在造物時就神秘地暗示我們,物體運動是儘可能走近路的。譬如,夜空中的星星看似遙不可及,動輒以億光年計算,實際上它們到我們的最短距離決不是簡單的兩點一直線,而是一條弧線,猶如一條隧道,可以抄直到達終點。
     縱使在受引力的作用下,物體的運動也是如此。因為愛因斯坦一針見血地指出,萬有引力根本不是一種力!這不是象牛頓那樣認為的,太陽如何牽引地球,而地球如何吸引砸到牛頓頭上的蘋果。無論地球還是蘋果,它們都是在別無選擇地走最近的路。它們的路徑之所以彎曲,以至那麼多年來我們一直錯誤地認為是受了力的結果,僅僅是因為任何物體都會使自己周圍的空間彎曲,而質量大的物體(譬如太陽)猶使空間變形得厲害。換句話說,如果我們這個空間什麼物質都沒有,它是平坦的歐氏空間;之所以彎曲的原因就是有物質存在。
     你將一塊薄橡皮膜崩在一個長方形的框架上,在放上一個橙子,它會自然地凹陷下去。再在橙子邊上放一個石子,不用推動石子它就會自動滾向橙子。這並不是因為橙子吸引了石子,而是它造成的"場"使石子義無返顧地選擇最短路徑滾了下去。當然這是比喻,但是地球繞太陽旋轉,蘋果落向地面的根源也類似於此。
     這是對牛頓定義的引力新的詮釋,引力不過是加速運動(以三維空間的觀點看)帶來的幻覺。牛頓的因果關係看來顛倒了,因為物體本身在沒有外力時的運動就不是完美的勻速直線運動,而是沿著彎曲路線的加速運動,導致的幻像就是有"力",即萬有引力產生了。
     至此你就可以大概理解為什麼連頭腦向來敏銳的物理學界的領袖人物都認為愛因斯坦發了瘋。愛因斯坦深感苦惱的是自己的相對論發表之初在物理學圈內睬之者甚少,被新聞界披露之後,反是好奇心很強的圈外人,比如哲學家,作家,藝術家紛紛拜訪,獲得隻言片語后回去演繹自己的"相對論"。至於後來相對論成為偷懶的中學生不作幾何題的理由,更是愛因斯坦始料未及的。
     最感興奮的則是羅馬教廷里的主教們。儘管他們曾經把布魯諾燒死在火刑台上,把哥白尼的書封禁,把伽利略投入監獄,但是科學的觀念畢竟逐步深入人心,牛頓學說的發表更是一記重拳,打得他們自此抬不起頭。天主教只成了部分人的信仰,如果神學家再敢於和科學家論戰,一定會被駁斥得體無完膚。
     但是現在好了,牛頓的理論也被人踩翻在地。而愛因斯坦根據廣義相對論提出宇宙有限的假說,更是令他們浮想聯翩。宇宙有限,那麼宇宙之外不就是天堂么?於是在愛因斯坦訪問英國的宴會上,他的鄰座,坎特伯雷大主教恭恭敬敬地向愛因斯坦請教:"教授,聽說您的理論似乎提供了宗教界的某種證據。"
     愛因斯坦微笑地搖頭:"對不起,相對論純粹是科學上的問題,與宗教沒有關係。"
     為了說服更多的人,愛因斯坦幾經尋覓,終於在天文學上找到第一個證據。九大行星中離太陽最近的是水星,廣義相對論只能在巨大質量(比如太陽)的附近才能顯現它的威力。正好水星的運動幾百年來有個懸而未決的問題,即水星在繞太陽轉動的同時,自己的軌道也在緩慢地轉動,這在天文學上稱為水星的進動。天文學家採用牛頓的引力理論,結果總是相差一些。而愛因斯坦根據自己的計算,彌合了這些誤差。
     第二個預言是太陽光的引力紅移。愛因斯坦的理論指出在引力場強弱不同的地方,時鐘走時是不一樣的。從而當光從太陽附近的強場傳播到地球附近的弱場時,光譜線會向紅色的一端發生微乎其微的移動。
     這種觀測在當時根本無法實現,直到1958年德國年輕的物理學家穆斯堡爾發明了穆斯堡爾效應,找到一種精度大為提高的測量時間的方法。即使你的手錶走了三千年後只比標準時間慢百分之一秒,也能覺察出來。通過這種方法,研究人員發現在建築物底部(這裡的引力場稍強)比頂層的時鐘走得慢。
     順便提一下前面提到的"雙生子佯謬",由於在宇宙飛船里的哥哥想要回到地球上來,必須先大幅減速,然後再轉身向著地球的方向加速,這期間受到慣性力,即引力的作用,其間飛船上的鐘會走慢。70年代有人在衛星上放置了精確的記時器,當它隨著衛星圍繞地球轉過幾圈后回來和地面上的同樣的記時器比較,果然驗證了變慢的結論。
     最直接的證據是光線通過太陽時受到引力場的作用而彎曲。早年愛因斯坦在提出等效原理時,他根據牛頓力學計算的彎曲角度是0.87秒。當他十年以後意識到空間是彎曲的時候,這個角度才修正到原來的兩倍,1.74秒。幸虧早期的一次日全食時的測量因為天氣原因而失敗,否則這會迫使愛因斯坦全盤放棄他那未成熟的理論的。
     決定性的時刻終於到了。英國劍橋大學的天文學教授愛丁頓帶隊分兵兩路,一路奔向南美洲的巴西,一路遠赴非洲西部的普林西比島。在出發前大家討論了這次觀測可能的三種情況:要麼根本就不偏轉,要麼就接近牛頓力學所計算的0.87秒,要麼就接近愛因斯坦的廣義相對論所預言的1.74秒。
     "如果測量值比愛因斯坦的還大一倍,那會怎麼辦呢?"組裡的一位成員憂心地問道。
     "那麼愛丁頓和愛因斯坦都要瘋了。"
     愛丁頓當時在普林西比的那一路,他們一大早就興緻勃勃地架好望遠鏡,可是熱帶的氣候委實難測,一場瓢潑大雨將他們的希望澆滅,要不是巴西那邊測量成功的消息及時傳來,愛丁頓這次可真的要瘋掉了。
     結果正如本章開頭的那一幕,上帝的面紗揭開了一角,廣義相對論證實了。
  


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:52:32
  4
     此時的愛因斯坦年僅四十歲,但儼然成了物理學界新的教皇。而且世界各地的人們都在傳誦著他的名字和他的思想。他的聲望達到頂點。
     這時的生活亦溫馨如意,他的遠房表妹,從小在一起的玩伴埃爾莎和他結了婚。她是一位柔婉體貼,態度隨和的女性,絲毫不具備前夫人咄咄逼人的風範。她不懂物理學,但這並不妨礙她把愛因斯坦的生活收拾得井井有條。愛因斯坦,這個長期漂流的遊子,終於開始享受家庭的溫暖了。
     正在此時,另一場席捲物理學的大風暴正在醞釀中,一群更年輕的物理學家開始聚集在丹麥的哥本哈根。為首的一位是堪與愛因斯坦比肩的大物理學家。他的名字叫玻爾,比愛因斯坦小七歲,至於其他的人年紀更小,有的還在攻讀碩士學位。
     正是這群看似毛手毛腳的小夥子,他們戲劇性地改變了二十世紀人類的命運,從某種意義上說,比愛因斯坦的的相對論更能激起人們對自然規律的深思,而且他們工作的觸角隨著時間的推移深入了人們生活的方方面面。他們理論的一個不起眼的副產品就是半導體,但是沒有它今天發展一日千里的計算機技術便成了空中樓閣。
     他們創立的學派叫哥本哈根學派,這是直到今天所有的物理學家聽到都會肅然起敬的名字。他們創立的學科則叫量子力學。
     與相對論相比,他們從微觀方向向經典物理髮動了攻擊。這是一場難度更大的戰鬥,註定不能僅由一個孤身作戰科學家象愛因斯坦一樣傳奇般地完成。這也是他們儘管在物理學史史上留下一連串閃光的名字,但在輿論界反響平平的原因。
     這更是一場革命,他們遇到的阻力一點不比愛因斯坦小,在前輩成名的大師級人物眼裡,他們不過還都是一群娃娃。他們在遭受了無數的譏諷和白眼后,自然把求助的目光投向已成為物理學界旗手的愛因斯坦。他的眼力非凡獨到,而且向來熱心扶植擁有新想法的年輕人。更何況是他最早提出光量子假說,這不僅使他本人登上諾貝爾獎的領獎台,而且也為量子力學的發展指明了道路,說起來他也算是量子力學的前輩之一。
     然而他們萬萬沒有想到 ,量子力學從此招來最大的反對者--愛因斯坦本人。這絕對不是因為愛因斯坦漠視後學上進,而是兩派人的世界觀根本不同。玻爾那幫人解釋世界是採用幾率觀點,也即在微觀的環境里,所有粒子的運動是沒有確定軌道可言的,你只能預測在某一點的粒子出現的可能性是多大;而愛因斯坦是絕對不相信上帝會允許不確定的因素存在的。
     天空頓時又是烏雲密布,大論戰一觸即發。玻爾也是個意志堅定的人,認準了的事絕對不回頭;雖然反對派有愛因斯坦助陣,勢力雄厚,他們也沒有屈服。好在接二連三的實驗提供了堅實的證據,而且量子力學的體系本身也在愛因斯坦無數次嚴酷的考驗面前愈發顯得完美無缺。
     到本世紀二十年代末,世界上絕大多數物理學家的工作都轉向量子力學方向來了,對面只有愛因斯坦還在單槍匹馬地叫陣,直到去世他都無法容忍量子力學的存在。
     上帝開了個很大的玩笑,一生蔑視權威的愛因斯坦最後也扮演了壓制新思想的權威的角色。還是哲學家羅素一語中的,唯一的歷史教訓就是忘記了歷史教訓。
  


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:53:58
  那麼從那時到愛因斯坦去世還有漫長的幾十年,愛因斯坦在忙些什麼呢?原來他把畢生的經歷投入了另一場空前難度的努力--"統一場論"。
     當時人們知道世界上稱的上是力的只有兩種,引力和電磁力,而愛因斯坦一直的工作是想把所有的物理幾何化。他苦苦尋找到底四維時空究竟有何性質可以把電磁場容括進去。但電磁場似乎也繼承了它的創建者麥克斯韋那蘇格蘭人特有的頑固性,拒絕和愛因斯坦妥協。他花了十年的時間才使引力場幾何化,然而還要花多少年才能將電磁場歸入這一體系呢?
     "最多三十年吧。"愛因斯坦摸了摸還算茂盛的頭髮,暗暗地安慰自己。沒有人會想到這一努力就是一輩子。
     此時的愛因斯坦已偏離了物理學研究的主流,就象幾年前搞廣義相對論時一樣,他又默默地將自己與外界隔了開來。學術界很長時間沒有聽到愛因斯坦的消息了,雖然他們每次會議都保留了愛因斯坦的席位以示尊敬,但熱心的新聞界還是不時地製造一些聳動的消息來提醒人們不該忘記這位孤獨的勇士。一次,《紐約時報》花了整整一版印上了令專業人士都費解的數學符號,並鄭重地宣布:"愛因斯坦的新理論試圖包括:行星的旋轉,光線的疾駛,地球的引力,鑽石的光澤,鐳元素的不穩定性,輕的氫和重的鉛,通過線圈的電流,物質,能量,時間,空間。"
     物理學家們幾次呼籲愛因斯坦出山,加入到他們的行列中來。其時的量子力學正方興未艾,許多神妙的現象亟待解決,他們不希望這麼一個天才的頭腦去從事當時看來顯然無望解決的問題,當然他們更不希望失去一個德高望重的領袖。情形彷彿當年萬眾呼喚棄離物理學的牛頓一般。
     愛因斯坦沒有聽到萬千的同行們心底的呼喚,在以後的日子裡甚至很少出席正規的國際物理學會議,而寧願在出訪一些普通的學校時面對激動無比但大部分不懂物理的年青人講述自己的想法。三十年代初,他在英國訪問期間,沒有去劍橋大學,而是來到北英格蘭的一所普通的女子學校去演講統一場論,在眾人興奮而迷惑的眼光中一邊深思,一邊在黑板上斷續寫滿了複雜的張量公式,這是統一場論中必不可少的數學工具。受寵若驚的校方將這塊黑板珍藏起來直到今天。
     更出愛因斯坦意料外的是原本在柏林平靜的生活亦出現反覆。他沒有想到畢生熱愛和平的自己竟會長年置身於歷史上最大一場戰爭的策源地。早在一戰期間,他就和一些科學家在反對戰爭的聲明上簽字。一戰的結果是德國戰敗。在德國重新站起來后不久,有人就在總結失敗教訓時痛斥背後"賣國"的三種人:和平主義者,知識分子,猶太人。不幸的愛因斯坦三者都佔全了。
     1933年5月10日的夜晚,群情騷動的學生舉著納粹的標記,瘋狂地喊著"希特勒萬歲",在柏林大學周邊的廣場上將堆積如山的書籍點著。在熊熊的火焰中可以看到,摞在最上層的赫然便是愛因斯坦著的相對論。
     此時的愛因斯坦正在大洋彼岸的美國的一家旅館里發愣,幾天前他就聽同事們說起在柏林哪裡的報館被查封,哪條街的猶太人開的商店全部遭到洗劫。看來,德國是回不去了,現在的柏林不僅容不下一個猶太人,也容不下一張書桌了。
  


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:55:30
  望著漫天的星斗,愛因斯坦又一次陷入沉思:難道顛沛流離的日子又開始了么?
     當愛因斯坦得知納粹當局抄了他在柏林的家並懸賞兩萬馬克買他的人頭后,他毅然決定留在美國。不久,德國人將成千上萬的猶太人驅趕入集中營的消息傳來,愛因斯坦更是痛心疾首,他痛恨那些留在柏林普魯士皇家科學院和柏林大學的同事們為什麼不竭力阻止政府瘋狂的舉動。
     素來不通事務的愛因斯坦到此時還如此天真,他不明白在一個專制的國家裡知識分子噤若寒蟬的處境。連曾輝煌一時的普朗克亦遭厄運,但出於一個日爾曼人對祖國和民族天生的忠誠,他堅決不離開國內。他掩護過千百猶太籍的科學家,但也為此遭到希特勒的將他送入集中營的警告。在戰爭末期,他和普通的德國人一起一邊排著長龍等待發售麵包,一邊警惕著頭頂上盟軍飛機的炸彈。
    
     愛因斯坦決定在寧靜的小城普林斯頓安靜地度過自己的餘生。此時的愛因斯坦也明白窮盡一生也未必能給出統一場論一個合理的說法了。但是他並不後悔,科學的發展總是要走彎路的,何況他覺得這未必是彎路,人類總有一天會認識到統一的重要性的。
     有一次,他和一個助手談起這幾十年的奮鬥,曾提到統一的嘗試總是要有人作的,但年青人不適合干,因為它會毫不留情地吸光人一生的心血;至於自己,反正已經功成名就,正適合干這個。
     看來真的是天妒英才,愛因斯坦當時走得過早過遠,因為後來人們才認識到自然界不是僅有兩種力,還有強相互和弱相互兩種作用力。若勉強就把僅知的兩種力統一,根本就是幻想。但愛因斯坦在轟然倒地的同時,手臂依然指著前進的方向。統一,統一,這是千百年來物理學家的最高夢想。
     時光流逝到1979年,此時身在天堂悠閑地叼著煙斗,拉著小提琴的愛因斯坦若不經意地看一下人間諾貝爾物理獎的領獎台,他會開心地微笑的。這年的獎金由美國人格拉肖和溫伯格,巴基斯坦人薩拉姆三人共享。他們的貢獻是將四種力中的弱相互作用力和電磁力統一起來,人類朝統一的終點邁出關鍵的一步。
    
  


作者:ooooooops 回復日期:2003-10-12 09:57:10
  愛因斯坦在普林斯頓的晚年留下很多有趣的故事。包括他如何在比利時王后的御筆題詩的背後打草稿啦,如何穿著短褲拖鞋出席宴會啦,如何把一千美圓的支票當作書籤亂夾結果弄丟了呀,如何忘了自己的家竟然打電話到家裡問自己住在哪裡啦。
     一次,一個放學的小姑娘看到愛因斯坦蓬頭垢面地走在人行道上,彷彿從童話書中走出來的一般,她好奇地跟了一段,然後回去把這個人當作新聞講給她正在吃飯的父親聽,她父親登時放下刀叉,神色鄭重地望著她說道:"我的孩子,記住這一天吧,今天你見到了世界上最偉大的人!"
     愛因斯坦本人從來沒意識到自己的偉大。一次,當猶太人自己建立的國家以色列慕名專程請駐美大使請他回國擔任總統時,愛因斯坦婉言謝絕了,他的理由是我對自然界還知道一點點,可是對於社會的事情我什麼都不知道。
     隨著年事日高,親朋好友一個又一個先他而去,先是他的大女兒,然後是多年合作的夥伴格羅斯曼教授。在他的葬禮上,愛因斯坦的悼詞中寫到:"作為普通人的眼光看,你永久離開了我們這個世界;但在我們物理學家都堅信,所謂空間和時間都不過是人腦中一種執著的幻像而已。"
     但是伴他多年的夫人埃爾莎的死對他是沉重的一擊,自此他衰老得更快了。幸虧他的妹妹專程趕來陪他,使他的精神稍有好轉。當妹妹亦身患重病離他而去時,他自己亦知時間不遠了。
     在最後的日子裡,他仍沒有放棄自己的工作,要命的數學公式始終不斷地在腦中徘徊。在1955年4月17日的深夜,躺在病床上的他終於感到自己要蒙幸上帝的召喚了,也許在那裡上帝會告訴他統一場論的謎底,想到這裡,他艱難的笑了一下。
     他是無法想象第二天全球會以怎樣的悲痛來送走他這位人類世界最偉大的兒子的。
     當護士小姐匆忙的腳步聲出現在他的床前時,愛因斯坦已經快不省人事了,彌留之際他含糊地用德語吐出兩個詞,可是沒人聽懂。可能他在懷念德國,這片讓他一輩子愛恨交織的故土。也可能在說統一場論,這個耗盡他後半生心血仍未果的怪物。
     窗外,一片樹葉靜悄悄地落了下來。
    
    再次謹以至誠,向這位始終孤獨的勇敢戰士,人類永遠的偉大兒子阿爾伯特。愛因斯坦致敬!

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 樓主| daviddvdd 發表於 2006-2-15 14:55 | 只看該作者
為什麼沒人看這篇帖子,我辛苦找來的.
我自己頂上去
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現代儒家 發表於 2006-2-15 20:05 | 只看該作者
光譜紅移的理論基礎追蹤到奧地利科學家對聲音波動現象研究的多普勒效應。
最早對於聲音的波動研究,建議參觀中國的一個古迹或墨家的資料- 傳音壁。

(所有文字,不恰當處,敬請諒解,未經同意,不可轉載。)
儒家精神:自強不息[格物致知(推陳出新)厚德載物]止於至善。 儒家人格:勇敢公義[智慧開創(忠孝誠信)仁德廉儉]勤奮禮節。
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dj13579 發表於 2006-2-15 20:08 | 只看該作者
我幫你頂,好貼,不過也好長
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charliee 發表於 2006-2-19 08:09 | 只看該作者
ding, good for me!
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