爱因斯坦的生命和他的宇宙

爱因斯坦成名离开伯尔尼专利局后，专利局还常常请教他专利方面的事，并恳求他提供专利申请的意见。他回答这类问题往往乐此不疲，因为一方面与他对技术的爱好密不可分，另一方面，据他自己的说法，也有益于他自己的研究工作。1906年，当时爱因斯坦还在伯尔尼专利局任职，有一个世界闻名的专利在这个专利局申请通过，即具有独特外形的瑞士品牌巧克力三角牛奶巧克力（Toblerone）。这是世界上第一例申请专利的牛奶杏仁蜂蜜巧克力，这个产品无疑使伯尔尼专利局的职员都会很高兴，因为他们有机会在审查时亲口尝尝。
  在伯尔尼的日子里，爱因斯坦不修边幅，而且不介意长期坚持不懈地继续从事物理学研究工作。他不论在上班时还是业余时间中都坚持创造性的思考物理学的重要问题，这些努力为他在随后的“奇迹之年”所发表的光辉著作铺平了道路、奠定了坚实的基础。
一路投奔奇迹(1)
  我已完全解决了这个问题。我的解决方法是分析时间的概念。时间是无法被绝对定义的，它与光信号速度之间存在不可分割的联系。
  摘自爱因斯坦1905年给米歇尔?贝索的信，告知其关于相对论的论证
  从其对世界物理学的贡献而言，公元1905年是爱因斯坦的“奇迹之年”，在这年中他所做出的成就使得他年仅二十六岁就成为世界上最伟大的物理学家。这一年，除了提交五篇重要论文外，他还花时间在一些刊物发表了二十三篇学术评论文章。这些文章都是利用专利局工作之外的业余时间完成的，对于爱因斯坦这样一个当时尚未在学术殿堂占有一席之地的年轻人来说，这是非凡的成就。虽然跟当时的物理学界并无联系而且他的理论当时还具有相当争议，爱因斯坦还是凭着理论给这个领域带来的观念的革新而一举登上物理学理论研究的高峰。爱因斯坦在1905年所取得的巨大成就足以媲美牛顿的1666年。牛顿在这年里为近代物理学奠定了数学、引力和光学理论的基础。
  1904年与1905年之交，艾尔伯特?爱因斯坦正好二十五岁，已结婚两年，儿子汉斯?艾尔伯特尚在蹒跚学步。他在位于伯尔尼的瑞士联邦专利局拥有一份虽不那么有趣但颇受尊敬的工作，当时任专利局的三级专利审查员。在波澜不惊的工作和家庭生活之外，爱因斯坦想办法挤出点滴时间思考物理学问题，即便从寓所到办公室短短二十分钟的步行路程，他也见缝插针地用于思考。晚上，下班从办公室回到家，安顿玩累了的一岁的小汉斯上床睡下，他便返回到书桌前投入物理学的天地。在给友人的一些通信中，爱因斯坦曾提及米列娃正帮助他做研究工作，但不知道她对此影响有多大。我们所能肯定的是夫妇俩一起讨论爱因斯坦的观点，毫无疑问，米列娃听过爱因斯坦的论述后会给出一些反馈意见以有利于他理顺自己的思路，她还鼓励丈夫把想法变成论文。
  不论他在繁忙的生活中如何全神贯注于物理学研究、为此付出多少努力，都是值得的。爱因斯坦在1905年所取得的成就令人叹为观止，他所发表的蔚为大观的五篇重量级论文将作为最影响深远的著作载入物理学发展史册。五篇论文中的一篇是爱因斯坦的博士论文，这篇论文对构建原子真实存在的理论起到了推动作用。另有两篇则建立了革命性的狭义相对论，为物理学指明了一个全新的领域，也给爱因斯坦带来世界性的声誉。第四篇把布朗运动中花粉的不规则运动与原子的大小联系起来。最后一篇涉及光量子理论领域，揭示了光电效应的问题，为现代物理学量子理论奠定了基础，并为爱因斯坦赢得1921年的诺贝尔物理学奖。
  1905的爱因斯坦在发表论文方面显然不是一个新手。他的五篇科学论文都是以打印稿的形式提交给杂志的，第一篇是1901年提交的。所有论文都发表于颇有声望的德文物理学杂志《物理学纪事》。但是，目前尚不清楚爱因斯坦当时是否意识到他1905年的理论可能会引起多大的争议或多么令人惊叹。1905年5月，爱因斯坦在信中向朋友哈比希特描述最终揭晓的诺贝尔物理学奖的工作“研究辐射和光的能量特性，具有革命性的意义”。对于他的狭义相对论，爱因斯坦说，这个理论的获得，回想起来确实很有趣，就像是上帝朝我微笑着，引导着我一步一步向前走似的，慢慢地就完成了研究工作。
  爱因斯坦从一个很有启发性的角度完成那篇“非常具有革命性”的关于光电效应的论文，考察了光的产生和传播过程。他于1905年3月17日把论文提交给《物理学纪事》杂志，三个月后论文得以发表。这篇论文圆满地解释了困扰科学家近二十多年的光电效应现象，但更具价值的是：它为一个全新物理学领域，即量子理论奠定了基础，认为光以粒子形式存在，颠覆了大部分科学家们所持有的光以波形存在的理论。
  一般的白光，如太阳光，在一定条件下可以被分离成不同色的光。一颗水滴也能实现这种光线分离，这就是为什么下太阳雨的时候能够在天空中看见彩虹。但是光线里面包含着更多的东西，如肉眼看不见的光线，人们能看见的可见光只是电磁辐射中的一部分。长久以来，人们一直以为电磁波是以波的形式传播的。红色光线在可见光中能量等级最低、波长最长，而在光谱中与可见红色光线紧挨的红外线属于不可见光，无法用肉眼看到，它的能量等级比红光更低，波长更长。现在人们常用的遥控器就是用红外线来切换频道的。如果把电炉通上电源，然后把手放在底座上方，即使电炉丝还未受热至变红就能感觉到灼热――让你的手受热的辐射就是红外辐射。波长比红外线还短的辐射是微波，它能通过让水分子快速运动而用于加热食物。此外还有无线电波，这类辐射波长更长，人们常用它来传递无线电信号。
一路投奔奇迹(2)
  光谱中能量等级较高部分的辐射给19世纪晚期的科学界带来了难题。在光谱中，能量等级比紫色光高的部分是紫外线，或称紫外辐射。我们知道，接受过多的紫外线暴晒可能导致皮肤晒伤甚至皮肤癌。紫外光也能让白色的物体看起来好像在发亮，所以在广告业中用得非常广泛。电视广告制造商为了吹嘘洗衣粉或牙膏效果是多么好，往往用紫外光照射广告人物所穿的白衬衫或所拥有的牙齿，使之白得特别灿烂。比紫外线更高能量等级的电磁波是Ｘ射线，医生们常常用这种射线来诊断疾病。此外，宇宙中的黑洞在吞噬邻近星体的气体时也会发出X射线。今天，天文学家已发射了多枚人造卫星，如Roentgen和Chandra，试图通过它们描绘X射线构成的宇宙图景。
  正是紫外线让科学家们倍感困惑。科学家们发现如果钨等金属的表面受到紫外光的照射，能在表面产生一股电流，这就是所谓的“紫外线光电效应”。这个现象威廉?瓦拉赫早在1888年首次发现，但直到1905年科学界尚无法给出圆满的解释。1904年，曾有杂志刊登了一篇长文详述光电效应这个难解之谜，爱因斯坦很可能看到了这篇文章，并因此对此问题产生浓厚兴趣。
  除了光电效应，另外一个有关辐射的现象也令科学家百思不得其解。上述电炉的炉丝，刚通电时它是黑色的，然后随着温度的升高变成暗红，再后来则成为鲜红。在铁匠铺里也可看到类似的情形，铁匠会把铁条加以更高的温度，最后铁条的颜色甚至变成橙色、黄色乃至浅蓝色。物体的温度与其所显示的颜色之间显然有某种联系，但这种联系的实质是什么？十九二十世纪之交，关于这个问题，科学家们找到了两个定律。一是1900至1905年间，两个英国物理学家雷利勋爵和詹姆斯?金斯各自独立地发展了雷利－金斯定律。这条定律可以预测在特定的温度下某一长波如红外线辐射的强度。另一定律由德国物理学家威廉?维恩在1896年得出，能够预测在一定温度下短波辐射的强度，如紫光和紫外光。物理学教授海因里希?韦伯，即爱因斯坦在苏黎世联邦技术大学时的导师，后来还负责审定他在苏黎世大学时的部分博士论文，他在这两个定律产生过程中作了一些工作。他通过实验证实了维恩定律，并得出一个曲线方程，可以预测在给定温度条件下最强辐射的波长。韦伯在1898年冬天就辐射的性质作了一系列讲座，爱因斯坦尚未大学毕业，他报了名上韦伯的课，应该听过这些讲座。
  但是科学家们还在努力寻找一个简单的定律可以解释整个光谱的辐射现象，德国物理学家麦克斯?普朗克便是其中之一。普朗克后来成为爱因斯坦所推崇的科学英雄之一，他赞许普朗克说：“他是多么与众不同，如果像他那样的人多一点，对人类来说是多么有益的事。”大约是1900年的10月7日，普朗克灵感突现，他写道，假设在一个特定大小的盒子里装满一定温度和波长的辐射，那么这个盒子能容纳的能量有多少？基于这样的思考，普朗克从完全不同的角度进行一些尝试。他想象有一个电荷振子――一个带电的粒子在电场的作用下来回震荡，那么所有电荷振子的集合所含能量是多少？