爱因斯坦的生命和他的宇宙

毫无疑问，光也必须在某种介质中传播，这个尚属“未知”的介质物理学家称为以太。许多物理学理论都把假设构建在以太的存在这个前提下，但其存在从来没有被实验证实。1881年，艾尔伯特?米歇尔森当时还是美国马里兰州首府安纳波利斯海军研究院的专家，他完成了一个实验推翻了以太存在的假设。但是英国物理学家瑞利勋爵敦促米歇尔森重做同样的实验，他还为此与另外一个美国化学家爱德华?莫利一起加入美国海军共同改进实验。三年后，1884年，当时世界上三个有名的以太研究专家――英国的开尔文勋爵、瑞利勋爵和美国人爱因斯坦?米歇尔森――在巴尔的摩的约翰斯?霍普金斯大学聚首，共同讨论有关以太的争论。以太的假说在1905年走到了尽头，爱因斯坦证明了米歇尔森的实验结论，声称以太假说其实根本毫无必要。由于在以太研究方面的贡献，米歇尔森获得1907年的诺贝尔物理学奖。
  1905年6月30日，《物理学纪事》收到爱因斯坦提交的狭义相对论论文，题为《论移动物体的电动力学研究》。他对狭义相对论的研究至迟从1899年就开始了，到了1905长期不懈的思考终于结出硕果，他把自己的想法升华成为定律。在论文中，爱因斯坦阐明若光速是不变的常数的假设成立的话将发生什么情况。他没有用汽车或火车来打比方，因为1905年时这两件东西还远没普及，而是提出参照系的概念。如果一个参照系（如一辆火车）以相对于另一个参照系的速度Ｖ移动，那么处于同样一个参照系同向发射速度恒定为ｃ的光束会发生什么情况？在这种情况下，奇怪的不可思议的情况发生了。空间和时间不再截然分开，而是结合成为一体为所谓的“时空”。这个结果看起来确实非常怪异，但仔细考虑起来其实我们每天都在做类似的事啊。比如，你问某人从巴尔的摩到华盛顿有多远，得到的回答可能是“45分钟”：你问的是距离，但回答却是时间。如果你遵守交通规则，即不会有意外情况打乱交通，而在速度有限的情况下，这两个概念是可以联系在一起的。在宇宙中，距离和时间通过永远恒定的光速联系在一起。
一路投奔奇迹(7)
  根据爱因斯坦的理论，如果光速ｃ在所有的参照系中的速度都不变，即每秒18.6万英里，会发生一些奇怪的事。例如，若一个参照系处于静止状态，另一个以匀速Ｖ运动，则同样长度的棍子，如放在运动着的参照系中，从静止状态的参照系中人的角度，这根棍子相比置于静止参照系中的变短了，该现象在物理学上称为长度收缩。不过这个理论并非在狭义相对论中首创，而是由荷兰物理学家亨德利科?Ａ.洛伦兹和爱尔兰物理学家乔治?菲茨杰拉德大约在1889年便已详细阐述了该发现。据称菲茨杰拉德是一位天才的物理学家，连行为怪异的英国物理怪杰奥里弗?海维赛德都对他挺佩服，称“他的大脑知识太丰富，太具有创造性了”。当时，洛伦兹和菲茨杰拉德提出该定律是为了解释米歇尔森－莫利实验结果，试图以此挽救日落西山的以太理论。但是，以太理论没能挽救而最终被抛弃，而洛伦兹－菲茨杰拉德收缩理论，即长度收缩理论，却因其对物理现象敏锐洞察而留存于世。
  如果你处在“静止”参照系，一个被置于运动着的参照系有刻度的棍子（如标尺等）在你看来似乎也会产生长度收缩。你会觉得这个棍子的长度比坐在运动的参照系中的你的朋友量的要短一些。奇怪的事是，你的朋友完全不认为他在运动当中，反而认为相对于他来说你正在运动着而他自己是静止的。在他看来，在你的参照系中的棍子比在他那儿的要短。对于你们俩来说，两个人都是对的。你和你的朋友都没有一个特殊的参照系，或换句话说，都没有更优先的看世界的视角：每一个事物都是相对的。
  同样的道理，在运动参照系中的时钟比静止参照系中走得慢，这就是所谓的时间膨胀。具体而言，位于你朋友所在的运动着的参照系中的钟表走得比静止状态的你的钟表要慢；但相对地，在运动参照系中的朋友也会发现，他是静止的而你是运动的，你的钟表比他的钟表走的要慢。类似地，在物理学里，这就是时间膨胀现象所面临的著名的“孪生儿佯谬”：把一对刚出生的一男一女孪生婴儿分开，若其中那个女婴被人以速度Ｖ从男婴身边带走，然后以同样速度带回来让他们俩重新在一起。那么运动的女婴比待在家里的男婴年幼一些吗？为了证明这个预言的真伪，科学家用计时非常精确的原子钟做时间膨胀的实验。他们把一个原子钟放在实验室里，另一个放在一架高速飞驰在跑道上的飞机上，然后再把这两个原子钟的计时进行比较，令人惊讶的是，放在飞机上的原子钟确实比放在实验室的走时慢一些！这个实验结果使得这个理论有点自相矛盾，因为根据狭义相对论，两个小孩的年龄应该是没有区别的。相对于其中留在产床上的男婴，他的孪生姐妹以速度Ｖ离去又回来，同样，另外在那个女婴来说，男婴也是以同样的速度离开然后又回来。在这种情况下，两个小孩时钟的读数应该是完全一样的；在原子钟的实验中，被置于实验室的原子钟和飞机上的原子钟也应该走时完全一样才对，但实际结果显示并非如此，那么狭义相对论确实存在自相矛盾吗？回答是否定的，因为必须注意狭义相对论成立的一个前提条件，即它所描述的是恒定的速度下发生的情况。而不论是把小孩从孪生男孩身边抱走还是飞机携带另一个原子钟运动都不是恒定速度的运动，其过程必然有加速和减速运动存在。因此，这两种情况并不包含在狭义相对论里，佯谬的质疑并不成立。
  长度收缩和时间膨胀现象均已被当代科技水平下高精度的实验所证实。实验室里放射性粒子经过一段时间将衰变湮灭，其“半衰期”和作为“母体”放射性粒子是可以被测定的，而“子粒子”（即原始粒子衰变的产物）数量也是可以计数的。如果相对于实验室，粒子随着光束一起运动，时间膨胀也将发生在追随光速的粒子上。这就意味着该粒子能够走得更远，比处于静止参照系中的我们活得还长。这便是证明奇异的时间膨胀和长度收缩的实验所展示给我们的图景。
一路投奔奇迹(8)
  爱因斯坦声称如果一束光线在一个以速度Ｖ后退的参照系中射出会显得比在静止参照系中光源射出的光线更红一点，这便是相对论中以19世纪荷兰物理学家克里斯汀?多普勒命名的“多普勒位移”，他首先发现并揭示从运动的物体上发出的声音如何改变频率。关于这个现象的典型例子是当一辆鸣笛的警车快速超过你时，你会感觉警笛的音调会突然减弱。爱因斯坦预测，当光线从一个接近光速的物体上射出时也会发生类似的频率位移现象。
  爱因斯坦发表第一篇关于相对论的论文三个月后，即当年九月，他又发表了一篇关于同一主题的后续论文《物体的惯性是否取决于其所拥有的能量》，在文章中研究运动物体的动能。如果运动参照系的速度Ｖ值较小，爱因斯坦的公式与牛顿的动能理论相符合，但有一点截然不同，即如果Ｖ值为零，质量为ｍ的物体其动能E并非为零，这时的能量是物体的静止质量能。虽然他的那个著名的E＝mc2质能方程1907年才最终见诸纸面，但爱因斯坦在此篇文章中所提出的“静止物质能”的成就能让他同样闻名于世。1905年，他所发表的论文强烈地暗示，光是以粒子形式传播，而传播光的粒子即光子，具有有限的能量。1907年时，他提出了一个公式与1905年的文章呼应，阐释光子具有有限的动能。在1905年第二篇关于相对论的论文中，爱因斯坦表明静止物质能意味着能量和质量在静止时相等，这种等值可以解释放射性辐射现象。根据他的说法，人们可以“用一个能量可能变化很大的的物体（如镭等物质）来检测这个理论，如果理论与事实相符合则说明辐射通过放射性发射和吸收物质来传送惯性”。当时，应该说即使爱因斯坦自己也没有意识到他的发现和异常简洁的E＝mc2等式会如此深远地改变他的生活，这些理论不经意间导致了四十多年后原子弹的诞生。
在瑞士的精彩生活(1)
  自由的教学和自由表达、出版个人见解是任何人健全和自然发展的基础。
  摘自1936年为自由见解组织所作的一篇演讲
  平日里我是个典型的不合群的人，但依然时刻意识到自己也属于追求真理、美和正义的社区的一分子，这种觉悟让我从来不会感到孤立无援。
  摘自1930年发表的《我的信仰》
  对学术生活的渴望在爱因斯坦的心中始终挥之不去。爱因斯坦一边继续在伯尔尼专利局工作，一方面寻找更好的工作。由于第一篇博士论文没有被苏黎世大学的评审委员会接受，而且在做论文的时候，他所不喜欢的海因里希?韦伯教授被指派为他的论文指导老师，因此一时间万念俱灰，觉得一个博士学位对他的事业并没有多大帮助，他一度决定不再提交博士论文以取得学位。