书城传记爱因斯坦:完美解释宇宙的人
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第8章 相对论的发表

这位满头黑色卷发、两眼深陷的年轻人,站在编辑台前。

“我又写了一篇论文,准备交给贵社发表。”他说。

“哦,爱因斯坦博士,我已经收到好几封讨论你那四篇论文的信件,有些评论对你的研究十分恭维;有的可就相当不客气了,你今天带来的是什么论文?”

这位专利局的职员从他发皱的外衣口袋里拿出一包东西。编辑迅速翻阅了这叠写得密密麻麻的信纸。

“嗯,共有三十页。”

“印出来的话,将会较短一点。”爱因斯坦向他保证。

“我现在所编的这一期,稿子已经相当挤了。”

爱因斯坦脸上微微一红,“如果能够挪出一点篇幅来,我希望把这篇论文刊登出来,”他说,“我相信读者们一定会对这篇文章深感兴趣的。”

论文发表后,引起了全世界物理学家的注意。有许多科学家对“相对论”写过研究报告,有的提出很聪明的见解,有的却显得极其愚蠢。在纽约的公立图书馆中,有五百多册有关相对论的书籍及小册子,不是攻击爱因斯坦的理论,就是为他辩护。最初,有一项很普遍的说法:在整个世界上只有十几个人真正理解爱因斯坦的相对论!但到了今天,任何一位研习物理学的大学生都可以理解了。

爱因斯坦第一次在美国就相对论发表演讲时,随口说了一句:“这个理论十分简单。”挤满整个大厅的听众却爆笑不已,令爱因斯坦大吃一惊。他并不是有意以一句玩笑话来冲淡别人对他的注意。他认为,他所解释的一切,对于那些了解他用以解释这项理论的数学符号的人来说,实在是相当简单的。他当时没有想到,数学有它自己的语言,而只有懂得数学语言的人,才能了解他的理论。

有意思的是,一项显然已经失败的实验,却为爱因斯坦提供了这项理论的线索。在1905年他发表这项理论后,许多人称赞他是人类有史以来最伟大的科学家。

在1887年,当爱因斯坦还是慕尼黑一位闷闷不乐且又未获得赏识的学生时,两个美国教授,麦克森和摩雷,正在研究一项奇妙的问题。所有的科学家都知道地球环绕太阳转动的速度。但这两位科学家则试图找出地球在太空中轨道前进的速度。

一个移动的物体在碰到阻碍时,速度就会放慢。如果你要求一位游泳选手逆着河流往上游,而让他的对手顺流而下,那么他必定会拒绝参加这种比赛。现在,当麦克森和摩雷利用顺逆两方向测量光的速度时,他们感到很困惑。

摩雷教授是化学家,麦克森是一位实验物理学家。他不断发明奇妙及精巧的仪器,以协助他探测大自然的真相。

为了测出绝对正确的光速,这两位科学家设计了一套精密的仪器。这套仪器分别仿照了顺流或逆流游泳者的情况,把两根管子安置在每一种情况的适当角度里,如果其中一种顺着地球自转的方向移动,则另一个必定是沿反方向移动。每根管子的末端各放上一面镜子,然后在绝对相同的时间内把一道光束射入管子内。

当然,这两位教授预测,其中必然有一道光束比另一道光束提早反射回来。逆流而上的游泳者将损失较多的时间;逆着空气流动方向而行进的光束必然要花更多的时间。但是,虽然这两个教授把这两根管子移动到各个方向,这两道光束的速度却一直没有任何差别。

“我们的实验有什么错误的地方?为什么两道光束到达镜子的时间总是一样?难道空气中没有我们在河流中逆流而上时所遭遇的那种‘逆流’吗?难道地球在其中移动的‘以太流’并未对光线形成阻碍?”

这两位科学家确定,伽利略已在很久以前证明了地球确实在太空中移动,因此他们试了一遍又一遍,企图找出他们所实验的两种情况的光束速度之间的不同,但一直无法发现这两种光速的差别。麦克森和摩雷最后终于感到沮丧了。既然已经证实地球是移动的,为什么他们的实验却指出地球是静止的?这种发现是相当的新,且又令人感到困惑。

这个问题不仅困扰麦克森和摩雷,也令当时的一些杰出物理学家大惑不解,爱因斯坦在他的论文中回答了这个问题。这两位美国教授并未失败,他们在十八年前即已正确地测出光的速度。因为,爱因斯坦现在已经证明,光的速度都是相同的;还有,光速是唯一的定值,不管是在何种情况下测量,都是一样的。

但是,为什么光速在空中移动时不会遭遇任何阻碍?爱因斯坦解释说,这是因为,任何实验都不可能测出宇宙中的绝对移动。牛顿说过:在遭遇外来的力量之前,每一种物体都维持着其原来的状态,不是静止,就是处于它自己独特的移动中。爱因斯坦现在则宣称,在地球或整个宇宙中的任何地点里,没有一样东西是静止的。他指出,每一样东西都是在移动中的——从原子到星星,每样东西都是移动的。

爱因斯坦继续表示,在这样的一个宇宙中,一切都在移动,没有任何东西是静止的,因此,每一样东西和它接受观察时的环境,都是相对的。

相对论的学说,对这个世界来说,是绝对新奇的学说。大象跟老鼠比较起来,无疑是庞大的,如果把大象放在摩天大楼旁边,就显得出奇的渺小了。这是体积上的“相对”。当一个人按下电梯的电钮“上”或“下”时,他就会感受到位置的“相对”了。

在此之前,科学家们一直认为,物理世界中的某些事实是“绝对的”,在任何环境下都不会改变。物理学家测量长度、重量和速度,当然,他们的量尺、体重计及时钟,给了他们正确的答案。爱因斯坦的理论引起了全世界的震惊,因为他为绝对的物理科学的事实,带来了相对的事实。他对我们所居住的世界提出一项崭新的想法。他赢得了令人震惊的名声,而且他的一项又一项理论在其他科学家的实验室获得证实,更加强了他的名气。

有关相对论的一个最熟悉的例子,就是移动的物体。当一个人坐在疾驰的火车上时,座位和乘客显然是静止的,而树木和电线杆却从车窗外呼啸而过。一位站在铁轨附近的农村男孩,却只看到火车呼啸而过,而树木和电线杆则静止不动。在这列火车以时速96千米的速度移动时,地球正以每秒29.7千米的速度绕着太阳旋转。与此同时,地球、太阳和整个太阳系一起朝着一颗遥远星球的方向前进。

如果一个人能够站在太阳上,并用望远镜眺望,他将会看到地球和火车在底下移动。另一个观察者如站在这太阳系最近的某一个星球上,由于它的距离极远,它的光需要四年的时间才能到达地球,那么,这位观察者要在四年后才能看到太阳、地球及移动中的火车正一起在太空中移动。火车、地球及太阳的运动,都是和观察者的位置相对的。

但是,如果在太空中的移动是相对的,那么,时间的相对性呢?

在爱因斯坦提出他的学说之前,牛顿和其他科学家指出,时间是绝对的,整个世界都在变化,但时间却是持续不变的。他们同时认为,空间是向四面八方延伸的,并无止境的。

爱因斯坦打破了牛顿理论的传统,为我们提出了有关于时间和空间的一项新看法。

他认为每一物体都有三个空间,而且由于每件事物实际上是在移动及变化的,因此,这个世界实际上即存在于三度空间中——另外加上一个第四空间。爱因斯坦认为,时间就是这个所谓的第四空间。

从旧金山到纽约,以前,一辆篷车必须花上一年的时间走过河流、草原及高山,才能来到太平洋沿岸的荒凉垦殖区;但现在一架飞机不到十二个小时就可以完成这段旅程。

在爱因斯坦的宇宙中,不管是时间或空间,都不会以同一个固定的方式永远持续下去。它们两者将随着观察者的位置和速度作相对性的改变。

那么,爱因斯坦又如何说明时间的运行呢?

我们是根据地球本身自转的演进来计算日子,以地球环绕太阳的行程来计算年数。由于木星环绕太阳一周的时间比地球长,因此,木星上的一年比地球上的一年长了许多。

如果我们能克服一切不可能的因素,而以光速去旅行,那么将没有时间的存在——每件事情都可能立即发生。在我们接近不可思议的光速时,不仅我们的手表将慢下来,就是我们的脉搏也将变得缓慢,即使是在原子内部运转的电子也会越来越慢。如果我们的速度能超过光速,那么我们实际上将在时间上后退,这种情况就如同那首著名的五行滑稽诗中那个令人惊讶的女英雄——

有位年轻的女郎名叫光阴

她的速度更快于光

她有一天出发

在相对论的方法下

回到家时却是前天晚上

爱因斯坦在他有关相对论的第一篇论文中,又叙述了另一项十分重要的理论:一个物体的质量,须看这个物体移动的速度而决定。当物体移动得越来越快时,他的质量也就越来越大。没有人曾经测量过质量在这方面增加的情况,因为这种变化是极其微小的,无法以任何普通的速度来加以计算。因此,在1905年时,科学家们并不知道爱因斯坦的理论是正确还是错误。但是,在以后的几年当中,他们学会了如何测量微小的电子质量,同时也学会了如何加强电子的运转速度,使它们的速度能达到每秒14.97万千米,也就是光速的一半。到这时候,实验室中的科学家们方才发现,爱因斯坦的预测是正确的。

以前的人认为,物质和能量是完全不同的东西,物质是固体的,像是一块岩石;而能量是测定一个物体移动的速度有多快,或是它有什么功用。爱因斯坦则指出,物质和能量实际上有十分密切的关系。以一半光速运转的电子拥有相当惊人的能量,因为它移动得如此迅速,使它的质量大为增加,于是能量变成质量。

相反,物质也可以转变成能量,爱因斯坦实际上已能算出隐藏在任何一块物质中的能量。他那个著名的公式,也是我们在本书中所唯一要提到的一项公式是:E=mc2。分开来解释,它的意义如下:

E表示能量(每一物质的质粒中的能量)

m表示质量(或是物质的重量)

c表示光速

2表示数字自乘一次平方(例如,5的平方等于25)

因此,E=mc2的整个意思就是说,每个物质中的能量,等于物质的质量或重量乘以光速的平方。

光速是每秒30万千米,把这个数字自乘一次,你就可以知道从一小块物质中可以获得何等惊人的能量数字了。仅仅是一克的物质,如果能将它转变成能量,则其能量等于大约2500瓦的电力。

这项惊人的公式,科学家们把它应用在令人震惊的两项发明上。

第一是这个公式解释了太阳的秘密。太阳为什么能够连续发出光与热达几十亿年,而不会像一块煤炭般被烧成一团灰。以爱因斯坦学说为研究依据的科学家们,把这项公式应用在太阳内部的原子上。这些原子存在于几百万度的高温中。在这种情况下,部分原子仍不断地把它们的质量转变成能量。

第二项发明的结果震惊了全世界,而那时距在瑞士发表的第一篇有关相对论的论文,已有四十年之久了。科学家们更进一步地研究原子能的其他功用,他们学会了如何把铀原子转变成能量,并由此制造了原子弹。