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爱因斯坦传-第8部分
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迈刻尔逊的实验得到的结果，是彻底否定了光以太的存在。一开始，人们还想使虚构的以太假说与光速恒定的事实一致起来，从而来“拯救”以太。1895年，荷兰物理学家洛仑兹假定，快速运动物体在运动方向上会产生机构收缩（“洛伦兹收缩”），为的是用这种方法在机械世界观范畴内把迈刻尔逊实验结果跟光以太和绝对空间捏合起来。这种设想尽管十分巧妙，毕竟是人为假想，不仅明显带有目的性假说的性质，而且从长远看来不会使理论物理学家满意。
迈刻尔逊的实验结果使理论物理学家陷入难以自拔的思维困境，又像是一个无法解开的死结，但它被年轻的爱因斯坦，以无畏的剑一下砍断了。
爱因斯坦在学生时代就已经从《自然科学通俗读本》深知光速的意义，从阿劳时期开始，一直在反复琢磨：倘若一个人以光速跟着光波跑，那将会看到什么结果呢？联想到麦克斯韦的电动力学和迈刻尔逊实验的否定结果以及马赫对牛顿力学基础的批判，正是在这个早先的理想实验中，相对论应运而生。在自传中，爱因斯坦这样记述着他的相对论的出发点：“这样，人们搞清楚了物理学中某一事件与空间坐标的时间值的意义。”
对时间值的分析成为相对论研究的直接起点。爱因斯坦一开始就研究了同时性的概念。他的研究结果归纳如下：倘若有一种速度无限大的传递信号，那么在科学上是十分重要的，据此可以建立起相距遥远地方的两个事件的绝对同时性。不过，由于作为最大信号速度的光速是有限的，并且对所有的观察者而言又都是一样的，因而“绝对同时”没有什么物理意义，也丧失了理论依据。
所有涉及到时间的判断，往往是关于同时事件的判断。因而，同时概念的相对性导致时间概念的相对性，这是逻辑的必然。绝对同时不存在了，那么也不会再有绝对的、对所有参考系全都适用的相同时间。从而，每一参考系都有它自身的时间，即它的“参考系时间”。正如爱因斯坦后来发现的那样，整个问题的关键在于虚空的空间中光速是恒定的。假使承认这一恒定性（这点已被迈刻尔逊实验所证实），时间相对性就是不可避免的。
爱因斯坦的时间学说是崭新的，在他以前还没有一位物理学家或哲学家这样彻底地研究过同时性，并且得出这样深刻的结论。马赫要求，把物理学中无法由经验验证的荒唐的因素全部加以取缔。马赫的这一要求，导致爱因斯坦取缔牛顿“绝对时间”概念的想法。
由于时间和运动是彼此密切相连的，像马克思就说过，时间是“运动在量值方面的表现”。所以时间概念的相对论化，使“绝对运动”概念也失去了立足之地。一个物体或一参考系的运动，只有在与另一物体或参考系相比较而存在，并在其对比中数值也是适宜的。不存在什么“绝对运动”。爱因斯坦的“狭义相对论”认为，在相互作直线——非加速运动的所有参考系中，自然规律是同样有效。在它们之间，时间和空间值可以用“洛仑兹变换”这一特别的等式进行换算。1905年，爱因斯坦提出了相对论，他把作为光波载体的以太，从物理学世界中清除出去了。爱因斯坦认为，光以太原本只是物理学界的一个“幽灵”，他把独立的物理实体——电磁场请出来，坐在以太的位置上，这也是崭新的、勇敢的行动。尽管法国物理学家彭加勒在他之前就曾提过应该抛弃以太假说，但是他没能把这种动议变成新的自然观的基底。
“无以太物理学”乃是爱因斯坦思想的成果。
爱因斯坦在光的学说中引起的革命性进展，这种物理学中不存在以太的观点，即使当时著名的物理学家也长时间接受不了。就连洛仑兹，这位在狭义相对论酝酿阶段起过重要作用的科学家，直到1928年，还表示对光学现象没有以太作载体不完全理解。
如今，先以太假说也像燃素学说中所谓在燃烧过程中从物质里跑掉、名曰“火气”的东西一样，已经成为科学的史迹。它又像其他的科学假说那样，在特定的时期内为研究工作服务，一旦完成使命，即被送进科学谬误博物馆里去了。
抛弃光以太假说是一桩天才的破坏之作。在爱因斯坦取得的成就中，首先的建设工作是引进一个定律，即用C表示恒定的真空光速，把它纳入各种自然常数之列，运用到物理学的基本规律中去。
爱因斯坦首次发现，光速在力学和光学中同等重要。在那儿，光速仿佛是一切过程不可达到的最高临界速度，无论怎样把力施加上去，把能量传送上去，怎么也不可能达到或超越光速，无论给初速度附加多少速度，也是徒劳。根据光速恒定这一事实，引出了相对论的两个著名的“佯谬”，引起人们的广泛重视，也是多少年来激烈争论的焦点所在。陷于因袭的形而上学机械观中不能自拔的那些物理学家、哲学家，都曾经坚决反对过或者无情地嘲讽过相对论的这些“荒诞无稽”的结论。即使那些想沿着爱因斯坦所开辟的崭新道路共同前进的人们当中，也有一部分在相对论上难于跟上爱因斯坦的脚步。
其中一个“佯谬”便是快速运动着的一把尺子，它跟静止状态相比，在运动方向上长度缩短了。这个问题是从迈刻尔逊实验结果提出来的，后来形成了洛仑兹的机械收缩假说。爱因斯坦认为，这种收缩可以用两个参考系之间存在着的相对速度来解释。
另一个“佯谬”是在快速运动的参考系中的钟，与静止参考系中的钟相比，它走得慢了。这涉及到“时间膨胀”，也叫做时间延伸或时间失真。根据这一佯谬会得出诸如这样的结果：一个乘高速宇宙飞船长时期在太空遨游的人，当他返回地球地面时，与一直留在地球上的他的孪生兄弟相比，他应该年轻得多。这是因为宇宙飞行员的生物钟以及他的一切生理过程，比留在地球上的人要慢得多。但要想使生物钟佯谬和孪生兄弟佯谬产生的效应显现出来的话，宇宙飞船的速度一定要十分接近光速；可是这一条件与现实宇宙飞行的条件相距甚远。
只要相对时间膨胀得不到实验证明，激烈的争论就不可能中断。不过在30年代末，从激发氢原子的实验中，无可置疑地证实了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。由于宇宙线粒子的速度特别大，这一效应的数值也较大。
1905年，爱因斯坦的狭义相对论宣判了机械自然观的死刑，这是自然科学史上的一次大变革，也是辩证法在物理学基础中的胜利。它把牛顿经典运动定律中所说的那种关于时间和运动的形而上学的机械观点提高到辩证法的高度。牛顿定律是速度远远小于光速的极限定律。牛顿的形而上学观点方法，尽管是当时所公认的定律，但是由于物理学的发展，碰到了无法逾越的鸿沟。爱因斯坦运用辩证思维的冲击力量摧毁这些障碍，并为物理学的进一步发展开辟了道路。在爱因斯坦以前，虽然有其他一些研究家确实已经采用形式数学的方法解决了运动物体的电动力学问题，然而爱因斯坦的功绩仍是不可低估的。
只有个别物理学家能够当即把爱因斯坦的理论看作是一个天才的发现。当时著名的理论家中，普朗克首先称赞爱因斯坦的《论动体电动力学》一文具有划时代的意义。普朗克在一次演讲中说：爱因斯坦时空观的“勇敢精神的确超乎自然科学研究和哲学认识论上至今所取得的一切大胆成果”。确实有不少著名的专家，在很长一段时间里，对爱因斯坦的学说抱怀疑态度，其中尤以实验研究家居多。
有意思的是，曾在联邦工业大学任教做过爱因斯坦老师的数学家明可夫斯基，却是相对论的热烈拥护者。当年爱因斯坦经常逃课，明可夫斯基骂他“懒胚”。“懒胚”学生不去上老师的课，老师现在却热心学起学生的论文来。明可夫斯基把自己的助教和学生叫来，他花了好几个小时，给他们讲相对论。他说，真没有想到，爱因斯坦这个小伙子能写出这样深刻的论文。教授顺便也提到了自己的想法。他的想法同样是非常深刻的。那是一种真知灼见，是一种美妙的数学方法。经过明可夫斯基的数学处理，狭义相对论的形式更完美了，而且指明了广义相对论的道路。
明可夫斯基的论文在1907年发表。第二年夏天，在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第80届年会上，他做了一个著名的报告，宣传相对论的思想，题目是“空间和时间”，他说了一段著名的话：“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实存在的只有空间和时间的统一体。”
明可夫斯基的报告引起了巨大反响。可惜3个多月后，疾病就夺去了他年仅44岁的生命。去世前，他万分遗憾地说：“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”
由狭义相对论可得出两个重要结论，涉及质量和运动、质量和能量的相互关系。显然，目的就是阐述这些问题的辩证关系。爱因斯坦对这些问题的解决，其意义远远超出狭窄的学术专业范围。
在爱因斯坦之前，惯性质量，即物体对运动的惯性阻抗被认为是一个不可改变的量。这符合牛顿形而上学的机械自然观。1895年，奥斯瓦尔德在吕贝克自然科学家大会的报告中还提出质量不变的经典观点。时过不久，1901年实验物理学家在进行高速运动电子的实验时，发现电子的质量随着速度增加而变大。爱因斯坦在他的相对论中也论证了这一事实。
只要是运动物体的速度远低于光速，由于运动所引起的质量增加就不明显。因为在经典力学中，物体很大而运动速度很小，质量的增加往往被忽视。相反，在相对力学中，质量的增加起着重要作用。在其后的时期中，原子物理学家们在大型实验设备上，加速了基本粒子。这些实践证明爱因斯坦的学说是正确的。
第二个结论的重要意义更为深远，其影响大大超出力学和物理学的范围，对于世界各国人民的命运和人类的未来都十分重要。
《论动体电动力学》一文发表后不久，爱因斯坦就在给哈比希特的信中写道：“我还在琢磨有关电动力学研究的结论。根据相对论原理连同麦克斯韦方程的要求，就可以用质量直接度量物体所含的能量；光可以转化为质量。铀元素中必然会产生质量显著减少的现象。这个想法既有趣又富于吸引力。但是我还无法知晓，上帝是对它感到高兴呢；还是在故意捉弄我？”
这个“既有趣又富于吸引力”的想法，被爱因斯坦写进前面提过的有关物体惯性同它所含能量的关系的论文里。这篇仅三页的论文是世界自然科学史上最精悍而又成果辉煌的著作。它奠定了质量与能量“等价”原理的基础。
爱因斯坦定律的数学公式是举世闻名的：E＝MC2在今天几乎变成成语。它表明能量（E）的转换与相应的质量（m）的转换分不开；而光速（c）的平方是比例系数，表示质量可以转换为能量。这样所谓“质量亏损”也被解释清楚了。在力学、化学、热学和电学过程中，质量亏损太小，一直未被发现。但在原子物理学中它却十分重要，因为原子核的各种组元的质量总是大于由这些组元构成的原子核的质量。有人认为，欠缺的质量转换为能量，这就是将核组元拉在一起所需的“结合能”。原子力是转换成能量的质量，在人工核反应中，这种巨大的能量便被释放出来。
爱因斯坦关于质量和能量等价性的发现，简化了物理守恒定律的内容。长期以来，彼此分立的质量守恒和能量守恒定律，现在可以合并为一条定律：对于一个闭合物质系来说，质量和能量的总合在所有过程中不变。
所有这些发现的时机的确已经成熟了，无须再要什么重要准备，也无须再获取什么局部成果。在已有的准备工作和成果中，有俄国列别捷夫有关光对固定的压力研究，还有奥地利物理学家哈瑟诺尔的重要探索。然而，爱因斯坦迈出的这一步对这方面的研究则具有决定性作用。
四 苏黎世—布拉格—苏黎世
★ “俄国佬”教授
1908年10月之后不久，爱因斯坦的学术生涯就开始了。
在此前两年，已在物理学界崭露头角的爱因斯坦仍生活在平凡的圈子里。
每天上午9时准时到达专利局，那不得不捱过去的8小时是全家人的经济来源。下班以后，他还得听妻子愈来愈频繁的絮叨和抱怨，生煤炉，或带着儿子到阿勒河的河滨散步。河水静静地流去，日子单调得令人发狂。已一头撞开物理学新纪元大门的爱因斯坦，面对无法改变的生活现实，也一筹莫展。
在相对论几篇论文发表后的日子里，爱因斯坦曾在给索洛文的信中发过这样的牢骚：“……我快到不能动弹、无所建树，似乎到了只能对年轻人的革命精神发发牢骚的年纪了。”
上帝太不公平了！
不过好事也还是有的。
1906年4月1日，爱因斯坦在专利局干了19个月后，终于升了一级，成了联邦专利局的二级技术员，工资也涨到每年4500法郎。哈勒局长相当不错，他按自己的职业眼光欣赏着爱因斯坦的能力，并在给上司的报告中，极力表扬爱因斯坦克尽职守，成绩优异，并说他工作之余坚持学习，获得了博士学位。
可惜，哈勒先生不懂相对论，他以为博士头衔远远胜过爱因斯坦发表的有关物理学的文章。所以，在给上司的报告中，他对这些文章只字未提。
对于爱因斯坦来说，博士、晋级、工资除了养家糊口之外，实在没有任何意义，他只需要一个可以全身心研究相对论的环境。
当然，也有认识爱因斯坦价值的人！
物理学领域中读懂了相对论的人，都在探听《物理学纪事》上的爱因斯坦究竟是何人？又处在何方？
听说爱因斯坦在伯尔尼。寻找爱因斯坦的人很自然就犯下一个可以理解的错误：爱因斯坦，这位相对论的创立者一定是伯尔尼大学的教授。
劳厄，这个后来也获得诺贝尔奖的物理学家，当时还很年轻，正在做普朗克的助手。刚到柏林大学，普朗克就讲了相对论，他没听懂，却知道了相对论的重要意义。他打定主意，一放假就去伯尔尼大学向“爱因斯坦教授”求教。
伯尔尼大学没有爱因斯坦教授，伯尔尼专利局里倒有一位爱因斯坦公务员，劳厄愣了。
赶到专利局，劳厄一头撞上一个年轻人，在走廊里来回踱步：一件格子衬衫，领子半竖半躺，头发乱得像团草，一撇不加修饰的小黑胡子随意地卧在上唇边。
专利局的走廊上空荡荡的。劳厄只好拉住眼前这位梦游般的先生。
“爱因斯坦博士在哪里办公？”劳厄问。
梦游人半天才领悟这句话的含义，大眼睛里泛出柔和的歉意。
“对不起，在下正是。”
劳厄惊讶了，但很快就笑了。相对论的创立者应该是这样的人。
几分钟后，一对同龄人在一家小餐馆的桌旁坐了下来，开始了他们的终身友谊。
劳布到伯尔尼拜会爱因斯坦的场面更有趣。当时，爱因斯坦正跪在地上生煤炉，听说劳布请教物理学问题，他摊开两只乌黑的手，天生的幽默感又来了：“你看，我和人谈辐射，可是这个倒霉炉子，就怎么也辐射不出热来。”
伯尔尼对物理学家们产生了吸引力。连普朗克教授也打算到伯尔尼来。1907年7月6日，他写信给爱因斯坦：“明年我可能到瑞士度假。虽然还很遥远，可是想到能和你会面，心里很高兴。”
此时，上帝也睁开了眼睛。
一个百年难遇的天才难道就让他这一辈子当个平凡的公务员吗？
1907年，苏黎世联邦工业大学的克莱纳教授写信给爱因斯坦，建议他向伯尔尼大学申请“编外讲师”的职位，然后再申请苏黎世联邦工业大学的教授职位。因为按当时的规定，先要当一段时间没有薪水的“编外讲师”，才能被任命为教授。
所谓编外讲师不是教师职位，大学或其他任何官方机关不发给薪金。成为编外讲师只是说有资格在受聘的大学里讲课。唯一的报酬是每门课程听课的人所付的极少的听课费。那时常有人说，只有本身富有的人或者与富人联姻的人，才可以考虑以大学任教为职业。这两者爱因斯坦都不具备，也许这就是他虽然早就想谋求这种职位而又未积极行动的原因吧。
不过，到了1907年，他终于决定，在专利局工作的同时，提出到大学任教的申请。6月17日，他寄了一封信给伯尔尼州当局，内附他的博士论文以及已经发表的17篇论文的副本、所学的全部课程简介。讨论这件事时，有几位教师发言表示赞同，但是实验物理学教授表示反对。不知什么原因，爱因斯坦忘记按照要求，随申请一道寄去一篇授课资格的文章，即还不曾发表过的科学文章。爱因斯坦的申请被否决了，整个事也就耽搁下来。一向豁达的爱因斯坦不知怎么突然急了，在大学吃了闭门羹后，竟又为中学教师的职务奔波了。
他给温德都尔技术学校写信，给州立苏黎世中学写信。当时在瑞士、法国等欧洲国家，中学教师社会地位比较高，也称为“教授”。爱因斯坦大概想以中学为跳板，冲进大学里去。不懂世故的爱因斯坦接二连三地写信请教格罗斯曼和劳布，问他们求职的人应不应该上门拜访校长呢？是不是应该当面向校长陈述自己的教书才能和优良品格呢？
1908年1月，在给格罗斯曼的信中说：“我可不可以到您那儿去，口头说明我作为教师和公民的值得称赞的人格？或许我不会给人以坏印象吧？我如果在那种情况下吹捧自己的科学论文有意义吗？”
或许他再也没有申请，或许他又遭到拒绝，反正到中学求职的事又不了了之。
忽然，在1908年2月28日，爱因斯坦收到一封信，通知他的申请被伯尔尼大学接受了，并授与他教课的权利。
爱因斯坦终于成了学术界的一员。
专利局的工作迫使爱因斯坦只能在零星时间里讲课。
1908年夏季学期，每星期六和每星期二的上午7点到8点，他给三位朋友，包括贝索在内，讲热运动论。第二次也是最后一次课程是在1908—1909年的冬季学期。每星期三晚上从6点到7点向四位听者讲课。
当时，爱因斯坦的妹妹玛雅正好来伯尔尼写学位论文，她想看看哥哥是怎样上课的。她鼓足勇气跑去问看门人：“爱因斯坦博士在哪个教室上课？”
看门人把这位衣着整洁的女士上上下下打量了一番，问她是博士的什么人。她说是妹妹。看门人“哟”了一声，说：“原来那个俄国人就是你哥哥呀！他们一共只有五个人，在三楼。”
那位看门人之所以把爱因斯坦叫做俄国人，是因为犹太人穷的多，东方来的犹太人尤其穷，俄国是最东方了，所以他看到爱因斯坦永远是一套臃肿的、说不清什么颜色的旧格子衣服，就断定他是俄国佬。
上课的人数，看门人还说多了，其实只四个人：讲师先生、两个20岁上下的大学生、加上满脸大胡子的贝索。他们都骑在课桌上，嘴里叼着烟斗、雪茄，比手划脚，你一言我一语，争论得热火朝天。这是玛雅从三楼那间小教室的门缝里亲眼看到的情景。
有一次，克莱纳教授也到伯尔尼来看看自己推荐的人是怎样上课的。他出其不意地出现在教室里，讲师先生当然只好回到黑板跟前去了。他出神地站在那里，沉默了好久。他拿起黑板擦，擦掉黑板上的一行公式，又写下一行公式。爱因斯坦对他仅有的几个听众说，中间的几步运算不写了，因为很抱歉，这两天正在想一个有趣的问题，所以把这几步忘了，大家回去可以自己推导一下，结论肯定是不会出错的。
克莱纳惊呆了，虽然他早知道爱因斯坦与众不同的个性。但这毕竟与学府风范相去太远了，他不得不告诫爱因斯坦：第一，要注意高等学府的礼仪；第二，要注意讲课的条理性和系统性；第三，……
…………
爱因斯坦那双棕色眼睛里全是困惑，他不谨。克莱纳摆摆手，说：“算了，回家吧！”
克莱纳深知以常规来衡量爱因斯坦是行不通的，天才的个性总是难以理解的。
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