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新宇宙一 爱因斯坦和相对论（第1页）

新宇宙（一）：爱因斯坦和相对论

和新原子物理学一样激动人心的是，由于我们对时间、空间和宇宙的本性有了更为细致的认识，物理学的世界正在不断向更宽广、更深远的方向发展。第二次科学革命的这一领域是由于爱因斯坦的伟大工作，他是一位卓越和富有创造力的理论家和唯一堪与牛顿相媲美的思想家。但是要讲清楚这一内容，我们需要回到麦克斯韦以及他对光的见解。

麦克斯韦引进了革命性的方程组，从而验证了电磁场的存在，并且确定了磁、电和光都是同一领域——电磁领域的一部分。他坚持说，光是一种波，而不是粒子，他认为光是通过所谓的“以太”（ether），一种看不见的媒质传播的。根据他的理论，这种媒质充满所有空间。但是一些物理学家开始看出了这里面的问题——问题不是出在麦克斯韦的电磁场方程，而是有关以太的思想上。

以太问题

麦克斯韦并不是第一位想到，有某种看不见的叫做以太的媒质必定充满茫茫太空，“从星星到星星连续不断”。这种思想可以追溯到古希腊时代。麦克斯韦在1873年的一次演讲中说道：“毋庸置疑，行星间和恒星间的太空不是一片虚无，而是被一种物体或实体占据，它肯定是我们所知的物体中最大的，也许是最均匀的。”

以太的思想看来是必需的，因为，如果光是一种波，就意味着它必须在某种媒质中才能传播。但是，仅仅靠“意味着”，并不是好的科学方法——如果以太存在，应该能够找到证据来证明它的存在。

美国物理学家迈克耳孙想到了一个办法。如果充满宇宙的以太是静止的，那么地球在以太中运动时，在地球上看来，以太就像“风”一样，迎面吹来。因此，顺着以太风一起运动的光束会被以太风带着走，而逆着以太风的光束应该走得更慢。迈克耳孙1881年在德国随亥姆霍兹一起研究时，建造了一种叫做干涉仪的仪器，可以把光束一分为二，它们相互垂直运行，随后又重新汇合，通过这一方式，就有可能以极高的精确度测量光线在顺着以太风和逆着以太风时的差异。

迈克耳孙完成了这一实验，但结果却让他困惑——一光束分成两半后的速率并没有差别。他的结论是：“静止以太假说的结果被证明是不正确的，由此得出的必然结论是，这一假说是错的。”

但是，也许他的结果是错的。于是，在1887年，他和莫雷一起，在美国俄亥俄州的克利夫兰做了一个试验。他们运用改进后的设备，针对每一个可以想象的环节都采取了措施以避免误差。应该说，这一回肯定能够成功地检测到以太了吧。可是，实验再次以失败告终。

结果，迈克耳孙一莫雷实验成为科学史上最有名的失败实验。他们的出发点是研究以太，可结论却是以太并不存在。但如果这是对的，光怎么可能在缺乏媒介的情况下以“波”的形式传播呢?实验还表明，光的速度是常数。

这是一个完全出乎预料的结论。但实验极为谨慎，结论不容反驳。当时物理学界元老之一的开尔文勋爵在1900年皇家学会的演讲中讲到，迈克耳孙和莫雷实验“以高度的细致严谨从而确保结果的值得信赖”，却是“针对光的机制投下了一朵乌云”。

这一结论使各地的物理学家感到困惑。以太存在的想法是错的——但是，如果真是这样，那么，光作为一种波，没有供其运行的媒质它又怎么能够传播呢?

再有，迈克耳孙一莫雷的结果看来使得牛顿的相对性原理也成了问题，这一原理已有200年之久，且已得到满意的验证：物体的速度可以不同，这取决于观察者的参照系。假如有两辆车沿高速公路行驶（1887年没有很多的车或高速公路，但你可以借用这一概念），一辆车每小时55千米，另一辆车每小时54千米。在慢车司机看来，快车的速率只不过是每小时1千米。但为什么光速却不是这样?

迈克耳孙-莫雷实验恰恰证明：光速总是常数——不管以什么作为参照系。如果宇航员的太空船正以每秒299000千米的速率航行，旁边有一束光（光速为每秒300000千米），他看到的光不会是每秒1000千米，而是恒定的每秒300000千米。光速是一个普适的绝对值（当然，没有任何太空船能够接近这一速率）。

迈克耳孙和莫雷揭示了科学作家所谓的“自然界深奥之谜”。然而，不出5年，有史以来最伟大的科学家之一，正是抓住光速不变的思想，开始用他的狭义相对论理出了头绪。

且慢，还有另一场革命也正在酝酿之中。

量子奥秘

普朗克不像是那种发动革命的人。他是一位瘦高个子，安静而又不失威严——有人说他“乏味和书生气十足”——不管是在物理学还是在生活中，他都忠于传统和权威。

普朗克1858年出生在德国的基尔，后来随家迁到慕尼黑。父亲是一位民法教授。他不是一个早慧的孩子，9岁开始受教育。他的童年生活乏善可陈，大学生活也差不多。但他在柏林大学学习物理学时，授课老师中有这样一些受人尊敬的德国科学家：亥姆霍兹、克劳修斯、基尔霍夫。他应付学业完全没有问题，但也看不出有什么特长。他做博士论文选的是热力学，因为他赞赏克劳修斯在这个领域里的工作，但是他的论文反响平平。所有迹象表明，他追求的就是一种波澜不惊的生涯。即使在1889年担任了柏林大学教授职务之后，他依然循规蹈矩。确实，他选择热力学作为自己的专业看来很难有重大突破。实际上，当他最初步入科学生涯时，他的教授中有一位就警告过他不要从事物理学，因为这个领域已经到头了，所有伟大的工作已经完成，给新物理学家留下的，只不过是清理少数次要细节的烦琐事务而已。

非常巧合，在热力学领域的“次要细节”里有一项是所谓的“紫外灾难”，这个名称如此醒目，足以引起人们关注。它源于黑体辐射现象所引出的问题。

物理学意义上的黑体，就是能够吸收所有频率的光而决不出现丝毫的反射现象。理论上，由于黑体吸收所有的频率，当它被加热时也应该辐射所有的频率。问题就在这里。物理学家预料高端的频率数应比低端的频率数要大得多——因为高频率具有更短的波长，因而可以更多地充斥于黑体中。所以，黑体辐射问题就是，如果一个物体同等地辐射所有频率，高频范围内的辐射数将大大超过低频范围内的辐射数。这样一来，几乎所有的辐射都应当属于高频，也就是说，处于光谱的紫外端。

但情况却不是如此。在19世纪90年代没有人能够用物理理论解释为什么会是这样，尽管肯定有个别人做过这样的尝试。

正如物理学家西格雷1980年在他的《从X射线到夸克》（FromX-RaystoQuarks）一书中所写的：“普朗克对基本而普遍的问题之钟情，驱使他研究黑体问题，这个问题与原子模型或者其他特定假设没有牵连。他钟情于绝对，黑体就是这样的问题。”

普朗克也许一直都是保守人士，也许还很古板，但是他追求精益求精，即使他从不奢望做大事情。他小时放弃学习钢琴，是因为他认为他不能成为大钢琴家，只能成为好钢琴家。黑体问题对他有吸引力，是因为他有把握——零件都在那里，哪怕它们散乱如麻。他所要做的就是把它们放在桌面上，进行归类、按正确的方法使它们井然有序。没有人做过这件事，但是他肯定自己能胜任——于是这一份小小的荣誉也许非他莫属。

他用了6年多时间终于找到答案，这个答案的发现，使物理学再也不同于从前。因为，在平静地解决黑体辐射之谜后，普朗克发现了一条关键的原则，一旦其他科学家验证了这一原则，我们对世界的认识就永远地改变了。

正如一位科学史家说的：“普朗克好比是这样一个人，在火尚未发现之前，他要找到最好的方式来钻孔，经年累月，甚至数十年，在他能找到的各种材料上，以各种能够想象的方式钻孔。就在这一过程中，偶然地发现了火。”

1900年，普朗克在直觉的基础上建立了一个简单方程，可以精确描述整个频率带的辐射分布。他的基本假定是这样的：如果能量不是无限可分，情况会怎样?如果能量也像物质一样，可以以粒子或者波包的形式存在，或者就存在于他所谓的“量子”里（quantum，这个词原来是拉丁文，意思是“有多少”）。

普朗克还发现，这些量子的大小与辐射频率成正比。因此，低频的辐射很容易发生——它只需要小的能量波包或者能量子。但是，要达到两倍高的频率，辐射也许就需要两倍的能量。

换句话说，根据普朗克的思想，能量只能以整量子的形式发射，物体在低频下辐射比较容易——不需要太多能量就能组成一个能量子。但是在高频下，要把相当于一个量子的能量集中于一起并不那么容易。在光谱高频端辐射所需的能量子是如此之大以致它极不容易发生。所以，黑体并不等同地辐射所有的频率——这就是所谓“紫外灾难”的关键所在。