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| 中外科学家发明家丛书：爱因斯坦 （四） | 发布于:2014/01/11 | |
| 光量子假说在学术上具有划时代的意义，是整个原子物理学进一步发展 的基础。不论是1913年玻尔提出的赫赫有名的原子模型，还是20年代初期 法国物理学家德布洛依天才的“物质波”假说，没有光量子假说都是难于设 想的。 爱因斯坦关于光的新理论，在哲学上从两个方面说来是重要的：其一， 证明普朗克在热辐射问题上发现的量子现象并非是辐射现象所特有，而在一 般物理过程中都有表现。这样，由于普朗克的发现而动摇了的旧的形而上学 观念，即大自然不作飞跃的观点彻底垮台了。其二，爱因斯坦的研究结果， 揭示了光的两重性。光既是微粒，又是波动。于是，光的辩证矛盾得以证实。 爱因斯坦的发现使惠更斯和牛顿彼此对立的光学理论统一起来，在更高一级 上成为天才的假说。它是自然界中辩证法的光辉范例。相对论无疑是爱因斯 坦最重要的成就。与他其它的研究工作相比，相对论对自然科学思想体系产 生了更深远的影响，它的作用远远超出哲学思想的范畴。它引起了一场最激 烈的争论。也正是它点燃了爱因斯坦誉满天下的火炬。 1905年，爱因斯坦在《物理学纪事》上发表了长达30页的论文《论动 体的电动力学》。这篇文章宣告了相对论的创生。 对于爱因斯坦在相对论中研究的问题，当时物理界的看法如何呢？ 19世纪，先是光学的机械理论居于统治地位。这种理论认为，光是一种 称为光以太或简称以太的弹性介质的波动。以太能穿透一切物体，而又不影 响物体的运动。但是，事实上，光学研究的新成果愈来愈难以符合机械以太 假说。于是，物理学家断言，可以把光看作是以太的一种特殊“状态”。这 种状态被看成是电磁力场，法拉第把它抽象地引进自然科学领域，而后又被 麦克斯韦用抽象得出奇的数学公式进行概括。 光以太学说与牛顿力学所引出的“绝对空间”理论紧密相连。牛顿认为： “绝对空间由于它的本性以及它同外界事物无关，它永远是同一的和不动 的。”被认为是不动的光以太仿佛就是“绝对空间”的化身。于是，可以把 以太看作是绝对参考体系，它决定了世界上一切运动的绝对状态。 牛顿进而认为，存在着“绝对时间”。他说：“绝对的、真正的数学时 间自身在流逝着，它的本性是均匀的。它的流逝同任何外界事物无关。” 这种观点认为，时间在均匀地流逝，并且想像在宇宙中有一种“标准钟”， 人们可以从放在任意地方的这种时钟上读出“绝对时间”。后来，牛顿又谈 到了“绝对运动”，这是由“绝对空间”和“绝对时间”联想到的。他给“绝 对运动”下的定义，亦即“物体从一绝对地点转移到另一绝对地点。” 200年来，对于牛顿的时空和运动的绝对学说，除了只有莱布尼茨提出 过怀疑，别无争议。没有一位物理学家认真思考过这个问题或是敢于提出疑 问。 第一个对牛顿学说进行批判的是马赫。他在1883年发表的《力学》一书 中，从整体上抨击了牛顿的绝对时空和绝对运动学说，并且试图推翻这个学 说。在批判牛顿的教条时，马赫遵循的基本原则是，在自然科学中不能被感 知的表象是没有意义的，也是没有依据的。要求只有观察到的量，才应纳入 自然科学的研究之中；要求物理学的基本原理不能乱用，这种要求对于年轻 的爱因斯坦创立相对论产生了启发作用。 此外，实验物理学也使人们对牛顿关于时空和运动的教条产生极大的怀 疑。地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳转动。我们的太阳系以每秒20公里的速度在宇宙中飞驰。最后是我们的银河系，它与其它遥远的银河 系相比，以相当高的速度不停地在运动。那么，要是光以太是静止存在于“绝 对空间”之中，并且天体穿过它运行，这种运动的结果对于光以太来说必然 是显著的，而且使用精密的光学仪器也一定能够验证“以太风”。 美国物理学家迈克尔逊做了第一个实验。他出生于波兰，1881年曾在柏 林和波斯坦作过赫尔姆霍兹的奖学金研究生。他的实验由于实验装置不够齐 全，结果说服力不够强。六年以后，迈克尔逊在美国使用亲自设计的高精度 镜式干涉仪，同默雷合作重复了他以前的实验。这台新式测试仪非常精确， 以致于仪器本身受“以太风”的影响都能清晰地显示出来。但是这次实验以 及以后的多次反复实验，都没有看到那种现象。证明光速完全是恒定的、与 光源和观察者的运动无关。“迈克尔逊实验”是物理学史上最著名的实验之 一，也是相对论的基本实验。爱因斯坦也十分钦佩迈克尔逊的实验技巧。 迈克尔逊实验得到的结果，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“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械收缩—— “洛仑兹收缩”，为的是用这种方法在机械世界观范畴内把迈克尔逊实验结 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。 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， 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 斯坦产生了取缔牛顿“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“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。以后，他曾写道，光以太原本只是物理学界的一个“幽灵”。爱因斯坦把独立的物理实体——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。尽管法国物理学家庞加莱在他之前就曾提过应 该抛弃以太假说，但是他没能把这种提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光以太 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，直到他晚年时还表示对光学现 象没有以太作载体不完全理解。 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“提升”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伟大的发现。 当时著名的理论家中，普朗克首先称赞爱因斯坦的《论动体的电动力学》一 文具有划时代意义。普朗克在一次演讲中讲道，爱因斯坦的时空观“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 实有不少著名的学者，在很长一段时间里，对爱因斯坦的学说抱怀疑态度， 其中尤其以物理实验家居多。 由狭义相对论得出的两个重要结论，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的 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略。 相反，在相对论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，对于人类的命运和未来都十分重要。 《论动体的电动力学》一文发表后不久，爱因斯坦在给他的朋友哈比希 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 同麦克斯韦的方程要求，就可以用质量直接度量物体所含的能量；光可以转 化成质量。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的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。 2 爱因斯坦定律的教学公式是举世闻名的：E=mC在今天几乎变为成语。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，欠缺的质量转化成能量，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 对固体的压力研究，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。 从爱因斯坦整个研究事业来看，他敢于思考，完全摆脱了学术权威们对 当时自然科学界思想的教条主义垄断和专横。 爱因斯坦从不隐讳自己的观点，他认为自然科学理论研究既艰难，又要 担风险，其结果也无法完全预料。在他看来，物理学是一种“认识的冒险”。 在一篇论述相对论研究中的文章里，他写道：“借助于已经获得的认识，显 然能看到幸运地达到的目标，这一点连聪明的大学生也能轻易地理解到。但 是，那种遐想连翩与怀着热切的奢望、信心与失望长年交织在一起的心情， 以及最后向真理冲刺时的感情，所有这一切，唯有设身处地的人才能体会 到。” 爱因斯坦发表的具有首创精神的著作，虽然也引起个别科学家的重视。 但是，要人们真正认识他的科学研究成就，还需要较长时间。 |
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