爱因斯坦传-第8章
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在这一年，来比锡出版的《物理学纪事》杂志上发表了三篇论文，作者是同一个人——阿尔伯特·爱因斯坦。一篇是讨论布朗运动的，用最有力的证据证明了分子的存在，它的作者在物理学史上占有光荣的一页。一篇是发展普朗克的量子论，提出了光量子假设，它的作者将因此获得科学界的最高奖赏——诺贝尔奖金。第三篇就是《论动体的电动力学》。这是相对论的第一篇论文。它开创了物理学的新纪元，它的作者的名字是和牛顿并列的。
一个26岁的青年，伯尔尼专利局里默默无闻的小职员，利用业余时间进行科学研究，在物理学三个未知领域里，齐头并进，同时取得巨大成果，这在科学史上，不能不说是一个奇迹。也许只有1665—1666年可以和1905年相媲美。当时瘟疫席卷英国，剑桥大学被迫关闭，23岁的牛顿回到故乡乌尔索普村。他在乡居期间，发明了微积分，发现了白光的组成，并且开始研究引力问题。
天才，一个真正的天才！人们也只好这样解释。
爱因斯坦当然不这么看。
他对为他写传记的作家塞利希说：“我没有什么特别的才能，不过喜欢寻根刨底地追究问题罢了。”
他也对一位物理学界的同行说过：“空间时间是什么，别人在很小的时候就已经搞清楚了；我智力发育迟，长大了还没有搞清楚，于是一直在揣摩这个问题，结果也就比别人钻研得深一些。”
但不管怎么说，爱因斯坦是物理学史上当之无愧的革命者。牛顿继承哥白尼、伽俐略和开普勒，完成了物理学的第一次革命，创立了牛顿力学。法拉第、麦克斯韦完成了物理学的第二次革命，创立了电磁场理论。以爱因斯坦为代表的新一代物理学家，则进行了物理学的第三次革命，创立了相对论和量子力学。
从时间顺序看，爱因斯坦在1905年的创造性研究中，最早的研究工作是分子物理学。
爱因斯坦关于热运动的主要研究内容，是用统计方法分析原子、分子运动问题以及研究运动和热之间的关系问题。在这方面，爱因斯坦的工作超过了奥地利天才的物理学家玻尔兹曼和美国科学家吉布斯的研究成果，他在物理学方面的探索深度胜过数学的论证。同时，在玻尔兹曼的思想引导下，他把概率作为热学的数学演算基础。
所有这些问题，都是爱因斯坦单独研究出来的，以致有人曾对玻恩说过，“统计力学的所有具有重要特点的新发现”全是爱因斯坦搞出来的。这位年轻的研究家研究分子物理学的明确意图是想借助于可靠的结果，为他笃信的原子论的正确性提供论据，因为当时原子论还处在争论之中。
许多人否定分子和原子的存在。他们说：“存在原子吗？存在分子吗？多大？什么样子的？”
爱因斯坦相信世界是物质的。他相信原子和由原子组成的分子是存在的。但是，怎样才能用最有力的证据证明原子和分子存在呢？他开始研究分子运动论。在那些失业的日子里，他已经开始研究分子运动论。现在，坐在专利局的办公室里，他要来研究布朗运动了。1827年，英国植物学家布朗在显微镜下观察，发现在液滴中浸泡的花粉粒子不停地在作不规则运动。后来，以发现者的名字把这种粒子的乱动称之为布朗运动。粒子越小，液体温度越高，运动就越激烈。
几十年来，无数学者为解释这种现象的奥秘，作了种种徒劳的努力。早在爱因斯坦前20年，法国物理学家曾经猜测，布朗运动是由于悬浮粒子受到显微镜下观察不到的液体分子的不规则碰撞所造成。这种富于想象的解释，在当时不仅缺少数学基础，而且没有任何的实验证明。
在《分子热运动论所要求的平静液体中悬浮粒子的运动》一文中，爱因斯坦以统计方法论证了悬浮粒子的运动速度及其颗粒大小与液体的粘滞系数之间存在着可用实验检验的数量关系。
爱因斯坦对于以前布朗运动方面的工作并不了解，他把显微镜下可见粒子的运动看作是显微镜下看不到的液体分子运动的表征。他用统计方法，解释了在他之前波兰物理学家斯莫鲁科夫斯基论证过的这种现象，并且作出数学表述。1908年，法国物理学家佩兰通过实验完全证实了“布朗运动的爱因斯坦定律”。由于这项工作，佩兰荣获了1926年诺贝尔奖金。
爱因斯坦关于分子物理学的研究证明了下述观点是正确的，即热是能量的一种形式，它是由不规则的分子运动所引起。同时，还使原子论得到了充实，即从物理意义上说来，“物质”是由分子和原子构成。
根据爱因斯坦提出的测定分子体积方法，加上关于布朗运动的公式，能够数出分子的数目。过去，物理学一直依赖奥地利物理学家格施米德发明的近似方法，而现在可以根据爱因斯坦的理论，用精确的数学方法进行计算了。
爱因斯坦对于热运动的研究，除了对专业学科十分重要，还在认识论上具有重大意义。它说明，某些自然科学家否定和怀疑原子论是没有道理的，爱因斯坦对分子观念的证明是令人信服的，以至连马赫和另一位原子论的坚决反对者奥斯瓦尔德也声称“改信原子学说”了。关于这一点，爱因斯坦在《自述》中说得很清楚：“在那些年代里，我自己的兴趣主要不在于普朗克的成就所得出的个别结果，尽管这些结果可能非常重要。我的主要问题是：从那个辐射公式中，关于辐射的结构，以及更一般地说，关于物理学的电磁基础，能够得出什么样的普遍结论呢？在我深入讨论这个问题之前，我必须简要地提到关于布朗运动及有关课题（起伏现象）的一些研究，这些研究主要是以古典的分子力学为根据的。在不知道玻尔兹曼和吉布斯的已经发表而且事实上已经把问题彻底解决了的早期研究工作的情况下，我发展了统计力学，以及以此为基础的热力学的分子运动论。在这里，我的主要目的是要找到一些事实，尽可能地确证那些有确定的有限大小的原子的存在。这时我发现，按照原子论，一定会有一种可以观察到的悬浮微粒的运动，而我并不知道，关于这种‘布朗运动’的观察实际上早已是人所共知的了。最简单的推论是以如下的考虑为根据的。如果分子运动论原则上是正确的，那么那些可以看得见的粒子的悬浮液就一定也像分子溶液一样，具有一种能满足气体定律的渗透压。这种渗透压同分子的实际数量有关，亦即同一克当量中的分子个数有关。如果悬浮液的密度并不均匀，那么这种渗透压也会因此而在空间各处有所不同，从而引起一种趋向均匀的扩散运动，这种扩散运动可以从已知的粒子迁移率计算出来。但另一方面，这种扩散过程也可以看作是悬浮粒子因热骚动而引起的、原来不知其大小的无规则位移的结果。通过把这两种考虑所得出的扩散通量的数值等同起来，就可以定量地得到这种位移的统计定律，也就是布朗运动定律。这些考察同经验的一致，以及普朗克根据辐射定律（对于高温）对分子的真实大小的测定，使当时许多怀疑论者（奥斯瓦尔德、马赫）相信了原子的实在性。这些学者之所以厌恶原子论，无疑可以溯源于他们的实证论的哲学观点。这是一个有趣的例子，它表明即使是有勇敢精神和敏锐本能的学者，也可以因为哲学上的偏见而妨碍他们对事实作出正确解释。这种偏见——至今还没有灭绝——就在于相信毋须自由的概念构造，事实本身就能够而且应该为我们提供科学知识。这种误解之所以可能，只是因为人们不容易认识到，经过验证和长期使用而显得似乎同经验材料直接相联系的那些概念，共实都是自由选择出来的。”
爱因斯坦对于布朗运动的理论研究，成功地继承了过去分子物理学的工作，并使它获得完满结果。他在光学理论方面的研究工作是同已经取得的发现分不开的。不过，这一研究工作，一开始就具有革命性：它意味着科学发展史上的一次“飞跃”。
1905年，爱因斯坦的第一篇著作《有关光的产生和转化的一个试探性观点》问世了。在以后的几年中，他还发表了几篇有关量子物理学的论文。
在光的新理论中，爱因斯坦以普朗克1900年提出的假设为基础，认为在热辐射过程中能量的放出和吸收都是以不连续方式进行；能量的最小数值叫量子，它的数值取决于基本作用量h——“普朗克常数”。每次放出和吸收的辐射能都是这个数值的整数倍。
普朗克的这一发现与当时普遍认为正确的光的波动理论是不相容的。光的波动学说认为光是以波动状态连续传播的。19世纪初，这一学说战胜了牛顿的微粒说。后来，麦克斯韦和赫兹还在实验和理论上证实了这个学说。
普朗克希望通过分析热辐射，能够解开热学和电磁学之间联系的奥秘。他想通过自己的研究，将物理学中这两个领域彼此不相矛盾地统一起来。突然，他当时面临一个事实，发现某些辐射过程具有不连续量子的特性，这一点无法纳入经典物理学世界观中去。由于在学术上，普朗克的基本态度是保守的，因此普朗克坚持不懈地企图寻求某种方法和途径把他获得的认识与经典假设调和起来。不过，事实证明是行不通的。
爱因斯坦在思想方法上没有任何保守性，他很少顾及权威和因袭的教条，因而进一步发展了普朗克的思想，迈出了勇敢的第一步。他认识到，正确运用普朗克假设之后，光的学说便焕然一新：虽然光是在空间连续传播的一种波动现象，但光仅能集中于特定地点，产生物理作用。因此，光具有不连续的颗粒特性，它可以是一束光量子，即“光子”。
爱因斯坦用下面的比喻解释过光子假说和普朗克理论的相互关系：“如果啤酒总是装在可容一品脱的瓶子里出售，由此完全得不出啤酒是由等于一品脱的不可分割的部分所组成的结论。”
为了检验小桶里的啤酒是否由不可再分割的部分所组成，我们可以把小桶里的啤酒分别倒进一定数量的容器中，比方说十个容器中。我们用完全任意的方式将啤酒分份，听任偶然去确定每一个容器中倒进多少。我们测量一下在每一个容器中啤酒有多少，然后再把啤酒倒回小桶里。我们多次重复这种操作。如果啤酒不是由不可分割的部分所组成的，那么在每个容器中啤酒的平均分量和所有这些容器的平均分量将是同样的。如果啤酒是由不可分割的部分组成的，那么在各容器之间就会出现不同的啤酒的平均分量。设想一种极端的情况，小桶里只能容纳一份不可分割的啤酒。这时，整个一份啤酒每一次只能倒进一个容器，在这些容器里面所装的东西之间的区别就十分巨大了：一个容器中装了小桶里所有的啤酒，剩下的容器将空无一物。如果小桶是由两份、三份……这种不可再分割的份额组成的，那么偏离平均分量将越来越小。因此，按照偏离平均分量的大小，即按照起伏的大小，可以判断啤酒的不可分割的份额的大小。
我们转回来研究电磁波。让电磁波占满一个被限定的“桶”壁——由许多单个胞格所组成的某个空间容积。是否可以把这些波的能量分为随便多大数量的部分，或许我们将碰到不可进一步分割的“份额”？并且，如果辐射的电磁场是间断的，那么它的最小“份额”的大小又是怎样的呢？
测量一下胞格中能量的分量对于平均分量的偏离——这个分量在由一个胞格转到另一个胞格时的变化，就可以解答这些问题。如果最小“份额”大，那么这种变化就大；如果“份额”小，那么变化也小。
爱因斯坦的光量子学说，以最简炼的方式阐明了“光电效应”，这种效应的基础是光与电子之间进行能量交换。这样便解释了光束打到金属上时，能把电子从其表面拉出来。这些电子在脱离金属表面之后的动能，与光源的强度无关，而完全取决于其颜色，在紫外光的情况下，电子的动能最大。1886年，赫兹发现了这个现象，尽管许多物理学家对此作过进一步的深入研究，但是运用光的波动学说无论如何也解释不清。然而，借助爱因斯坦的光量子理论却可以把光电效应阐述得清楚。紫外光是由能量高的光子、亦即冲击力大的光粒子构成，而红光是由能量较低的光量子构成，所以紫外光打出的电子比红光打出的电子的动能要大。
10年之后，美国实验物理学家密立根的研究证明，爱因斯坦对于光电效应的解释是正确的。“康普顿效应”是以发现者的名字命名的一种散射现象，这是波长极短的x射线跟原子中结合得很松散的电子发生作用时产生的一种现象。1923年，这一效应证实了光子的实在性，给人的印象极为深刻，从此以后光量子学说成为现代物理学的当然组成部分。
爱因斯坦关于光的新理论，究竟超过他同时代自然科学家的思想境界有多远，这从1913年柏林第一流的物理学家们的评论中可以一目了然。当爱因斯坦被任命为柏林科学院院士时，他们在赞扬了他在科学上的多方面成就后，要大家特别重视他的光量子假说：“他在探索过程中，往往会超出预想目标，比如在光量子假说方面就是这样，因而对他作出评价不会太困难；在精密自然科学中，一次冒险也不作，便不会有真正的创新。”
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伊天才的假说“物质波”，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，证明了普朗克在热辐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。原来光既是微粒，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。
后来，爱因斯坦也时常感到遗憾，因为人们都认为他是“相对论之父”。他在“相对论争论”中曾经对荷兰朋友说过：“为什么总是在我的相对论上饶费口舌？我还干了其他有用的、或许是更好的事情嘛！”
确实，爱因斯坦如果不是相对论的创始人，他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他有关热运动、光量子理论和固体比热等问题的研究，对于自然科学的进一步发展有着极其重要意义。然而，相对论无疑是他最重要的成就。与他其他的研究工作相比，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。
1911年，劳厄撰写了第一篇关于相对论的专著。他在《物理学历史》一文中指出，自古至今的物理学问题，还没有比得上空间与时间概念对人们产生这样巨大的震动。这也说明，爱因斯坦为什么对这类问题的研究特别重视。后来出版了千百本各种书刊，有反对相对论的，也有赞同相对论的。1905年，爱因斯坦在《物理学年鉴》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。1905年，也还在这一杂志上，他以题为《物体的惯性同它所包含的能量有关吗？》一文又作了重要补充。这两篇论文都收集在1913年相对论重要的历史文献《相对论原理》一书中，与读者再次见了面。
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，光是一种称之为“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。”
于是，牛顿认为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永恒的绝对状态。
牛顿进而认为，也存在着“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，并且想象在宇宙中有一种“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”。
绝对时间和绝对空间是牛顿力学的根基。然而，牛顿的绝对时间和绝对空间有明显的毛病：既然绝对时间和绝对空间同任何外界事物没有关系，那么怎样才能知道它们存在呢？这个问题，牛顿没有办法回答。他只能说，绝对时间和绝对空间是上帝的创造。后来，康德又把绝对时间和绝对空间说成是先验的。先验的意思就是先于经验，人一生下来就有的。这样，牛顿和康德把绝对时间和绝对空间捧上了先验的王国，不许人对它们有怀疑。
不过，怀疑绝对时间和绝对空间的人还是有的。莱布尼兹就批判过绝对时间和绝对空间，但是没有把它们批倒。到19世纪，马赫又对牛顿的时空概念作了有力的批判，但还是没有批倒。这是因为要改变时间和空间的概念，客观条件还没有成熟。建立在绝对时间和绝对空间基础�
