爱因斯坦之前的物理学

一位记者曾经问过阿尔伯特·爱因斯坦这位自艾萨克·牛顿之后最伟大的科学天才，请他说一下自己的成功公式。这位伟大的思想者想了一下，回答道：“假设A是成功，那么成功的公式就是A=X+Y+Z，其中X是工作，Y是游乐。”

记者问：那Z代表什么呢？

“少说话，”爱因斯坦答道。 [1]

物理学家、王公贵族以及公众，觉得爱因斯坦最令人亲近之处是不论他在为世界和平呐喊还是在探索宇宙奥秘的时候，所表现出来的博爱、无私和睿智。

连孩童都喜欢凑到一起，去看普林斯顿大街上的这位物理学泰斗，而他则会摇动一下耳朵，算是对他们的好奇心的回报。爱因斯坦尤其喜欢和一个五岁的小男孩交谈。这个小男孩喜欢陪他一路走到普林斯顿研究所。一天，他们散步的时候爱因斯坦突然放声大笑。小男孩的妈妈问他跟爱因斯坦都说了些什么，小孩回答说：“我问爱因斯坦今天去厕所了吗。”孩子的妈妈很惶恐，但是爱因斯坦回答说：“有人问了我一个我能答得上来的问题，我很高兴。”

物理学家杰里米·伯恩斯坦（Jeremy Bernstein）曾说：“任何亲自和爱因斯坦接触过的人都会被他的崇高品格所打动。人们反复说他是多么多么的善良、博爱……这些都是他的人格里让我们亲近的地方。” [2]

不论是对乞丐、孩童，还是王室贵族，爱因斯坦都一样的慷慨与和善，而且对科学殿堂里的前辈，他也十分谦恭。科学家，和其他的富有创造力的个人一样，有可能非常嫉妒同行的才能，从而生发出许多鸡毛蒜皮的公案。但爱因斯坦从不讳忌谈论自己的思想是源自哪位物理学先贤，这其中包括艾萨克·牛顿、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）等。他把他们的肖像摆在自己书桌和墙上的显著位置。牛顿力学和麦克斯韦的电磁学构成了19和20世纪之交科学的两大支柱。最令人瞩目的是，几乎所有的物理学知识，都蕴含在这两大成就之中。

人们很容易忽略这一事实，即在牛顿之前，对于地球以及空间的物体为何会动，一直无人能解释。许多人相信人类的命运是精灵和魔鬼控制的。魔法、巫术、迷信等在欧洲最有学问的地方都是热门话题。我们现在心目中的这种科学那时尚不存在。

尤其是，在希腊哲学家和基督教神学家的作品里，他们将物体的运动归结为它们具有和人类一样的欲望和情感。亚里士多德的信徒则认为，运动物体之所以会停下来，是因为它们会“累”。他们还写道，物体之所以会掉到地面，是因为它们“渴望”和地面会合到一起。

而将秩序引进了这个神灵控制的混沌世界的人，从某种意义上说，和爱因斯坦的性格脾性是截然相反的。爱因斯坦从不吝惜时间，面对媒体记者也总是妙语连珠。牛顿则不同，他非常不合群，而且有偏执狂的倾向。他对别人总是充满怀疑，为了地位等问题总是和其他的科学家存有芥蒂。他的沉默寡言是出了名的。1689～1690年，他是英国议会的议员。他唯一一次面对全体议员说话是有一次他手中的稿子掉到了地上，他请引座员把窗户关上。据传记作家理查德·威斯特法（Richard S.Westfall）记述，牛顿是一个“苦闷的人，特别的神经质，甚至到了崩溃的边缘，尤其是中年阶段”。 [3]

不过论及科学，牛顿和爱因斯坦都是真正的大师，他们之间有许多相似之处。两个人都能连续几个星期甚至几个月沉浸在深度的思索中，直到身体快吃不消。两个人都能将宇宙的奥秘以简单的图形的方式加以想象思考。

1666年，牛顿23岁，他彻底驱逐了困扰亚里士多德学派的精灵，引入了一整套力学机制。牛顿提出了力学三定律，指出物体之所以移动，是因为受到了力，而且这些力可以测量，并能以简单的公式表达出来。牛顿不再把物体的运动看作是它们的欲望驱使的，而是能够计算出每一种物体的运动轨迹，从落叶，到腾空飞起的火箭、炮弹以及云朵等，办法是将其受力计算清楚。这不仅是一个纯学术的问题。它奠定了工业革命的基础，蒸汽机牵引着巨大的火车头和轮船，创造了新的帝国。现在人们可以充满自信地建造桥梁、大坝、摩天大楼等，因为我们可以计算出每一块砖，每一根梁的受力。牛顿的力学理论取得了巨大的成功，他还在世时就已经成了名人，著名诗人亚历山大·蒲柏曾写下：

自然和自然律深藏于黑暗，

神说，让牛顿来吧！于是就有了光。

牛顿还将自己的力学理论应用到宇宙本身，提出了新的引力理论。他热衷于跟人讲述当年蔓延欧洲的黑死病迫使剑桥大学关闭，他回到了位于林肯郡的家中这段经历。一天，他在自家院子里看见苹果从树上掉落下来，就给自己提出了这个重大的问题：既然苹果会落下来，那么月亮会不会掉下来？作用于地球上的苹果的重力，会不会也在引领着天体的运动？这可是异端的想法，因为宗教上认为天体就应该待在自己的位置，它们遵循的是完美的神圣的定律，这种定律是和控制人类的原罪、救赎等是相对应的。

一闪念间，牛顿意识到他可以将地球上和太空中的物理学统一成一体。将苹果拉向地面的力，应该是和牵引月球，使其沿轨道运行的力是同样的力。他一不留神撞在了对引力的新的认识上。他想象自己坐在山巅，向上扔石头。他意识到随着扔出的速度越来越快，石头就能越扔越远。然后，他作出了一个重大的跳跃：如果你扔得足够快，使石头永远落不下来会怎样？他意识到石头在引力的作用下，虽然不会落到地球上，但是会绕着地球运动，最终回到扔石头的人的位置，打在那人的后脑勺上。在他的想象中，他把石头换成了月球。月球也在不断向下落，但永远不会落到地球上，和石头一样，绕着地球做环行运动。月球不是像教会说的那样停留在天球上，而是在引力的作用下，像石头和苹果那样进行自由落体运动。这是对太阳系的运动的第一个解释。

20年后，即1682年，整个伦敦都被一颗耀眼的彗星搞得惴惴不安。牛顿用反射式望远镜（这也是他发明的）仔细观察了彗星的运动，发现其运动和自己的公式非常吻合，前提是只要它是在引力的作用下作自由落体运动。当时的一个业余天文学家埃德蒙·哈雷精确地预言该彗星（后来被命名为哈雷彗星）会回来，这是人类对于彗星的运行第一次作出预言。牛顿用来计算哈雷彗星和月球轨道的引力定律，和美国国家宇航局用来引导其空间探测飞船精确飞经天王星和海王星所使用的引力定律是一样的。

牛顿认为这些力是瞬间起作用的。比如，如果太阳突然之间消失了，牛顿认为地球会立即飞离自己的轨道，凝固在深邃的空间。整个宇宙中所有的人都会丝毫不差同时知道太阳消失了。因此，我们就有可能调整位于宇宙任何位置的钟表，使这些表都同步。地球上的一秒钟和火星上或木星上的一秒钟是一样长的。和时间一样，空间也是绝对的。地球上的尺子和火星或木星上的尺子的长度是一样的。在宇宙的任何位置，尺子的长度都不会变化。因此，秒和米等概念，不论我们旅行到太空的任何位置，都是一样的。这样一来，牛顿就将其物理概念建立在了绝对空间和绝对时间这一常识概念上。对牛顿来说，空间和时间构成了绝对的参考系，我们依此来判断所有物体的移动。例如，我们坐火车旅行的时候，会认为火车是运动的，地球是静止的。然而，如果我们盯着车窗外闪过的树木，就会认为火车也许是静止的，是树木运动经过窗口。由于车厢内的一切都好像是静止的，我们就会问，到底是什么在运动？火车还是树？对牛顿来说，绝对参考系可以帮我们确定答案到底是什么。

牛顿的定律在几乎两个世纪的时间里一直是物理学的基石。结果，到了19世纪末，随着新的发明，如电报、电灯等给欧洲的大城市带来了变革，对于电的研究带来了一套崭新的科学概念。为了解释电流和磁性等神秘的力，1860年就职于剑桥大学的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，抛开了牛顿力学，以全新的“场”的概念，创立了电磁学理论。爱因斯坦写道：场概念“是物理学自牛顿以来最深刻的成果”。 [4]

把铁屑撒在纸上，我们就能看见这些场。把一块磁体放在纸下面，铁屑会神奇地重新排列，变成像蜘蛛网一样的图案，从磁体的南北极伸展出线段。因此，磁体的周围存在磁场，它是肉眼看不见的一条条的力，能够穿过任何空间。

电流也会创造场。在科技馆里，儿童在触摸到静电球的时候头发直竖，这会令他们欢欣不已。头发就显示了静电球所发出的看不见的电场线。

不过，这些场和牛顿所说的力很不相同。牛顿认为力是瞬间作用于空间所有物体的，因此宇宙中某一地方出现扰动，整个宇宙会瞬间都感受到这一扰动。麦克斯韦的重大发现则表明磁场和电效应不像牛顿的力那样瞬间起作用的，而是需要时间来传播，而且传播速度恒定。他的传记作家马丁·戈德曼（Martin Goldman）写道：“磁力作用的时间这一想法……好像让麦克斯韦猛然意识到了什么。” [5]例如，麦克斯韦指出，如果有人晃动磁铁，附近的铁屑需要一定的时间才能重新排列。

想象一下在风中颤动的蜘蛛网。蜘蛛网一部分受风出现扰动，会带来一阵涟漪，传播到整个蜘蛛网。和力不同，场和蜘蛛网允许扰动以恒定的速度传播。麦克斯韦接下来计算磁力效应和电效应的速度。这是19世纪科学最伟大的突破之一。他正是利用这个想法来解答光的奥秘。

麦克斯韦通过迈克尔·法拉第和其他人早期的工作得知，运动的磁场可以产生电场，反之亦然。我们周围的发电机和电动机就是这一辩证关系的直接结果。（这一原则被用来给我们的家庭提供照明。例如，在水坝上，水流冲击水轮机，水轮机使磁体旋转。运动的磁场推动线圈里的电子，由此产生的电流顺着高压线路传导到我们家里的墙壁插座里。与此相似，使用电动真空吸尘器的时候，电流从墙壁插座里流出来，产生了磁场，驱动吸尘器里的扇页旋转。）

天才麦克斯韦就是要把这两种效应合到一起。既然磁场运动可以产生电场，而且反之亦然，那么这两者也许可以形成循环运动，电场和磁场相互转换，相互驱动。麦克斯韦立即意识到这一循环模式会创造出一连串移动的电场和磁场，同时都一起活跃，各自都通过永不停止的波动变成另一种形态。然后他计算了这种波的速度。

令他惊讶的是，他发现这种波的速度就是光速。而且，在有可能是19世纪最具划时代意义的一句话中，他宣称这种波就是光。接着，麦克斯韦向他的同事预言道：“我们很难避免得出这样的结论，即光是引起电磁现象的那种介质中的横向波动！” [6]科学家在对光的本质迷惑了上千年后，终于开始认识到其最深层的奥秘了。场和牛顿的力不同。牛顿力学中，力都是瞬间起作用的，而场则以恒定的速度传播：这速度就是光速。

麦克斯韦的研究工作以8个非常艰深的方程式表达了出来（称作“麦克斯韦方程”）。在过去的一个半世纪中，每个电学工程师和物理学家都要将其熟记于心。（现在，大家可以买到印有这8个方程式的T恤衫。在T恤衫上，方程式前面经常印有这么一句话：“起初神创造天地，神说……”，最后则是“……就有了光”。）

到了19世纪末，牛顿和麦克斯韦的物理发现都被实验完美地证明了，有些物理学家甚至预言，这两个科学的柱石，已经回答了宇宙间所有的基本问题。当马克斯·普朗克（量子理论的创始人）当年咨询自己的导师，自己当物理学家是否合适时，老师告诉他最好转行，因为物理学问题已经基本被穷尽了。老师告诉他已经没有什么真正新的东西可供发现了。19世纪伟大的物理学家凯尔文男爵也表达过这一想法。他宣称物理学基本上已经完成了，只剩下地平线上几朵小“云彩”还说不清楚。

但是牛顿学说剩下的疑团开始逐年变得显眼起来。像玛丽·居里分离出镭，发现了放射性就震动了科学界，并令世人瞩目。只要几盎司的这种稀有的发光物质，就能照亮整个房间。她还证明，好像有无穷无尽的能量从这种不为人们所知的原子内部发出来。这似乎完全违背了能量守恒定律。这一定律指出能量无法被创造，也不能被消灭。这些小小的“疑云”，很快就会催生出20世纪两个重大的变革：相对论和量子理论。

但是，看来最让物理学家坐立不安的，是不论他们如何努力，都难以将牛顿力学和麦克斯韦的理论结合起来。麦克斯韦的理论证实光是一种波，但这带来了另一个问题：什么是波？科学家知道，光可以在真空中传播（事实上发自遥远的恒星的光可以穿越外层空间的真空传播数百万光年），但是，由于真空的定义是“无”，这就带来了一个悖论：没有任何东西在波动！

牛顿学派的物理学家提出了“以太”的概念，说光波是在充满了整个宇宙的、人眼看不见的“以太”中震动进行传播的。这样，以太就成了一个绝对的参考系，一切物体的速度都参照它而测出。持怀疑论的人可能会说，由于地球绕太阳运行，太阳绕某个星系运行，因此就不可能判断到底是哪个物体在运动。牛顿学派的物理学家则认为太阳系相对于静态的以太是运动的，这样我们就能判断出到底是哪个物体在运动。

不过，渐渐的，以太开始带有了一些越来越神奇而怪异的属性。例如，物理学家知道，媒介的密度越高，波的传播速度越快。因此，声波在水中的传播速度比在空气中快。可是，由于光的传播速度极快（186000英里/秒，即每秒钟30万千米），这就意味着以太必须非常致密，光才能以这样的速度在其中传递。但这怎么可能？因为从另一方面考虑，以太还必须比空气还要轻。随着时间的推移，以太渐渐变成了一种神话般的物质：它必须是绝对静止、没有重量、肉眼观察不到、黏滞度为零，而与此同时，却又比钢更致密，同时任何仪器又测不到。到了1900年，牛顿学说的缺陷越来越难以自圆其说了。世界已经准备好了迎接一场变革，但是谁将引导这一变革呢？虽然其他的物理学家都很清楚以太理论的漏洞，但他们却因循着牛顿学说，力图通过修修补补来解决问题。爱因斯坦则无需顾虑失去任何东西，他可以直击问题的核心：牛顿力学和麦克斯韦的场论无法调和。科学的这两大柱石中的一个必须被推倒。当其中的一个柱石最终坍塌的时候，将把200多年来的物理学翻个个儿，并彻底改变我们观照宇宙和现实本身的方式。牛顿学说将被爱因斯坦设想的一个图景推倒，而这幅图景，即使是儿童也能理解。