自然科學類
原子時代的教父
——愛因斯坦及其「相對論」
物理學家巴奈德(Lincoln Barnett)對於這條公式讚頌備至,他的話常常被人引述。據他說——
「相對論是由其作者藉數學的語言表達出來的。當然有很多人想用日常的口語來翻譯它。這正如有人要用薩克斯風(Saxophone,一種菸斗狀的喇叭)來演奏貝多芬的第五交響樂一樣的行不通。」
第一位是歐易塞爾(Paul Oehser),他寫道——
愛因斯坦一九〇五年的理論即「相對性的特殊理論」(Special Theory of Relativity),因為其結論僅限於直線的一般運動,不涉及其他種類的運動。然而在宇宙間有許多物體的運動,尤其如星辰天體的運動,都不是循直線進行的。一種理論僅能解說直線的運動,而不能將一切運動都概括在內,自然不能算完全的理論。因此,愛因斯坦的次一步驟,便是將他的理論普遍應用,使其能概括宇宙間所有的運動。為要達成這個目標,他又費了十年的辛苦鑽研。他研究了規範各種星辰、流星、銀河以及圍繞宇宙飛行的各種物體運動的神秘力量。
愛因斯坦的理論與牛頓的學說不同;他認為並沒有所謂「絕對運動」那回事。一個物體在空中發生絕對運動的觀念是毫無意義的。任何一個物體的運動都與另外的物體有相對的關係。運動是一切物體的自然狀態。所以,在地球上乃至在整個宇宙之中,沒有任何東西是絕對靜止的。在我們的宇宙之中,由最細小精緻的原子,到渺無際涯的天體銀河,都在不停地運動。譬如說,地球繞日而行,速度是每秒鐘二十哩。在一個一切常動,沒有任何一個點是永恆不變的宇宙之中,耍想去衡量速度、長度、面積、體積和時間,都沒有一個既定的標準,所以唯有靠相對的運動作為測度的依據。唯有光線不是相對的,它的速度永遠是一秒鐘十八萬六千哩,不論它是由甚麼來源,也不論觀察者是在甚麼位置,其速度是經常不變的。他引用麥可森與毛雷的試驗,來解說他的道理。

二十六歲的論文

愛因斯坦一九〇五年的論文,解答了麥可森、毛雷以及當世其他物理學家們的困惑。根據他的理論,否定了所謂「以太」的存在,不過他承認麥可森等的試驗很正確地測量了光的速度。愛因斯坦由此得出來的重要結論是,光的速度永遠是不變的,無論是在甚麼情況之下去測量都不受影響。地球環繞著日球的運動,對於光速也並無影響。
羅斯福總統在讀過這封信之後,立即採取行動,一個以製造原子彈為目標的「曼哈頓計劃」開始進行了。大約在五年之後,美國的第一顆原子彈在新墨西哥州的阿爾瑪葛多保留地試爆了;又過了不久,第一顆實用的原子彈投擲在廣島,為那個城市帶去了毀滅性的災難,也使得日本政府不得不放棄一切抵抗的希望,屈膝求降。
無數的科學家都曾向愛因斯坦頂禮致敬。下面要引述兩位具有代表性的科學家對於愛因斯坦之成就的讚美,來反映世人對於他的評價與崇敬。
E=mc²

驚奇感最為重要

十年研究的成果

愛因斯坦在他一九〇五年發表的論文中,提示了相對論的主旨,同人類對於時間、空間、物質與能的既存觀念,展開挑戰。他的理論是以兩項假設為基礎的。第一個是相對原理:一切的運動都是相對的。比較容易為人理解的實例,是行進中的火車或輪船;一個旅客坐在火車裡面,車窗關得嚴嚴的而且遮蔽得黑黑的,如果途中沒有甚麼震盪和-圖-書,則這個旅客很可能對於行車的速度與方向都毫無感覺,甚至於會連這輛車是否正在行駛也無所知覺。一個坐在輪船上的旅客,如果房艙門窗關得緊緊的,很可能也會有同樣的錯覺。我們感覺到運動,完全是由於相對的觀念而來,也就是與其他物體相比較而來。就人生環境中較大的一面來說,如果沒有其他天體星球的運動,我們人類可能根本就不會發現地球是在不斷運轉之中的。

時間是四度空間

愛因斯坦的第二個重要的假設,是說光的速度與光源之運動無關。光的速度合每秒鐘十八萬六十哩,是永遠不變的,無論在宇宙中的任何空間、任何地點、任何時間、任何方向。譬如說,光線在一列行進中的火車上,其速度與它不在這列火車上是一樣的。沒有一種力量能夠使光的速度加速或減緩。再者,宇宙間沒有任何其他東西的速度可以超過光速,電子的速度也祇是差相近似。因此,也可以說光是自然界之中唯一永恆不變的因素。
有兩位美國科學家麥可森(Albert A.Michelson)與毛雷(Edward Morley)曾於一八八七年舉行了一次有名的實驗,使得愛因斯坦的光學理論獲得了有力的根據。(麥可森原來出生在德國,後入美籍,一九〇七年曾獲諾貝爾物理獎。)
「我們所能體驗到的最美妙最深邃的情緒,乃是對於神秘的驚奇感。這種驚奇感乃是一切真正科學的播種者。如果一個人對於這種情緒感到陌生,如果他對於神秘的事物皆不感驚奇而祇是懍然兀立,這個人可以說是雖生猶死了。能夠知道有些事情的確是我們無法理解的,承認自然本身便是最高的智慧,最為光華耀目的美,以我們淺陋的知識來說,僅能理解其最原始的形式——這樣的知識,這樣的情感,便是真正虔誠的宗教感的中心。」

最有名的公式

在另一次講學時,愛因斯坦在講詞中顯示了他的性格中有其重視精神的感情的一面——
直到一九三九年,愛因斯坦的公式仍然祇是理論。那一年,他已經移居美國,不久之後便歸化了美國成為美國的公民。他在德國無法容身,等於是被納粹驅逐出境的。當時,他聽到說德國人正多方進口鈾礦,並且加緊研究原子彈製作的消息;於是,愛因斯坦就寫了一封信給羅斯福總統,這封信在當時是極機密的——
愛因斯坦在科學上的諸多發明之中,以他原子理論的貢獻,對於現代社會的影響最為深切廣泛。在他發表一九〇五年的論文之後不久,又曾在「物理學年刊」上發表一篇短文,進一步解說他自己的理論。他說,原子能的使用是可能的——至少在原則上是如此。根據他所發明的一條公式,則可使原子的驚人力量解放出來。那條有名的公式是——

給羅斯福的密函

即能量等於質量乘光速的平方。
愛因斯坦是在一八七九年出生於德國巴伐利亞地方的烏姆城裡一個中產階級的猶太家庭。在讀書時期,除了數學一門之外,其他課程都並沒有甚麼特殊的表現,唯獨在數學方面,他自幼便顯得是一個能夠舉一知十的天才。但不幸由於家境中落,他在十五歲時便不得不自立謀生。後來移居瑞士,進入蘇黎士的科技學院,繼續接受科學教育。在學時期與一位女同學結婚,並取得瑞士國籍。他為了謀生,暫時放棄了想做大學教授的野心,在專利局中獲得一個比較穩定的職務,就是把那些申請專利的發明者們所填寫的申請書,加以整理或重寫,這份工作和*圖*書不太忙。因此,他在公餘之暇,便致力苦讀自修,遍覽古今哲學家、科學家和數學家的著作。不久就發表了第一篇論文,成為他畢生對於科學許許多多貢獻的第一聲;這篇論文引起了廣大的反響。
「愛因斯坦的理論,在研究物理與數學之間的關係,而這種關係唯有用數學的術語才能加以闡釋。如果一個人沒有高深的代數方面的知識,則愛氏的理論無論用甚麼方式表達,也不可能瞭解的。」

相對論兩項假設

為了發展「一切運動都是相對的」這個原則,愛因斯坦又推翻了另外一個久已為人們相信的牢不可破的信念。過去認為長度與質量在任何一種能夠想像得到的情況之下,都是絕對的常數。愛因斯坦卻指出,物體的質量或重量以及其長度,都決定於它究竟運動得有多麼快。他舉例說,假定我們想像有一列火車車廂長度是一千呎,能夠以五分之四的光速進行。對於一個駐足而觀的旁觀者來說,眼看著這列火車隆隆駛去,他所看到這列火車的長度就祇有六百呎了;但是對一個坐在那列車廂上的旅客,那列火車的長度仍然是一千呎。與此道理相似的另一個例子是,如果將一根碼尺投入太空,以每秒鐘十六萬一千哩的速度進行的話,它會收縮到祇有半碼長了。因為地球的旋轉運動,有一種奇怪的力量能使其周線減少三吋。
愛因斯坦的理論提出後,至今已六十餘年,他的兩個基本前提就是:第一、所有的運動都是相對的;第二、唯有光在整個宇宙間是一個不變的量。
「……科學家佛米與齊拉德,最近曾將他們研究所得的手稿寄給我,由於他們最近研究之所得,使我預期在即將到來的未來,鈾元素將可成為一種新的重要的能的來源……這種新的現象也將使我們製造若干炸彈,在我們的想像之中……祇需要一枚這一型的炸彈,由船舶攜帶進入一座港口,就可以將這座港口,與其周遭的土地徹底毀滅……。」
愛因斯坦這位樂天知命的曠世奇才,終身貢獻其才思心血於學問之道,因此而被尊為「原子時代的教父」,在科學史上以至整個人類的文明史上,都將是一個永遠受人崇敬的人物。
歷史上真正能影響後代、流芳百世的人物,往往是在身後始克享盛名。像愛因斯坦(Albert Einstein,1879~1955)可算是極罕見的例外之一;他在生之年便已被人們奉若神明。一般外行人心目中,越是無法理解他的學說之奧妙,就對他這個人越是感到好奇、尊敬,甚至認為他是高踞在奧林匹亞高峰之巔,自神仙境界中對塵世發言。英國哲學家羅素(Bertrand Russell)的話說得很妙:「人人都曉得愛因斯坦完成了一些驚人的事業,但卻極少有人真正瞭解究竟他做了些甚麼。」有人說——不過這話未必正確——全世界真正瞭解愛因斯坦的理論的人不會超過十二個。然而,千千萬萬好學深思之士,都在潛心研討,要明瞭這位偉大的數理魔術師所說的話究竟真義何在。
(全書完)

否定以太的存在

愛因斯坦理論中的某些要點,畢竟仍可以不必憑藉數學上的象徵符號而加以說明。不過,我們首先需要在心理上準備接受一個充滿了狂想的世界觀,千百年來視為金科玉律的道德與觀念,在愛因斯坦的理論中都為之改變了。譬如說,照他的理論解釋,空間是曲線的;兩點之間最近的距離並非一條直線;宇宙是有定限的但沒有一定的疆www•hetubook•com.com界;平行線最後仍必相交;光線是曲折的;時間是相對的,所以不能在任何地方都用完全同樣的方法去衡量;長度是隨著速度而改變的;宇宙是圓柱形的,而不是如過去所相信的球形;物體在運動中,大小將要收縮,但質量卻要增加;除了大家已經熟悉的高、長、寬等空間觀念之外,還有一個四度空間,那便是時間。

探求宇宙的秘密

就在這有名的公式中,愛因斯坦表明,能與質量是同一個東西,不同者祇是其狀態。質量便是能的集中。愛因斯坦的公式,解答了許多在物理學上長久無法解答的問題。
愛因斯坦對於科學的貢獻不勝枚舉。但是,他之能名震當時,流傳後世,主要是由於他的相對論——他在這方面的成就,霍夫曼(Banesh Hoffman)曾加以總結說,「相對論具有劃時代的意義,使其作者可以置身於古往今來最偉大的科學家之林,與牛頓或阿基米德分庭抗禮……」
另外一位科學家霍夫曼(Banesh Hoffman)在一篇文章中作結論說——
「使用『影響』一詞來形容愛因斯坦的著述顯然太弱。他所提出的理論乃是具有革命性的。在他的理論之中,誕生了原子時代;究竟他的理論將引導人類前往何方,我們到現在尚不能完全明瞭。但是,我們的確曉得他是我們這一世紀中最偉大的科學家與哲學家,他在我們的心目中幾乎成了當世的聖哲,他的成就乃是我們對於人類心靈懷有信念的有力證明,他的才智成為人類永遠樂於探索新知的象徵……。」
愛因斯坦在晚年仍孜孜研究不休,他所要完成的研究被稱為「統一場理論」,試圖解說大自然的和諧一致。按照他的觀點,物理定律凡能適用微小的原子者,應該也同樣能適用於龐大的天體。「統一場理論」將把一切物理現象都包容在一套理論體系之中。引力、電力、磁力、原子能以及世間一切的力量,都將受此同一理論的規範。到一九五〇年,愛因斯坦積三十年苦心鑽研,才將這一套理論呈獻於世人之前。他表示了他個人的信心——他這一番理論乃是啟開宇宙秘密的鑰匙,從小而無內的原子,到大而無外的太空。不過,由於數學上的困難,「統一場理論」還沒有能夠與既存的物理學理論一一互相驗證。愛因斯坦本人對於這一套理論懷有不可動搖的信心。他認為統一場理論將來必對於「能的原子性格」提出充分的解釋,並且可以展示出來宇宙間「萬物有序」的秩序。
「愛因斯坦科學觀念的重要性,還並不止是在於其本身的成就。同樣有力的乃是這些理論所造成的心理影響。正當科學史上一個極為重要的時期,愛因斯坦昭示世人:有些觀念雖經多年以前已被普遍接受,但仍不是神聖不可侵犯的。正由於這種心理影響,使得當世的科學家如包爾(Niels Bohr)和布洛格里(Louis Victor Broglie)的想像力獲得充分的解脫與自由,使得他們在量子論的研究方面獲得了驚人的勝利。無論我們看任何一方面,二十世紀的物理學都剩下了愛因斯坦偉大天才不可磨滅的手跡。」
由於這一前提,愛因斯坦進一步說明,太空是曲線的。在運轉中的行星,由於受了日球的影響,都按照儘可能最短的路線行進,正如同一條流向大海的河川,沿著地形形勢最容易最自然的方向流去。以我們地面上的事物而論,一艘船或一架飛機,越過大洋,都是走的一條曲線而非直線,因為它要沿著地球圓面的弧形而行進的。兩點之間最短的距離,是和-圖-書曲線而非直線。支配著行星或光線之運動的,也正是與此相同的道理。
如果愛因斯坦的空間曲線論經承認為正確的話,一個很合理的推論便是:空間是有限的。從星辰上發出的光線,經歷過億萬年之後,最後仍必回到它最初發生的那一點,正如同一個環繞著地球行進的旅行家仍會回到出發的地點一樣。宇宙並不伸展入無限的太空,而是有限的限界——不過,這條界限並沒有清清楚楚地劃定過。
愛因斯坦理論之難於瞭解,是由於他研究的範圍、性質極其複雜艱深。布理奇士(T.E.Bridges)曾引述一位未透露姓名的英國科學家的話,來解釋愛因斯坦所研究的對象:
依照相對論的理論,如果一個人能夠具有比光速更大的速度,他便可以重遊「過去」,而他的出生可以發生在「未來」。每一座行星上有其自有的時間體系,彼此各不相同。在地球上,所謂一天便是地球的軸心自轉一周所需要的時間。又如木星環繞日球一周的時間比地球繞日一周的時間要多,所以木星上的一年也就比地球上的一年要長得多。速度越增加,時間反而越慢。我們對於任何一種物理現象中的物體,都習慣於用三度空間(即長、寬、厚)去想像;但是,愛因斯坦強調,時間是空間的一種度量,而空間也是時間的一種度量。無論時間或空間,都無法單獨存在;因此,我們可以說時間與空間是互為依存的。由於運動與變易是經常的現象,我們是生活在一個四度空間的宇宙之中,時間便是第四度空間。
愛因斯坦指出,在半磅重的任何物質之中,如果其所含有的「能」能夠全部利用的話,則將產生出來等於七百萬噸黃色炸藥爆炸的威力。有人說,「如果沒有愛因斯坦的公式,試驗者也許照樣會在偶然之中碰上了鈾的分裂,但他們是否能夠認識到原子能的重要性,以及從這個理論造出原子彈來,便大成問題了。」
另一位學者葛雷(George W.Gray)則說——
「這條公式解釋了宇宙間的奧秘,放射性元素如鐳和鈾,一方面能以極大速度放射,而且又能繼續放射幾百萬年。又如太陽以及各恆星,能夠放光發熱歷數十億年。如果太陽的光與熱是按照普通的程序使用的話,則我們的地球應該在若干世紀之前就已成為一片黑暗死寂的地方了。這條公式也顯示了棲息在原子核心裡面的『能』的威力廣大;他預言,為了要毀滅一座城市,在炸彈裡面應該有多少公克的鈾。」
他們兩人的試驗是製造了一套特殊的設備,來測量光的速度。他們用兩條管子,安排成直角的方向,每條管子的長度是一哩。其中一條管子,是對準了地球繞日球運轉前進的方向,第二條管子則與地球運轉的方向相反。在每條管子的盡頭各設一面鏡子,有一縷光線在分毫不爽的同一時間射進了這兩條管子。在那以前的理論是說,在所有凡是沒有被固體物體所佔據的空間之中,都有一種看不見的「以太」(ether即能媒)存在著。一組光線的照射,極似一個游泳的人逆流而上,而另一組光線則好像另一個游泳的人順流而下。可是,在這一個試驗中,儘管這兩條管子的方向有別,兩組光線都同時反射回來,一秒鐘都不差。當時,大家認為這次試驗是一場失敗。否則的話,便是當時大家都已信之不疑的假說是有錯誤的。

運動都是相對的

一九三三年,愛因斯坦應邀往英國的格拉斯哥大學演說,談到他的相對論的源起。他說「最後的結果十分簡單,任何一個頭腦清楚的大學生都可以瞭解其內容,不會有甚麼和*圖*書困難。但是在過去多年來,一個人在黑暗之中摸索真理時所感覺到而又無從表達的情緒,雖有強烈的欲望,但卻一時信念興起,一時驚疑不定,直到最後豁然貫通,一旦了悟,這種心情也唯有一個親身體驗過的人方能體會得出……」。

在遙遠的星辰上

愛因斯坦的革命,始於一九〇五年,最先是在德國的一本「物理學年刊」(Annalen der Physik)上發表了一篇論文。論文的題目是「論運動物體之電子動力」,全文共三十頁。愛因斯坦當時年僅二十六歲,在瑞士國家專利局裡面擔任一個小職員。這篇論文一發表,便引起了學術界人士的注目。
質量也同樣是可以改變的。當速度增加之時,物體的質量也為之增加。從試驗中證明,一個物體裡分子的速度,如果能加大到光速的百分之八十六時,其重量較其在靜止時的重量要增加一倍。這一個發現,對於原子能理論的發展具有極重要的啟示作用。
直到一九一五年,愛因斯坦發表了他的「相對論」(General Theory of Relativity),對於引力作用提出了嶄新的觀念,使得自牛頓以來一直被普遍接受的引力觀念與對於光的觀念,從基本上為之一變。引力曾被牛頓認為是一種「力量」。但是,愛因斯坦卻證明了在行星或是其他天體周圍的太空,是一個重力場,猶如圍繞著磁鐵周圍的磁場。龐大的天體,譬如日球和其他恆星,周圍都有巨大的重力場。地球對月球的引力,便根據這種道理獲得了解釋。這個理論同時也解答了水星反常的運動——水星是距離日球最近的行星,它的移動現象曾使得天文學家迷惑了幾個世紀,在牛頓的萬有引力定律中並不能獲得適當的解答。愛因斯坦曾指出,巨大的重力場具有龐大無匹的力量,甚至於可以使光線為之曲折。「相對論」發表之後未久,有專家於一九一九年拍攝了一次日全蝕的照片,證明了愛因斯坦理論的正確性——光線經過太陽的重力場時,排成曲線而非直線的。
愛因斯坦理論中最難於理解也是最與傳統信仰不合的,乃是時間的相對觀念。愛因斯坦說,在不同地方的事物,雖在一個觀察者認為是發生於同一時間,在另一個觀察者看來卻未必如此。他舉例說,譬如一個站在地上的人,觀察到有兩件事情同時發生;可是,如果另外一個觀察者是在火車上或飛機上,他所看到的情形就不一樣,絕不是同時發生的了。所以他說,時間是因觀察者的位置與速度而相對變動,它不是一個絕對的因素。他將這個理論引用到宇宙中去,假定在一座遙遠的星辰上發生了某一事件,譬如說一次爆炸,被地球上的居民觀察到了;但那爆炸發生的確實時間與地球上的人觀察到爆炸的時間,絕不相同。恰恰相反,儘管光速快到一秒鐘十八萬六千哩,由於星球與星球之間距離遙遠,一座遙遠的星球上所發生的爆炸,也許要經過好幾年的時間才能傳達到地球上來。我們今天在地球上所看到的星辰,實際上是很久之前出現的;也很可能是我們明明看見的星辰,事實上已經並不存在了。
雖然原子彈是愛因斯坦理論經過實用之後所產生最引人注目的產兒,另外還有一項成就,也同樣使愛因斯坦的大名不朽。就在他一九〇五年發表第一篇重要論文的同時,他完成了「光電定律」(Photoelectric Law),解釋了神秘的光電效應,為後來的電視和電影上的聲帶鋪好了道路。就由於這一個定律的發現,使得愛因斯坦贏得了一九二二年的諾貝爾物理獎金。
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