爱因斯坦的不满
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当时,有很多学者已经触摸到了狭义相对论的边缘。我们前面提到过,洛伦兹与相对论只有一步之遥;另外一位法国数学家庞加莱已经正确地阐述了相对性原理,并推测真空中的光速可能是常数;此外还有与爱因斯坦同时代的奥地利物理学家马赫,率先向牛顿的绝对时空观提出了挑战,坚定地认为不存在绝对空间和绝对运动(可惜在相对论发表后,庞加莱和马赫却一直表示反对)。可以说,当时狭义相对论在整个物理界已经呼之欲出,即使没有爱因斯坦,不超过5年,也一定会有别的“斯坦”发表狭义相对论。但广义相对论就不同了,它几乎是爱因斯坦一个人潜心修炼的成果,如果没有爱因斯坦,我们可能今天还在等待这个理论。在一本美国人写的科学史书中,广义相对论被评价为“这无疑是人类历史上最高的智力成就”。你有点迫不及待地想知道了吧?这事还得从头说起。
我们的故事要从……(读者:不会吧,又要讲四百多年的历史?)要从1905年开始讲起(读者:还好,吓死我了!),让我们再次回到瑞士的伯尔尼,还是那家专利局,故事的主角自然还是爱因斯坦,故事的配角仍然是我们的局长大人哈勒先生。话说爱因斯坦申请二级专利员被驳回后,一直对局长有些耿耿于怀,他有些不服气:自己已经凭借《分子大小的新测定法》顺利取得了博士学位(这篇论文是奇迹年5篇论文中的第2篇,据后人统计,爱因斯坦一生的所有论文中,这篇论文被引用得最多),可是却连二级专利员都没能批下来,太不尊重人才了吧,此处不留爷自有留爷处。对学术圈充满情怀的爱因斯坦开始申请伯尔尼大学的物理系讲师,准备跳槽,然而申请却被拒绝了(此后他坚持不懈地申请了3年,直到1908年,终于获得了一个编外讲师的职位)。既然大学讲师当不成,爱因斯坦又试着去申请苏黎世中学的教师职位,没想到这也没有成功,只好继续干着专利员的工作。
这一天,哈勒又走进了爱因斯坦的办公室,笑嘻嘻地对爱因斯坦说:“小爱啊,最近怎么样?又有什么新想法了没?”
爱因斯坦:“最近很不好,很多事我想不通。”
哈勒:“耐心点嘛,小爱,明年,明年一定提升你。”
爱因斯坦:“我想不通的不光是这件事情。”
哈勒:“还有什么事?”
爱因斯坦突然意识到自己说漏了嘴,自己准备跳槽去申请伯尔尼大学讲师的事情怎么能让局长知道呢?得赶紧想办法绕开去,爱因斯坦急中生智,说道:“惯性系!因为惯性系!”
哈勒:“什么意思啊?”
爱因斯坦:“我前不久告诉你的相对性原理你还记得不?”
哈勒:“记得啊,不就是在任何惯性系中,所有的物理规律保持不变么?我觉得很深刻,很伟大啊,这又怎么了?”
爱因斯坦:“所有的物理规律为什么只在惯性系中才维持不变呢?我们的生活中根本不存在真正的惯性系啊,所有的运动没有一个是理想中的匀速直线运动,你能给我举出一个真正的惯性参考系的例子吗?”
哈勒想了想:“我们就用大地做参考系,这总是惯性系了吧?”
爱因斯坦:“显然不是,别忘了我们的地球是以10.8万千米的时速,绕着太阳做着圆周运动的,匀速圆周运动是一种加速运动,产生加速度的力就是太阳对地球的引力。速度是有方向的,哪怕速度的绝对值不变,只要方向在不停地变化,就是一种加速运动。所以,我们的大地根本就不是惯性系。”
哈勒恍然大悟:“想想还真是这样,我们身边一个惯性系也找不到。”
爱因斯坦:“惯性系实在是太特殊了,上帝这个老头子不应该这么偏爱根本不存在的惯性系嘛。我们在惯性系中总结出来所有公式,其实根本不能解决实际问题嘛,最多只能求出一些近似值而已,你如果想求出点精确值,马上就会遇到加速度这只怪兽。”
哈勒:“那我们干脆就不加惯性系了,直接说在任何参考系里面物理规律不变,一了百了,哈哈哈。”
爱因斯坦:“哈你个头啊哈,说得倒是轻巧,可怎么个不变法呢?比如你坐在电梯里面,电梯加速上升的时候,你抛起一个小球,这个小球的落地时间就会跟电梯匀速上升时不一样。显然,在这个参考系里面,物理规律变了。”
哈勒:“我只是随便说说,随便说说,你别认真嘛。”
爱因斯坦:“但从内心深处来说,我又认为你说的是对的,物理世界应该是民主平等的世界,各种参考系都应当众生平等,惯性系不应该在这个世界中具有特权,凭什么惯性系的地位就那么特殊呢?”
哈勒见今天问不出什么新鲜玩意儿来,也就走了。
在此后差不多接近两年的时间里,爱因斯坦都被这个问题折磨得茶饭不香。不过到了第二年,也就是1906年,哈勒局长果然没有食言,爱因斯坦升为二级专利技术员,薪水福利都涨了。又只过了一年,到了1907年,爱因斯坦再次升职,这次升到了一级专利员,同时爱因斯坦还拥有了更宽敞的办公室和更舒适的椅子,这下爱因斯坦的心情好多了。虽然看起来伟大的灵感往往来自于一些偶然发生的小事,但其实偶然中蕴含着必然。某些书里说一只苹果砸到了牛顿的头上,让他得到了万有引力定律,这种故事虽然真实性经不起推敲,但确实让人觉得很浪漫、很令人神往。有些书里说有一次爱因斯坦看到一个工人从房顶上摔下来,让他灵光闪现,解决了困扰他两年的疑惑,这个故事不但不浪漫也经不起推敲。爱因斯坦自己说过,当他想到那个绝妙的点子的时候,他是坐在椅子上的。当时的情况是这样的(别问我是怎么知道的):爱因斯坦午后抽完一支烟,舒服地半躺在椅子上,不知不觉就进入了梦乡,他做了一个噩梦,当他从噩梦中惊醒的时候,万万没有想到,这个噩梦却造就了他“一生中最快乐的想法”。