初露鋒芒

提出“相對論”

一位滿頭黑色卷發、兩眼深陷的年輕人站在編輯台前。

“我又寫了一篇論文，準備交給貴社刊登。”他說。

“哦，愛因斯坦博士，我已經收到好幾封討論你那四篇論文的信件，有些評論對你的研究十分恭維，有的可就相當不客氣了。你今天帶來的是什麽論文？”

這位專利局的職員從他皺巴巴的外衣口袋裏拿出一包東西。編輯迅速翻閱了這疊寫得密密麻麻的信紙。

“嗯，共有30頁。”

“印出來的話，會短一點。”愛因斯坦向他保證。

“我現在所編的這一期，稿子已經相當擠了。”

阿爾伯特·愛因斯坦的臉微微一紅。“如果能夠騰出一點篇幅來，我希望把這篇論文刊登出來，”他說，“我相信讀者們一定會對這篇文章興趣的。”

青年時期的愛因斯坦

“讓我來瞧瞧。”這位編輯先生喃喃地說道。他首先看了看標題——《論動體的電動力學》，他皺了皺眉頭，然後又看看前麵幾頁，“這兒所說的‘相對論’又是怎麽一回事？”

全世界各地的人也提出了相同的問題。

有許多科學家針對相對論寫過專門的研究報告，有的提出了很聰明的見解，有的卻顯得極其愚蠢。在紐約的公立圖書館中，有五百多冊有關相對論的書籍及小冊子，不是攻擊愛因斯坦的理論，就是為他辯護。最初，有一個很普遍的說法：全世界隻有十幾個人真正了解愛因斯坦的相對論。有幾位科學家寫過很出色的書籍，把這項革命性的理論介紹給那些對科學所知不多，但卻有心認識這項理論的讀者。因而到了今天，任何一位學習物理學的大學生都可以了解。

愛因斯坦第一次在美國就相對論發表演講時，隨口說了一句：“這個理論十分簡單。”擠滿整個大廳的聽眾聽到後爆笑不已，這令愛因斯坦大吃一驚。他並不是有意以一句玩笑話來衝淡別人對他的注意。他認為，他所解釋的一切實在是相當簡單的。他當時沒有想到，數學有它自己的語言，而隻有懂得數學語言的人，才能了解他的理論。

1905年，愛因斯坦發表這項理論之後，許多人稱讚他是人類有史以來最偉大的科學家。最奇怪的是，一項顯然已經失敗的實驗，卻因為愛因斯坦提供了這項理論的線索而有了成功的希望。

在1887年，當阿爾伯特·愛因斯坦還是慕尼黑一位悶悶不樂又懷才不遇的學生時，兩位美國教授，麥克爾遜和莫雷正在研究一個奇妙的問題。所有的科學家都知道地球環繞太陽轉動的速度。但這兩位科學家則試圖找出地球在太空中軌道前進的速度。

一個移動的物體在碰到阻礙時，速度就會變慢。如果你要求一位遊泳選手逆流而上，而讓他的對手順流而下，那麽他必定會拒絕參加這種比賽。現在，當麥克爾遜和莫雷利用順逆兩方向測量光的速度時，結果卻令他們很困惑。

莫雷教授是化學家，麥克爾遜是實驗物理學家，他們不斷發明各種奇妙精巧的儀器，以探測大自然的真相。

為了測出絕對正確的光速，這兩位科學家設計了一套最精密的儀器。這套儀器分別仿照了順流或逆流遊泳者的情況。兩根管子安置在每一種情況的適當角度裏，如果其中一根順著地球自轉的方向移動，那另一個必定是沿反方向移動。每根管子的末端各放一麵鏡子，然後在絕對相同的時間內把一道光束射入管子內。

當然，這兩位教授預測到，其中必然有一道光束比另一道光束提早反射回來。逆流而上的遊泳者將耗費更多的時間，所以逆著空氣流動方向前進的光束必然也要花費更多的時間。但是，不管這兩位教授把這兩根管子移動到哪個方向，這兩道光束的速度都沒有任何差別，它們在同一個時間一起反射回來。

“是不是我們的實驗有什麽偏差？為什麽兩道光束出現在鏡子裏的時間總是一樣？難道空氣中沒有我們在河流中逆流而上時所遭遇的那種‘逆流’嗎？難道地球在其中移動的‘以太流’並未對光線形成阻礙？”

伽利略在很久以前就已經證明地球確實在太空中移動，因此他們試了一遍又一遍，企圖找出他們所實驗的兩種情況的光束速度之間的不同，卻一直無法發現這兩種光速的差別。麥克爾遜和莫雷最後終於感到沮喪了，既然已經證實地球是移動的，為什麽他們的實驗卻指出地球是靜止的？這種發現相當新穎，且令人困惑。

這項問題不僅困擾著麥克爾遜和莫雷，也令當時的一些傑出物理學家大惑不解。愛因斯坦在他的論文中回答了這項問題。這兩位美國教授並未失敗，他們在十八年前就已正確地測出了光的速度。因為愛因斯坦現在已經證明，光的速度都是相同的，而且，光速是唯一的定值，不管在何種情況下測量，都是一樣的。

但是，為什麽光速在空中移動時不會遭遇任何阻礙？愛因斯坦解釋說，這是因為任何實驗都不可能測出宇宙的絕對運動。牛頓說過：在遭遇外來的力量之前，每一種物體都維持著其原來的情況，不是靜止，而是處於它自己獨特的運動中。愛因斯坦現在則認為，在地球或整個宇宙中的任何地點裏，沒有一種東西是靜止的。他指出，每一樣東西都是運動的，從原子到星星，每樣東西都在相對地運動著。在這樣一個宇宙中，一切都在運動，沒有任何事物是靜止的，因此，每一樣事物和它接受觀察時的環境，都是相對的。

對這個世界來說，相對論是個絕對新奇的學說。大象跟老鼠比較起來，無疑是龐大無比，可是如果把大象放在摩天大樓旁邊，就顯得出奇的渺小了。這是體積上的“相對”。當一個人按下電梯的電鈕“上”或“下”時，他就會感受到空間上的“相對”。

但是，科學家們一直認為，物理世界中的某些事實是“絕對正確的”，在任何情況下都不會改變。物理學家測量長度、重量和速度，當然，他的量尺、體重計以及時鍾給了他正確的答案。愛因斯坦的理論引起了全世界的震驚，因為他為絕對的物理科學的事實，帶來了相對性。他對我們所居住的地球提出了一項嶄新的構想，他也因此贏得了類似魔術師般令人震驚的名聲，而且他的理論一項又一項地在其他科學家的實驗室裏獲得印證，更增加了他的名氣。

有關“相對論”的一個最熟悉的例子，就是物體的運動。當一個人坐在疾馳的火車上時，座位和乘客顯然是靜止的，而樹木和電線杆卻從車窗外呼嘯而過。一位站在鐵軌附近的農村男孩隻看到火車呼嘯而過，而樹木和電線杆對他而言則靜止不動。在一列火車以時速六十裏的速度移動時，地球正以每秒十八裏的速度繞著太陽旋轉。與此同時，地球、太陽和整個太陽係一起朝著一顆遙遠星球的方向前進。

如果一個人能夠站在太陽上，並以望遠鏡眺望，他將會看到地球和火車在底下運動。另一個觀察者站在最近的某一個星球上，由於它的距離極遠，它的光需要四年的時間才能到達我們的星球。那麽，這位觀察者要在四年後才能看到太陽、地球以及移動中的火車正一起繞著太空運動。火車、地球以及太陽的所有這些運動，都是和觀察者的位置相對應的。

但是，如果在太空中的移動是相對的，那麽，時間的相對性呢？

在愛因斯坦提出他的學說之前，牛頓和其他科學家指出，時間是絕對的，整個世界都在變化，但時間卻是持續不變的。他們同時認為，空間是向四麵八方延伸的，無窮無盡。

但愛因斯坦為我們提出有關於時間和空間的一種新看法。

每一物體都有三個空間，但是，由於每件事物實際上都是在運動及變化的，因此，這個世界實際上存在於三度空間中——另外加上一個第四空間。

愛因斯坦說，時間就是這個所謂的第四空間。舊金山距離紐約大約三千裏遠。以前，一輛篷車必須花一年的時間，越過河流、草原及高山，才能來到太平洋沿岸的荒涼小墾殖區，但現在一架飛機不到十二小時就可完成這段旅程。

在愛因斯坦的宇宙中，不管是時間或空間，都不會以一個固定的方式永遠持續下去。它們兩者將隨著觀察者的位置和速度作相對性的改變。

那麽，愛因斯坦又如何改變時間的運行呢？

我們是根據地球自轉的演進來計算天數，以地球環繞太陽的時間來計算年數。由於木星環繞太陽一周的時間比地球長，因此，木星上的一年比地球上的一年長了許多。

如果我們能克服一切不可能的因素，而以光速去旅行，那麽將沒有時間的存在，每件事情都立即發生。在我們接近不可思議的光速時，不僅我們的手表會慢下來，就是我們的脈搏也會變緩慢，即使是在原子內部運轉的電子也會越來越慢。如果我們的速度能超過光速，那麽我們實際上將在時間上後退，這種情況就如同著名的五行滑稽詩中的那位令人驚訝的女英雄：

有位年輕的女郎叫光明

她的速度超過了光

有一天她出發

在相對論的方法下

回到家時卻是前天晚上

愛因斯坦在他有關“相對論”的第一篇論文中，又敘述了另一項十分重要的理論：一個物體的質量，必須由這個物體移動的速度而定。當物體移動得越來越快時，它就越來越重。沒有人測量過質量在這方麵增加的情況，因為這種變化是極其微小的，無法以任何普通的速度來計算。因此，在1905年，科學家們並不能證實愛因斯坦的理論是正確還是錯誤。但是，在以後的幾年裏，他們學會了如何測量最微小的電子質量，同時也學會了如何加強電子的運轉速度，使它們的速度能達到每秒九萬三千裏，也就是光速的一半。到這時候，實驗室中的科學家們方才發現，愛因斯坦的預測是正確的。

以前的人認為，物質和能量是完全不同的兩個東西，物質是固體的，像是一塊岩石，而能量則是測定一個物體移動的速度有多快，或是它有什麽作用。愛因斯坦則指出，物質和能量並不是截然不同的，實際上兩者有著十分密切的關係。以一半光速運轉的電子擁有相當驚人的能量，因為它移動得如此迅速，使它的重量大為增加，於是能量變成了質量。

但是，物質也可以轉變成能量。愛因斯坦實際上已能算出隱藏在任何一塊物質中的能量。他那個著名的公式，也是我們在書中唯一要提到的一項公式，是這樣的：E=mc2。

分開來解釋，它的意義如下：

E表示能量（每種物質的質粒中的能量）；

m表示質量（物體中含有物質的多少）；

c表示光速；

2表示數字自乘一次平方（例如，5的平方等於25）。

因此，E=mc2的整個意思就是說，每個物質中的能量，等於物質的質量乘以光速的平方。

光速是每秒十八萬六千三百裏，把這個數字自乘一次，就可以知道從一小塊物質中可以獲得何等驚人的能量數字了。僅僅是一千克的物質，如果能將它轉變成能量，則其能量大約相當於兩千五百萬千瓦的電力。

科學家們把這項驚人的公式應用在令人震驚的兩項發展上。

第一，這個公式解釋了太陽的秘密。太陽為什麽能夠連續幾十億年發出光與熱，而不會像一塊炭那樣燒成一團灰。科學家們以愛因斯坦的理論為研究依據，把這項公式應用在太陽內部的原子上。這些原子存在於幾百萬度的高溫中，在這種情況下，部分原子不斷地將它們的物質轉變成能量。

愛因斯坦的第二項研究結果震驚了全世界，而那時距離他在瑞士發表第一篇有關相對論的論文，已經有四十年之久了。科學家們更進一步地研究原子能的其他功用，他們學會了如何把鈾原子轉變成能量。他們製造了原子彈，在廣島上空引爆。