初露锋芒

提出“相对论”

一位满头黑色卷发、两眼深陷的年轻人站在编辑台前。

“我又写了一篇论文，准备交给贵社刊登。”他说。

“哦，爱因斯坦博士，我已经收到好几封讨论你那四篇论文的信件，有些评论对你的研究十分恭维，有的可就相当不客气了。你今天带来的是什么论文？”

这位专利局的职员从他皱巴巴的外衣口袋里拿出一包东西。编辑迅速翻阅了这叠写得密密麻麻的信纸。

“嗯，共有30页。”

“印出来的话，会短一点。”爱因斯坦向他保证。

“我现在所编的这一期，稿子已经相当挤了。”

阿尔伯特·爱因斯坦的脸微微一红。“如果能够腾出一点篇幅来，我希望把这篇论文刊登出来，”他说，“我相信读者们一定会对这篇文章兴趣的。”

青年时期的爱因斯坦

“让我来瞧瞧。”这位编辑先生喃喃地说道。他首先看了看标题——《论动体的电动力学》，他皱了皱眉头，然后又看看前面几页，“这儿所说的‘相对论’又是怎么一回事？”

全世界各地的人也提出了相同的问题。

有许多科学家针对相对论写过专门的研究报告，有的提出了很聪明的见解，有的却显得极其愚蠢。在纽约的公立图书馆中，有五百多册有关相对论的书籍及小册子，不是攻击爱因斯坦的理论，就是为他辩护。最初，有一个很普遍的说法：全世界只有十几个人真正了解爱因斯坦的相对论。有几位科学家写过很出色的书籍，把这项革命性的理论介绍给那些对科学所知不多，但却有心认识这项理论的读者。因而到了今天，任何一位学习物理学的大学生都可以了解。

爱因斯坦第一次在美国就相对论发表演讲时，随口说了一句：“这个理论十分简单。”挤满整个大厅的听众听到后爆笑不已，这令爱因斯坦大吃一惊。他并不是有意以一句玩笑话来冲淡别人对他的注意。他认为，他所解释的一切实在是相当简单的。他当时没有想到，数学有它自己的语言，而只有懂得数学语言的人，才能了解他的理论。

1905年，爱因斯坦发表这项理论之后，许多人称赞他是人类有史以来最伟大的科学家。最奇怪的是，一项显然已经失败的实验，却因为爱因斯坦提供了这项理论的线索而有了成功的希望。

在1887年，当阿尔伯特·爱因斯坦还是慕尼黑一位闷闷不乐又怀才不遇的学生时，两位美国教授，麦克尔逊和莫雷正在研究一个奇妙的问题。所有的科学家都知道地球环绕太阳转动的速度。但这两位科学家则试图找出地球在太空中轨道前进的速度。

一个移动的物体在碰到阻碍时，速度就会变慢。如果你要求一位游泳选手逆流而上，而让他的对手顺流而下，那么他必定会拒绝参加这种比赛。现在，当麦克尔逊和莫雷利用顺逆两方向测量光的速度时，结果却令他们很困惑。

莫雷教授是化学家，麦克尔逊是实验物理学家，他们不断发明各种奇妙精巧的仪器，以探测大自然的真相。

为了测出绝对正确的光速，这两位科学家设计了一套最精密的仪器。这套仪器分别仿照了顺流或逆流游泳者的情况。两根管子安置在每一种情况的适当角度里，如果其中一根顺着地球自转的方向移动，那另一个必定是沿反方向移动。每根管子的末端各放一面镜子，然后在绝对相同的时间内把一道光束射入管子内。

当然，这两位教授预测到，其中必然有一道光束比另一道光束提早反射回来。逆流而上的游泳者将耗费更多的时间，所以逆着空气流动方向前进的光束必然也要花费更多的时间。但是，不管这两位教授把这两根管子移动到哪个方向，这两道光束的速度都没有任何差别，它们在同一个时间一起反射回来。

“是不是我们的实验有什么偏差？为什么两道光束出现在镜子里的时间总是一样？难道空气中没有我们在河流中逆流而上时所遭遇的那种‘逆流’吗？难道地球在其中移动的‘以太流’并未对光线形成阻碍？”

伽利略在很久以前就已经证明地球确实在太空中移动，因此他们试了一遍又一遍，企图找出他们所实验的两种情况的光束速度之间的不同，却一直无法发现这两种光速的差别。麦克尔逊和莫雷最后终于感到沮丧了，既然已经证实地球是移动的，为什么他们的实验却指出地球是静止的？这种发现相当新颖，且令人困惑。

这项问题不仅困扰着麦克尔逊和莫雷，也令当时的一些杰出物理学家大惑不解。爱因斯坦在他的论文中回答了这项问题。这两位美国教授并未失败，他们在十八年前就已正确地测出了光的速度。因为爱因斯坦现在已经证明，光的速度都是相同的，而且，光速是唯一的定值，不管在何种情况下测量，都是一样的。

但是，为什么光速在空中移动时不会遭遇任何阻碍？爱因斯坦解释说，这是因为任何实验都不可能测出宇宙的绝对运动。牛顿说过：在遭遇外来的力量之前，每一种物体都维持着其原来的情况，不是静止，而是处于它自己独特的运动中。爱因斯坦现在则认为，在地球或整个宇宙中的任何地点里，没有一种东西是静止的。他指出，每一样东西都是运动的，从原子到星星，每样东西都在相对地运动着。在这样一个宇宙中，一切都在运动，没有任何事物是静止的，因此，每一样事物和它接受观察时的环境，都是相对的。

对这个世界来说，相对论是个绝对新奇的学说。大象跟老鼠比较起来，无疑是庞大无比，可是如果把大象放在摩天大楼旁边，就显得出奇的渺小了。这是体积上的“相对”。当一个人按下电梯的电钮“上”或“下”时，他就会感受到空间上的“相对”。

但是，科学家们一直认为，物理世界中的某些事实是“绝对正确的”，在任何情况下都不会改变。物理学家测量长度、重量和速度，当然，他的量尺、体重计以及时钟给了他正确的答案。爱因斯坦的理论引起了全世界的震惊，因为他为绝对的物理科学的事实，带来了相对性。他对我们所居住的地球提出了一项崭新的构想，他也因此赢得了类似魔术师般令人震惊的名声，而且他的理论一项又一项地在其他科学家的实验室里获得印证，更增加了他的名气。

有关“相对论”的一个最熟悉的例子，就是物体的运动。当一个人坐在疾驰的火车上时，座位和乘客显然是静止的，而树木和电线杆却从车窗外呼啸而过。一位站在铁轨附近的农村男孩只看到火车呼啸而过，而树木和电线杆对他而言则静止不动。在一列火车以时速六十里的速度移动时，地球正以每秒十八里的速度绕着太阳旋转。与此同时，地球、太阳和整个太阳系一起朝着一颗遥远星球的方向前进。

如果一个人能够站在太阳上，并以望远镜眺望，他将会看到地球和火车在底下运动。另一个观察者站在最近的某一个星球上，由于它的距离极远，它的光需要四年的时间才能到达我们的星球。那么，这位观察者要在四年后才能看到太阳、地球以及移动中的火车正一起绕着太空运动。火车、地球以及太阳的所有这些运动，都是和观察者的位置相对应的。

但是，如果在太空中的移动是相对的，那么，时间的相对性呢？

在爱因斯坦提出他的学说之前，牛顿和其他科学家指出，时间是绝对的，整个世界都在变化，但时间却是持续不变的。他们同时认为，空间是向四面八方延伸的，无穷无尽。

但爱因斯坦为我们提出有关于时间和空间的一种新看法。

每一物体都有三个空间，但是，由于每件事物实际上都是在运动及变化的，因此，这个世界实际上存在于三度空间中——另外加上一个第四空间。

爱因斯坦说，时间就是这个所谓的第四空间。旧金山距离纽约大约三千里远。以前，一辆篷车必须花一年的时间，越过河流、草原及高山，才能来到太平洋沿岸的荒凉小垦殖区，但现在一架飞机不到十二小时就可完成这段旅程。

在爱因斯坦的宇宙中，不管是时间或空间，都不会以一个固定的方式永远持续下去。它们两者将随着观察者的位置和速度作相对性的改变。

那么，爱因斯坦又如何改变时间的运行呢？

我们是根据地球自转的演进来计算天数，以地球环绕太阳的时间来计算年数。由于木星环绕太阳一周的时间比地球长，因此，木星上的一年比地球上的一年长了许多。

如果我们能克服一切不可能的因素，而以光速去旅行，那么将没有时间的存在，每件事情都立即发生。在我们接近不可思议的光速时，不仅我们的手表会慢下来，就是我们的脉搏也会变缓慢，即使是在原子内部运转的电子也会越来越慢。如果我们的速度能超过光速，那么我们实际上将在时间上后退，这种情况就如同著名的五行滑稽诗中的那位令人惊讶的女英雄：

有位年轻的女郎叫光明

她的速度超过了光

有一天她出发

在相对论的方法下

回到家时却是前天晚上

爱因斯坦在他有关“相对论”的第一篇论文中，又叙述了另一项十分重要的理论：一个物体的质量，必须由这个物体移动的速度而定。当物体移动得越来越快时，它就越来越重。没有人测量过质量在这方面增加的情况，因为这种变化是极其微小的，无法以任何普通的速度来计算。因此，在1905年，科学家们并不能证实爱因斯坦的理论是正确还是错误。但是，在以后的几年里，他们学会了如何测量最微小的电子质量，同时也学会了如何加强电子的运转速度，使它们的速度能达到每秒九万三千里，也就是光速的一半。到这时候，实验室中的科学家们方才发现，爱因斯坦的预测是正确的。

以前的人认为，物质和能量是完全不同的两个东西，物质是固体的，像是一块岩石，而能量则是测定一个物体移动的速度有多快，或是它有什么作用。爱因斯坦则指出，物质和能量并不是截然不同的，实际上两者有着十分密切的关系。以一半光速运转的电子拥有相当惊人的能量，因为它移动得如此迅速，使它的重量大为增加，于是能量变成了质量。

但是，物质也可以转变成能量。爱因斯坦实际上已能算出隐藏在任何一块物质中的能量。他那个著名的公式，也是我们在书中唯一要提到的一项公式，是这样的：E=mc2。

分开来解释，它的意义如下：

E表示能量（每种物质的质粒中的能量）；

m表示质量（物体中含有物质的多少）；

c表示光速；

2表示数字自乘一次平方（例如，5的平方等于25）。

因此，E=mc2的整个意思就是说，每个物质中的能量，等于物质的质量乘以光速的平方。

光速是每秒十八万六千三百里，把这个数字自乘一次，就可以知道从一小块物质中可以获得何等惊人的能量数字了。仅仅是一千克的物质，如果能将它转变成能量，则其能量大约相当于两千五百万千瓦的电力。

科学家们把这项惊人的公式应用在令人震惊的两项发展上。

第一，这个公式解释了太阳的秘密。太阳为什么能够连续几十亿年发出光与热，而不会像一块炭那样烧成一团灰。科学家们以爱因斯坦的理论为研究依据，把这项公式应用在太阳内部的原子上。这些原子存在于几百万度的高温中，在这种情况下，部分原子不断地将它们的物质转变成能量。

爱因斯坦的第二项研究结果震惊了全世界，而那时距离他在瑞士发表第一篇有关相对论的论文，已经有四十年之久了。科学家们更进一步地研究原子能的其他功用，他们学会了如何把铀原子转变成能量。他们制造了原子弹，在广岛上空引爆。