- 第3節(jié) 真正的開始
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1909 年夏秋之交,愛因斯坦應(yīng)邀出席在薩爾茨堡舉行的自然研究者年會,這個年會的層次很高,是德語區(qū)最重要的科學(xué)會議,參加會議的有100多位科學(xué)家, 可謂群星閃耀。 會議的議程包括相對論和光的量子性。大會本來想讓愛因斯坦把這兩個問題都談?wù)劊珢垡蛩固褂X得,量子的問題比較急,因?yàn)樗矒?dān)心麥克斯韋的方程被量子搗毀,那可是有史以來最優(yōu)美的方程啊!這個擔(dān)心不是沒來由的,因?yàn)槠绽士税蚜孔託w入熱力學(xué)和電磁學(xué)框架下的嘗試屢戰(zhàn)屢敗。
在這個年會上,愛因斯坦終于和普朗克見面了。第三天下午,輪到愛因斯坦講演了,他的觀念讓科學(xué)家們內(nèi)心很崩潰:“光是波動說和發(fā)射論的某種融合!彼f,光既像波,又像粒,“輻射同時表現(xiàn)這兩種特性,不該認(rèn)為二者不兼容!彼預(yù)言,把光的波動說和微粒說結(jié)合起來,將引起一場深刻變革,它將破壞物理學(xué)的根基:確定論和因果律。這是波粒二象性的首次闡述。直到 14 年后,德布羅意關(guān)于波粒二象性的論文才發(fā)表。物理界承認(rèn)波粒二象性則是更久以后的事。愛因斯坦的物理思想之超前,由此可見。物理學(xué)天才泡利評論,這是“理論物理學(xué)史上的里程碑”。
當(dāng)愛因斯坦回到蘇黎世,在蘇黎世大學(xué)任副教授時,隔壁母校那些小心眼的老師作何感想不得而知。不過,愛因斯坦卻沒那么多想法,他和數(shù)學(xué)教授胡爾維茨交上了朋友。當(dāng)年,老胡也是常被小愛逃課的老師之一,所以,小愛畢業(yè)后,想去胡老師手下任職時,被胡老師一口回絕。
胡老師愛好音樂,周日喜歡在家舉辦音樂會,小愛也是個音樂愛好者,有空就去。一次,老胡的寶貝女兒被一道數(shù)學(xué)題難住了,小愛從老胡那兒聽說后,下午專門去幫小胡搞定了這道難題。這說明愛因斯坦不光情商提高了,講課水平也提高了。
不過,他不拘一格的形象讓同學(xué)們很困惑。常聽他課的坦納同學(xué)回憶:“他上衣是破的,褲腿是短的,還坐著上課,搞得我們將信將疑!
雖然愛因斯坦講課不拿講義,只拿一張寫滿字的卡片,但他思路清晰,善于推理,邏輯性強(qiáng),學(xué)生們聽著聽著,就欣賞起來。他還改掉了“唱獨(dú)角戲”的壞習(xí)慣,跟學(xué)生們熱烈互動,還允許學(xué)生們打斷他,像朋友那樣平等交流。
慢慢地,學(xué)生們看出來了,這位怪老師不一般。坦納同學(xué)舉例說,一次去愛因斯坦的住處聊物理,愛老師拿出普朗克的論文讓大家一起欣賞,但愛老師指出,這里面肯定有錯誤。學(xué)生們一聽興奮起來,都想找出那個錯誤在哪兒,但看了半天,又一陣驗(yàn)算,沒錯!最后,愛因斯坦指著一處數(shù)據(jù)說,如果是這樣,那么某某就會如何,那就是荒謬的。
原來,在物理論文里,不管多復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程,愛因斯坦都能一眼看出它背后的物理意義。這個能力,只能說是天生的。
然而,這個為物理而生的老師對物理實(shí)驗(yàn)卻有心理陰影。1910 年,大家看愛因斯坦老師物理教得不錯,就有人想讓他去指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室工作,愛老師感到很恐怖,他不碰實(shí)驗(yàn)儀器很久了,因?yàn)椤皳?dān)心它會爆炸”。大家只好作罷。
1910 年 3 月,布拉格大學(xué)提著小鏟子來挖蘇黎世大學(xué)的墻腳了,他們寫信給愛因斯坦, 赤裸裸地說:快到我們這里來, 正教授哦, 待遇更好!
這的確是個不小的誘惑,布拉格大學(xué)層次比蘇黎世大學(xué)高,于是,愛因斯坦給母親寫信說:“我可能會到一個更大的大學(xué)當(dāng)正教授,工資也能漲不少!
他的學(xué)生們不知從哪聽說愛老師要走,就聯(lián)名寫了封請愿書,讓主管部門“盡你們所能”留住他,并把他們的愛老師夸得像朵花:“他才能驚人,能把最難懂的問題講得很好懂,我們都喜歡上他的課!
于是,兩個學(xué)校開始想方設(shè)法地爭奪這位曾經(jīng)求職無門的老師。蘇黎世把他的工資漲了 1000 法郎,達(dá)到 5500 法郎。布拉格大學(xué)把他定為首選,并向維也納教育部遞交報告,普朗克這時又添了一把火,寫了一封熱情洋溢的推薦信,推薦信里對愛因斯坦的評價,可以看出普老師的眼光真不是蓋的,他說相對論“在膽識上可能超出了思辨科學(xué)到目前為止已取得的一切成就……給我們對世界的認(rèn)識帶來了一場革命,只有哥白尼帶來的革命可與之比肩……與之相比,非歐幾何只算小兒科!边@是普老師在不承認(rèn)光量子貢獻(xiàn)的情況下所作出的評價,如果他認(rèn)識到了,評價還會更高。
然而,搞笑的是,維也納教育部對布拉格大學(xué)的報告、物理泰斗普朗克的推薦都不感冒,因?yàn)閻垡蛩固故仟q太人,不是奧地利人,所以教育部把奧地利人古斯塔夫 • 堯曼列為了一號人選,愛因斯坦只排第二。
赤裸裸的種族歧視有沒有?
不過,更搞笑的是,當(dāng)古斯塔夫發(fā)現(xiàn)自己一號人選的名額不是實(shí)至名歸的,就不爽起來,他氣憤地說,既然愛老師因?yàn)闃I(yè)績更大被列為了首選,那么,我才不會去一所只知道趕時髦、不論是非的學(xué)校呢!
一號人選古老師甩袖而去,二號人選愛老師也沒那么順利入職,因?yàn)樗紱]有宗教信仰,但當(dāng)時的奧匈帝國政府要求全民信教,并且必須加入奧匈帝國國籍才能在帝國工作,你啥教也不信,就不要來俺們奧匈帝國了!這時愛因斯坦的情商已經(jīng)提高了不少,他答應(yīng)在信仰欄里填上“猶太教”,也答應(yīng)加入奧匈帝國的國籍,但有個條件,他要雙國籍,也就是保留瑞士國籍。這樣,大家就都滿意了。
1911 年 1 月,愛因斯坦被布拉格大學(xué)授予理論物理學(xué)教授,是正的哦,不光學(xué)界地位明顯提高,工資也翻了一番,可謂名利雙收。
這年春天,德國著名物理學(xué)家、熱力學(xué)第三定律的提出者能斯特來到布魯塞爾,經(jīng)朋友介紹認(rèn)識了一位熱愛科學(xué)的老板索爾維。索爾維夢想當(dāng)科學(xué)家,但沒成功,卻發(fā)明了制造蘇打的新方法,后來,他用這個專利辦了個廠子,一不留神就發(fā)了財。但經(jīng)營天才索老板并沒忘記自己的科學(xué)夢,他喜歡和科學(xué)家在一起聊科學(xué)。能斯特立即表示,土豪我們做朋友吧,咱可以召集一些物理大牛,來探討科學(xué)的前沿問題!索爾維聞言甚是歡喜。兩人一拍即合,傳說中的索爾維會議就這樣開起來了。
1911 年 10 月,第一次索爾維會議在布魯塞爾勝利召開,與會者名單上都是像龐加萊、洛倫茲、普朗克、愛因斯坦、盧瑟福這些如雷貫耳的名字。洛倫茲當(dāng)選為索爾維會議的主席,他德高望重,學(xué)識淵博,口才討喜,還會幾門外語,深受擁戴。會議認(rèn)真討論了包括量子在內(nèi)的既定議題,雖然沒有直接解決量子困惑,但科學(xué)家們再也無法回避量子了。
你信,或者不信,量子就在那里,它已經(jīng)站在了科學(xué)的最前沿。
小愛戲稱這是一場“巫師盛會”。這次會議雖然沒有給量子論一個明確的結(jié)果,但它對后來事件的影響是深遠(yuǎn)的、巨大的。此后,物理學(xué)界發(fā)生的重大事件將時不時地跟索爾維會議扯上關(guān)系。
雖然盧瑟福那時已經(jīng)大名鼎鼎,但在那個會議上,他只是個醒目的男 N 號;氐铰鼜厮固卮髮W(xué)后,他的同事給他介紹了一位年輕人:尼爾斯 • 玻爾。盧瑟福向玻爾轉(zhuǎn)播了索爾維會議的實(shí)況,找不著主攻方向的玻爾聽得如醉如癡, 由此, 他的生命軌跡畫出一道優(yōu)美有力的弧線 —玻爾轉(zhuǎn)向量子力學(xué)那片廣闊而神秘的彼岸,然后,璀璨的光芒照亮了整個夜空。
這次大會配備了兩名書記員,其中一個是身世顯赫的莫里斯 • 徳布羅意公爵,他很高興來這個國際物理大腕云集的會上跑龍?zhí),還把他 19歲的弟弟路易 • 徳布羅意帶到了布魯塞爾,每天散會后,莫里斯就向弟弟轉(zhuǎn)播大會實(shí)況。大會閉幕后,他還把會議記錄帶回家給弟弟看,路易看后,扔掉了選修的歷史書,換成了物理書。后來,他為量子論帶來了第一縷陽光。
在這次索爾維會議上,愛因斯坦入圍“八強(qiáng)成員”。他帶來的是“論比熱容問題的現(xiàn)狀”。這是他 1906 年的研究成果,是繼光電效應(yīng)之后的又一場漂亮仗。
什么是“比熱”? 18 世紀(jì),蘇格蘭物理學(xué)家布萊克發(fā)現(xiàn),相同質(zhì)量的不同物質(zhì)上升到相同溫度,所需的熱量不同,于是,他提出了“比熱容量”的概念,昵稱“比熱”。說白了,就是 1 千克物質(zhì),升高 1℃需要多少焦耳熱量。這個值就是那個物質(zhì)的比熱。每種物質(zhì)都有自己的比熱。
1819 年,法國化學(xué)家杜隆和物理學(xué)家帕蒂給各種固體加熱,從得到的數(shù)據(jù)堆里,他倆發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律:物質(zhì)的原子量乘以比熱,積是個常數(shù)!
這說明什么?說明所有簡單物體的原子,都具有相同的比熱!這意味這什么?意味著只要你測出物質(zhì)的比熱,就知道了它的原子量!
雖然又是個經(jīng)驗(yàn)定律。但這是個很好用的經(jīng)驗(yàn)定律。不過,這個定律用著用著就不好用了。因?yàn)橛行┍容^輕的家伙,原子熱就比其他物質(zhì)小一點(diǎn)點(diǎn)。
1872 年,小愛的老師韋伯一通實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),物質(zhì)降溫到一定程度,比熱也會降低。現(xiàn)象,很簡單,但規(guī)律,韋伯搞了十幾年也沒搞清楚。后來,韋伯老師在課堂上提到這個問題,那節(jié)課,小愛恰好沒什么事干,于是沒曠課。
1906 年的某天,愛因斯坦忽然想起這碼事,于是,他把量子引入公式,推測道:只要溫度夠低,所有固體的比熱將隨溫度的下降而顯著下降。愛因斯坦對固體比熱的解釋引起了能斯特的注意。因?yàn)槟芩固貫榱藱z驗(yàn)第三定律有多靠譜,搞了個艱苦的工作:低溫比熱實(shí)驗(yàn)。他埋頭苦干了三四年,直到 1910 年 2 月,實(shí)驗(yàn)結(jié)果才見了光。
能斯特把實(shí)驗(yàn)結(jié)果拿來與愛因斯坦的理論一對照,符合得竟是極好的!他點(diǎn)評道:“我相信,沒有任何一個人,經(jīng)過長期實(shí)踐,獲得了對理論的可靠驗(yàn)證后,當(dāng)他再來解釋這些結(jié)果時,會不被量子論的強(qiáng)大邏輯力量所折服,因?yàn)樗幌伦泳统吻辶怂谢締栴}。”愛因斯坦的這個成果,又給量子論提供了一個有力的支持,同時,還給量子論拉來了一個同盟:能斯特。
在索爾維會議上,愛因斯坦把比熱問題放到量子問題的大背景下來討論,引起了洛倫茲、普朗克、龐加萊等一大波大腕的質(zhì)疑,他回應(yīng)道:必須搞好波和粒的關(guān)系,我們需要麥克斯韋方程,也得承認(rèn)量子假說。
但他的意見并沒有得到大多數(shù)人的重視。
第一次索爾維會議并沒給愛因斯坦留下什么好印象,因?yàn)樗l(fā)現(xiàn),面對物理學(xué)危機(jī),大家大部分時間都在為美麗的舊世界哀嘆,而不是解決問題,“就像在耶路撒冷廢墟上的哀歌”。
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