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2013-04-16 09:29:23 1905年，爱因斯坦横空出世，以六篇极具原创性和颠覆性的论文彻底改变了现代物理学的面貌，其中更包括了相对论。《上帝掷骰子吗：量子物理史话》的作者曹天元说，这一年，已然成为公认的物理史上的“奇迹年”，与属于牛顿的另一个奇迹年1666年相比，更富“奇迹”色彩。 问：您在《上帝掷骰子吗：量子物理史话》中说，1905年是个奇迹年，为什么会这样说？ 曹天元：1905年是物理史上最伟大的年份之一，也是爱因斯坦一生中最光辉的时刻。“奇迹年”并不是我的发明，事实上，绝大多数科学史书籍和爱因斯坦的传记都采用这种说法。 所谓“奇迹年”（拉丁文annus mirabilis），本来是形容牛顿在1666年的贡献。那一年，牛顿回到乡下老家躲避瘟疫，结果，在这段日子里，他单枪匹马发明了微积分，完成了光分解的实验分析，据说还因为看到一个苹果从树上落地，从而获得启发，对万有引力定律进行了开创性思考。换句话说，短短的一年时间，牛顿就为数学、光学和力学三大学科奠定了最重要的基础。任何人只要毕生之年完成三样中的一样，就足以厕身历史上最伟大的科学家之列。这样的壮举，确实令人瞠目结舌，可以说是前无古人，甚至在相当长的一段时间里，人们都以为不会再有来者了。 然而，爱因斯坦在1905年横空出世，极为戏剧性地打破了这种想法。那一年，还是专利局小职员的他连续发表了六篇论文，彻底地改变了现代物理学的面貌—— 3月18日，《关于光的产生与转化的一个试探性观点》（第一篇）； 4月30日，《分子大小的新测定法》（第二篇）； 5月11日，《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》（第三篇）； 6月30日，《论运动物体的电动力学》（第四篇）； 9月27日，《物体的惯性同它所含的能量有关吗》（第五篇）； 12月19日，《关于布朗运动的理论》（第六篇）。 这六篇论文，构成了1905这个奇迹年的全部，在科学史上可谓鼎鼎有名、如雷贯耳，甚至还有个专门的说法叫做“奇迹年论文”（annus mirabilis papers）。
1905年爱因斯坦在专利局办公桌旁 问：这样说来，奇迹是因为爱因斯坦发表的论文。您能否详细谈谈这些论文对未来的科学发展以及人类科学史的意义？ 曹天元：上述这六篇论文，按研究方向划分，可以分为三类。首先，是分子测量和布朗运动方面的工作，即奇迹年论文中的第二、第三和第六篇。今天大家都知道，物质是由原子和分子组成的，但在1905年情况却非常不同。当时，原子和分子模型虽然早已被提出，但在科学界却依然只是一种假说。原因很明显：分子太小了，从没有人见过它们。那个年代流行的是实证主义，以马赫为首的一批科学家和哲学家认为，如果某种东西从来没有被观察到，那谈论它又有什么意义呢？ 因此，如何实际证明和测量分子的存在，就成了一个很重要的问题。爱因斯坦对这个问题一直很感兴趣，之前也曾经发表过几篇关于分子测量的论文。奇迹年论文的第二篇，就是他利用流体力学中的技巧，试图测量液体中分子大小的一篇文章。在六篇奇迹年论文中，这篇的名气恐怕是最小的，但“实际意义”却最大——它是爱因斯坦的博士论文，为他赢得了博士学位。 此后，爱因斯坦的注意力就转到了布朗运动上。所谓“布朗运动”，是英国植物学家布朗发现的一种现象，当你用显微镜观察悬浮在水中的花粉时，会发现这些花粉似乎永远都像无头苍蝇一般，左摇右晃，看似随机地四处乱动。这种不规则运动，后来就被称作布朗运动。 为什么会产生布朗运动？它的根源是什么？人们在很长一段时间里都迷惑不解，也曾提出过许多不同的假设。但直到十九世纪八十年代，一些科学家才提出这样的想法——布朗运动实际上是分子运动的结果。花粉在水中受到来自四面八方的水分子的不停推搡，因此被推得“东倒西歪”，看上去就似乎在做无规律的曲折运动。 爱因斯坦敏锐地想到，如果这种假设是正确的话，那么，虽然分子本身以当时的技术是观察不到的，但我们完全可以从花粉的运动中，反推出分子的种种性质来。不妨想象这样一个场景：在黑夜的广场上，有一大群喝得烂醉的醉鬼。广场上没有灯，而每个醉鬼都穿着黑衣服，于是我们什么也看不见。突然，一个穿白衣服的人跑进了广场。这时会发生些什么呢？显然，这个可怜的人会时时刻刻遭到来自各个方向的醉鬼的碰撞，被推得趔趔趄趄，走路也七歪八扭。爱因斯坦的意思就是，虽然我们一个醉鬼也看不见，但只要仔细研究这个穿白衣的人的行为，完全可以推算出这个广场上到底有多少醉鬼，每个醉鬼平均有多壮，或者两个醉鬼之间的平均距离是多少……显然，在这里醉鬼就是分子，白衣人就是花粉，通过对花粉的布朗运动的研究，也可以给我们打开一扇通往原子和分子世界的大门。 这就是奇迹年论文中第三篇和第六篇的主题。当然，论文的具体细节这里没必要展开，总之，爱因斯坦通过研究布朗运动，给出了具体的测算分子质量以及阿弗伽德罗常数的方法，后来，这由其他科学家进行的具体的实验以及计算，成为证实分子论的有力武器。原子和分子的假设可说是现代科学的基础之基础，费曼曾经说过，假如发生了某种灾难，所有的科学知识都丢失了，只允许留一句话给后人，这句话应该是：物质是由原子组成的。这一假设的真实性得到证明，意义可想而知，而爱因斯坦就是其中最重要的指路人之一。 上面三篇是第一类，关于分子论和布朗运动。第二类论文则是关于光电效应的，只有一篇，就是奇迹年发表的第一篇论文。当时，光是一种电磁波的认识早已根深蒂固。而当光照在金属上时，它会从金属表面打出一些电子来，这就叫光电效应。但研究光电效应的时候，有一个令人头痛的问题：如果光是一种波，那么光电效应中的一些现象就怎么也解释不了。 爱因斯坦大胆地指出，在光电效应中，只有假设光是一种“能量子”，是离散地作用在金属表面上的，才能解释实验中所观察到的种种现象。这个假设听起来简单，在当时可谓石破天惊。因为光是一种波，这是麦克斯韦电磁理论的自然推论，你现在把它推翻，那等于是和麦克斯韦理论对着干。 那个时候，恐怕没几个人会想到，这篇论文点燃了二十世纪最伟大的两场物理革命之一——量子论革命的导火索。从大胆和创新的意义上来说，这是六篇论文中最革命的一篇，甚至超过了相对论（爱因斯坦自己的评价）。它为爱因斯坦赢得了诺贝尔奖。 最后，第三类论文，自然涉及爱因斯坦最为人熟知的领域：相对论。相对论分狭义和广义，1905年的两篇论文（第四篇和第五篇）做的是狭义相对论，这个大家可能平时在科普中看到过不少，什么接近光速时能使尺子变短、时间变慢之类，我也就不多说了。作为一门全新的运动学，相对论建立在两个基础假设之上，即相对性原理和光速不变原理，这在奇迹年的第四篇论文中明确提出过，而第五篇论文则进一步做了说明，值得一提的是，其中还提出了一个或许是有史以来最有名的公式：E=MC2。 如果说原子论是科学的基础，那么，相对论和量子论则是现代物理学的两大基本支柱。在1905年，爱因斯坦一个人同时吹响了这两大革命的号角，为两个理论分别奠定了根基，这实在是非常了不起，可以说是科学史上的传奇。1905年的这六篇论文，三个研究领域，每个领域的成就无疑都该得一个诺贝尔奖，也就是说，这一年的工作至少该得三个诺贝尔奖。加上后来的广义相对论，爱因斯坦一生至少应该有四个诺贝尔奖，其中三个都是1905年的工作。不过，他只因为光电效应的工作拿了一个。当然，爱因斯坦的历史地位也无需用诺贝尔奖的数量来衡量了。 问：您曾经提到，相对论的意义是不是诺贝尔奖所能评价的，还很难说。为什么会这样说？ 曹天元：你只要这样想，相对论是和量子论齐名的二十世纪两大物理理论，量子论的创立史上群星璀璨，少说也有二十来人因此拿了诺贝尔奖。而相对论的故事则更像是爱因斯坦的个人传奇，要是对等一下的话，岂不是说爱因斯坦一个人就应该为此拿二十多个诺奖？ 不过在名气上，相对论似乎完爆量子论。让一个普通人列举二十世纪的科学理论，恐怕百分之九十九的人都会第一个说出相对论，而知道量子论的人却少得多。虽然爱因斯坦也曾为量子论的诞生做出了不小的贡献，但人们总是更愿意把他和相对论联系起来。显然，爱因斯坦和相对论已经在公众中被永远地关联在了一块，日积月累，两者的名气大概也互相叠加了好几倍。 话又说回来，科学有时候也是需要这样的“标签”的，正如说到巴黎就想到埃菲尔铁塔一样，说到“科学理论”就想到相对论，我们就当它是一个“科学代言人”的角色吧。 问：同样是“奇迹年”，爱因斯坦的1905年与牛顿的1666年有可比性吗？两者孰轻孰重？ 曹天元：关公战秦琼一向是读史者最爱做的事情之一，但牛顿的成就确实是很难挑战的。这与个人才华无关，牵涉的是历史地位的问题。在科学启蒙的时代，牛顿是一个开天辟地的角色。牛顿的1666年，往小了说是给力学、光学、数学打下了基础，往大了说，几乎就是搭起了整个现代科学的架构。而爱因斯坦站在牛顿的肩膀上，至多只能是改良和翻新前辈留下的学说，任你技巧高出一万倍，这个地位总是超不过去的。 不过，从创造奇迹的“难度”上说，我觉得爱因斯坦更胜一筹。首先，牛顿的事迹有些模糊，据科学史家研究，他的一些成就其实并不是在1666年中做出的，而是1665年，而关于万有引力定律的争论则更是一个长久的话题。大多数人认为，1666年的牛顿对此只有非常基本的认识，绝大多数工作都是后来做的，自然也就不能算在奇迹年里。相比之下，爱因斯坦的论文斑斑可考，毫无争议。 其次，牛顿时代的科学研究还未成形，竞争者也极少，有大片未开发的荒芜领域。而在爱因斯坦的年代，人们认为物理学已经被研究得彻彻底底，再也没有什么角落遗漏了，不要妄想做出什么大的突破，而爱因斯坦硬是在这样的背景下掀起了两大革命。因此，牛顿的成就固然伟大，但并不让人意外，而爱因斯坦的事迹就让人拍案称奇了。 最后，从当时两人的生活状况来看，牛顿在大学里任职，本来就是专门做研究的，而且，他在乡下老家躲避瘟疫，环境清静，心无旁骛。而爱因斯坦压根就不是“专业研究人员”，他的正职是伯尔尼专利局职员，研究物理是他的“业余工作”。他当时刚毕业不久，有妻有子，四个人（包括他的妻弟）挤在一间不到三十平方米的公寓中，收入又极微薄，不得不一直搬家（相对论的论文就是在搬家后的一个月发表的）。家庭、经济、事业的压力之大可想而知，在这种生活条件下，做出堪称奇迹的成就，似乎比牛顿要更“牛”一些。 总之，牛顿的奇迹年更“伟大”，而爱因斯坦的奇迹年更“奇迹”，我是这么认为的。
牛顿 问：当时的爱因斯坦，在专利局中以笔和纸就完成了这些不可思议的工作。那么，在科学高度发达的今天，乃至未来，还会不会出现这种富有传奇色彩的个人英雄主义行为？ 曹天元：正如前面所说，爱因斯坦的成就不是在大学，而是在专利局中完成的，许多“民间科学家”因此特别喜欢爱因斯坦，总幻想自己也能成为爱因斯坦第二（尽管爱因斯坦本人是正规大学物理系科班毕业的学生）。不过，爱因斯坦的时代和今天又有了很大的不同，哪怕在理论研究领域，“单打独斗”的情况已经很少见了，更不要说这种基础性的突破。 造成这种状况的因素有许多。首先当然是现代科学的高度发达，各个领域已经是如此的细化，以致一个人穷尽一生，能够研究透一个分支中的某个具体问题已经很不容易，更谈不上同时在几个方向上取得颠覆性的成就。 其次，专业科学家的数量发生了几何级的增长，导致“科学竞争”前所未有的激烈。在1905年，狭义相对论诞生的条件其实已经非常成熟了，提出这个理论并不需要太高明的才华。假如爱因斯坦当时面临的是如今这样庞大的研究者群体，他是否还能第一个提出狭义相对论，那就不好说了。 最后，如今的研究早已不是一支笔一张纸就可以完成的了，所需要的人力物力数目庞大，资金动辄上千万，这不是一个人所能做到的。比如前一阵发现的希格斯玻色子，为了证实这个东西，光建造加速器就是四十亿美元，别说个人，哪怕是一个国家都承受不起，只得展开合作。事实上，今天的教授与其说是研究者，不如说是团队项目经理，像爱因斯坦那种个人作坊式的研究不能说没有，但可以说数量极少，而且绝不会出现在最基础、最热门的领域里。 所以说，未来要再出一个爱因斯坦那样的人物，难度恐怕不小。即使有，那也应该是以团队领导者的角色出现，而不是个人研究者。这就像在现代战争中，再想要出现以个人武勇而闻名的将军，似乎也不大可能。这本身就说明科学已经取得了翻天覆地的进步，我个人觉得无需为此惋惜。个人英雄主义的故事可以为科学史增添传奇色彩，但科学的魅力，终究还是根植于它的理论之中。 |
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