作者：程鹗1906年，德国慕尼黑大学迎来一位新秀接替早已离任的玻尔兹曼主持理论物理。这位新秀是不到40岁的索末菲（Arnold Sommerfeld），他与普朗克齐名，已经是德国理论物理学界的中坚。 与普朗克类似，索末菲也对爱因斯坦摸不着头脑。1907年夏，他给洛伦兹写信，期望他能系统地为爱因斯坦的新理论指点迷津。索末菲直言，爱因斯坦的论文显示出他是个难得的天才，但他又实在不可理喻，他要建造的是一个“无法解构、无法想象的教条（unconstruable and unvisualizable dogmatism）”，这在科学领域很不健康。索末菲甚至推测爱因斯坦的思维方式是否是因为他是犹太人的本性所使然。当然，索末菲并无种族偏见，他与普朗克、洛伦兹等一样，同样与爱因斯坦建立了频繁的通信联系，成为学术、生活中的挚友。 权威老牌的态度相当一致。无论在公开场合还是私下，他们都对爱因斯坦的光量子理论不以为然，倒是都接受他的狭义相对论，并因之倾慕这个专利局年轻职员的才华。爱因斯坦的声名也因之开始在学术界传开。 1909年3月14日，爱因斯坦度过了30岁生日，进入人生的而立之年。这一年，苏黎士大学（爱因斯坦通过提交论文获博士学位的大学）有一个副教授空缺，他被推荐为候选人之一，只是排名并不靠前。当几位“更合格”的候选人因各种原因出局之后，他的机会仍不容乐观。爱因斯坦做了极大努力，还专门精心准备了一堂授课作为面试，以消除教授们对他教学能力的疑虑。终于过关后，他却发现这个堂堂大学副教授的工资居然还低于专利局的薪酬。经过一番讨价还价，学校勉强同意以专利局同等工资聘请他。 当爱因斯坦向专利局递交辞呈，他的上司听他说是要去大学高就时，不禁莞尔。一个专利局职员转为大学教授可以说是闻所未闻，他觉得爱因斯坦不是在胡编乱造就是被鬼迷了心窍。 从1902开始，爱因斯坦在专利局度过了七年时光，但他的“业余”科研成果却相当惊人，基本上每年都会发表至少五六篇论文。也许，他恰恰是得益于这个特殊环境。在这里，他没有教授们的指手划脚，没有学术界年轻人面临的职场压力，甚至对学界主流的兴趣方向他也不甚了了。相反，他倒自由自在、信马由缰，在物理学各个前沿领域纵横驰骋。 在专利局上班，他经手了大量五花八门的专利申请。其中的绝大多数，他可以一眼看出合不合理，不需要浪费太多时间，一天的工作量一般只需要两小时左右就能完成。剩下的时间他可以像课堂上开小差的学生一样，桌面上铺满的专利文件下藏着草稿纸、演算纸，当有主管过来时才慌忙掩之。 处理申请专利，可以引发爱因斯坦对物理现象的无尽遐思，进入某个“思想实验（thought experiment）”境界。那年头，欧洲各地的钟点尚未统一，给火车运行带来莫大烦恼。他处理过一系列如何在各地火车站之间调准、同步时钟的专利申请，这需要考虑不同地点的时钟、时差因素。他因此产生了思考上的跨越——思考时间背后的奥秘，从而提出了狭义相对论。他的广义相对论也是在专利局就形成了关键性的思想概念。 在专利局那段时间，爱因斯坦还研究了经典热力学和统计物理。他提出的计算“阿伏加德罗常数（Avogadro number）”的新途径，解释了布朗运动……。当然，最让他操心的还是普朗克的能量子和辐射理论。 在与与世隔绝的专利局，他只有一个心地善良、对物理却还是一知半解的好友贝索，虽然可以与之交流，但无法进行对等的讨论。伯尔尼唯一的公共图书馆星期天不开门，这又使得他要查找科学文献非常困难。然而，在进入学术界的梦想成真之际，爱因斯坦倒是苦乐参半。这些年他一直在抨击欧洲的学术体制，痛斥占据教授位置的是一些傻瓜、恶棍，而“我终于也成为那娼妓行会的一名正式成员了（So, now I too am an official member of the guild of whores.）。”他不禁要向朋友自嘲。 他怀念专利局的时光，毕竟在那里他形成了最多漂亮的思想。即使很多年后，他还在称那里是世外桃源般的“世俗修道院”。 1909年的德国科学界年会在奥地利小镇萨尔茨堡召开，普朗克安排爱因斯坦在会议最后一天做主题报告。他离开“修道院”才两个月，还没到苏黎士大学报道成为正式的学术界成员。这是他第一次参加正式的学术活动。 9月21日下午，爱因斯坦步上讲台，翘首以待的一百多名科学家第一次目睹这个神秘青年的风采。到会的除了劳厄，都是爱因斯坦的生面孔，即使与他已经有过多年通信联络的普朗克、索末菲、维恩、鲁本斯等名人大家，也是第一次聚会。 普朗克主持会议，他几乎立刻就产生了一种失落感。因为，他原本希望爱因斯坦利用这个机会综述他已经名闻遐迩的相对论，为其处女秀博个头彩，而爱因斯坦亮出的题目却是《关于辐射本性和组成的观点演变（On the Development of our Views concerning the Nature and Constitution of Radiation）》。这岂不是哪壶不开就提哪壶吗？ 在爱因斯坦看来，辐射——也就是电磁波、光的本性问题，才是当下最重要、最值得研讨的课题。 爱因斯坦先前发表的光电效应论文，他所提出的光量子概念还称不上理论，甚至连假说都算不上，不过只是一个不成熟的“启发性观点”。这观点在过去四年里一直在他脑海中演变、充实，已经越来越成型。 名人大家对光量子说之所以感到奇怪，是因为它与杨氏在1803年用一个简单干涉实验推翻牛顿光微粒说之后的整整一个世纪的理论、实践直接相违，自赫兹之后，普遍认为麦克斯韦电磁理论一枝独秀，是无可辩驳的科学真理。 本来，爱因斯坦在提出光量子的同时，他也强调麦克斯韦理论在光的传播等问题上早已被证实，可能永远不会被取代。他一直寝食不安的难题是：如何理解光在传播时表现为波动，在其它场合光又会表现为粒子。他清楚，这个困扰不解决，不仅不可能说服普朗克等老一辈，量子理论本身也无法自圆其说。 爱因斯坦回顾了这一矛盾，再次指出描述黑体辐射的普朗克定律与麦克斯韦电磁理论不相容。他告诉与会者他四年来一直在寻求一个从麦克斯韦方程推导出普朗克黑体辐射定律的方法，却完全失败了。如果遵循经典理论，必然会导致瑞利-金斯的紫外灾难，但物理现实顽固地宣告，只有普朗克定律才是正确的。 他要反其道而行之。这一年的年初，他已经发表了一篇题为《关于辐射问题的现状（On the Present Status of the Problem of Radiation）》的论文，描述了他的新发现。但该论文视乎没引起人们注意，他要在这个会议上当面阐述。 他的新发现是研究光的压强。 压强是一个基本的物理概念。由原子、分子组成的气体的压强与温度、密度的关系是19世纪热力学的研究热门，到19世纪末，根据玻尔兹曼的统计分布，计算气体的压强已是轻而易举。 经典理论认为波动也有压强。比如声波的压强迫使耳膜震动，才让我们听到声音。作为电磁波的光也应该有压强。我们看到的彗星的长长尾巴，就是它在太阳附近融化、分解的冰粒被太阳光的压强“吹”出来的效果。麦克斯韦方程在预测电磁波的同时，也精确描述了它的压强。 但爱因斯坦奇思妙想的出发点大不一样。他不预先设定光是麦克斯韦的电磁波或者是由光量子组成的气体，只认定黑体空腔中的光满足普朗克定律——这是一个现实。由此出发，他也可以反过来计算光的压强。——一个非常新颖的“反向”思路。 这其实是非常简单的计算。普朗克担心又会出现一个无所适从的、支持光量子的新证据。果然，爱因斯坦展示了一个出乎意料的结果：遵从普朗克定律，光的压强在数学形式上可以由两个独立的项相加而成。 渐入佳境的爱因斯坦像魔术师揭开谜底一样宣布：这两个项各有来历。其中之一来自麦克斯韦方程——按经典波动理论所描述的电磁波压强；另一项则是根据假设电磁波完全是由光量子组成的气体所能产生的压强。二者不是非此即彼，而是同时存在。 他说，如果温度非常高，普朗克定律简化为瑞利-金斯定律，这时光的压强完全来自麦克斯韦方程那一项——光表现犹如波动。反之，如果温度非常低，普朗克定律简化为维恩定律，这时的电磁波的压强则只来自另一项——光表现犹如粒子组成的气体。在这两个极端之间，光可以由普朗克定律描述，光的压强是同时存在的两个项之和。也就是说，光既不完全是波动，也不完全是粒子，而是同时既是波又是粒子。
侯世达（Douglas Hofstadter）所著《GEB：一条永恒的金带》中有的一幅创作趣图：上面为英文“光是一个”，下面则是英文“波（wave）”和“粒子（particle）”的巧妙综合，形象化感叹号喻义出了光既是波又是粒子. 因此，爱因斯坦宣布，普朗克定律说明光在麦克斯韦的波动之外，还同时含有粒子特征。波动和微粒不能再继续被认为是两个互相排斥，水火不相容的特性。他提醒物理学家需要放弃现有的辐射理论，寻找一个新的、和谐的、能包容波动和粒子性质的光理论。这应该是理论物理学下一步必须解决的难题，在对光的本质和组成的认识上，必须有一个根本性的改变。 爱因斯坦对自己的演讲当然很乐观，但在他演讲结束之后，会议主持人做出了相反的回应。普朗克在礼貌地感谢了爱因斯坦的演讲之后，他毫不含糊地表达了反对意见：量子只是在光吸收、发射时的现象，他所谓真空中的辐射、光波本身是由量子组成，那势必导致对麦克斯韦理论的放弃。在普朗克看来，爱因斯坦走得太远，没有必要。 主持人定了基调，在座的其他物理学家也都跟着表示了反对意见。只有年轻的斯塔克例外，他发言支持爱因斯坦的主张。 于是，爱因斯坦在萨尔茨堡小镇的一番“提醒”或者说是挑战，又一次被主流的物理学界束之高阁。 爱因斯坦并非是坚持放弃麦克斯韦理论。在与普朗克的私下通信中，他屡次辩解他不是光粒子的极端主义者，强调他的“光量子”完全不是牛顿微粒说的复活——牛顿的微粒是肉眼看不见的有质量的粒子，遵从牛顿定律，这早已被杨氏和后来无数人的实验否定。在描述光的干涉、衍射等波动特性上，麦克斯韦方程的确是无可替代。 但他清醒地看出，黑体辐射、光电效应等现象暴露了麦克斯韦理论的不足。他的“压强计算”表明现实中的光还具有麦克斯韦方程中缺失的“另一项”，这个缺陷不能被忽视。他的目标是要找到合适的方式推广麦克斯韦方程，使之能同时描述电磁波的波动和粒子特性，让二者和谐共处，同时又可以证明普朗克辐射定律有坚实的理论基础。 那时的爱因斯坦确实很孤立。他与洛伦兹频繁通信，在电磁学中已经浸淫了几十年的洛伦兹也警告他：麦克斯韦方程组是一个极其优美又完整的体系，牵一发而会动全身，很难再添砖加瓦，锦上添花，不然只会是一条走不通的死路。 玻尔兹曼曾惊叹描述电磁现象的麦克斯韦方程组：“难道是上帝写下了这一系列方程吗？” 但英勇的施瓦本人仍然无所畏惧，即使那真是上帝的杰作。 |
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