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愛因斯坦的不滿

當時,有很多學者已經觸摸到了狹義相對論的邊緣。我們前面提到過,洛倫茲與相對論只有一步之遙;另外一位法國數學家龐加萊已經正確地闡述了相對性原理,並推測真空中的光速可能是常數;此外還有與愛因斯坦同時代的奧地利物理學家馬赫,率先向牛頓的絕對時空觀提出了挑戰,堅定地認為不存在絕對空間和絕對運動(可惜在相對論發表後,龐加萊和馬赫卻一直表示反對)。可以說,當時狹義相對論在整個物理界已經呼之欲出,即使沒有愛因斯坦,不超過5年,也一定會有別的「斯坦」發表狹義相對論。但廣義相對論就不同了,它幾乎是愛因斯坦一個人潛心修煉的成果,如果沒有愛因斯坦,我們可能今天還在等待這個理論。在一本美國人寫的科學史書中,廣義相對論被評價為「這無疑是人類歷史上最高的智力成就」。你有點迫不及待地想知道了吧?這事還得從頭說起。

我們的故事要從……(讀者:不會吧,又要講四百多年的歷史?)要從1905年開始講起(讀者:還好,嚇死我了!),讓我們再次回到瑞士的伯爾尼,還是那家專利局,故事的主角自然還是愛因斯坦,故事的配角仍然是我們的局長大人哈勒先生。話說愛因斯坦申請二級專利員被駁回後,一直對局長有些耿耿於懷,他有些不服氣:自己已經憑借《分子大小的新測定法》順利取得了博士學位(這篇論文是奇跡年5篇論文中的第2篇,據後人統計,愛因斯坦一生的所有論文中,這篇論文被引用得最多),可是卻連二級專利員都沒能批下來,太不尊重人才了吧,此處不留爺自有留爺處。對學術圈充滿情懷的愛因斯坦開始申請伯爾尼大學的物理系講師,準備跳槽,然而申請卻被拒絕了(此後他堅持不懈地申請了3年,直到1908年,終於獲得了一個編外講師的職位)。既然大學講師當不成,愛因斯坦又試著去申請蘇黎世中學的教師職位,沒想到這也沒有成功,只好繼續幹著專利員的工作。

這一天,哈勒又走進了愛因斯坦的辦公室,笑嘻嘻地對愛因斯坦說:「小愛啊,最近怎麼樣?又有什麼新想法了沒?」

愛因斯坦:「最近很不好,很多事我想不通。」

哈勒:「耐心點嘛,小愛,明年,明年一定提升你。」

愛因斯坦:「我想不通的不光是這件事情。」

哈勒:「還有什麼事?」

愛因斯坦突然意識到自己說漏了嘴,自己準備跳槽去申請伯爾尼大學講師的事情怎麼能讓局長知道呢?得趕緊想辦法繞開去,愛因斯坦急中生智,說道:「慣性系!因為慣性系!」

哈勒:「什麼意思啊?」

愛因斯坦:「我前不久告訴你的相對性原理你還記得不?」

哈勒:「記得啊,不就是在任何慣性系中,所有的物理規律保持不變麼?我覺得很深刻,很偉大啊,這又怎麼了?」

愛因斯坦:「所有的物理規律為什麼只在慣性系中才維持不變呢?我們的生活中根本不存在真正的慣性系啊,所有的運動沒有一個是理想中的勻速直線運動,你能給我舉出一個真正的慣性參考系的例子嗎?」

哈勒想了想:「我們就用大地做參考系,這總是慣性繫了吧?」

愛因斯坦:「顯然不是,別忘了我們的地球是以10.8萬千米的時速,繞著太陽做著圓周運動的,勻速圓周運動是一種加速運動,產生加速度的力就是太陽對地球的引力。速度是有方向的,哪怕速度的絕對值不變,只要方向在不停地變化,就是一種加速運動。所以,我們的大地根本就不是慣性系。」

哈勒恍然大悟:「想想還真是這樣,我們身邊一個慣性系也找不到。」

愛因斯坦:「慣性系實在是太特殊了,上帝這個老頭子不應該這麼偏愛根本不存在的慣性系嘛。我們在慣性系中總結出來所有公式,其實根本不能解決實際問題嘛,最多只能求出一些近似值而已,你如果想求出點精確值,馬上就會遇到加速度這隻怪獸。」

哈勒:「那我們乾脆就不加慣性繫了,直接說在任何參考系裡面物理規律不變,一了百了,哈哈哈。」

愛因斯坦:「哈你個頭啊哈,說得倒是輕巧,可怎麼個不變法呢?比如你坐在電梯裡面,電梯加速上升的時候,你拋起一個小球,這個小球的落地時間就會跟電梯勻速上升時不一樣。顯然,在這個參考系裡面,物理規律變了。」

哈勒:「我只是隨便說說,隨便說說,你別認真嘛。」

愛因斯坦:「但從內心深處來說,我又認為你說的是對的,物理世界應該是民主平等的世界,各種參考系都應當眾生平等,慣性系不應該在這個世界中具有特權,憑什麼慣性系的地位就那麼特殊呢?」

哈勒見今天問不出什麼新鮮玩意兒來,也就走了。

在此後差不多接近兩年的時間裡,愛因斯坦都被這個問題折磨得茶飯不香。不過到了第二年,也就是1906年,哈勒局長果然沒有食言,愛因斯坦升為二級專利技術員,薪水福利都漲了。又只過了一年,到了1907年,愛因斯坦再次升職,這次升到了一級專利員,同時愛因斯坦還擁有了更寬敞的辦公室和更舒適的椅子,這下愛因斯坦的心情好多了。雖然看起來偉大的靈感往往來自於一些偶然發生的小事,但其實偶然中蘊含著必然。某些書裡說一隻蘋果砸到了牛頓的頭上,讓他得到了萬有引力定律,這種故事雖然真實性經不起推敲,但確實讓人覺得很浪漫、很令人神往。有些書裡說有一次愛因斯坦看到一個工人從房頂上摔下來,讓他靈光閃現,解決了困擾他兩年的疑惑,這個故事不但不浪漫也經不起推敲。愛因斯坦自己說過,當他想到那個絕妙的點子的時候,他是坐在椅子上的。當時的情況是這樣的(別問我是怎麼知道的):愛因斯坦午後抽完一支煙,舒服地半躺在椅子上,不知不覺就進入了夢鄉,他做了一個噩夢,當他從噩夢中驚醒的時候,萬萬沒有想到,這個噩夢卻造就了他「一生中最快樂的想法」。