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第6章 兩朵烏雲

阿勞中學的生活是愉快的,愛因斯坦同學以前在德國上中學的日子太憋屈了,還是在瑞士過得比較有收穫。時間過得真快,終於迎來了高考的日子。蘇黎世工學院的老師對他還不錯,法文考得比較差,但也算過關了,愛因斯坦如願以償,進入大學深造。放棄德國公民權的手續,也委託了親戚去辦理,他終於可以不當德國人了。不過填寫的表格材料上有一點跟以前不一樣:宗教信仰那一欄寫著「無」,愛因斯坦這輩子跟神仙再也沒什麼瓜葛。他放棄了德國國籍,瑞士國籍還沒申請,就這樣成了黑戶。好在瑞士政府並不驅趕盲流,有沒有國籍並不重要,只要到居民管理部門登記一下就可以了。沒國籍不能當公務員,愛因斯坦也不惦記,人家只求在蘇黎世工學院上學。

蘇黎世工學院那時候主要是培養工程師的,只有在師範系有純科學類專業。那時候上大學的人很少,整個大學也僅僅有一千人。愛因斯坦學的這個專業一共收了十名學生。愛因斯坦驚奇地發現,班上居然還有一個女生,叫米涅娃,那個年代上大學的女學生非常稀少,學習理工科的女生就更少。當時的蘇黎世工學院是個普通的學校,沒有授予博士學位的權利,有教授頭銜的人也不多,那年頭教授頭銜是很金貴的,不像現在一抓一大把。愛因斯坦的老師裡面,有一位挺有名氣,叫做閔可夫斯基。這位閔可夫斯基教授從小也是遠近聞名的神童,他的兄弟幾個也都是神童。他原本住在立陶宛,後來跑到了東普魯士的柯尼斯堡。家門前有條小河,河對面也出了一位大數學家叫「希爾伯特」,這幾位在相對論的發展史上都有重要的貢獻。

閔可夫斯基老師發現,愛因斯坦怎麼總是翹課啊?一點名就不在。愛因斯坦的同班同學並不多,老師一眼就可以看到誰沒有來,想矇混過關難如登天。閔老師總是問:「格羅斯曼,愛因斯坦哪兒去啦?」班長格羅斯曼一搖頭:「不知道哪兒去啦。」閔老師說:「你不跟他關係很好嘛?叫他別老翹課啊!」不僅僅是閔可夫斯基,愛因斯坦跟不少老師關係都不好。物理教授韋伯是個電工學家,尤其不喜歡愛因斯坦這個學生,覺得這孩子怎麼老是問一些莫名其妙的問題。他老是打聽麥克斯韋的電磁學理論,可是韋伯教授是個老派的學者,他對最新的麥克斯韋電磁學理論並不熟悉,也沒有興趣,上課的時候他也不講麥克斯韋的東西。

每當到了考試的時候,愛因斯坦就顯得手忙腳亂,畢竟很多課都沒怎麼聽啊。他只有厚著臉皮跟米涅娃借閱課堂筆記,順便跟米涅娃套近乎,一來二去的,米涅娃就成了他的女朋友。他抓過米涅娃的筆記就突擊學習,一般的考試還都能對付過去。可是到了期末大考,米涅娃的筆記就不夠用了,因為她自己學得也不是太出色,筆記整理得並不是很好。愛因斯坦只好求助於好友格羅斯曼,這個格羅斯曼是班上的學霸,每門功課都是數一數二的,有他幫忙,愛因斯坦的考試總是有驚無險順利過關。格羅斯曼家境殷實,父親人脈關係很廣,格羅斯曼天分也高,而且人緣頗好,老師都喜歡這種聽話的孩子。格羅斯曼跟愛因斯坦是好朋友,愛因斯坦就喜歡跟他聊天,天南海北地胡侃,在咖啡館裡一泡就是一個下午。米涅娃坐在一邊靜靜地看著這兩位討論問題,一臉的不解之色,她的思維早就被兩位天才給甩出去好幾條街了。

當時,兩人聊得最多的是一個叫馬赫的哲學家提出的觀點,牛頓認為是有絕對的時空觀的,可是這個馬赫不認賬。馬赫認為絕對的時空並不存在,一切都是相對的。這個馬赫在空氣動力方面還頗有建樹,速度與當地音速之比稱為「馬赫數」,我們聽見航空界常說的2馬赫、3馬赫就是2倍音速、3倍音速的意思,就是為了紀念馬赫的貢獻。反正愛因斯坦很喜歡馬赫的觀點,經常跟格羅斯曼討論個沒完沒了,米涅娃只好一頭霧水地在旁邊陪伴。此外,愛因斯坦還認識了一位好朋友叫貝索,他們的友誼維持了一輩子。這位貝索先生在機緣巧合之下,一不留神就名垂物理學史,這是後話按下不表。

大學時光就這麼一天又一天地過去了,愛因斯坦總是沉浸在大量的圖書之中,物理學、哲學類書籍是他的最愛,最新的各種理論各種思想也總引起他深深的思考。愛因斯坦在蘇黎世工學院過得比較悠閒自在,上課也有一搭沒一搭的。韋伯教授的課他不喜歡,閔可夫斯基的課他也聽得不多。對於數學這種東西,他一直就當做一個工具來對待,工具夠用就可以了,完全犯不上學那麼多數學知識。況且數學分科極細,很多犄角旮旯的學問都夠人研究一輩子。愛因斯坦把心思都集中在了理論物理上,電磁學、以太,這些才是他的最愛,他畢竟是電氣工廠裡面長大的孩子。不過,世事難料,不久以後他就為自己輕率的翹課行為追悔莫及。閔可夫斯基這麼好的老師的課不聽,那是多虧本的一件事兒啊!與大師相伴本身就是最好的學習,這些高人可以開闊你的眼界,擴展你的知識面。數學夠用就可以?愛因斯坦的經歷充分說明了,他的數學水平是真不夠用,因為他的理論需要用到當時非常偏門的數學工具。後來愛因斯坦不得不突擊惡補數學知識,好多次求教好友格羅斯曼。格羅斯曼後來成了一名出色的數學家。

1900年是個世紀之交的年份,從十九世紀邁進了二十世紀。這也是不平凡的一年。這一年正值中國農曆庚子年,義和團圍攻東交民巷使館區,打得不亦樂乎,一不留神,把德國公使克林德給打死了。那歐洲列強豈能善罷甘休?組織八國聯軍打進北京,鑒於德國人是苦主,八國聯軍公推德國陸軍總參謀長瓦德西瓦大帥為總司令。慈禧光緒嚇得一溜煙兒跑去了西安避難,一路上狼狽不堪,等到瓦大帥從德國不遠萬里來到中國,仗早打完了。瓦大帥得意洋洋地住進了中南海儀鸞殿,跟奕劻和李鴻章展開了一輪又一輪的討價還價。大清國喪權辱國,賠償白銀四億五千萬兩,折合一人一兩。如此屈辱,怎一個慘字了得。

亞歐大陸這一端的大清王朝已經進入了生命的倒計時階段,另一端的歐洲卻是一派欣欣向榮的景象:世界博覽會四月份就要在巴黎開幕,到時必定是冠蓋雲集;五月份巴黎還要舉辦夏季奧運會,運動健兒也將來到賽場一展身姿;北歐的瑞典政府批准設立諾貝爾基金會,日後這個名字將響徹全世界,無數科學家將以獲得諾貝爾獎為最大榮耀。不過,此時此刻在瑞士蘇黎世,毛頭小伙子愛因斯坦最大的任務還是找工作,因為——他失業了。

愛因斯坦成了「蘇漂」,一天到晚到處遊蕩。他徹底成了「四無」人士:無工作,無房,無錢,外帶無聊,每個月就靠親戚們從意大利寄錢給他過活。他焦急萬分地到處投寄明信片,希望能在大學裡弄個助教的職位幹幹,他還是喜歡在學術部門工作。現在學生畢業求職都要打印一大堆簡歷到處送,那個年代還沒有這種先進的工具,也沒有招聘求職網站幫助年輕人就業,凡事只能靠郵政系統。愛因斯坦搞了一堆明信片,寫上求職意向,統統寄出去,然後就石沉大海,沒有了任何消息。

愛因斯坦一邊求職,一邊準備博士論文。愛因斯坦那個時代,只要論文合格,就可以獲得一個博士的學位。愛因斯坦寫了一篇有關毛細管的論文,題目叫《由毛細管現象得到的推論》。這一年愛因斯坦就在一邊寫論文一邊求職等回信中度過了。第二年,論文在萊比錫的《物理學雜誌》上發表,沒多久,愛因斯坦便獲得了數學教師的證書,也就是說,上講台教課的資格是到手了。

此時,在海峽對岸的英國,德高望重的開爾文勳爵在皇家學會的大會上做了一次頗有展望意味的發言。開爾文勳爵對自己的發言感到很滿意,於是就記錄下來發表了。這篇文章的題目是《在熱和光動力理論上空的十九世紀的烏雲》,發表的時候加了大量的資料。文章開宗明義就說了,動力學理論斷言,熱和光都是運動方式,但現在,這一理論的優美性和明晰性都被兩朵烏雲遮蔽,顯得黯然失色了……

開爾文老爺子繼續提出了自己的意見,光的波動理論已經被菲涅爾和托馬斯·楊的實驗證明了:假如光是在以太這種東西裡面傳播的,那麼地球是如何穿過以太而沒有絲毫察覺呢?這便是第一朵烏雲。第二朵烏雲,那便是有關麥克斯韋-玻爾茲曼的能量均分學說的。

對於第一朵烏雲,開爾文勳爵寫到,按照菲涅爾的思想,他是這麼解釋的:地球對於以太來講可以毫不費力地穿過去,對以太只有部分拖動的效果。可是邁克爾遜和莫雷的實驗完全檢測不到這樣的現象,以太相對於地球一動也不動。我看他倆的實驗很嚴謹很精密,無懈可擊,這該如何解釋呢?斐茲傑惹和洛倫茲雖然做出了收縮假設,但是這樣一個收縮假設已經動搖了以太的地位。因為假如收縮假設成立,那麼我們就失去了任何測量以太存在的手段,換言之我們根本無法測量以太。一個不能測量的東西,到底有多少必要繼續保留在物理學體系裡面呢?以太的地位岌岌可危,我看這一朵烏雲依舊濃密,以太只是暫時涉險過關。開爾文勳爵說話還是很嚴謹的。

至於第二朵烏雲,是有關比熱的觀測。麥克斯韋-玻爾茲曼的學說,跟實驗結果偏差得很大,這是為什麼呢?十年前我就覺得這事兒不對勁啊,還給他們寫了信,然後就沒消息了。不過瑞利是支持我的,瑞利他明白,這是一個本質性的困難,沒那麼容易解決,我看還是否定這個理論比較靠譜一點。

這位老爺子算是比較保守的人士,畢竟歲數大了,但是這老爺子還是很有洞察力的。第一個問題,涉及後來愛因斯坦的偉大成就——相對論,第二個問題,則是涉及量子論的崛起。物理學經過了牛頓和麥克斯韋兩位巨人以及無數科學家的努力,已經建成了宏偉的大廈,還差最後兩塊磚無論如何也塞不進去。僅僅因為這兩塊該死的磚頭,不得不拆了整個大樓建了更加宏偉的雙子塔。開爾文老爺子的洞察力,不得不叫人佩服。

到了1901年,老爺子的文章也發表了,不知道愛因斯坦是不是在第一時間看到這篇文章。那年頭大家都需要通過專業雜誌來瞭解研究的動態,消息也都不太及時。有時候,好幾個月以後才能見得到,也可能有的雜誌沒看到,導致完全錯過。

這一年開春,愛因斯坦還是沒找到工作,不過瑞士國籍倒是申請下來了。工作上他已經不僅僅是盯著瑞士了,他申請了德國、荷蘭、意大利的教學職位,結果照樣沒人甩他。他懷疑,是他老師韋伯搞鬼。其實人家韋伯才沒那個時間精力跟你愛因斯坦過不去呢,大部分情況都是學術機構的人事部門不重視這個名不見經傳的毛頭小伙子,收到了他求職明信片,瞄上一眼就隨手一丟,然後這事兒也就忘了個乾淨。最後愛因斯坦不得不降低門檻,到一所技術學校當臨時教師,後來又到一所私立中學當老師。大學不要他,中學總可以吧,那一陣兒愛因斯坦過得真是艱難。

最後,還是人家格羅斯曼出手了,他找了自己的父親幫忙。他老爸人脈很廣,四處一打聽,瑞士專利局要招人,局長還是老相識。格羅斯曼他老爸當然就推薦了愛因斯坦,專利局局長也覺得可以考慮,就發佈了一份招聘啟事,聲明要找一個學習機械工程的大學畢業生,特別指定,要學過物理學的,這簡直是那個年代瑞士版的「蘿蔔招聘」嘛!

那個年代的大學生本來就稀少,學過物理學的人就更少了。其他人都有了工作崗位,唯獨愛因斯坦還沒找到工作,這可不就是為他量身打造的職位嗎!愛因斯坦自己也是這麼認為的,他還挺感激格羅斯曼,畢竟人家老爸挺幫忙,就是為了照顧自己嘛。不過深究起來,瑞士專利局的確需要一個懂得電氣工程的人才,電氣時代已經是碾壓般地滾滾到來,電不僅僅作為一種能源深入城市和鄉村,深入人們的工作和家庭,還產生了迅速便捷的交流與通訊方式。蒸汽機只能放在工廠礦山裡使用,電卻可以拉根電線深入到方方面面。電氣時代風起雲湧,遠超當年的蒸汽時代,各種各樣有關電器的發明越來越多。專利局的那些審核人員都是學機械出身,對電器不熟悉,他們面臨著知識的老化與落伍,因此特別需要有電器知識背景的人才加入。格羅斯曼的老爸一推薦,局長立刻就眼睛一亮。

就這樣,愛因斯坦在1900年的年底,終於有了工作。不過專利局在首都伯爾尼,愛因斯坦不得不舉家搬遷。米涅娃跟著他也毫無怨言,夫唱婦隨嘛。米涅娃在蘇黎世工學院學的也是物理,可以說是理工女,但是她拿的是一紙肄業證書,不得不說是一種遺憾。不過,瑞士專利局的工作需要走程序,等著各部門一環套一環的程序走下來,也要好多時間。愛因斯坦一等沒消息,二等還沒消息,更要命的是米涅娃要生孩子了,他倆還沒舉行婚禮呢,連訂婚儀式都沒有舉行過。愛因斯坦的母親拚命反對,別的事情都可以由著孩子自己決定,這事兒堅決不同意。米涅娃不得不回塞爾維亞父母那裡去住,起碼生孩子有人照顧。愛因斯坦沒有工作,沒有保障,一個丈夫該承擔的養家餬口的任務,他都承擔不了,也難怪雙方家長都有意見。

為了維持生計,愛因斯坦決定給人當家教。當然,我國的家教都是圍繞教材開小灶,要不就是音樂藝術之類的,愛因斯坦可不是,他給別人上物理課,而且收取費用。那個時代假如有互聯網付費問答平台,恐怕愛因斯坦還有「科技網紅」的潛質,但是愛因斯坦不會穿越,不能來到現代,他只能別無選擇地遵循他那個時代的社會運行法則。於是愛因斯坦在報紙上刊登廣告,果然找到幾位喜歡物理學的朋友。他的第一位學生是個伯爾尼大學的學生,一個小時收三法郎,價格倒還公道。

就在1900年年底,愛因斯坦忙著申請專利局工作的時候,物理學界出大事兒了。十九世紀與二十世紀是個重要的關口,普朗克發表了新的輻射公式,其中包括一個嶄新的能量子概念,公式裡出現了一個「普朗克常數」。愛因斯坦開始還沒太關注這件事情,畢竟這一年雜七雜八的事兒太多,後來才發現普朗克的思想非同小可。愛因斯坦隱約感覺到,過去的物理學體系是不完善的,也就是力學和電動力學並非普遍適用,在很多情況下,他們並不能解釋所有的物理現象,比如黑體輻射問題,過去的理論就解決不了。這個黑體輻射問題,就是開爾文勳爵所描述的第二朵烏雲,雖然不是同一個問題,但是背後的原因卻是同一個。

經典的電磁學理論可以解釋物體發光的現象,一個物體由基本粒子組成,按照電磁學理論,溫度越高,這些粒子振動就越快,那麼就會輻射出電磁波。頻率低的時候,我們看不到,慢慢地溫度升高了,頻率加快了,就進入紅外光波段。再升高,就進入到了可見光波段。我們看到燒紅的鐵發光,就是因為溫度升高,輻射出來的電磁波頻率到了紅光波段。溫度再升高,就開始發黃,最後發藍甚至到紫外波段。瑞利提出了一個「瑞利公式」,就是根據電磁學理論推導出來的。這個公式在頻率低的時候很管用,可是溫度一高,數值誤差就大了。到了紫外光波段,計算數值和實際測量的數值完全對不上茬,這在當時就叫做「紫外災難」。

另一位科學家維恩也搞了個公式,這個公式在描述紫光、紫外光這類頻率比較高的光都很好使。一到低頻的紅光紅外光,立刻麻爪兒了——出現了系統性偏差。在這個當口上,普朗克出手了,他早就對黑體輻射很感興趣,已經研究了好長時間了。他當時研究黑體輻射的動機還跟電氣時代有關係,自打愛迪生鼓搗出了電燈泡,各個廠家也都開始改進電燈泡。1894年,電力公司委託普朗克研究如何能少用電,多發光,這樣普朗克就開始研究輻射與溫度的關係,他用擬合的辦法,把瑞利公式和維恩的公式整合起來,得到了一個新的公式,這個公式在計算全部波段都跟實驗吻合得很好,普朗克很滿意。

作為一個理論物理學家,普朗克知道,僅知其然而不知其所以然是不行的。理論物理在很多時候就是如此,你必須根據盡量少的假設,推算出一個公式,如果這個公式跟實驗結果相符,那麼你的理論就是靠譜的,你的公式才真正揭示了自然界的奧秘。普朗克花了好幾個月的時間來推算這個輻射公式,最後得到了一個新的公式,但是其中有個怪現象讓人百思不得其解:這個公式居然是不連續的!要知道麥克斯韋電磁學理論和牛頓的力學理論構成了經典物理的基礎,那都是連續的,可這個輻射公式偏偏是不連續的!普朗克自己也是一頭霧水。他不知道的是,他已經叩開了量子力學的大門,可是他始終在門外徘徊不敢進去。那一年普朗克已經是個中年人了,相對愛因斯坦來講,他是前輩。他的研究雖然在當時並沒有引起多大的反響,但對後來的愛因斯坦有很大啟發。前輩普朗克也很提攜這個年輕的後輩,他們保持了一生的友誼,真可以說是惺惺相惜。愛因斯坦後來獲得諾貝爾獎,也跟普朗克有莫大的關係,這是後話,按下不表。

人不光只有大腦在運轉,腸胃也要運轉。孔子說「民以食為天」,這話一點兒不假。孔老夫子說「唯女子與小人難養也」,恐怕那個時代的愛因斯坦也深有體會。物理學界的兩朵烏雲先放到一邊,自己家的「兩朵烏雲」總是揮之不去,老婆孩子都要自己掙工資來養啊。愛因斯坦不得不接各種家教工作來做,人過得也很潦草。不久,岳父來了一封信,他又驚又喜,哆哆嗦嗦地打開「老泰山」的信,就等著劈頭蓋臉的一頓臭罵。原來米涅娃生孩子挺困難,費了好大的力氣,已經沒精力給愛因斯坦寫信了,不得不由岳父來代寫。愛因斯坦得了個女兒,「老泰山」也並沒有過多地責怪這個承擔不了丈夫責任的女婿,愛因斯坦暫時鬆了一口氣。

愛因斯坦在伯爾尼過著「單身狗」的生活,很快就找到了一群志同道合的小夥伴愉快地玩耍。這群朋友有學醫的,有學數學的,大家都對自然科學與哲學感興趣,一幫人就自發組成了一個小團體,叫做「奧林匹亞科學院」。朋友們在一起高談闊論,交換彼此對物理學的心得。也不僅僅關注物理學,上至天文下至地理,他們都有興趣。愛因斯坦少不了跟他們探討馬赫的哲學理論和有關相對性的思想,還看到了法國數學大師龐加萊的書。龐加萊作為一名數學家,也對物理很感興趣,在物理學方面也有很大貢獻。愛因斯坦他們也制訂了讀書計劃,開列了一大堆書單子。「奧林匹亞科學院」的活躍氣氛,給了他非常好的感受,讀書讀累了,愛因斯坦抄起小提琴就給大家拉一段曲子活躍一下氣氛,一個人的日子過得倒也逍遙自在。

如此過了一年有餘,愛因斯坦的工作終於批下來了,年薪三千五百瑞士法郎,在專利局當審查員。愛因斯坦這才長出了口氣,看來養家餬口有著落了。有人說愛因斯坦在專利局工作很清閒,其實不是這樣的,每天的八個小時,他都過得很充實,他也的確喜歡這份工作。愛因斯坦可不是一個只會動腦子不會動手的書生,他小時候就常到家裡的電氣公司去玩,很多東西從小就接觸,不過他到專利局還是惡補了不少機械方面的知識。電器方面,他自己本來就比較熟悉,這是他的強項。

愛因斯坦的工作就是審查每個申請的方案是不是跟別人有雷同,如果跟別人的類似,那就是就侵權;如果是機械方面,電器方面的申請,他還要看看這東西是不是能夠運轉。在很多情況下就是面前攤開的一張張圖紙,剩下的全憑腦補。他需要想像一堆複雜的機械零件或者是電氣線路能不能正常運行起來,運行起來之後是怎麼一個樣子。這樣的工作無意中增強了愛因斯坦的一種能力,也是物理學誕生之初最古老的一種技法之一,叫做「思維實驗」。愛因斯坦可是這方面的高手,他憑著這種能力,在思維的世界裡縱橫馳騁,終於找到了突破現代物理學瓶頸的鑰匙。

愛因斯坦作為一個普通的專利局技術員,跟物理學界並無太多接觸,他獲取信息的渠道無外乎是看看物理學專業雜誌,或者是與好朋友們在晚上閒暇時間聊天討論。對於學術界各路大牛,愛因斯坦認識人家,但是人家不認識這個無名小卒。他當然不會想到,包括自己在內,很多研究者已經逼近了物理學的偉大轉折,就看誰能堅決果斷的最先邁出那一步,這一步必須走得義無反顧,乾淨利落,不能拖泥帶水!