主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 47012

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2018-06-25 19:15:06
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奔波儿
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【原创翻译】第二章·专利的奴仆(1) 27

瑞士伯尔尼,星期五,1905年3月17日。时针正指向早上8点,一位年轻人身上穿着一件显得有些古怪的格子西装,手上抓着一个信封,脚步匆匆地走在上班路上。路人会发现,阿尔伯特·爱因斯坦还穿着一双破破烂烂绣着花边的绿拖鞋,而他自己却浑然不觉。爱因斯坦一家住在一个狭小逼仄的二居室公寓里,这儿位于伯尔尼风景如画的老城区中。每周六天,在这个时间,他会向妻子和尚在襁褓中的儿子汉斯·阿尔伯特(Hans Albert)告别,接着走上十分钟左右,最后到达一栋庞大的砂岩建筑。该建筑所在的杂货街(Kramgasse)是伯尔尼市最美的街道之一,街上有一座名闻遐迩的漂亮钟塔(Zeitglockenturm),鹅卵石铺就的街道两侧是美丽的拱廊。爱因斯坦朝这栋联邦邮电局(Federal Post and Telephone Service)的总部大楼走去,他还沉浸在思考中,因此对周边的世界视若无睹。一进楼,他径直走向楼梯,上到三楼,这儿是联邦知识产权局(Federel Office of Intellectual Property),也就是著名的“瑞士专利局(Swiss Patent Office)”的办公室。在这里,爱因斯坦和其他几十位技术专家,坐在办公桌边,每天工作八个小时,他们做的事情就是处理一大堆漏洞百出荒诞可笑的专利申请,从矮子里面拔几个将军。

三天前,爱因斯坦刚刚庆祝了他的二十六岁生日。正如他之后回忆说,整整三年,他一直就是“专利的奴仆”。对他而言,这份工作意味着他不用担心会“饿肚子”。爱因斯坦很喜欢这份工作,因为工作的内容充满着变数,而且能唤起很多“奇思妙想”,另外,办公室的工作气氛让人感到很放松,爱因斯坦后来把这儿称为“俗世的修道院”。尽管三级技术专家这项工作是一个很低微的职位,但是薪酬还是很不错的,而且爱因斯坦能有足够的时间进行自己的研究工作。爱因斯坦的顶头上司是哈勒尔先生(Haller),性格严厉,老喜欢盯着爱因斯坦,尽管如此,爱因斯坦还是在处理专利申请的工作之余,花了大量的时间去偷偷做计算,以至于他把自己的办公桌变成了“理论物理的办公室”。

普朗克有关黑体研究的论文发表后不久,爱因斯坦就阅读了它,他后来在谈到自己当时的感受时回忆说:“就好比我们把地层翻了个底朝天,地基都不牢靠,而我们却要在上面盖房子。”爱因斯坦往信封中塞了一篇论文,他准备将其投寄到《物理年鉴》(Annalen der Physik)这一顶级物理学术期刊,而这篇在1905年三月寄送的论文意义深远,甚至远远超过普朗克引入量子理论这一功绩。爱因斯坦明白,自己所提出的光量子理论在当时不啻于是一种异端邪说。

两个月之后,也就是当年的五月中旬,爱因斯坦在写给自己的好友康拉德·哈比希特(Conrad Habicht)的信中,信誓旦旦地说,他希望能投寄出四篇论文,并在年底之前看到它们被发表出来。其中,第一篇就是关于量子的论文;第二篇是他的博士论文,在文中他提出了一种测定原子大小的新方法;第三篇则对布朗运动(即液体中的细微悬浮颗粒,比如花粉,所呈现的随机运动现象)做出了解释;“第四篇论文”爱因斯坦说“只是给出了一个粗略的方案,关于移动物体的电动力学,我做了一些空间和时间方面的理论修正”。爱因斯坦在1905年所发布的这一系列论文是如此非同寻常,在科学发展史上面,能在一年之内完成如此多的重量级伟大发现的,只有一个人,他就是1666年的艾萨克·牛顿。这一年之中,这位年仅23岁的英格兰小伙子奠定了微积分的理论基础,建立了重力理论,还开创了光学。

爱因斯坦在他所发表的第四篇论文中首次勾勒出一个伟大的理论——相对论(Relativity),而他自己也即将成为这一理论的代名词。尽管相对论将彻底改变人类对时间和空间本质的理解,爱因斯坦却认为,“非常具有革命性的”是自己在普朗克的量子概念上发展出来的光量子理论,而非相对论。爱因斯坦指出,相对论其实只是对牛顿和其他前辈所建立起来的理论做了“修正”,但他提出的光量子概念则是一个全新的且只属于他自己的发现,它意味着突破了以前的物理学体系。对这样一位业余物理学家来说,这种行为是一种亵渎。

在当时,半个多世纪以来,人们普遍接受光是一种波动现象。在“对光的产生及变化的一种探索(On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light)”这篇论文中,爱因斯坦提出光并不是由波组成的,其基本组成单位是像粒子一样的量子。在普朗克对黑体问题进行分析时,他很勉强地引入的观点是:能量是以量子的形式,被一份一份地吸收或者释放出来。但是普朗克自己,正如其他众人一样,认为电磁辐射在与物质发生接触时无论是以何种形式进行能量交换,它本身只是一种波动现象,爱因斯坦革命性的“观点”则认为:光(,实际上所有的电磁辐射)都不是波,而是能够被切分成微小的能量块儿,也就是光量子。在这之后的二十年中,至少在公开场合,除了爱因斯坦自己,没有任何人接受光量子的概念。

从一开始,爱因斯坦就知道想让自己的光量子理论能够被大家认可,其难度不亚于攀登高山。这也是他之所以在自己的论文标题中加上“对......的一种探索(On a Heuristic Point of View)”这几个字。根据《简编牛津英语词典(Shorter Oxford English Dictionary)》,“Heuristic”被解释为“为得到结果提供服务(serving to find out)”。当物理学家们在解释光辐射现象问题正束手无策之际,爱因斯坦为他们提供了一种解释方法,但这一方法并不是从基本定律出发的。在建立量子理论体系的道路上,爱因斯坦的论文是一个方向标,但对于那些尚没有做好准备向此方向前进的旅人们而言,这个标志的意义有限,因为其指向与大家长期以来所认可的光是一种波动现象的理论背道而驰。

在1905年3月18日至6月30日之间,《物理年鉴》先后接受了爱因斯坦的四篇论文,这些论文将在未来的岁月中为物理学体系引发翻天覆地的变化。令人惊讶的是,在这一年中,爱因斯坦还抽出精力和时间为该学术期刊写了21篇书评。其实还有一件事情,他事先并没有告诉哈比希特,那就是他还写了第五篇论文。这篇文章中,他给出了一个尽人皆知的公式——E=mc2。在1905年春夏时节的伯尔尼,爱因斯坦完成了他那一系列意义非凡的论文,事后,他回忆当时一波波灵感蜂拥而至,他说“在我心中,就像暴风雨冲破了桎梏”。

马克斯·普朗克当时是《物理通报》的理论物理学顾问,他是第一批阅读“关于移动物体的电动力学特征(On the Electrodynamics of Moving Bodies)”这篇论文的人士之一。这一理论在第一时间就征服了普朗克,将该理论命名为“相对论”的人正是普朗克,而非爱因斯坦。对于光量子理论,尽管普朗克强烈反对这一观点,但是他依旧为爱因斯坦的这篇论文的发表发放了通行证。此刻,他肯定产生过一丝疑虑,这位物理学家到底是何方神圣,竟然能写出如此非同凡响而又离经叛道的论文?

第二章·专利的奴仆(2)


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