爱因斯坦当初对光的研究,对于现代科技

爱因斯坦当初对光的“研究”,对于现代科技有什么影响?海波在海洋上传播,声波在空气中传播,但光传播的介质是什么呢?显而易见的是,光能够在真空中传播,否则太阳光完全不可能到达地球。可无论19世纪的物理学家多努力,都找不到那种能让光在其中波动的介质。光既不像海洋上的波浪一样传播,光本身的性质又不像物质,那它究竟是什么?这就是爱因斯坦开始沉思时所面临的局面。爱因斯坦没有彷徨其中,他相信自己的想象力。

一位采访者曾问他,他的这些发现从何而来,他答道:“想象力比知识更重要,因为知识有限,但想象可以包罗万象。”光是否可能由无质量的粒子组成?无质量的粒子——这听起来异常疯狂,但这个假说使所有的疑问都迎刃而解。粒子没有质量就没有惯性,所以速度既不会被削减,也无法被加快,光可以保持不变的高速。这一光粒子无质量的假说还解释了光击中物体时的情形。当时,爱因斯坦已经知道,灵敏的测量仪器能够察觉这些撞击,就好像物体表面受到一些微型弹炮的轰炸。

这些光粒子轰击的声音,是我曾在那堂物理课上听过的:啪嗒、啪嗒、啪嗒……比起那样动听的表达,爱因斯坦更愿意用谨慎的文字来表述自己的想法。在年的那个夏天,他这样写道,从光线的特质来看,它似乎是由互不相干的能量量子组成的。用这样的方式,他恰恰把一切该表达的都表达了:光是纯粹的能量。这些能量被封装在一个个称为光子的微小包裹里,而这些光子是没有质量的粒子。通过这套理论,爱因斯坦得以解释清楚所有的测量结果。

那么,这个光的谜团真的就此解开了吗?值得警惕的是,在他的措辞里有“似乎”二字。所以,我们不应认为他已经掌握了光真正的属性,他只不过是使读者离这一谜团的答案更近了一些。一切我们自己可能想象得到的事物大都带着日常经验的影子,即便在最怪诞的梦境里,围绕着我们的也都是那些我们平常可以看见、可以触摸到的东西。但爱因斯坦带领我们进入了一个截然不同、非比寻常的世界。在这里,能量量子没有质量,甚至没有体积,却带有粒子的特性。爱因斯坦仍不满足于这些简单的想法。

因此,他通过脑海里新的想法和试验反复地揣摩自己的理论,总能证实它。而这些近乎折磨的自我怀疑,也使他的诸多发现成为可能。年,他获得了诺贝尔奖。但这一荣誉只是颁发给他诸多成就中的一小部分的,是表彰他以方程的形式阐述了能量与光振动频率的关系。

而他用以证明光子存在的高见,并未获得这份最高科学奖项的殊荣。当时瑞典皇家科学院实在是难以把握爱因斯坦的想象力,所以评审委员会慎重决定,没有把奖项颁给爱因斯坦用以重新阐释时间与空间的相对论。

高速旅行者变老的进程更慢、光能使空间发生扭曲、未来和过去只存在于观察者的眼中,所有这些想法在瑞典皇家科学院绝大多数评审的眼里都过于天马行空,难以配上诺贝尔奖章。同时,他们也许觉得相对论太令人不安,甚至要求爱因斯坦在发表获奖感言时不要提及这个理论。

不过,在得知自己获得诺贝尔奖时,爱因斯坦早已乘船前往日本进行巡回演讲了,因而也并未亲自领奖。爱因斯坦始终没有放弃对光的思考,他刨根究底,因此才会有此成就。在尝试解释光能的过程中。

此外,光还决定了我们是如何区分过去、现在和将来的。这一点与我们的直觉是相悖的,直觉把时间作为我们所经历的一切事情的基础,因此我们会预设时间不依赖任何其他事物,时间是绝对的。我们认为,现在、过去、未来的划分在任何情况下都不会改变,就像我们也曾经坚定地认为地球是平的一样。相反,爱因斯坦认为这一自然法则高于直觉,即光速不变原理。他认识到,我们关于空间和时间的判断都依赖于光。因此,我们会有关于过去和未来的理解,就基于光速很快但有限度这一事实。

是啊,为什么自然法则就一定得迎合我们的直觉、取悦我们呢?假设有两个人,甲和乙。甲在同一时刻看到两道与他距离相等的闪电,会认为两道闪电是同时出现的。而当乙快速经过甲时,其观测的结果是截然不同的。如果乙向着其中一道闪电运动,同时远离另一道闪电,靠近的那道闪电就会比远离的另一道闪电更早地被乙察觉。

所以,一定会有一道闪电的光线先被看到,另一道闪电后被看到,甲体会到的“同时”,在乙的眼里就有了“先后”的差别。当甲能同时看到两道闪电时,乙则先看到了其中一道闪电,而后再看到另外一道闪电。

甲所感知的现在,对于乙来说是过去和未来。因此,爱因斯坦意识到:这两个人中并不是只有一个人的感受是正确的。所以,我们只好告别那种所有人都活在同一个时间度量里的看法——每个人都生活在他自己的时间里。极速旅行者衰老得更慢这个事实也渐渐被人知晓。这一挑战了人类直觉的认识,同样可以从光的诸多特质中得到解释。凭借人类平常的运动速度,当然是无法察觉这种效果的。不过,人们可以在特定的基本粒子上观察到这种现象,比如在渺子(muon)上。

一般情况下,它们在一百万分之一秒内就会消逝。但如果渺子从外太空高速飞向地球,它存在的时间会延长。所以也就不必怀疑,人类搭乘速度极大的宇宙飞船时其寿命会延长了。高速运动时会经历时间的延迟,这使爱因斯坦终于解开了自中学时期起就困扰着他的那个谜题:驰骋在光线之上的骑士会经历什么呢?速度越快,时间就走得越慢,达到光速后,时间的指针就会停摆。对于光而言,时间是静止的。那么,驰骋在光线之上的骑士便会永远处在无止尽的当下。

不过,相对论打消了这种可能性。爱因斯坦也是在年那个夏天发表完三篇大作之后才认识到,这种“无止尽的当下”为什么不可能。但他同样不敢对这一认识持坚定的肯定态度。他对朋友写道:“这个思考的过程很有趣,令人难以抗拒。但上帝会不会嘲笑我,他是不是在逗我玩?这就无从得知了。”不过,他还是给《物理年鉴》补发了一封附言。短短三页里,他通过计算论述了在光速不变的情况下,任何物体加速后质量都会增加。

在这增加的质量里就蕴含着加速过程中消耗的能量,当物体的速度接近光速时,其质量就会急剧增加。所以,该物体只会变得更重,但不会更快,因此它也绝不可能达到光速,也就是说加速消耗的能量会转化为质量。计算到最后,爱因斯坦用短短一句话阐释了其结论,像是某种信号:“物体的质量是它所含能量的量度。”质量即能量。E=mc2,这是我们今天看到的方程式。爱因斯坦当时的写法是E=mV2,因为当时“c”作为光速的符号尚未普及。

这个方程式使原子弹的产生成为可能,同时它也是整个现代宇宙学的根基。而关于质量与能量等价所产生的后果,又令爱因斯坦思虑了十年。年秋天,他终于发表了他的杰作,广义相对论。他在文中阐述了能量,或说质量,是如何决定空间与时间的。四年后,他的思想体系得到了证实。光再次起到了决定性的作用:年5月29日,天文学家利用当天的日全食证明,靠近太阳的一颗恒星在天空中的视位置与平时位置相比发生了偏移。

这一观测结果完全符合爱因斯坦的预言:太阳的质量会使空间发生弯曲,从而使星光发生偏折。通常,这一现象是无法辨识的,因为太阳光太强,使得其他较弱的光线看不清。而当月亮挡住太阳光后,这一偏折就显现出来了。爱因斯坦还成功地将他的整个相对论总结成一个单独的方程式。等号的一边是能量与物质,另一边是空间、时间和曲率,光速把这些量联系在一起。爱因斯坦和他的同事们开始解这个方程,其计算结果颠覆了之前人类对于宇宙的所有设想。爱因斯坦的理论带来了一个似乎最玄妙的想法:宇宙在膨胀。

星际云汇聚在一起,恒星被点燃,在这种高温下产生了各种元素。熄灭的恒星坍缩成黑洞,继而吞噬光与物质,引力波则使宇宙荡起涟漪。连爱因斯坦自己都不敢确信,自己的每一个预言是否都会有被证实的一天,例如,普鲁士科学院年的档案曾记载道,爱因斯坦是多么谨慎,同时又多么有远见:爱因斯坦曾向大会的同事们论证,引力波必然存在,但他同时提出了限定条件——这种空间震颤的节律太弱,几乎无法测量。足足过了一百年,美国物理学家果然得到并公布了第一例引力波的探测结果。年发布的这一信号是两个黑洞合并而产生的,距地球十亿光年。

通过对光的思考,爱因斯坦得以认识世界,在这个世界里,空间与时间、质量与能量不再是彼此毫无关联的数字。一位观测者认为同时发生的不同现象,在另一位观测者看来可能有先后之别。一个人感受到的当下,对别人而言可能已经是过去,或是未来。质量会使空间发生弯曲,物质可以转化为能量。在这样的世界里,重要的不是具体的事物,而是这些事物联系而成的事件。重要的不是有形的物体,而是能量和信息。这个世界里,存在计算机、太阳能电池、卫星定位系统和互联网,也存在核反应堆和氢弹,而以上每一个发明,都与爱因斯坦对于光的认识有着直接的联系。

爱因斯坦本人也从未放弃思考自己中学时期提出的那些问题。光子没有质量,却具有一些甚至超出他想象力的特性。对于这样的认识,爱因斯坦直到生命尽头也没有得出足够满意的答案。年,就在他逝世的前几个月,他对青年时期的朋友米歇尔·贝索(MicheleBesso)写道:“这些年我一直苦思冥想,却并没有离‘什么是光子’的答案更近一些。如今虽然每个家伙都自诩知道答案,但这不过是在自我欺骗。”真知的道路是一架螺旋梯,而非康庄大道。有的人在这条路上走了很久,转了一圈又一圈,看似一次又一次地回到起点。但是显然,他已经登上了新高。




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