愛因斯坦與狹義相對論

上回中，將尺縮與質速關係式寫錯了，應該將動、靜的主體調換過來，感謝網友指正。老毛病了，這也是我總是考試將將及格的原因。

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上回說到，洛倫茲與龐加萊都與狹義相對論擦肩而過，本回說正主——愛因斯坦。

誰把這個該死的球弄到門裡面去呢？不用猜，就是歷史上和牛頓比肩的人物——愛因斯坦。我向來反對將科學家排名，因為沒有意義，此其一；其二，也無法排名，所謂「文無第一，武無第二」，站在巨人肩膀上難道就能忽略巨人的存在？牛頓、伽利略、法拉第、麥克斯韋、赫茲等等都有著無可替代的偉大，都是在正確的時間做了正確的事情。然而我獨將愛因斯坦和牛頓比肩而忽略他人，是因為比的是名氣。名氣當然是實力的體現，但是實力只佔一部分，名氣還需要廣告，這種廣告由老百姓茶餘飯後的一個個小故事組成，比如牛頓的風車和蘋果的故事。這些故事又都很貼近生活，讓人感覺偉人也是人，都是一個鼻子兩隻耳朵組成的。如果有人在花前月下對著他女朋友大談特談麥克斯韋方程組，那麼我會恭喜他將會處在並長期處在單身狀態。

閑言少敘！話說公元1879年，在德國烏爾姆市有對猶太夫婦生了男孩，他們給他取名阿爾伯特.愛因斯坦。據說愛因斯坦從小就笨，3歲還不會說話，9歲表達都成問題。在學校里，成績差、行動遲緩、還老受同學恥笑、連老師都看不慣云云，總之一切都很慘。如果放在現在，感覺愛因斯坦不參加某選秀節目都浪費一身的好遭遇了。個人覺得這些大多都是杜撰，至少添油加醋處理過，比起天生麗質難自棄，醜小鴨式的逆襲似乎更有渲染力。

愛因斯坦少年時，由於他們家生意做的紅火，舉家遷往大都市慕尼黑。後來家族生意失敗，頻臨破產，舉家又遷往義大利。獨自把愛因斯坦留在了慕尼黑。那時候愛因斯坦正在讀高中，而留下愛因斯坦是有原因的，如果他能混個文憑，上大學就有指望了。德國的中學向來以軍事化管理聞名的，這點讓愛因斯坦很難受，他曾把學校比作軍隊，把老師比作教官，顯然他肯定是一個不合格的小兵兵，因為除了數學和物理比較好以外，其他成績一般，關鍵是「教官們」對他的評價也不好，孤僻、遲鈍、不守紀律等等，愛因斯坦的父親為此很擔心，擔心他找不到出路，就算找到了出路也怕不成功，然而學校的教導主任這樣安慰他父親：「無所謂，因為您兒子幹什麼都不會成功的」。就這樣，愛因斯坦成為了學校的反面教材，就好像我們現在的老師批評別人時總是說：「難道你想和XXX一樣」。如果這XXX換成「愛因斯坦」的話，我想現在沒誰不樂意了。

1895年，愛因斯坦16歲了，按照慕尼黑當地的法律，男人18歲是必須服兵役，除非17歲離開這個城市。熱愛自由的愛因斯坦打死也不會去當兵的，所以他想到義大利尋親，同時他也因為中途退學而拿不到畢業證感到苦惱，於是找人開假的病假條，然而造假終究不是一件光榮的事，他正在為是否造假躊躇時，學校的教導主任又替他解決了這個兩難的問題——勒令退學，具體是不是因為假條，現在不得而知了。等他回到義大利，又面臨著一個問題，在義大利沒有中學文憑是無法上大學的，他的父親想讓愛因斯坦轉換干手工業，說白了就是學徒，愛因斯坦肯定是不答應的。好在天無絕人之路，瑞士的蘇黎世聯邦理工大學是不要中學文憑的，但是要年齡18歲以上，所以愛因斯坦又在瑞士上了兩年的中學。

上大學后的愛因斯坦舊習難改，他依然沒有顯現出天才的一面，倒是多了些精緻的淘氣，逃課更是家常便飯。如果我們普通人以此為逃課理由的話，那是很不合情理的，愛因斯坦逃課是因為課堂上講授的物理他全會，數學課他覺得學多了是浪費，其他的學不學無所謂。他的數學老師閔可夫斯基就曾罵愛因斯坦是「懶狗」，因為他一點對數學都不上心。實際上，數學確實成為了愛因斯坦日後的短板。

在諸多劣跡斑斑下，畢業時的評語自然也不好，這直接導致愛因斯坦無法找到像樣的工作，而此時，他的女朋友還懷了孕，且是他的。到了1898年，否極泰來，愛因斯坦在瑞士專利局找到了一份工作，雖然只是小小的角色，但好歹也相當我們現在的公務員。

愛因斯坦在這裡一干就是7年，日後成名的愛因斯坦曾戲稱他在這裡幹了7年的補鞋匠的工作。不過這份工作對於愛因斯坦是極其重要的，能掌握當時最前沿的諮詢，同時也有更多時間讓他思考更多問題，當然最關鍵的是，能領薪水，此時的愛因斯坦很缺錢花的——感覺他在提出廣義相對論之前都缺錢，而在領取諾貝爾獎金之前都不寬裕。

那麼愛因斯坦有哪些天馬行空的想法呢？

在讀大學時期，愛因斯坦就曾考慮過發明一種儀器測量以太風，當他把圖紙拿給物理老師看的時候，物理老師對此不以為然，並勸愛因斯坦要聽老師講。那時候，他還不了解「零結果」實驗，等到他逐漸了解邁克爾孫-莫雷實驗的時候，他認為如果邁克爾孫—莫雷實驗的結果是正確的，那麼認為地球相對以太運動就是錯誤的，就像地球繞著太陽轉，但是人類絕不可能發明一種儀器把運動測量出來，這和洛倫茲說的無法測量以太類似。到了1895年，他讀到洛倫茲的理論時，他隱約地感覺到，洛倫茲的變換公式是適合任何一個慣性參考系的。於是，他得出在任何慣性參考下，觀測到光速都是不變的。

既然光速對任何參考系都不變，愛因斯坦也同樣遇到了與伽利略變化相抵觸的問題。他花了一年的時間，毫無結果，後來他和朋友討論時發現一個細節：時間與信號之間的問題，也就是觀測者無法確定絕對時間。

對於牛頓的絕對時空觀，愛因斯坦一直持否定的態度，他信仰的是馬赫（Ernst Mach，1838-1916，聲音的速度以馬赫命名，一馬赫就是一倍音速）的哲學，而馬赫對於時空態度和前面龐加萊說的差不多：如果找不到絕對的時空，怎麼能假設時空就存在呢？愛因斯坦曾想過要把絕對空間和絕對時間從先驗論神壇上拉下來。

到了1905年，愛因斯坦在腦海、在紙上寫的問題，已經可以為論文了。他今年的第二篇論文是關於赫茲提出的光電效應——就是靠此，愛因斯坦才獲得諾貝爾獎，此是后話。

且說第四篇論文才是本文的主題，論文的題目是《論運動物體的電動力學》，這就是後來所說的「狹義相對論」，但是那個時候應該成為「相對論」比較合理。不過「相對論」這個詞，在愛因斯坦的論文里沒有出現過，因為愛因斯坦討厭這個詞，原因是相對論其實沒有什麼相對性可言。

試看相對論的兩個基本假設：

1.相對性原理。一切物理定律在所有慣性系中均有效，且符合洛倫茲變換；

2.光速不變原理。對於所有的慣性參考系，光速不變。

似曾相識！儘管採用了洛倫茲的變換公式，但是並不解釋為分子的運動，而是一種相對運動帶來的差異，光速也不是一種極限，而是對於任何觀測者（每個慣性的觀測者都認為自己是靜止的）來說，光速是一樣的。無疑洛倫茲的理論給予愛因斯坦很大的幫助。不過相對論提出之初，洛倫茲是極力反對的，因為他認為尺縮效應、時間膨脹是絕對的，到了後來又成為相對論的支持者，洛倫茲也是一位德藝雙馨的導師，總讓人想起幾十年前的法拉第。1928年，洛倫茲去世的時候，舉國悲慟，愛因斯坦也在追悼會上稱洛倫茲是對他影響最大的人。

1904年，龐加萊就已經提出過「相對性原理」。不過愛因斯坦是對此並不知情的情況下獨立完成狹義相對論的。因此狹義相對論版權歸屬愛因斯坦，而龐加萊則比較遺憾旁落了，究其主要原因，本人認為：龐加萊雖然提出時空對於不同的參考系是不一樣的，但是沒有告訴人們處在自己的參考系中該怎麼思考別人的參考系。一言以蔽之，彭加萊告訴人們不該那麼樣做，而愛因斯坦告訴人們該怎麼做。龐加萊只畫了龍，愛因斯坦畫了龍還不忘點個睛，這正如爬山一樣，翻過了山頂才能叫做風景。

在狹義相對論里，光速如神話般不可超越，速度也被分為光速和低於光速。那麼，問題來了。根據牛頓的第二定律，假設太空中有個飛船，有足夠的燃料支持他不斷地被推著走。速度將會越來越大，總有一天會達到光速。愛因斯坦給出的解釋是：不可能。因為當速度越來越大時，質量也會越來越大。如果維持同樣的加速度，牽引力也會越來越大，當飛船接近光速時，所需要的能量就會無限大，顯然這是做不到的。

這又帶來了新的問題，在牛頓的體系中，質量作為一個物質的基本屬性，不生不滅，雖有轉化但是也保持這守恆。比如我的同桌小明為了考試掏了個吉利，早晨吃了1根油條2個雞蛋，共計250克。當這250克的食物進入體內，一部分轉化為人體可吸收的營養（葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等等），另一部則化為便便排出體外。如果可能，將這些摞到一起，依然是250克。而小明上午考試花費了很大的能量，這些能量來自人體對血液中葡萄糖的消耗，葡萄糖的化學能轉換人體需要的熱能，如果有可能計算的話，那麼這些能量也是守恆的。所以在牛頓的體系中，能量和質量是物質的兩種屬性，中間沒有關係，它們都在各自的領域裡保持著「井水不犯河水」的外交策略。

然而在相對論中，愛因斯坦提出了新的觀點：質量和能量都是相對的，都是物質的一種形式，二者可以發生轉化，並給出了一個歷史上可作為物理學名片的公式：

這就是質能方程。既然質量不守恆，那麼在相對論中討論質量失去了意義，愛因斯坦也表示對物理學引入「質量」概念感到過淡淡的憂傷。所以這裡的質量特指「靜質量」，意味著靜止時的質量（靜止質量大約是指低速是物體質量，我也不知道所謂的靜質量到底是相對誰而言）。如果強行將質量與能量區分的話，個人感覺質量是蘊含物體內的，而能量是爆發在外的，他們就像一對夫妻，質量主內，能量主外，此句僅限個人理解！

這是愛因斯坦在1905年發表的第五篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》，徹底更新的物理學的面貌，改變了時空觀，時空都不再是絕對的了，而且它們之間也有著千絲襪縷的聯繫。

看來開爾文說的第一朵烏雲並沒有煙消雲撒，而是下起了大雨。1905年也因為愛因斯坦幸運地登上了「奇迹年」的寶座，和1665年（或者1666）遙相呼應。

現在可以對光進行部分解釋了：光是一種物質，但是沒有質量，它是以能量形式存在的。質能方程中的物質的能量有多大呢？非常非常大，我們知道核武器的釋放的能量就是依據質能方程的，而核武器中的質量虧損其實不特別大，假如早晨小明在「嗯嗯」之所撇下一枚「炸彈」，小計100g，如果將它全部轉化為能量的話，相當於10000個美國當年在廣島投下的原子彈釋放的能量。當我把計算結果遞給小明時，他高聲地喊道：「顫抖吧！資本主義！」不過做人不要太囂張，真要是那樣的話，地球早就不存在了。

希望我計算的沒有錯誤！

說了這麼多，以太呢？

狹義相對論的提出是因為光速不變，而光速不變又是從尋找以太的實驗中得出的，可以說以太就是狹義相對論的一個引子。然而當狹義相對論提出之後，發現以太反而很蹩腳，於是根據奧卡姆剃刀原理（主旨是：如無必要，勿增實體），以太被人類剃了個精光精。現在以太這個名詞也僅僅出現在歷史或者「乙太網」中，儘管曾經是他是那麼的煊赫一時。

對於以太，我有幾個小小的思考，僅供參考：

1.愛因斯坦並沒有否認以太的存在，只是沒有用到以太。實際上，當他提出了廣義相對論之後，他還曾提出過廣義相對論以太說，不過很快流產了；

2.在現在很多人看來，以太意味著絕對空間，個人認為是兩碼事，只是當年人類認為以太絕對靜止，所以經常和絕對空間搞混淆了；

3.有沒有以太？個人覺得這和有沒有沒有關係，只和需要不需要有關。狹義相對論之後，以太只是進入了第三個休眠期也未可知，當某天某人在無法解釋的問題上，又重新提出了以太，只是這種以太的面貌發生了改變，或者名字也發生了改變，叫什麼反物質、暗能量...。總之，人類在發現宇宙的同時，也發現了自己是多麼的渺小！