征,”劳厄写道,“因而辐射并非像您在第一篇论文第六节中所说的那样是由光量子构成的。”[365](爱因斯坦在第六节中说,辐射“从热力学上
看,就像是由相互独立的能量子所构成一样”。)
劳厄在准备1907年夏天的访问时惊奇地发现,爱因斯坦并不在伯尔
尼大学工作,而是在位于邮政电报大楼三层的专利局任职。当时的场景
依然使他感到好奇。“一个年轻人向我走来,但他与我的预期相差太大
了,我不相信他就是相对论的创始人,”劳厄说,“所以我没跟他打招
呼。”过不多时,爱因斯坦又一次缓步走过接待处,劳厄总算明白他是
谁了。
他们边走边谈,时间一晃过去了几小时。爱因斯坦递给他一支雪
茄,劳厄回忆说:“它难闻极了,我‘不慎’将它丢到了河里。”而爱因斯
坦的理论则很让人愉快。“在我们交谈的前两小时里,他推翻了整个力
学和电动力学。”劳厄指出。事实上,他完全入了迷,以至于在接下来
的四年里,他发表了关于爱因斯坦相对论的八篇论),并成为爱因斯坦
的密友。[366]
有些理论物理学家觉得这位专利审查员写的一系列令人惊讶的论文
过于抽象。后来成为爱因斯坦朋友的阿诺德·索默菲很早就暗示,爱因
斯坦的理论倾向有些犹太味道,后来这一点被反犹主义者拿来大做文
章。这种倾向缺乏对秩序和绝对事物的必要尊重,缺乏严格的基
础。“尽管爱因斯坦的论文引人注目,”索默菲1907年给洛伦兹写信
说,“但在我看来,这种难以破解和洞悉的教条之中存在着某种不健康
的东西。英国人就不大可能提出这样一种理论。在这里,或许就和科恩
一样,犹太人抽象的概念特征表露无遗。” [367]
这些关注并没有使爱因斯坦出名,也没有给他带来任何工作机
会。“我惊奇地得知,你一天必须在办公室里坐满八小时,”一名要来访
问的年轻物理学家这样写道,“历史总是充满着恶搞(bad
jokes)。”[368]不过,由于爱因斯坦最终得到了博士学位,所以他至少由
专利局的三级技术专家升至二级,薪水也增加了1000法郎,达到年薪
4500法郎。[369]
他的产出是惊人的。除了每周在专利局工作六天,他还要写多篇论
文和评论:1906年6篇,1907年10篇。每周至少在一个弦乐四重奏组演
奏一次。他还是位好父亲,有一个3岁大的儿子,并得意地称其为“捣蛋
鬼”。米列娃在给朋友萨维奇的信中说:“我的丈夫闲的时候经常在家哄
孩子。”[370]
从1907年夏天开始,爱因斯坦还抽空做了其他事情,如果命运更加
弄人,那么他很可能会走上一条全新的职业道路,那就是像他舅舅和父
亲那样做一个发明家和电气设备的销售商。爱因斯坦和哈比希特及其兄
弟保罗合作设计了一台放大微弱电荷的机器,使之能够被检测和研究。
它更多的是服务于学术研究而非实用。他们的初衷是发明一套实验室设
备来研究微小的电涨落。
其思想很简单。当两个金属棒彼此靠近时,一方的电荷会在另一方
感应出相反的电荷。爱因斯坦的想法是:用若干金属棒感应出10倍的电
荷,再将它们转移到另一个圆盘上。重复这一过程,直到最初的微弱电
荷被放大许多倍,很容易检测为止。关键在于如何让整个装置运转起
来。[371]
无论是家庭传统、所受的教育,还是专利局的工作,爱因斯坦都有
足够的背景成为天才的工程师。但后来的事实表明,他更适合做理论研
究。幸运的是,保罗·哈比希特是一个优秀的机械师,到1907年8月,他
已经有一个“小机器”(Maschinchen)的样品要问世了。“你闪电般地造
出了小机器,真使我大吃一惊,”爱因斯坦写道,“我星期天会来。”不
幸的是,小机器出了点毛病。“我迫不及待地想知道你在做什么。”爱因
斯坦一个月后写信说,那时他们正在维修。
整个1908年,爱因斯坦与哈比希特兄弟书信频繁,文中夹杂着各种
复杂图表和让设备运转的想法。爱因斯坦在一家杂志上刊登了一张设计
图,这张图曾引来一家大赞助商。到了10月,保罗改进了机器,但供电
方面又出了问题。他将机器带到伯尔尼,爱因斯坦征用了学校的一间实
验室,找了当地的一名技工帮忙。到了11月,机器似乎可以工作了。他
们又花了一年左右的时间才获得专利并开始制造和销售。但即使在那
时,他们也没能真正占领市场或找到买家,爱因斯坦最终失去了兴
趣。[372]
这些应用方面的探索或许挺有意思,但渐渐地,爱因斯坦与物理学
界的极度隔绝开始弊大于利。在1907年春的一篇论文中,他一开篇便显
露出得意扬扬的自信,说他那里既没有图书馆,也没想知道其他理论家
就这一主题写过什么。“其他作者可能已经阐明了我将要说的部分内
容,”他写道,“我感到我的文献综述可以被豁免(这对我来说是十分麻
烦的事),特别是因为很有理由希望其他作者会来弥补这一缺陷。”然
而过了不久,当他应一本年鉴之邀写一篇关于相对论的长文时,他的得
意已经有所收敛。他提醒编辑说,他对相关文献掌握得不够全面。“不
幸的是,我本人无法完全了解关于这一主题的所有发表著作,/他写
道,“因为在我空闲的时候图书馆就闭馆了。”[373]
那一年,他申请了伯尔尼大学的无俸讲师职位,这是攀爬学术阶梯
的第一步。爱因斯坦需要通过授课而从听众那里收取一点钱。在大多数
欧洲大学里,要想成为教授,做一段时间这样的讲师是有益的。爱因斯
坦随申请附上了已经发表的17篇论文,包括关于相对论和光量子的论
文。照理说,他也应当附上一篇尚未发表的论文作为教职论文,但他不
想再特地写一篇,因为对于那些有着“其他杰出成就”的人来说,有时可
以不做要。
在教授委员会中,只有一名教授认为,“鉴于爱因斯坦先生所取得
的重要科学成就”,他可以在不写新论文的情况下得到录用,而其他教
授则坚决不同意,甚至没有商量的余地。毫不奇怪,爱因斯坦认为这件
事情“好笑得很”。他没有专门为此写这篇教职论文,当然也没有得到职
位。[374]
引力与加速的等效
爱因斯坦的广义相对论之路始于1907年11月,那时他正在为一份科
学年刊赶写一篇解释狭义相对论的文章。狭义相对论仍然有两个限制困
扰着他:一是只适用于匀速运动(如果改变速度或方向,那么物体的表
现就不一样了),二是没有把牛顿的引力理论包含在内。
“我坐在伯尔尼专利局的椅子上,突然产生了一个想法,”他回忆
说,“人在自由下落时是感觉不到自己重量的。”随着这个令他“震惊”的
领悟,他开始了长达8年的推广狭义相对论的漫长征程,这“迫使我走向
一种引力理论” 。[375]后来,他俨然称其为“一生中最幸福的[376]思
想”。[377]
这个下落的人的故事后来被说得绘声绘色,在有些版本中,其主人
公成了从专利局附近的公寓大楼房顶上跌落下来的一个画家。[378]事实
上,就像伽利略从比萨斜塔上扔下重物,苹果落在牛顿头上[379]等关于
引力发现的传闻一样,这个故事也在口口相传中被不断加工,它更是一
个思想实验而不是真实事件。尽管爱因斯坦倾向于关注科学,而不是仅
仅与个人相关的事情,但他不大可能在亲眼见到真人从房顶跌落下来的
同时想到引力理论,更不至于把这称为一生中最幸福的思想。
爱因斯坦进一步改进了他的思想实验。这时下落的人位于一个密闭
舱内,比如在地球上空做自由落体运动的升降机。在这个下落的密闭舱
里(至少在它坠毁之前),这个人感受不到任何重力。如果他从口袋里
掏出东西并且放手,这些东西将会随他一起飘游。
以另一种方式来看,爱因斯坦设想密闭舱里的人在太空中飘
游,“远离星体和其他大质量”,那么他将体验到同样的失重感。“对于
这个观察者而言,引力当然并不存在。他必须用绳子将自己拴在地板
上,否则他只要轻轻碰一下地板,就会朝天花板慢慢升起。”
接着,爱因斯坦设想有一根绳索钩住了密闭舱的顶部,并以恒定的
力去拉它。“于是,舱连同观察者开始以匀加速运动‘向上’升起。”舱里
的人将会感到自己被压向地板。“他站在舱里实际上与站在地球的房间
里完全一样。”如果他释放口袋里的一个物体,不论物体的重量如何,
它都会“以一种加速的相对运动”落向地板,就像伽利略发现的引力情形
一样。“舱里的人将会断定,他和舱正处于引力场中。当然他会暂时感
到迷惑不解,为什么舱在这个引力场中并不下落。但正在这时,他忽然
发现舱盖正中有一个系着缆索的钩子,于是他就得出结论说,舱是静止
地悬挂在引力场中的。”
“我们是否应该讥笑这个人,说他的结论错了呢?”爱因斯坦问。和
狭义相对论的情况一样,知觉并无对错可言。“我们反而必须承认,他
的思想方法既不违反理性,也不违反已知的力学定律。” [380]
爱因斯坦还用另一种方式提出了同一问题,充分展露了他的才智和
洞见。他注意到这样一个现象,由于它过于司空见惯,以至于科学家很
少为它费过心思。这个现象就是:每个物体都有一个“引力质量”,“引
力质量”决定了物体在地球表面的重量,或者更一般地说,决定了它与
其他物体之间的吸引;物体还有一个“惯性质量”,“惯性质量”决定了使
物体加速需要施予多大的力。牛顿注意到,虽然惯性质量与引力质量的
定义完全不同,但物体的惯性质量与引力质量却总是相等。这显然并非
巧合,但从未有人很好地解释过其中的原因。
同一现象竟然可以给出两种不同解释,爱因斯坦对此深感不安,他
用思想实验考察了惯性质量与引力质量的等效。设想一台封闭的升降机
正在没有重力的外太空加速向上运动,那么升降机内部的人所感受到的
向下的力(或被绳索悬挂在天花板上的物体所受到的向下的拖曳力)乃
是起因于惯性质量。而如果封闭的升降机静止于引力场中,那么升降机
内部的人所感受到的向下的力(或被绳索悬挂在天花板上的物体所受到
的向下的拖曳力)乃是起因于引力质量。而惯性质量总是等于引力质
量。“由这种对应可知,”爱因斯坦说,“不可能通过实验来发现某一坐
标系是否在加速,或者……所观察到的效应是否由引力场所引起。”[381]
爱因斯坦把这称为“等效原理” 。[382]就产生的局域效应而言,引力
与加速是等效的。正是基于等效原理,他才把相对论推广到非匀速运动
系统。在接下来的八年中,他发展的根本洞见就在于,“我们所谓的引
力效应和加速效应都是由同一结构产生的” 。[383]
爱因斯坦研究广义相对论的方式再次显示了他的思想是如何运作
的:
·如果同一种可观测的现象能够由两种看似无关的理论来解释,他
会感到不安。比如线圈运动或磁体运动都能产生同样的可观测的电流,
他通过狭义相对论加以解决。现在是惯性质量和引力质量的定义不同,
他希望基于等效原理加以解决。
·当某种理论所做的区分在自然中观察不到,他也会感到不安。对
于正在匀速运动的观察者来说就是这样:无法确定谁处于静止,谁在运
动。显然,对于正在加速运动的观察者来说也是如此:无法确定谁在加
速,谁处于引力场中。
·他渴望将理论一般化,而不是将其局限于某一特殊情形。他感
到,不应对于匀速运动这一特殊情形存在一套原理,对于其他类型的运
动存在另一套原理。他终生都在矢志不渝地追求统一论。
1907年11月,在为《放射性与电子学年刊》( Yearbook
of
Radioactivity and Electronics)赶写论文时,爱因斯坦给他的相对论文章