愛因斯坦的“錯(cuò)誤”：天才的人性弱點(diǎn)

愛因斯坦一家在小阿爾伯特（Albert，在家里叫Albertle）出生不久就搬到了慕尼黑。在那里，他的父親和叔叔創(chuàng)立了愛因斯坦公司，其業(yè)務(wù)是制造電動(dòng)機(jī)械，特別是發(fā)電機(jī)和照明設(shè)備。當(dāng)時(shí)一場(chǎng)電氣技術(shù)革命正在歐洲掀起，老愛因斯坦預(yù)計(jì)其工廠將從這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展中獲利。一家人住在工廠旁邊的一棟房子里。小阿爾伯特在慕尼黑長(zhǎng)大，在附近的一所小學(xué)讀書，然后上了幾年的中學(xué)。

愛因斯坦回憶說，小時(shí)候他對(duì)指南針很感興趣：“當(dāng)我還是一個(gè)四五歲的小孩，父親給我看一個(gè)指南針的時(shí)候，我內(nèi)心經(jīng)歷了強(qiáng)烈震撼。這只指南針以如此確定的方式行動(dòng)，根本不符合那些在無意識(shí)的概念世界中能找到位置的事物的本性（同直接‘接觸’有關(guān)的作用）。我現(xiàn)在還記得，至少相信我還記得，這種經(jīng)歷給我一個(gè)深刻而持久的印象?！?2歲到16歲，他自學(xué)了基本幾何和數(shù)學(xué)，包括微積分演算的原理。他還讀了一套關(guān)于自然科學(xué)的叢書，這激發(fā)他成為一名物理學(xué)家。

14歲的愛因斯坦

斯瓦本人說，他們只有到四十歲（“斯瓦本年紀(jì)”）才獲取智慧，但阿爾伯特很早就獲取了智慧。他是個(gè)早熟的孩子，智力發(fā)育得很好。他是一個(gè)好學(xué)生，比班上大多數(shù)人成績(jī)都好，但老師發(fā)現(xiàn)他的問題太多，如太自以為是，太無禮。阿爾伯特也并不欣賞他的老師，他說小學(xué)的老師是軍士長(zhǎng)和軍士，中學(xué)的老師是副官。

作為對(duì)父母完全不信教態(tài)度的回應(yīng)，青春期的阿爾伯特一度癡迷于前輩們的宗教。他熱心研讀經(jīng)文，甚至寫了一首對(duì)上帝的贊美詩給家人聽，把這首贊美詩強(qiáng)加給家人好幾個(gè)小時(shí)。但是，他很快從這種宗教愚昧中恢復(fù)過來：“??這種信仰在我12歲那年就突然中止了。由于讀了通俗的科學(xué)書籍，我很快就相信，《圣經(jīng)》里的故事有許多不可能是真實(shí)的??這種經(jīng)驗(yàn)引起我對(duì)所有權(quán)威的懷疑??這種態(tài)度再也沒有離開過我。”

愛因斯坦公司起初取得了一些成功，但后來它競(jìng)爭(zhēng)不過更大、更強(qiáng)的公司，被迫退出了業(yè)務(wù)。盡管這在一定程度上是因?yàn)橐?guī)模較大的公司獲得了更好的融資，但部分原因是老愛因斯坦押錯(cuò)了寶。19世紀(jì)末，有關(guān)遠(yuǎn)距離輸電線路交流和直流輸電孰優(yōu)孰劣引起了激烈的爭(zhēng)論。老愛因斯坦把賭注押在直流電上，而他兒子只要稍微計(jì)算一下就可以向他證明，在高壓下交流電力的傳輸效率要比直流電高得多。由于這一優(yōu)勢(shì)，交流電逐漸取代了直流電。老愛因斯坦的公司是典型的“搖搖欲墜”的企業(yè)之一，這類企業(yè)總是伴隨著資本主義向新技術(shù)的擴(kuò)張而滅亡。老愛因斯坦將其工廠和家人搬到了意大利的帕維亞，在那里他預(yù)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)減少。同時(shí)，他決定把阿爾伯特留在慕尼黑，這樣愛因斯坦就可以在那里完成中學(xué)教育。

阿爾伯特想擺脫德國(guó)中學(xué)那種僵化的紀(jì)律。許多年后，他在《自述》中抱怨道：“認(rèn)為用強(qiáng)制和責(zé)任感就能增進(jìn)觀察和探索的樂趣，是一種嚴(yán)重的錯(cuò)誤。我想，即使是一頭健康的猛獸，當(dāng)它不餓的時(shí)候，如果有可能用鞭子強(qiáng)迫它不斷地吞食??也會(huì)使它喪失貪吃的習(xí)性的?！彼绕浞锤熊娛掠?xùn)練，他害怕服兵役，因?yàn)檫@是當(dāng)時(shí)所有德國(guó)17歲年輕男子的義務(wù)。一位老師為此斥責(zé)他，并且說，如果阿爾伯特離開學(xué)校離開班級(jí)會(huì)更好，阿爾伯特聽了老師的話，收拾好行李逃到了意大利。在那里，他說服父母讓他在瑞士蘇黎世附近的阿勞完成中學(xué)學(xué)業(yè)。

阿爾伯特就讀的這所瑞士學(xué)校是一個(gè)進(jìn)步的、無教派的學(xué)校，它甚至講授達(dá)爾文進(jìn)化論，這在那個(gè)年代仍然有點(diǎn)新奇。（就講授達(dá)爾文學(xué)說而言，一百多年前的瑞士中學(xué)比當(dāng)今許多美國(guó)中學(xué)更開明，后者迎合了把宗教與科學(xué)混為一談的喧囂的基督教教派，并將虛幻的偽科學(xué)理論，如創(chuàng)世論與智能設(shè)計(jì)等灌輸給學(xué)生。）多年以后，阿爾伯特親切回憶起他的母校：“以其開明的精神和老師們的嚴(yán)肅認(rèn)真??這所學(xué)校給我留下了難忘的印象；與在德國(guó)威權(quán)式中學(xué)里六年的教育相比??我深深意識(shí)到，以行動(dòng)自由和責(zé)任為導(dǎo)向的教育比建立在操練、強(qiáng)加權(quán)威和野心基礎(chǔ)上的教育要好得多。”

但是，阿爾伯特的評(píng)價(jià)因其作為外國(guó)人在瑞士享有的特殊待遇而不客觀。19世紀(jì)末，軍國(guó)主義在瑞士和在德國(guó)一樣猖獗。普魯士人在1866年和1870年的戰(zhàn)爭(zhēng)中擊敗奧地利人和法國(guó)人的速度和效率給瑞士人留下了深刻印象，瑞士人對(duì)中學(xué)生的軍訓(xùn)采用普魯士的訓(xùn)練和紀(jì)律。（即使到了今天，軍訓(xùn)仍然是強(qiáng)制性的，所有年輕的瑞士男性都必須在家里保留一把SIG 550突擊步槍和50發(fā)子彈，以保護(hù)布谷鳥鐘之類的東西。）作為一個(gè)外國(guó)人，阿爾伯特被免除了這些強(qiáng)制性軍訓(xùn)，他可以在田園詩般的下午和房東的女兒調(diào)情，而他的瑞士同學(xué)們則要參加長(zhǎng)時(shí)間的無聊軍訓(xùn)，即普魯士式軍訓(xùn)，并輔之以越野行軍、戰(zhàn)斗演習(xí)和實(shí)彈射擊練習(xí)。

愛因斯坦的中學(xué)文憑

1896年獲得中學(xué)文憑后，（17歲的）阿爾伯特在蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院（如今通常簡(jiǎn)稱為ETH，即很難正確發(fā)音的德語名稱 Eidgen?ssische Technische Hochschule的縮寫）注冊(cè)為物理專業(yè)的學(xué)生。恰在此時(shí)，愛因斯坦公司破產(chǎn)，父親無法支付阿爾伯特大學(xué)教育的費(fèi)用。富有的叔叔和姑姑施以援手，支付了阿爾伯特在蘇黎世求學(xué)的幾年費(fèi)用。姑姑可能不知道阿爾伯特不客氣地稱她為“恐怖姑姑”。憑借每月的零用錢，阿爾伯特可以在工學(xué)院附近的一所房子里食宿，還能負(fù)擔(dān)得起和同學(xué)們一起去蘇黎世最豪華的街道巴恩霍夫街的咖啡館，在那里度過大多數(shù)下午時(shí)光。他還喜歡住在利馬特河畔的豪華大咖啡館Metropol（現(xiàn)在的大咖啡館），每周都會(huì)在那里會(huì)見最親密的朋友和同學(xué)馬塞爾·格羅斯曼。他經(jīng)常和朋友們一起在蘇黎世湖上航行，在以后的歲月里，帆船一直是他喜歡的消遣之一。

愛因斯坦是一個(gè)相當(dāng)特立獨(dú)行的學(xué)生，逃課很多，畢業(yè)時(shí)差點(diǎn)兒沒有完成最低限度的課業(yè)，而大部分時(shí)間都花在了對(duì)物理學(xué)更高級(jí)課題的獨(dú)立研究上：“我經(jīng)常逃學(xué)，待在家里，帶著宗教般的熱情學(xué)習(xí)理論物理學(xué)大師。”對(duì)于考試，他依靠的是格羅斯曼所做的筆記。愛因斯坦的成績(jī)平平，他經(jīng)常曠課，態(tài)度高傲無禮，這些都給教授們留下了不好的印象。物理教授曾斥責(zé)他：“愛因斯坦，你是個(gè)非常聰明的孩子，可以說聰明過人，但你有個(gè)大毛?。耗銖牟宦爠e人說什么?！睈垡蛩固够鼐戳诉@位教授，稱他為韋伯先生，而不是傳統(tǒng)的韋伯教授先生，這在當(dāng)時(shí)看來是一種幼稚的不尊重行為，之前在慕尼黑的中學(xué)里也曾如此。這種冒犯肯定激怒了韋伯教授先生，因?yàn)樗畛鯇?duì)愛因斯坦印象不錯(cuò)，甚至在愛因斯坦注冊(cè)進(jìn)入工學(xué)院之前就要他去聽自己的課。后來有一次，愛因斯坦沒有遵守規(guī)定的程序，引發(fā)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的爆炸，弄傷了手，這一事故坐實(shí)了他那輕率的、自以為無所不知的壞名聲。

在大學(xué)時(shí)代，愛因斯坦放棄了德國(guó)國(guó)籍，申請(qǐng)了瑞士公民身份。在對(duì)其性格進(jìn)行調(diào)查之后，一名警探提出了有利于愛因斯坦的報(bào)告，說他是“一個(gè)非常熱心、勤奮和極受尊敬的人”，而且還禁欲。

如果警探再深入一點(diǎn)，報(bào)告可能就不那么有利了。愛因斯坦戒酒，但私生活卻沒有節(jié)制。他同班上唯一的女學(xué)生米列娃·瑪里奇（Mileva Marie）談起了戀愛，她是來自塞爾維亞的一位聰明的年輕女子。同阿爾伯特一樣，米列娃早年就有了成為一名物理學(xué)家的雄心，她在聯(lián)邦工學(xué)院注冊(cè)，因?yàn)檫@是為數(shù)不多的幾所允許女性進(jìn)入物理學(xué)研究的大學(xué)之一。她因炙熱的戀情而心煩意亂，考試不及格；之后的懷孕使她心神不定，她在第二次考試，也是最后一次考試中失敗了。這直接導(dǎo)致她的物理學(xué)生涯提前結(jié)束了。愛因斯坦把她送回了她在塞爾維亞的父母家，在那里她生了一個(gè)女兒。阿爾伯特寫信給米列娃，展示了他的父愛和興趣：“我非常愛她，可是我還一點(diǎn)也不了解她！在你完全恢復(fù)健康之前，難道就不能給她照張相片嗎？她很快就能把她的眼睛轉(zhuǎn)向某個(gè)東西吧？”但是，他從來沒有去看這個(gè)心愛的女兒。不久，熱戀的米列娃回到了瑞士，把女兒拋在身后，這個(gè)嬰孩從歷史記錄上消失得無影無蹤——也許她夭折了，也許她在塞爾維亞的某個(gè)角落長(zhǎng)大，也許她的后代今天還住在那里。阿爾伯特的私生女，這個(gè)秘密被他的家人嚴(yán)格保守；提到那個(gè)女兒的大部分信件都被毀了，直到阿爾伯特去世后三十年，阿爾伯特和米列娃（即Jonzerl和Schnoxl，他們彼此如此稱呼）之間的一些剩余的信件才被出版。

1900年畢業(yè)后，愛因斯坦希望得到某個(gè)學(xué)術(shù)職位，也許是某位教授的助教。但鑒于他作為學(xué)生的不良記錄，聯(lián)邦工學(xué)院的教授們都沒有興趣雇用愛因斯坦。他向德國(guó)、奧地利和意大利的教授們寄了數(shù)十張明信片，表示求職意向，卻無人理會(huì)?！安灰嗑梦揖蜁?huì)以我的投標(biāo)來給從北海到意大利南端的所有物理學(xué)家增光”，他在給米列娃的一封信中寫道。那位富叔叔的經(jīng)濟(jì)援助隨他畢業(yè)而告終，他用了悲慘的兩年時(shí)間做兼職私人家庭教師，以圖維持生計(jì)。

他在德國(guó)邊境附近的沙夫豪森做過一段時(shí)間家教，輔導(dǎo)學(xué)生。后來他搬到伯爾尼，通過當(dāng)物理和數(shù)學(xué)的家教，賺取了微薄而間歇性的收入。后來他的朋友格羅斯曼幫他找到了聯(lián)邦專利局專利審查員的職位，才使他免于餓肚子。

愛因斯坦如釋重負(fù)地找到了一份收入穩(wěn)定的工作。與前幾年的艱難困苦形成對(duì)比，這份工作的微薄薪水在他看來就像是財(cái)富?！拔易龅煤芎?，”他在給一位朋友的信中寫道，“我是一位體面的聯(lián)邦職員，有著正常的薪水。此外，我騎著我的舊數(shù)學(xué)物理學(xué)木馬，拉著小提琴”。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，專利局對(duì)其工作要求并不太高，在正常工作日結(jié)束時(shí)，他仍然有時(shí)間和興趣進(jìn)行科學(xué)研究。在徐緩的日子里，他甚至可以在專利局的辦公桌上做一些研究，每當(dāng)主管進(jìn)入房間，他就會(huì)把筆記藏起來。

很久以后，他思考了這份工作的優(yōu)點(diǎn)。他認(rèn)為實(shí)用的職業(yè)“對(duì)我這樣的人來說是一種福氣。在學(xué)術(shù)生涯中，一位年輕人受到一種強(qiáng)烈的驅(qū)動(dòng)，要求他發(fā)表大量的科學(xué)論文——一種膚淺的誘惑??大多數(shù)實(shí)用的職業(yè)都是這樣的一種類型，一個(gè)普通的人才就能達(dá)到對(duì)他的要求??如果他有更深層次的科學(xué)興趣，他可以在搞好專業(yè)職責(zé)的同時(shí)鉆研他最喜歡的問題。他不必因?yàn)閾?dān)心其努力將徒勞無功而沮喪”。

與在伯爾尼結(jié)識(shí)的兩位朋友康拉德·哈比希特（Conrad Habicht）和莫里斯·索洛文（Maurice Solovine）的談話，為他的研究提供了寶貴的激勵(lì)。愛因斯坦和他倆組成了一個(gè)三人討論小組，他們稱為“奧林匹亞科學(xué)院”。幾年后，他回憶起奧林匹亞科學(xué)院時(shí)愉快地說：“在伯爾尼，我們建立歡樂的科學(xué)院時(shí)，肯定是一個(gè)美好的時(shí)刻，它肯定沒有那些備受尊敬的科學(xué)院那么幼稚，我后來才熟知這一點(diǎn)?！彼麄兘?jīng)常見面，閱讀和討論各種有關(guān)物理學(xué)和哲學(xué)的書籍，其中一些對(duì)愛因斯坦的相對(duì)論思想有著深刻的影響。

愛因斯坦開始在專利局工作后，與米列娃結(jié)了婚。他們先后住在伯爾尼的好幾處出租公寓里，其中包括一套位于克拉姆大街49號(hào)二樓的公寓，靠近市中心，離工作地點(diǎn)很近。在這里，他們的第一個(gè)兒子于1904年出生，同時(shí)這里也誕生了他的好幾個(gè)偉大思想，包括1905年的相對(duì)論。

1904年的愛因斯坦

愛因斯坦在《物理學(xué)雜志》發(fā)表的第一篇論文是1901年的一篇關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的比較無關(guān)緊要的論文，他還把這篇論文略做修改，用作他向伯爾尼大學(xué)提交的學(xué)位論文。然后他發(fā)表了幾篇關(guān)于熱力學(xué)的論文，其中沒有一篇具有持久的重要性。今天，愛因斯坦早期的所有論文讀起來都相當(dāng)枯燥，如同那些年在《物理學(xué)雜志》中發(fā)表的大多數(shù)其他論文一樣。

但在1905年，也就是他的奇跡年，愛因斯坦的思想達(dá)到巔峰，引發(fā)了他瘋狂的創(chuàng)造力的爆發(fā)。他像著魔一般工作，表現(xiàn)出熱烈的精神活動(dòng)，這常常使他陷入絕望的困惑之中，但最終他得出了敏銳的洞見。緊張的腦力勞動(dòng)使他精疲力竭，當(dāng)完成工作后，他癱倒在床上兩個(gè)星期。

1905年3月至9月，他完成了至少五篇論文，這些論文將對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生永久而深遠(yuǎn)的影響：第一篇，將光描述為光的量子流（后來稱為光子），解釋光電效應(yīng)；第二篇，確定分子的大小；第三篇是布朗運(yùn)動(dòng)理論，及如何為原子的存在提供決定性證據(jù)；第四篇是相對(duì)論；第五篇是能量與質(zhì)量的關(guān)系。第一篇，使他獲得諾貝爾獎(jiǎng)；第二篇和第三篇，讓許多懷疑論者相信原子和分子是事實(shí)，而不是虛構(gòu)；第四篇，讓愛因斯坦扮演相對(duì)論發(fā)明者的角色；第五篇，則因?yàn)楣紼=mc2及其與核能和原子彈的著名聯(lián)系而出名。

所有這些論文都發(fā)表在《物理學(xué)雜志》第17卷和第18卷，如今這些卷已成為收藏家的藏品；單冊(cè)在拍賣會(huì)上的售價(jià)超過1萬美元，圖書館不得不把這些期刊鎖起來并保管好鑰匙。你要是看看第17卷和第18卷，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們沒有包含任何其他值得注意的東西——它們中的其他作品都被遺忘了，大多數(shù)作者也被遺忘了，其中許多人當(dāng)時(shí)是德國(guó)名校備受尊敬的教授博士先生，都被一位專利審查員的發(fā)明所掩蓋。

但是，如果說1905年是奇跡之年，那也是錯(cuò)誤之年。我們看到，1905年愛因斯坦在漫長(zhǎng)而杰出的職業(yè)生涯中所犯的錯(cuò)誤比其他任何一年都多。那一年他發(fā)表的五篇著名論文中，有四篇是有缺陷的。

從本質(zhì)上說，相對(duì)論認(rèn)為勻速、不加速的運(yùn)動(dòng)總是相對(duì)的。即一個(gè)物體處于勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)只相對(duì)另一個(gè)物體有意義。當(dāng)你坐在一列靜止的火車上，對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性有很強(qiáng)的直覺印象。（這類例子常常令局外人抱怨說，相對(duì)論者似乎癡迷于火車和電梯；如果你厭倦了火車，你可以用停在候機(jī)坪的飛機(jī)代替在車站等待啟程的火車。）當(dāng)你被一本書或一次談話分散了注意力，你突然感覺到另一列火車正慢慢地滑過你的窗戶，此刻你感到困惑：是沒有注意到離開的時(shí)刻嗎？是你的火車在開動(dòng)，還是另一列火車在開動(dòng)？即使你低頭看了看地面，確定哪一列火車在動(dòng)，你也只能分辨出存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，你不過是在確定這個(gè)相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)。

這種運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，是愛因斯坦的一個(gè)著名逸事（可能是虛構(gòu)的）：他正從瑞士乘火車去巴登巴登，他問列車員：“這列火車什么時(shí)候到巴登巴登站？”不管是不是真的，愛因斯坦的問題被制作為一件雕塑的標(biāo)題，這件雕塑由一個(gè)載著大鐘的鐵道車廂組成，并在紐約的現(xiàn)代藝術(shù)博物館展出。

為了精確描述位置和運(yùn)動(dòng)，物理學(xué)家選擇一個(gè)參考點(diǎn)，用以測(cè)量相對(duì)于這個(gè)參考點(diǎn)的距離。例如，參考點(diǎn)可能是機(jī)場(chǎng)的指揮塔，相對(duì)于這個(gè)參考點(diǎn)，（比如說）飛機(jī)的位置可以用東西距離、南北距離和垂直距離描述。這些距離被稱為空間坐標(biāo)，因?yàn)樾枰齻€(gè)坐標(biāo)來精確定位飛機(jī)的位置，我們說空間是三維的。然而，為了描述飛機(jī)上發(fā)生的事件，如海鷗與飛機(jī)的碰撞，我們還需要指定時(shí)間坐標(biāo)，即事件發(fā)生的時(shí)間。若知道某事件的空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)，則知道該事件發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間——這些都是調(diào)查人員在收集有關(guān)該事件的信息時(shí)必須問的第一個(gè)也是最基本的問題。

物理學(xué)家們喜歡想象，參考點(diǎn)周圍的空間充滿了量尺點(diǎn)陣和時(shí)鐘陣列。量尺測(cè)量任何事件的空間坐標(biāo)，時(shí)鐘測(cè)量時(shí)間坐標(biāo)。這樣一個(gè)假想的量尺點(diǎn)陣連同時(shí)鐘陣列，統(tǒng)稱為參考系。

三個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)，統(tǒng)稱為時(shí)空坐標(biāo)。由于時(shí)空包含四個(gè)坐標(biāo)，所以我們說它是四維時(shí)空。這個(gè)四維時(shí)空的概念由數(shù)學(xué)家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）提出，他是愛因斯坦在蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的教授。在小學(xué)和中學(xué)時(shí)，愛因斯坦是一名優(yōu)秀的學(xué)生，數(shù)學(xué)一直是最高分。但在聯(lián)邦工學(xué)院就讀時(shí)，愛因斯坦自以為是的學(xué)習(xí)態(tài)度，讓他很少認(rèn)真地對(duì)待閔可夫斯基的課，也翹了很多課。閔可夫斯基說他是一只“懶狗”，幾年后，當(dāng)相對(duì)論發(fā)表時(shí)，他評(píng)論道：“我本來真的不相信他能做到這些?！?/p>

閔可夫斯基對(duì)這只“懶狗”的意外能力很驚訝，改變了他的偏見，用優(yōu)雅的數(shù)學(xué)語言重新表述了愛因斯坦理論的核心；他引入了四維時(shí)空的概念，并用這個(gè)四維時(shí)空的幾何表達(dá)了相對(duì)論的思想。愛因斯坦起初反對(duì)閔可夫斯基，把相對(duì)論的幾何重新表述稱為“多余的博學(xué)”，可是他和其他物理學(xué)家很快就認(rèn)識(shí)到閔可夫斯基幾何方法的優(yōu)點(diǎn)，且這些方法后來在廣義相對(duì)論的發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

不同的參考系，相對(duì)于彼此可以有不同的運(yùn)動(dòng)。例如，一架飛機(jī)的參考系相對(duì)于地面的參考系可能有900千米每小時(shí)的速度，如果飛機(jī)遇到某種湍流，它的參考系就會(huì)上下彈跳，并可能向側(cè)面傾斜。這種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)使它很難用這個(gè)參考系描述物理現(xiàn)象，因此物理學(xué)家更喜歡使用勻速運(yùn)動(dòng)、沒有任何加速度的參考系。

勻速不加速直線運(yùn)動(dòng)的參考系，稱為慣性參考系。與地面相聯(lián)系的參考系近似為慣性參考系，因此相對(duì)于地面具有均勻運(yùn)動(dòng)的任何參考系也是慣性參考系。（實(shí)際上，與地面相聯(lián)系的參考系并不完全是慣性參考系，因?yàn)榈厍蚶@著地軸自轉(zhuǎn)，也繞著太陽公轉(zhuǎn)。這些圓周運(yùn)動(dòng)涉及運(yùn)動(dòng)方向的改變，這意味著此種運(yùn)動(dòng)不是勻速運(yùn)動(dòng)——它是加速運(yùn)動(dòng)。然而，與地球繞地軸的圓周運(yùn)動(dòng)和地球繞太陽的軌道運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的那些加速度都很小，往往可以忽略不計(jì)，因此與地面相聯(lián)系的參考系可以被看作近乎是慣性參考系。那些迷戀精確的天文學(xué)家，更喜歡與太陽相聯(lián)系的參考系，這樣可以更精確地實(shí)現(xiàn)慣性參考系。）

19世紀(jì)末，物理學(xué)家們遇到了一個(gè)關(guān)于光速的難題。這個(gè)謎題起源于大約一百年前，即1805年前后。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)識(shí)到光是一種波，即其振蕩的波長(zhǎng)很短，頻率很高。（直到很晚才發(fā)現(xiàn)光波中的振蕩是電和磁擾動(dòng)，即電場(chǎng)和磁場(chǎng)，物理學(xué)家喜歡這樣稱它們。）

19世紀(jì)的物理學(xué)家認(rèn)為，光波的傳播類似于聲波的傳播。聲音的傳播需要介質(zhì)——它可以在空氣、水、木材等介質(zhì)中傳播。同樣，人們認(rèn)為光的傳播也需要介質(zhì)，一種滲透我們周圍環(huán)境的介質(zhì)，以及所有的行星際和恒星際空間，以便允許光在任何地方傳播。這種介質(zhì)被稱為以太，這個(gè)名字取自中世紀(jì)天文學(xué)家們想象的充填月球以外天體區(qū)域的物質(zhì)的古代名稱[有時(shí)被稱為光以太，以區(qū)別于用于乙醚，與以太同名]。以太被認(rèn)為非常稀薄，故它不會(huì)阻礙行星的運(yùn)動(dòng)，卻具有很強(qiáng)的彈性，其振動(dòng)將產(chǎn)生光波的速度，即30萬千米每秒。

人們假設(shè)以太相對(duì)于太陽處于靜止?fàn)顟B(tài)，從而假設(shè)相對(duì)于太陽或太陽系，光速為30萬千米每秒。由于地球以30千米每秒的速度繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，19世紀(jì)，物理學(xué)家們預(yù)計(jì)，在地球參考系中，與地球相同方向運(yùn)行的光信號(hào)應(yīng)該有一個(gè)減少的速度（地球正在遠(yuǎn)離這個(gè)信號(hào)，故這個(gè)信號(hào)需要更長(zhǎng)的時(shí)間經(jīng)過地球），而向相反方向運(yùn)行的光信號(hào)應(yīng)該有增加的速度（地球正與這個(gè)信號(hào)相向而行，故信號(hào)會(huì)被地球?qū)_）。人們認(rèn)為光速遵循直覺上明顯的速度加減規(guī)則，故相對(duì)于地球的參考系，光信號(hào)在與地球相同的方向上運(yùn)行的速度應(yīng)該是（300,000－30）千米每秒，而向相反方向運(yùn)行的光信號(hào)的速度應(yīng)該是（300,000＋30）千米每秒。

這就是19世紀(jì)末物理學(xué)家們所面臨的難題：好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)試圖檢測(cè)光速與地球速度的這種依賴性，但都沒能檢測(cè)出任何影響——光速似乎完全不受地球運(yùn)動(dòng)的影響。

其中最有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)，乃是1881年由美國(guó)物理學(xué)家亞伯拉罕·邁克耳孫在柏林學(xué)術(shù)休假期間設(shè)計(jì)出來的。邁克耳孫出生在波蘭，父母是猶太裔，后來移民到美國(guó)，定居在內(nèi)華達(dá)。他在安納波利斯的美國(guó)海軍學(xué)院當(dāng)學(xué)生時(shí)就開始了物理研究，這一職位是他憑借超人膽識(shí)獲得的。當(dāng)被告知任命海軍學(xué)生的配額已滿時(shí)，他前往華盛頓特區(qū)，走進(jìn)白宮，找尤利西斯·格蘭特總統(tǒng)幫忙。日色將盡時(shí)，格蘭特同意和他談?wù)?，這個(gè)軍校學(xué)員候選人的堅(jiān)持和主動(dòng)給格蘭特留下了深刻的印象，于是破格給了他一個(gè)學(xué)生名額。

在安納波利斯，邁克耳孫很快發(fā)現(xiàn)他對(duì)物理學(xué)比對(duì)海軍更感興趣，他設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)儀器測(cè)量光速的方法，是在一條長(zhǎng)長(zhǎng)的“跑道”上對(duì)光信號(hào)的往返行程進(jìn)行計(jì)時(shí)，并在遠(yuǎn)端用旋轉(zhuǎn)反射鏡測(cè)量光速。他一生都在改進(jìn)這一實(shí)驗(yàn)，并獲得了光速為299,796千米每秒的最終結(jié)果，其不確定度為±4千米每秒（恰好命中：現(xiàn)代值為299,792千米每秒，這實(shí)際上就在邁克耳孫測(cè)量值4千米每秒的誤差范圍內(nèi)）。

因在物理學(xué)學(xué)習(xí)中以高精度測(cè)量而聞名，邁克耳孫從海軍請(qǐng)假，去柏林攻讀光學(xué)研究生。那時(shí)候，德國(guó)人是光學(xué)和幾乎所有的其他物理學(xué)分支的領(lǐng)軍人物，任何有能力的美國(guó)物理學(xué)家都去德國(guó)學(xué)習(xí)。邁克耳孫在赫爾曼·馮·亥姆霍茲的指導(dǎo)下研究光的干涉效應(yīng)時(shí)，突然意識(shí)到，這些效應(yīng)可以用于比較兩個(gè)不同方向光速的極其敏感的實(shí)驗(yàn)。他為此設(shè)計(jì)了一種儀器，由柏林最好的一家儀器制造商制造，并在波茨坦附近的天體物理觀象臺(tái)地下室的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里組裝起來。邁克耳孫指出，這臺(tái)儀器如此超常敏感，在離觀象臺(tái)100米遠(yuǎn)的路面上沖壓所產(chǎn)生的振動(dòng)都會(huì)破壞它的運(yùn)作。

這臺(tái)儀器有兩條相互垂直的臂，長(zhǎng)度完全相等。在這兩個(gè)垂直方向上，雙臂作為光束的“跑道”。邁克耳孫將光束對(duì)準(zhǔn)儀器的中心，在中心處，一面半鍍銀（即半透明）鏡將這束光分成兩等分，一束光沿著一條臂跑，另一束光沿著另一條臂跑。這些光束在雙臂末端的鏡子上反射回來，然后向中心跑，在那里，它們?cè)俅斡龅侥敲姘脲冦y鏡，重新組合成一束從儀器前面射出來的光束。如果兩條臂的往返速度完全相等，那么兩束返回光束中的光波應(yīng)該同步到達(dá)中心，它們會(huì)發(fā)生相長(zhǎng)干涉。因此，每個(gè)光波的波峰與另一個(gè)光波的波峰重合，這就產(chǎn)生了一束很強(qiáng)的新光束。但是，如果往返速度不同，光波到達(dá)時(shí)會(huì)稍微異步，且不發(fā)生相長(zhǎng)干涉，從而產(chǎn)生較弱的新光束。如果一個(gè)光波的波峰與另一個(gè)光波的波谷重合，光束會(huì)完全抵消，也許它們甚至?xí)斐上嘞缮?。因此，只要速度上的微小差異，新的重組光束的強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生劇烈變化。

邁克耳孫發(fā)明的這一儀器，如今被稱為邁克耳孫干涉儀，它非常出色。邁克耳孫立即意識(shí)到，它不僅可以用來敏感地比較雙臂上的光速，還可以用來敏感地比較雙臂的長(zhǎng)度——如果其中一臂被稍微縮短（或者遠(yuǎn)端的鏡面輕微移動(dòng)），那么重組的光束就會(huì)變化，從相長(zhǎng)干涉變?yōu)橄嘞缮?。因此，僅僅一個(gè)光波長(zhǎng)幾分之一的長(zhǎng)度變化都很容易被檢測(cè)到。除了被用來檢測(cè)光速的差異外，邁克耳孫干涉儀還被廣泛用于測(cè)量微小的長(zhǎng)度差異。由于該儀器具有非常實(shí)際的應(yīng)用，邁克耳孫在1907年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，這是諾貝爾獎(jiǎng)第一次授予美國(guó)物理學(xué)家。

至今，邁克耳孫干涉儀仍被用于精確的長(zhǎng)度比較。例如，路易斯安那州巴吞魯日附近的引力波LIGO探測(cè)器就是一臺(tái)邁克耳孫干涉儀，其臂由4千米長(zhǎng)的疏散管道組成。激光束在重組之前可以來回傳播好幾百次。這臺(tái)邁克耳孫干涉儀可以探測(cè)到的長(zhǎng)度變化達(dá)十億分之一米的十億分之一，這是由來自遙遠(yuǎn)的超新星爆炸的引力波的影響而產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化。

邁克耳孫于1881年在波茨坦的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是否定的。邁克耳孫將其干涉儀的一臂平行于地球運(yùn)轉(zhuǎn)方向，另一臂指向垂直方向。沿平行臂的光束的往返時(shí)間應(yīng)該比沿垂直臂往返的時(shí)間長(zhǎng)，可是邁克耳孫發(fā)現(xiàn)，它們根本沒有差別。他的儀器的靈敏度足以探測(cè)到地球相對(duì)于5千米每秒以太的速度，而實(shí)驗(yàn)的否定結(jié)果表明，速度（如果有的話）要小得多。當(dāng)太陽系中的以太靜止時(shí)，地球相對(duì)于以太的速度應(yīng)該是30千米每秒，即地球的軌道速度。因此，邁克耳孫實(shí)驗(yàn)的否定結(jié)果與樸素的以太理論完全矛盾。

邁克耳孫是光以太理論的堅(jiān)定擁護(hù)者。為了解釋他的否定結(jié)果，他對(duì)以太理論進(jìn)行了修改。他認(rèn)為，也許地球會(huì)把它附近的以太帶動(dòng)并曳引它，在這種情況下，地球也會(huì)沿著光波“曳引”，這樣我們就不會(huì)看到地球運(yùn)動(dòng)對(duì)光速的任何影響。但是，這一解釋與天文望遠(yuǎn)鏡中的星光行為相沖突。天文學(xué)家曾觀察到，地球圍繞太陽的運(yùn)動(dòng)使星光以傾斜的方式進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，就像你開著敞篷車冒雨行駛時(shí)，雨點(diǎn)會(huì)以傾斜的方式進(jìn)入你車子的駕駛艙一樣；如果望遠(yuǎn)鏡附近的以太被地球曳引，這種星光傾斜（即“光行差”）就不會(huì)發(fā)生。

邁克耳孫回到美國(guó)，退出海軍，在克利夫蘭的凱斯學(xué)院與愛德華·莫雷合作重復(fù)了干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)的更精確的版本；此后，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)。這個(gè)更精確的版本仍然沒有探測(cè)到地球運(yùn)動(dòng)對(duì)光速的任何影響。但是邁克耳孫認(rèn)為這是以太曳引的進(jìn)一步證據(jù)，他堅(jiān)信以太理論，直到他生命的盡頭，甚至在相對(duì)論已被廣泛接受，以太的思想被大多數(shù)物理學(xué)家所拒之后。他悲嘆道：“但沒有介質(zhì)，怎么能解釋光波的傳播？??如果不存在介質(zhì)，又如何解釋傳播的恒定性這樣一個(gè)??基本假定？”

邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)成了最受歡迎的相對(duì)論檢驗(yàn)之一，其他實(shí)驗(yàn)者也重復(fù)了很多次。最精確的重復(fù)，是由德國(guó)物理學(xué)家喬治·約斯于1930年在耶拿的蔡司工廠的地窖里建立的一臺(tái)邁克耳孫干涉儀。那時(shí)，納粹極權(quán)的陰影正籠罩在德國(guó)和德國(guó)科學(xué)之上，而約斯在對(duì)實(shí)驗(yàn)的描述中只字不提那個(gè)猶太人愛因斯坦。他為此受到指責(zé)，不過可以認(rèn)為，他只是在對(duì)愛因斯坦以牙還牙：在自己的所有著作中，愛因斯坦都沒有提到過邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，所以也許他是自作自受，實(shí)驗(yàn)者們也沒有提到他。

奇怪的是，愛因斯坦在1905年把關(guān)于相對(duì)論的工作完成了，根本沒有意識(shí)到邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)。歷史學(xué)家們?nèi)匀辉跔?zhēng)論愛因斯坦了解多少、何時(shí)知道這個(gè)實(shí)驗(yàn)。愛因斯坦自己關(guān)于這個(gè)問題的陳述，則自相矛盾。在愛因斯坦去世前的幾年，他在一次采訪中聲稱，直到1905年之后，他才知道邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，他說：“否則，我會(huì)在我的論文中提到它?！痹诘诙尾稍L中，他說：“這不太好說。我記不清第一次聽說邁克耳孫實(shí)驗(yàn)是什么時(shí)候。我不覺得在我投身于相對(duì)論的7年中，它對(duì)我有過什么直接的影響。”他補(bǔ)充說，他一定在1905年以前就知道這個(gè)結(jié)果，因?yàn)樗耙呀?jīng)簡(jiǎn)單地假定邁克耳孫的結(jié)果是正確的”。

對(duì)愛因斯坦來說，邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)意義不大，因?yàn)樗贸鱿鄬?duì)論不是通過沉思那些實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)事實(shí)，而是通過思考電場(chǎng)和磁場(chǎng)的理論方面，特別是蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在19世紀(jì)60年代表述的描述電磁場(chǎng)的方程式。在20世紀(jì)20年代愛因斯坦訪問劍橋時(shí)，一位主人對(duì)他說：“您成就卓著，但您站在牛頓的肩膀上?！睈垡蛩固够卮鹫f：“不，我站在麥克斯韋的肩膀上?！?/p>

本文摘選自《愛因斯坦的錯(cuò)誤：天才的人性弱點(diǎn)》（[美]漢斯·C.歐翰年 著，潘濤 譯，范岱年 校，新星出版社2022年5月版）。