愛因斯坦7以太1895 1894年冬,離開路易波爾德高級中學的愛因斯坦獨自乘火車穿過阿爾卑斯山來到了意大利與家人團圓了。半年前,赫爾曼先到了意大利米蘭,後來又聽從意大利代理商的意見搬到了米蘭附近更適合小公司發展的帕維亞,因此,愛因斯坦是在帕維亞與家人團聚的。 愛因斯坦告訴大驚失色的父母自己再也不回德國了,並保證自己會通過自學,來年1895年秋天就報考瑞士的蘇黎世聯邦理工學院。剛到帕維亞愛因斯坦就買了朱爾·維奧勒的三大卷高等物理學教科書,在研讀過程中還在書頁邊緣密密麻麻地寫下了自己的各種想法。在自學的過程中愛因斯坦具備專注的能力,甚至在喧鬧的人群中,他也能獨自坐到沙發上,拿出紙和筆,將墨水瓶晃晃悠悠地擱在扶手上,專注地思考問題,周圍的喧嘩好像沒有乾擾他,反而激勵了他更加專注的思考。 1895年,失學的愛因斯坦和家人在帕維亞的公寓裡度過了春天和夏天,同時也不時到家族公司裡幫忙。在公司的打雜過程中,愛因斯坦更好的了解了磁體、線圈和感生電流的運作方式,雖然他無法使家裡的企業盈利,也不打算為公司做全職工作,但他在公司業餘的打雜還是給家人留下了深刻的印象。有一次,雅各布在一臺新機器的計算上碰到了問題就是由16歲的愛因斯坦解決的,他的叔叔對此記憶猶新並倍感自豪,他對一個朋友說:“您知道,我的侄子真是了不起,我和我的助理工程師絞盡腦汁考慮好多天都沒有解決的問題,這個小家夥不到一刻鐘就全部解決了。您還會聽到關於他的消息的。” 這一時期在自學和打雜之餘,愛因斯坦還一連數日到阿爾卑斯山和亞平寧山脈進行了遠足,他很喜歡那種站在群山之巔體驗到的崇高之感,北意大利那種非德國式的風雅也令愛因斯坦滿心歡喜,在他看來,意大利讓人喜歡得入迷,人們的天然淳樸與德國那種精神壓迫和機械式的順從形成了鮮明對照。無論是生活方式還是風光藝術,一切都吸引著他。 1895年,愛因斯坦最終自學完了牛頓和萊布尼茨創造的微積分這一神奇而強大的數學技藝,這年夏天被塔爾梅自10歲開始科學啟蒙6年後,愛因斯坦堆積的科學知識和自學疑問推動他寫出了自己人生中第一篇理論物理學論文,題為《磁場中的以太狀態研究》。 令後人驚訝的是以拋棄以太概念為起點和特色的相對論之父人生中的第一篇理論物理學論文研究的竟然是以太的性質。以太是19世紀末期和20世紀初期物理學革命的一個核心領域和概念,它最早是古希臘哲學家亞裡士多德(公元前384年—前322年3月7日)所設想的一種物質,在亞裡士多德看來“以太”是除了水、火、氣、土之外,居於天空上層的第五種物質元素。 17世紀法國哲學家、數學家、物理學家勒內·笛卡爾(1596年3月31日-1650年2月11日)最先將以太引入科學,並賦予它某種力學性質。在笛卡爾看來,物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質來傳遞,不存在任何超距作用。因此,空間不可能是空無一物的,它被以太這種媒介物質所充滿。 後來,以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學說相聯係。荷蘭物理學家、天文學家、數學家克裡斯蒂安·惠更斯(1629年04月14日—1695年07月08日)和英國博物學家、發明家羅伯特·胡克(1635年7月18日-1703年3月3日)都提倡光的波動說,他們假定空間具有無所不在的以太,以此作為波動媒介,這時期的以太便稱為“發光以太”或“光以太”。 英國著名的物理學家、數學家艾薩克·牛頓(1643年1月4日—1727年3月31日)雖然在光學上提倡微粒說,但他也借助以太的稀疏和壓縮來解釋光的反射和折射,甚至假想以太是造成引力作用的可能原因。 到了19世紀,以太觀念在光的波動說理論中真正展現威力。1825年前後,英國醫生、物理學家托馬斯·楊(1773年06月13日-1829年05月10日)和法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅耳(1788年5月10日-1827年7月14日)扭轉了牛頓後光的微粒說占優勢的局麵,提出了升級版的光的波動說理論,以波動說成功地解釋了光的乾涉、衍射、雙折射、偏振,甚至光的直線傳播現象。鑒於光的波動說需要傳播光的媒介,因此,19世紀大多數物理學家相信光波傳播媒介以太的存在。 隨著英國物理學家、化學家邁克爾·法拉第(1791年9月22日~1867年8月25日)和英國蘇格蘭的物理學家、數學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(1831年6月13日—1879年11月5日)電磁理論的逐漸成熟,找書苑 www.zhaoshuyuan.com 以太概念在電磁學中也獲得了地位,被成為電磁以太。1831年,法拉第關於電磁感應實驗的成功,促使他建立了電磁力線的概念,並以此概念解釋電、磁及其彼此感應的作用,後來,他又提出了電場、磁場和力線場的概念。19世紀60年代,麥克斯韋提出位移電流的概念,借用以太觀念成功地將法拉第的電磁力線表述為一組數學方程式,建立了名聞天下的麥克斯韋方程組。 在導出麥克斯韋方程組時,麥克斯韋曾提出,磁感應強度就是以太速度;以太繞磁力線轉動形成帶電渦元;甚至將他的位移電流概念從絕緣體推廣到以太範圍。從麥克斯韋方程組中可以導出,電磁擾動的傳播速度與已知的光速在實驗誤差範圍內是一致的,因此,麥克斯韋在指出電磁擾動的傳播與光傳播的相似之後寫道:“光就是產生電磁現象的媒質(以太)的橫振動,傳播電磁與傳播光隻不過是同一種介質而已。”1888年,德國物理學家海因裡希·魯道夫·赫茲(1857年2月22日-1894年1月1日)以實驗證明電磁擾動的傳播及其速度,也即發現了電磁波的真實存在,這個事實曾一度被人們理解為證實以太存在的決定性實驗。 以太的概念實際上代表了經典物理學的觀點:電磁波的傳播需要一個“絕對靜止”的參考係,當參考係改變,光速也改變。這個“絕對靜止係”就是“以太係”,其他慣性係的觀察者所測量到的光速,應該是“以太係”的光速與這個觀察者在“以太係”上的速度之矢量和。