愛因斯坦77小機器、維恩和超光速論題1907.7 　　在1906年12月12日論文《論熱力學平衡定律有效性的界限並論基本量的新測定(方法)的可能性》的實驗設計部分，愛因斯坦提出了一個以電容器板係互聯再斷開而產生的電勢差來測定阿伏伽德羅常數的方法，自此以後他對可以為電容器中發生的電壓漲落提供實驗證據的測量極微小的電量也產生了興趣。 　　1907年7月15日，愛因斯坦自覺在測量極微小電量的研究方麵有了些心得，便急沖沖的給哈比希特兄弟（康拉德和保羅）去了封信，要求他們有機會的話來和自己麵談測量極微小電量的問題： 　　“親愛的哈比希特兄弟！ 　　我很想在這幾日的某一天中再與你們見一麵！你們是否願意並且能夠很快來一趟？現在，也就是在7月，我可以接待你們兩位，因為我妹妹走了。如果你們能在8月初來西蒙沙爾（Simmenthal）的倫克（注：Lenk，伯爾尼州高原上的一個村子，海拔1070米）那就更好了，我將在8月1日偕我的妻子和兒子去那裡度假10天左右；在那裡我整天都有空。感謝保羅先生那封有趣的信。我已經發現了另一種新的測量極其微小能量的方法。 　　我們全家向你們問好。你們的 　　阿爾伯特·愛因斯坦 　　盼速回信！” 　　愛因斯坦的“新方法”從本質上講就是通過一臺特殊的靜電感應電機(或倍加器)來把非常低的初始電壓增大，這樣這個儀器的輸出電壓就可以用一臺簡單的靜電計測量到。 　　根據上述原理，1907年8月哈比希特兄弟製成了第一臺倍加器，在1907年秋季和冬季期間“小機器”(Maschinchen)仍然使愛因斯坦著迷。但是，出於“對當製造商設什麼興趣”，愛因斯坦卻決定不申請專利。 　　從專業、實用的應用技術角度看，天才理論物理學家愛因斯坦看好的這個小機器並不令人滿意，1908年7月，另一位儀器製造商(可能是魯道爾·加塞爾，Rudol Gasser)被找來幫助愛因斯坦工作。幾個月之後，保羅·哈比希特製成了一臺機器，但是它完全不能運行：它的電絕緣部分太不完善，而且不能起電。到了10月，愛因斯坦終於能借助一臺自製的靜電計和一個電池組來試驗這臺機器了，他嘲弄地說這是“我自己拚湊做成的一件漂亮東西”。 　　1908年10月哈比希特再次建議增加這臺機器的倍增係數，而1909年3月愛因斯坦似乎才準備開始進行精確的測量，到了4月，在用一臺借來的驗電計工作了一段時間之後，他能夠估計出這臺裝置的倍增係數了。但是直到當年的11月，仍然有些技術問題必須要解決：這臺裝置也許最精巧的部分，即倍加器的彈簧觸點需要改進。最終，到了1910年3月，愛因斯坦和哈比希特兄弟試驗了這臺機器，並起草了一篇技術文章對它作了描述，文章於5月23日完成，並發表在《物理學期刊》(《Physikalische Zeitschrift》)上，愛因斯坦都沒有署名，署名是哈比希特兄弟。 　　1911年12月保羅·哈比希特向德國物理學會演示了這臺機器。愛因斯坦對他的“明顯成功”感到很滿意，他寫信給一位朋友說：“他(哈比希特)已經克服了對此事的阻力；我相信這種小機器很快就會取代靈敏的象限靜電計和線靜電計。” 　　然而事實上愛因斯坦對這一發明過分樂觀了，這項發明並沒有普及起來。也許隻製造和售出了幾臺，但這種“小機器”無疑從未取代過不斷改進的精確的靜電計。愛因斯坦-哈比希特的機器未能普及起來有許多原因。雖然這種機器的基礎理論很簡單，但其構造卻相當復雜。有幾種並非人們所希望的效果可能會影響它的性能。再者，這種機器的輸出很容易受難以控製的靜電現象的影響，而大氣濕度和塵埃對所有靜電裝置的影響都很大。此外，靜電起電機常常自充電。不同金屬物(例如金屬刷和金屬板)之間的接觸，甚或材料相同但物理性質不同的表麵之間的接觸都有可能產生接觸電。另外，這臺機器的運動部分和固定部分之間的摩擦也能產生微量的電。在靜電發電機中，這些現象可用作激發之用，因而是有益的，但是在旨在增加和測量微弱電荷的倍加器中，這些效應隻能是有害的。另一方麵，把這種機器用來作為高壓發電機(就像哈比希特所建議的那樣)恐怕已經很不實際了。物理學家們為達到這一目的已經有了其他效率更高，作用更大的儀器。 　　雖然自認為動手能力不錯（傳說中愛因斯坦的小椅子，雖然最差，但卻是他做的最好的一個），但愛因斯坦的特長明顯更在理論方麵，就在對愛因斯坦-哈比希特小機器興趣濃厚的這個時期，愛因斯坦還進入了另一個戰場，那裡明顯更適合他，這個戰場就是至今也令人津津樂道的話題——超光速。 　　與愛因斯坦展開超光速話題討論的物理學家是紅外災變公式的作者威廉·維恩（1864年1月13日-1928年8月30日）。維恩全名威廉·卡爾·維爾納·奧托·弗裡茨·弗蘭茨·維恩，德國物理學家，1864年1月13日出生於東普魯士菲施豪森，大愛因斯坦15歲。 　　1866年，隨家人搬到了拉斯滕堡（現波蘭肯琴）附近的德拉亨斯坦； 　　1879年，15歲在拉斯滕堡（Rastenburg）讀中學； 　　1880年-1882年，在海德堡讀中學； 　　1882年，18歲中學畢業後進入哥廷根大學學習數學，同年，轉去柏林洪堡大學； 　　1883年至1885年在赫爾曼·馮·亥姆霍茲實驗室工作； 　　1886年，22歲獲得柏林洪堡大學博士學位，論文題目是光對金屬的衍射以及不同材料對折射光顏色的影響； 　　1890年，26歲變賣父親的土地後，回到赫爾曼·馮·亥姆霍茲身邊，作為他的助手在國家物理工程研究所工作，為工業課題做研究； 　　1892年，30歲年獲得柏林洪堡大學任教資格； 　　1896年，32歲前往亞琛工業大學擔任物理學教授，以接替菲利普·萊納德（1905年諾貝爾物理學獎獲得者）； 　　1898年，34歲威廉·維恩與路易絲·梅勒結婚，婚後兩人育有4個孩子； 　　1899年，35歲擔任吉森大學物理學教授； 　　1900年，36歲赴維爾茨堡大學任教，接替威廉·康拉德·倫琴（X射線的發現者）； 　　1902年，被邀請接替路德維希·玻爾茲曼出任萊比錫大學物理學教授，但他拒絕了這個邀請； 　　1906年，被邀請接替保羅·德魯德（Paul Drude）出任柏林洪堡大學物理學教授，但他也拒絕了這個邀請； 　　1911年，47歲獲得諾貝爾物理學獎； 　　1920年底，前往慕尼黑大學任教，再次接替威廉·康拉德·倫琴； 　　1928年在慕尼黑去世，享年64歲。 　　隨著年歲的增長，越來越感到人生的無常，人的一生要做出一點成績來還是比較難得的，看看維恩一生的人生簡介，再對照對照各個年齡段的自己，人生之中哪有太多驚天動地的偉業，人的一生也確如白駒過隙，彈指而過，所以，我們普通的大眾更應珍惜目前的生活，努力在自己的人生中盡量做出一點成績來，這樣才不枉一生。 　　威廉·維恩的研究領域為熱輻射與電磁學等，1887年，威廉·維恩完成了金屬對光和熱輻射的導磁性實驗，在國家物理工程研究所，他與路德維希·霍爾伯恩一起研究用勒沙特列溫度計測量高溫的方法，同時對熱動力學進行理論研究，尤其是熱輻射的定律。 　　1893年，維恩經由熱力學、光譜學、電磁學和光學等理論支援，提出波長隨溫度改變的定律，後來被稱為維恩位移定律。該定律指出，在一定溫度下，絕對黑體的溫度與輻射本領最大值相對應的峰值波長的乘積為一常數。 　　1894年，維恩發表了一篇關於輻射的溫度和熵的論文，將溫度和熵的概念擴展到了真空中的輻射，在這篇論文中，他定義了一種能夠完全吸收所有輻射的理想物體，並稱之為黑體。 　　1896年，維恩發表了維恩公式，即維恩輻射定律，給出了這種確定黑體輻射的關係式，提供了描述和測量高溫的新方法。該公式在短波波段與實驗符合得很好，但在長波波段與實驗有明顯的偏離，即紅外災變。 　　1896年，維恩前往亞琛接替菲利普·萊納德後，他在那裡建立實驗室研究真空中的靜電放電。 　　1898年，維恩研究了歐根·戈爾德施泰因發現的陽極射線，指出它們的帶正電量與陰極射線的帶負電量相等，他測量了它們在磁場和電場影響下的偏移，並得出陽極射線由帶正電的粒子組成，維恩所使用的方法在約20年後形成了質譜學，實現了對多種原子及其同位素質量的精確測量，以及對原子核反應所釋放能量的計算。 　　1900年，維恩發表了一篇關於力學的電磁學基礎的理論論文，此後又繼續研究陽極射線，並在1912年發現，在並非高真空的環境下，氣壓不是非常弱時，陽極射線通過與殘餘氣體的原子碰撞，會在運動過程中損失並重得它們的帶電量。 　　1918年，再次發表對陽極射線的研究結果，他測量了射線在離開陰極後，發光度的累積減少過程，通過這些實驗，他推斷出在經典物理學中所稱的原子發光度的衰退，對應於量子物理學中的原子處於活躍狀態的時間有限。 　　威廉·維恩對於熱輻射等物理法則作出了貢獻，他的研究成果為從牛頓的經典物理學向量子物理學過渡作出了貢獻，馬克斯·馮·勞厄評價威廉·維恩不朽的榮耀是他為我們打開了通往量子物理學的大門。 　　時間拉回到1907年，這年的7月23日，愛因斯坦給維恩寫了一封信，拉開了兩人一個來月時間的信件討論超光速的討論潮，這一時期屬於愛因斯坦寫給維恩的信有6封，可稱為超光速討論六部曲。 　　7月23日的這第一封信是愛因斯坦回復威廉·維恩對自己的谘詢電磁理論中超光速速度的產生與愛因斯坦關於這種運動的不可能性的結論之間的不一致性而寫的，在信中愛因斯坦稱呼現在的柏林洪堡大學物理學教授威廉·維恩為“非常尊敬的教授先生”： 　　“非常尊敬的教授先生！ 　　您在這裡提出了一個最令人感必趣的問題！收到您的信後我立即就投入到這個問題的研究之中並且得到了以下初步結果。” 　　首先，愛因斯坦給出了自己搞出的“群速度”定義及其公式： 　　“1.我把“群速度”U定義為振幅的一種(緩慢)變化的傳播速度；畢竟，這是個有爭議的量。我發現(對無論多麼強的吸收)： 　　U=V/[1+（l/V）·dV/dl]，其中l是真空中的波長，V是煤質中的光速。 　　就眼下而言有相當的準確度，而且與您提到的 V-l·dV/dl（注：群速度的標準表達式）的值相符。” 　　其次，愛因斯坦認為不同顏色光的群速度大於光速是不對的，違反狹義相對論： 　　“2.在我看來，如果對於某一特定的金屬和特定的顏色（注：即光）U>L(光在真空中的速度)，那麼這與真空中光速不變原理相聯係的相對性原理（注：狹義相對論）是相矛盾的。” 　　再次，愛因斯坦從電磁理論角度闡述了超光速的不可能，論證的依據是超距作用以光速L為傳播速度與麥克斯韋方程等價，即超距作用的作用速度是光速： 　　“3.電磁信號以超光速傳播這點也是與麥克斯韋的電學和光學理論不相容的。這是從發表在洛倫茲紀念文集上的維歇特（注：埃米爾·維歇特，Emil Wichert，1861年-1928年）的研究成果中得出的結論。這項研究表明，如果有人引入某些超距作用，而這些作用以光在真空中的速度L傳播並且從一個帶電體作用到另一個帶電體，那麼他就會得出某種與麥克斯韋方程等價的東西（注：超距作用以光速L為傳播速度與麥克斯韋方程等價）。” 　　以此為依托，愛因斯坦設計了一個簡單的思想實驗以論證對靜止物體的純電磁信號而言超光速度是不可能的： 　　“設A是一個可發射電磁作用的點，B是一個可感知來自A的電磁作用的點。設P、Q、R等等是具有電磁上起作用的靜止粒子，設想所考察的傳遞-傳播的媒質就是由它們構成的（注：思想實驗場景設定）。 　　假設以A發出一種作用。因此，當時間為 AB/L時就會在B中產生一種超距作用，除非在下列過程中得到補償： 　　從A中發射——由此在P中產生超距作用——從P中發射——來自P的超距作用在Q中產生激發——等等——在B中產生的激發（注：思想實驗作用過程）。 　　整個過程可以設想為是由從A到B這樣的間接作用和最初提到的直接作用（注：A到B的超距作用，作用速度為光速L）所構成。 　　由此可以很容易地得出結論：時間 AB/L至少必然在B中的第1次激發前流逝（注：A到B的超距作用耗時 AB/L≤A-P-Q-R-B的間接作用，A到B超距作用速度為光速L，則A-P-Q-R-B的間接作用必然≤光速L），也就是說，對靜止物體的純電磁信號而言超光速速度是不可能的。” 　　之後，愛因斯坦再次強調了麥克斯韋-洛倫茲理論與狹義相對論的一致性，即真空光速為常數，找書苑 www.zhaoｓhuyuaｎ.cｏm 麥克斯韋-洛倫茲電磁理論和狹義相對論暗示或明示了光速是信號傳播的極限速度，不會有超光速的出現： 　　“4.總的看來，可以說在靜止物體的光學中沒有哪個與麥克斯韋-洛倫茲理論相符的過程會與相對性原理相矛盾，因為麥克斯韋-洛倫茲理論的基礎與相對性原理是一致的（注：狹義相對論就是以麥克斯韋-洛倫茲理論為立論前提的，光速為常數是麥克斯韋方程導出的結果）。” 　　在信的最後，愛因斯坦又從折射率的角度論證了超光速的不可能： 　　“總而言之，在我看來U>L這種情況是否真的會出現這個問題是非常有意思的。從麥克斯韋理論中必然會得出U≤L這種關係，或者，若n表示折射率，那麼對任意物質： l·dn/dl≤n-1。 　　因此，對於某個l我們有n<1（注：根據折射率公式n=c/v，則n<1時即為波的相速度超光速），那麼按照這個公式，必然存在一個更大的l，對於它n=0；對於比它還大的l，不存在任何在這種物體中傳播的波(n2<0)。 　　謹致最崇高的敬意。您的 　　阿爾伯特·愛因斯坦” 　　愛因斯坦第一封信回復威廉·維恩關於超光速的論述比較符合大家常識的看法，愛因斯坦斬釘截鐵的斷定超光速不可能，既違反傳統的、經典的、公認正確的麥克斯韋方程組，也不符合新晉博士愛因斯坦先生的狹義相對論，雖然此時愛先生的理論和本人的名氣還沒有多大，而且也不符合傳統的光學折射理論。