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第八章 爱因斯坦的宇宙(1)

随着19世纪渐渐远去,科学家们可以满意地回想,他们已经解开物理学的大部分谜团。

我们略举数例:电学、磁学、气体学、光学、声学、动力学及统计力学,都已经在他们的面前俯首称臣。他们已经发现了X射线、阴极射线、电子和放射现象,发明了计量单位欧姆、瓦特、开尔文、焦耳、安培和小小的尔格。

凡是能被振荡的,能被加速的,能被干扰的,能被蒸馏的,能被化合的,能被称质量的,或能被变成气体的,他们都做到了;在此过程中,他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常重要,非常神气,直到今天我们还往往以大写来书写:"光的电磁场理论"、"里氏互比定律"、"查理气体定律"、"体积结合定律"、"第零定律"、"原子价概念"、"质量作用定律"等等,多得数也数不清。整个世界丁丁当当、喀嚓喀嚓地回响着他们发明创造出来的机器和仪器的声音。许多聪明人认为,科学家们已经没有多少事可干了。

1875年,德国基尔有一位名叫马克斯·普朗克的年轻人犹豫不决,不知道这辈子究竟是该从事数学还是该从事物理学。人们由衷地劝他不要选择物理学,因为物理学的重大问题都已得到解决。他们斩钉截铁地告诉他,下个世纪将是个巩固和提高的世纪,不是个革命的世纪。普朗克不听,他钻研理论物理学,潜心投入了热力学的核心问题--熵的研究工作。

在一个雄心勃勃的年轻人看来,研究这个问题似乎很有前途。1891年,他做出了成果,却吃惊地发现,关于熵的这项重要工作实际上已经有人做过。他是耶鲁大学一位离群索居的学者,名叫J.威拉德·吉布斯。

吉布斯是个很杰出的人物,但大多数人也许没有听说过。他行为检束,很少抛头露面。

除了去欧洲搞了三年研究以外,他的一辈子差不多都是在一个三个街区的范围之内度过的:一边是他的家,一边是耶鲁大学在康涅狄格州纽黑文的校园。在耶鲁大学的最初十年里,他连工资都懒得去领。(他有另外的收入。)从1871年起,他成为该大学的一名教授,直到1903年去世。在此期间,每学期选他的课的学生平均只有一名。他写的东西晦涩难懂,经常使用自己发明的符号,许多人觉得简直是天书。但是,在那些神秘的公式深处,隐藏着最英明、最深刻的见解。

1875-1878年期间,吉布斯写出了一系列论文,编成了《论多相物质的平衡》的集子。

该书出色地阐述了近乎一切热力学原理--用威廉·H.库珀的话来说,包括"气体、混合物、平面、固体、相移......化学反应、电化电池、沉淀以及渗透"。归根结底,吉布斯想要表明,热力学不仅适用于蒸汽机这样的庞大而又嘈杂的范围里的热量和能量,而且在化学反应的原子层面上也同样存在,而且影响很大。吉布斯的《平衡》一直被称为"热力学原理",但出于无法猜测的原因,吉布斯情愿将这些具有划时代意义的见解发表在《康涅狄格州艺术与科学院学报》上,那是一份即使在康涅狄格州也毫无名气的杂志。这就是为什么普朗克直到很晚的时候才听说他的名字的原因。

普朗克没有泄气--哎呀,也许稍稍有点胆怯,开始把注意力转向别的问题。1这方面的事,我们等一会儿再说,先稍稍地(而又恰当地)换个方向,前往俄亥俄州的克利夫兰,去一家当时被称为凯斯实用科学学校的机构。19世纪80年代,那里有一位刚到中年的物理学家,名叫阿尔伯特·迈克尔逊。他在他的朋友化学家爱德华·莫雷的协助之下,进行了一系列试验。那些试验得出了很有意思而又令人吃惊的结果,将对以后的许多事情产生重大的影响。

迈克尔逊和莫雷所做的--实际上是在无意之中所做的--破坏了长期以来人们对一种所谓光以太的东西的信念。那是一种稳定、看不见、没有重量、没有摩擦力、不幸又完全是想像出来的媒质。据认为,这种媒质充满宇宙。以太是笛卡儿假设的,牛顿加以接受,之后差不多人人都对它怀有崇敬之情,在19世纪物理学中占有绝对的中心地位,用来解释为什么光能够在空荡荡的太空里传播。它在19世纪初尤其必不可少,因为光和电磁在这时候被看成是波,也就是说某种振动。振动必须在什么东西里面才能发生,因此,就需要一种以太,并长期认为存在一种以太。直到1909年,伟大的英国物理学家汤姆森仍坚持说:"以太不是哪位爱好思索的哲学家的凭空想像,它对我们来说就像我们呼吸的空气那样不可缺少。"--他说这番话4年多以后,就无可争议地确定以太并不存在。总而言之,人们确实离不开以太。

如果你需要说明19世纪的美国是个机会之乡的理念,那么你很难再找到像阿尔伯特·迈克尔逊这样的例子。他1852年生于德国和波兰边境地区的一个贫苦的犹太商人家庭,小时候随家人来到美国,在加利福尼亚州一个淘金热地区的矿工村里长大。他的父亲在那里做干货生意。家里太穷,他上不起大学,便来到首都华盛顿,在白宫的正门口游来晃去,希望能在尤利塞斯·S.格兰特每天出来散步时碰上这位总统。(那显然是个比较朴实的年代。)在这样散步的过程中,迈克尔逊深深博得了总统的欢心,格兰特竟然答应免费送他去美国海军学院学习。就是在那里,迈克尔逊攻读了物理学。

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