相對(duì)論已經(jīng)到了第三講，愛(ài)因斯坦的理論還沒(méi)有出場(chǎng)，而我們做這么多鋪墊都是值得的。真正的精彩不在于相對(duì)論的結(jié)論，而在于思辨的過(guò)程。前兩講，我們說(shuō)了兩件事。
第一，勻速直線運(yùn)動(dòng)和靜止沒(méi)有區(qū)別。物理定律 —— 至少是力學(xué)的定律 —— 應(yīng)該在所有勻速直線運(yùn)動(dòng)或者靜止的坐標(biāo)系下是一樣的。
第二，麥克斯韋解方程解出來(lái)一個(gè)光速，可是物理學(xué)家有個(gè)疑問(wèn)：這個(gè)光速是相對(duì)于誰(shuí)的呢？
如果光速是相對(duì)于光源的速度，那沒(méi)問(wèn)題，這兩個(gè)事實(shí)不矛盾。但是我們講了，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，光速跟光源的速度無(wú)關(guān)。
于是物理學(xué)家相信，光既然是一種波動(dòng)，光速就一定是相對(duì)于某種“介質(zhì)”的速度。
1.波動(dòng)和“以太”
咱們先說(shuō)說(shuō)什么叫“波動(dòng)”。你往平靜的湖水里扔一塊石頭，水面上就會(huì)產(chǎn)生一層層的波紋，慢慢傳播出去，這就是波動(dòng)。用我記得教科書(shū)上的話說(shuō)，波，就是“時(shí)間和空間上的周期性運(yùn)動(dòng)”。
請(qǐng)注意，在波往外傳遞的過(guò)程中，是波的*形態(tài)*在傳播，但是湖水本身并沒(méi)有往外傳播。湖面上的水有一個(gè)局限在當(dāng)?shù)氐膩?lái)回運(yùn)動(dòng)，僅此而已。你看到海浪一層層地來(lái)到岸邊，那些岸邊的浪花只是岸邊的水的波動(dòng)，并不是遠(yuǎn)方的水跟著海浪一起來(lái)了。
在大尺度上，水并沒(méi)有動(dòng)，是波在相對(duì)于水而動(dòng)。水是波傳遞的介質(zhì)，波傳遞的僅僅是信息和能量，而不是物質(zhì) —— 介質(zhì)本身，不需要?jiǎng)印?/p>
聲波也是這樣。距離你十米遠(yuǎn)的人說(shuō)話，你能聽(tīng)到他的聲音，那是聲波在空氣中傳遞的結(jié)果。聲波從那個(gè)人的嘴邊到達(dá)了你的耳朵 —— 但是那個(gè)人并沒(méi)有把他嘴邊的空氣給吹到你這里。
好，水波是相對(duì)于水面的運(yùn)動(dòng)，聲波是相對(duì)于空氣的運(yùn)動(dòng) —— 那既然光作為電磁波也是一種波動(dòng)，它就也應(yīng)該是相對(duì)于某種介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)吧？
這個(gè)假想中的介質(zhì)，就被稱為“以太”。
并不是物理學(xué)家觀察到過(guò)以太的蛛絲馬跡，也不是物理學(xué)家固執(zhí)地相信凡是波都必須得有介質(zhì) —— 物理學(xué)家憑空想象這么一個(gè)以太，純粹是為了回答“光速到底是相對(duì)于誰(shuí)”這個(gè)問(wèn)題。
2.可是沒(méi)有以太
那以太到底是一種什么東西呢？物理學(xué)家可以推算它的性質(zhì)。
首先，既然我們能看到來(lái)自宇宙各處的星光，以太就必須遍布整個(gè)宇宙空間，無(wú)處不在。
其次，以太肯定是一種非常稀疏的物質(zhì)。這是因?yàn)槲覀兺耆杏X(jué)不到它的存在，各種東西都是該怎么運(yùn)動(dòng)就怎么運(yùn)動(dòng)，以太不構(gòu)成障礙。
但同時(shí)以太又必須得是一種很堅(jiān)硬的東西。這是因?yàn)槲锢韺W(xué)家早就知道，波的傳播速度跟介質(zhì)的堅(jiān)硬程度有關(guān)：介質(zhì)越硬，波速就越快，比如聲波在水里的速度就比在空氣里快。
又很稀疏，又很堅(jiān)硬，以太這個(gè)東西不是太奇怪了嗎？
更嚴(yán)重的問(wèn)題是，如果以太真的存在，那物理學(xué)家關(guān)于“勻速直線運(yùn)動(dòng)和靜止沒(méi)有區(qū)別”這個(gè)信念，可就錯(cuò)了。我們完全可以說(shuō)“相對(duì)于以太的靜止”就是絕對(duì)的靜止，它跟運(yùn)動(dòng)有本質(zhì)的區(qū)別。
咱們還是回到那艘豪華游輪上。你做力學(xué)實(shí)驗(yàn)的確無(wú)法判斷船是在運(yùn)動(dòng)還是靜止，但是現(xiàn)在你可以做一個(gè)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)！你打開(kāi)手電筒制造一段光線，然后你測(cè)量一下它的速度。只要船在相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)，你就一定能找到一個(gè)方向，正好是船運(yùn)動(dòng)的方向，在這個(gè)方向上，光速比其他方向要慢一些！那只要你能找到一個(gè)光速變慢的方向，不就證明船是在運(yùn)動(dòng)了嗎？
我們的地球就是這艘船。既然地球在公轉(zhuǎn)，它就肯定是在運(yùn)動(dòng)。那如果以太存在，我們就一定能找到一個(gè)讓光速或者稍微變大、或者稍微變小的方向，對(duì)吧？
這是一個(gè)關(guān)于以太到底存不存在的決定性的判據(jù)。我們知道地球公轉(zhuǎn)的速度大約是每秒30公里，可是光速是每秒30萬(wàn)公里，公轉(zhuǎn)對(duì)光速的影響是非常非常小的，但是這難不倒物理學(xué)家。
美國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson）發(fā)明了一個(gè)特別漂亮的測(cè)量光速變化的方法。他把一束光分成兩束，在垂直的兩個(gè)方向前進(jìn)，走過(guò)同樣的距離，經(jīng)過(guò)鏡子反射之后再回來(lái)。如果光速在兩個(gè)方向上是一樣的，兩束光就會(huì)形成一個(gè)完美的干涉條紋。但是只要這兩束光的速度有一點(diǎn)點(diǎn)不一樣，這個(gè)干涉條紋也會(huì)被破壞。這個(gè)裝置足以發(fā)現(xiàn)極其微小的速度差異，現(xiàn)代人發(fā)現(xiàn)引力波的實(shí)驗(yàn)裝置也是用了這個(gè)原理。
這就是發(fā)生在1887年的“邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是地球上的光速在所有方向上都是一樣的。
這也就是說(shuō)根本就沒(méi)有以太。
這也就是說(shuō)光根本不需要介質(zhì)，就能在空間傳播。
這也就是說(shuō)勻速直線運(yùn)動(dòng)和靜止還真是沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。
但這也就是說(shuō)，物理學(xué)家還是不知道光速到底是相對(duì)于誰(shuí)的。
1887年，全體物理學(xué)家都陷入了困惑。他們還得再等18年才能知道答案。而提供答案的人，現(xiàn)在才只有8歲。
3.二十六歲以前的愛(ài)因斯坦
關(guān)于愛(ài)因斯坦有一些民間傳說(shuō)。很多人有個(gè)印象，說(shuō)愛(ài)因斯坦小時(shí)候?qū)W習(xí)不好，好像是個(gè)有點(diǎn)笨的孩子，后來(lái)他努力學(xué)習(xí)，才成了偉大的科學(xué)家。這樣的故事能給普通人希望……但是愛(ài)因斯坦真不是普通人。
2017年，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在官方Twitter賬號(hào)（@NobelPrize）上貼出了愛(ài)因斯坦17歲高中畢業(yè)時(shí)的成績(jī)單 ——
他的物理、代數(shù)、幾何、歷史成績(jī)都是最高分6分，只有法語(yǔ)最差是3分。這些成績(jī)相當(dāng)不錯(cuò)。我想補(bǔ)充的是愛(ài)因斯坦16歲的時(shí)候就已經(jīng)報(bào)考了瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院而且被錄取了，只是大學(xué)要求他先把高中念完。
不過(guò)按照世俗的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，愛(ài)因斯坦的確有點(diǎn)性格“缺陷”。愛(ài)因斯坦對(duì)師長(zhǎng)不夠尊重，還總想對(duì)抗體制。比如愛(ài)因斯坦本來(lái)是在慕尼黑上高中，可是他受不了當(dāng)時(shí)德國(guó)高中普遍實(shí)行的軍事化管理，就索性退學(xué)，追隨經(jīng)商的父母去了意大利……而且連德國(guó)國(guó)籍都不要了。
愛(ài)因斯坦沒(méi)念完高中就想上大學(xué)，上了大學(xué)仍然不滿意。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院已經(jīng)是個(gè)很好的大學(xué)了，但愛(ài)因斯坦認(rèn)為它的教學(xué)太陳舊。我們上一講說(shuō)的麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)出來(lái)40年了，可是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的物理系居然沒(méi)有這門(mén)課程。愛(ài)因斯坦干脆就逃課，自學(xué)麥克斯韋的理論。
愛(ài)因斯坦看不起物理系的教授，教授們也看不上愛(ài)因斯坦。他們給愛(ài)因斯坦的評(píng)價(jià)是不聽(tīng)話，而且還懶。他們甚至建議愛(ài)因斯坦不要學(xué)物理了，去學(xué)醫(yī)吧 —— 對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)這簡(jiǎn)直是侮辱。
不過(guò)愛(ài)因斯坦在大學(xué)里有一個(gè)重大收獲，就是他后來(lái)的妻子米列娃。米列娃本來(lái)是學(xué)醫(yī)的，是轉(zhuǎn)系學(xué)物理……兩個(gè)物理青年就這樣相愛(ài)了。
但是兩個(gè)人的成績(jī)都一般。大學(xué)畢業(yè)考試的時(shí)候，在物理系的總共五個(gè)畢業(yè)生中，愛(ài)因斯坦排第四勉強(qiáng)拿到了畢業(yè)證，米列娃排第五必須重修一年。
當(dāng)時(shí)是1900年。排前三名的學(xué)生都得到了正式的教職，從此就是職業(yè)科學(xué)家。而愛(ài)因斯坦和米列娃卻不得不為生計(jì)奔忙。兩人又有了孩子，愛(ài)因斯坦為了養(yǎng)家糊口還去給人當(dāng)了一陣家庭教師，后來(lái)好不容易在專利局找到了一個(gè)低級(jí)的工作。
這就是愛(ài)因斯坦在1905年之前的生活狀況。我想有類似這樣經(jīng)歷的求學(xué)者可以說(shuō)是不在少數(shù)。心中有一個(gè)遠(yuǎn)大的志向，看什么都不順眼，面對(duì)現(xiàn)實(shí)毫不妥協(xié)，結(jié)果把自己生活搞得很艱難……正所謂“誠(chéng)知此恨人人有”。
愛(ài)因斯坦跟這些人唯一的區(qū)別是，到了26歲這一年，他創(chuàng)造了奇跡。
我最近讀到一篇楊振寧先生寫(xiě)的文章，叫《愛(ài)因斯坦的機(jī)遇與眼光》。楊振寧說(shuō)愛(ài)因斯坦之所以能創(chuàng)造奇跡，首先是他極其幸運(yùn)：“他生逢其時(shí)，當(dāng)物理學(xué)界面臨著重重危機(jī)時(shí)，他的創(chuàng)造力正處于巔峰。”
但是光有機(jī)遇還不行，因?yàn)楫?dāng)時(shí)至少有還兩個(gè)人 —— 洛倫茲和彭加萊 —— 也摸到了相對(duì)論的門(mén)，但是這兩人都沒(méi)有成功。楊振寧說(shuō)“洛倫茲有數(shù)學(xué)，但沒(méi)有物理學(xué)；彭加萊有哲學(xué)，但也沒(méi)有物理學(xué)?！蹦菫槭裁词菒?ài)因斯坦打開(kāi)這扇門(mén)呢？因?yàn)閻?ài)因斯坦有個(gè)“自由的眼光”。
愛(ài)因斯坦敢質(zhì)疑當(dāng)前現(xiàn)狀。愛(ài)因斯坦不跟體制和解。楊振寧說(shuō)愛(ài)因斯坦這種“ 孤持(apartness)”的個(gè)性，是他能取得偉大成就的必要條件。
但是你光有機(jī)遇和個(gè)性也不行。在我看來(lái)，愛(ài)因斯坦的物理直覺(jué)，也許是一種天賦。比如他五歲的時(shí)候，就對(duì)一個(gè)指南針?lè)浅８信d趣。小孩對(duì)指南針感興趣很正常，但愛(ài)因斯坦的思路不一般 —— 他覺(jué)得指南針說(shuō)明我們所處的這個(gè)空間有問(wèn)題！空間不是各向同性的，居然有一個(gè)特殊的方向！
愛(ài)因斯坦16歲就寫(xiě)了第一篇物理論文，這篇論文的題目就是……《磁場(chǎng)里以太的狀態(tài)的研究》。他就問(wèn)了一個(gè)問(wèn)題，說(shuō)如果我以光速在運(yùn)動(dòng)，那我看到的光，會(huì)是什么樣的呢？難道光會(huì)是靜止不動(dòng)的嗎？
當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦就說(shuō)，他認(rèn)為不會(huì)是那樣 —— 他說(shuō)根據(jù)麥克斯韋的理論，不管我是什么速度，我做實(shí)驗(yàn)弄出光波來(lái)，光波還是會(huì)以光速在運(yùn)動(dòng)。
一般情況下師長(zhǎng)們都告訴你要適應(yīng)世界。愛(ài)因斯坦不是來(lái)適應(yīng)世界的。他是來(lái)改變世界的。
