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量子纠缠背后的故事(之一):无所畏惧的爱因斯坦 精选

已有 9677 次阅读 2020-6-22 06:30 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

1901年5月,22岁的爱因斯坦(Albert Einstein)与他的大学同学、恋人玛丽奇(Mileva Maric)相约,到意大利和瑞士边境阿尔卑斯山中的休假胜地科莫湖度过几天难忘的浪漫时光。

不久,爱因斯坦收到玛丽奇来信,她怀孕了。

他立即回信表达了自己的喜悦。不过,他的心情却另有缘由:“我刚刚读到了莱纳德的一篇用紫外光照射产生阴极射线的非常棒的论文。受这篇漂亮文章影响,我欣喜若狂,一定要与你分享。”

在分享了他所认为的作为物理知音更为重要的好消息之后,他才转笔到他们俩的私事:“亲爱的,你感觉怎样?那男孩好吗?你可以想象我们将来在一起,不受任何干扰,也没有人来对我们发号施令,该会多好?”

其实,爱因斯坦当时的处境相当糟糕。他大学毕业已经一年了,还没能找到工作,只是靠在中学任临时代课老师和课外辅导挣点小钱。玛丽奇的来信让他更迫切地感受到生活的压力。他许诺会加倍努力地去找一份正式工作,即使他不得不屈尊去卖保险。而一旦他有了足以养家的收入,就会立即向玛丽奇求婚,承担起丈夫、父亲的责任。

玛丽奇的状况更为残酷。大学时,她是班上唯一的女生,志高气傲,一心要在物理学这个男人的领地中闯出一条生路。然而,事与愿违,她在毕业考试中栽了跟斗,是唯一的落榜者。她计划复习一年重考,挽救自己的梦想。意外的怀孕显然来得很不是时候。此外,她还不得不面对爱因斯坦母亲对他们关系的极力反对。

世界刚刚进入20世纪。在欧洲,未婚先孕、私生子属于大丑闻,甚至会影响到爱因斯坦谋求公职的机会。玛丽奇在怀孕期间只好孤独地隐居在旅馆里。后来她自己回老家,在父母的庇护下悄悄地完成了分娩。

爱因斯坦曾一厢情愿地想象玛丽奇所怀的会是个男孩,后来才知道是个女儿。他们为她取名为莉瑟(Lieserl)。孩子出生两年后,这个名字,连同他们有过一个女儿的任何蛛丝马迹便在他们的所有通信、文件中消失,在其后的几十年中完全不为人所知。直到1986年,爱因斯坦逝世(玛丽奇去世更早)30多年后,玛丽奇生前保存的他们早期情书被发现,这桩隐秘才进入公众视野。那时已经无法找到任何有关莉瑟的档案记录。历史学家做了大量调查后对莉瑟的下落有诸多猜测,最可能的是她出生后便被送给亲友领养,不久因病夭折。

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虽然爱因斯坦在私信里对这个从没见过面的女儿满腔热忱,但在实际行动上并没有太上心。玛丽奇怀孕期间,他甚少去看望,任她在旅馆里独居。他更没有陪同玛丽奇回家或在分娩时去共享喜悦。玛丽奇回来后,他又违约没有花时间帮助她复习。玛丽奇重考后再度失败,没能获得大学毕业证书,不得不放弃了她从事科学事业的理想。

那时,爱因斯坦心目中有更重要的事情,其中就包括他读到的那篇比玛丽奇怀孕更能让他欣喜若狂的论文。

莱纳德(Philipp Lenard)是匈牙利的年轻物理学家,曾经在赫兹(Heinrich Hertz)指导下研究电磁波,尤其是紫外线的传播。1887年,20岁的赫兹率先发现电磁波的无线传播,证实了麦克斯韦(James Clerk Maxwell)20多年前提出的电磁学理论。在这个过程中,他还意外地发现当某些电磁波——尤其是高频率的紫外线——照射到金属表面时,会导致金属中发射出与阴极射线管(cathode ray tube,20世纪电视机、计算机终端、示波器等显像装置的关键器件)中类似的射线。

阴极射线管及其产生的神秘射线是19世纪末热门的物理问题之一。1897年,英国的汤姆森爵士(Sir Joseph John Thomson)确认那射线由非常微小的带负电的粒子组成,亦即“电子”。在那个时代,化学家已经有了“原子”、“分子”等作为物质基本组成的概念。物理学家则对原子的存在、性质还存有相当的疑惑。汤姆森爵士发现电子比原子还要小1000多倍,应该是原子的组成部分。这一发现令人震惊,象征着人类认识基本粒子微观世界的开端。

赫兹没能看到那一天。他在1894年元旦因病去世,年仅36岁。他所发现的紫外线导致金属中电子外溢的现象被称作“光电效应”(photoelectric effect,也就是今天太阳能电池的原理)。萊纳德继承导师的衣钵,继续研究这一现象。他对仪器、设计进行关键性的改进,做了大量系统测量,很快发现一些令人不解的性质。

光电效应本身其实很容易理解。虽然那时的物理学家对物质的微观结构还只有非常肤浅的认识。但金属既然能够导电,可以想象其中会有电子在运动。阴极射线管便是通过加热等手段让作为阴极的金属中一些电子获得足够的动能逃出,形成射线。电磁波也携带有能量。当它照射到金属表面时,也可以想象到其中一些电子会因为电磁波作用而振荡,获得足够的动能而溢出。

然而,当萊纳德将越来越强的光照射到金属表面时,他没能看到逃出电子的速度随之加快。在麦克斯韦的电磁理论中,电磁波携带的能量由其强度决定。光强比较大的光照在金属表面上,“打下”的电子也会相应地获得更大的动能,因此速度应该会更快一些。但萊纳德发现,无论光强增加到多大,出来的电子速度都很一致,只是被打出的电子的数目会随着光强增加。

相反地,他还可以把光强降到非常微弱,不再具备打下电子所需要的能量。但即使在那样的弱光下,他依然能够测量到逃逸的电子,只是数目上寥寥无几。

更奇怪的是,当相当弱的紫外光能引发光电效应时,他用其它频率的可见光却又会一无所获,即使把那些光的强度加得非常之大。

在麦克斯韦的理论中,电磁波是与日常生活中的水波、声波相似的波动。频率——或波长——是波动的一个重要特征,可以决定波被吸收的过程。比如我们的眼睛只能看到可见光,看不见红外线、紫外线等电磁波。同样,我们的耳朵只能听到一定频率范围的声音,而对超声波、次声波等没有反应。这是因为我们的眼睛、耳朵的构造决定了它们只对一定频率范围的波发生共振,而对其它频率视而不见、听而不觉。

金属中的电子可以与任何频率的电磁波发生共振,因此不具备眼睛、耳朵那样的选择性。萊纳德却发现,每种金属都有着一个特定的频率。如果入射光的频率低于这个频率,无论光强多高也不会有光电效应发生。而任何高于这个频率的光照射,即使光强非常弱也能看到电子出现。

这些奇怪的表现与麦克斯韦的电磁理论不相容,无法解释。而这正是让年轻的爱因斯坦欣喜若狂之所在。那时,他正在潜心研究普朗克(Max Planck)提出不久的一个新理论。爱因斯坦已经看出,普朗克的理论与麦克斯韦电磁理论大相径庭。他预感到麦克斯韦这个经典理论还应该会遭遇更多的挑战,而萊纳德的论文正是一个新的佐证。虽然他还远远未能理清这其中的脉络,却已经足以兴奋莫名。因此他急于与女朋友分享,竟将他们未婚先孕的大事放到了第二位。

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然而,生活的变故还是让爱因斯坦意识到自己的责任。他没有食言,立即加快了找工作的步伐。在向欧洲几乎所有物理学家投寄求职信而得不到回音之后,他转向更为“实际”的途径。他在大学中的同学、最好的朋友格罗斯曼(Marcel Grossman)的父亲在瑞士开工厂,与伯尔尼的专利局局长是好朋友。爱因斯坦便一直催促格罗斯曼协助走他父亲的后门,帮他在专利局谋取一个职位。几个月后,专利局终于发出一份招工广告,其中对雇员的要求明显是为爱因斯坦量身定制。

1902年1月,就在玛丽奇在老家分娩之际,爱因斯坦在专利局工作尚未落实时便急匆匆地搬家到伯尔尼,开始他的新生活。他在那里又等了半年才被聘任为“三级技术专家”——专利局中最低级别的入门岗位。但对于爱因斯坦来说,这已经足够好了:它不仅是一个有保障的公务员职务,而且其微薄的薪金其实比他梦寐以求的大学助教位置还略高一些。况且,这好歹还是一个技术性的体面工作,比被迫去卖保险简直不可同日而语。

那年年底,爱因斯坦父亲因病去世,临终前终于首肯了他与玛丽奇的婚事。1903年1月,爱因斯坦与玛丽奇在他们所谓“奥林匹亚科学院”好友面前举行了一个简单的婚礼,双方都没有亲属出席。一年多以后,他们有了第一个儿子,开始了他们清贫但温馨的小家庭生活。

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1903年1月,新婚的玛丽奇(左)和爱因斯坦。

还要再过一年,1905年3月,爱因斯坦才正式寄出他已经思考、斟酌四年之久、关于萊纳德光电效应解释的论文,在那年6月9日的《物理年鉴》上发表。

随后几个月,他又连续发表了有关“布朗运动(Brownian motion)”、“狭义相对论(special relativity)”、“质量能量等价(mass–energy equivalence)”三篇论文,完成他的第一个“奇迹年(Annus Mirabilis)”。这四篇出自专利局低级职员之手、几乎都带有划时代突破意义的论文将奠定他在科学史中的地位。

然而,爱因斯坦的境遇并没有立刻得以改变。他在学术界谋求教职的努力依然频频碰壁,还将在专利局继续蹉跎三年。

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爱因斯坦出生于德国西南部,以前是施瓦本公国。那里的人以口音很重、语言难懂著名,不怎么被其它地区的德国人看重。在他与玛丽奇的情书中,爱因斯坦经常自称为“英勇的施瓦本人(Valiant Swabian)”。那是浪漫诗人乌兰德(Ludwig Uhland)在诗里塑造的一个中世纪骑士形象。他激情地写道:“但是英勇的施瓦本人无所畏惧(“But the valiant Swabian is not afraid.”)”。

爱因斯坦之所以大学毕业后走投无路,相当程度上也是他作为施瓦本人的倔犟和固执所致。在爱因斯坦进入大学的19世纪末,物理学正进入登峰造极的境界。麦克斯韦通过一组漂亮的数学方程统一了电和磁相互作用,揭示了电磁波的存在并指出我们日常熟悉的光便只是特定频率范围内的一种电磁波。这是物理学自牛顿(Isaac Newton)以来最辉煌的成就。同时,麦克斯韦、玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)等人又创立了统计力学,为热力学提供了坚实的数学基础。

从大学三年级开始,爱因斯坦已经开始自己接触这些物理学前沿。但他发现课堂中的讲义对这些激动人心的进展只字不提,只是重复过去的经典。于是,他经常旷课,自己到咖啡馆阅读麦克斯韦、玻尔兹曼等人的书籍论文,只是在考试时依靠恶补格罗斯曼详尽的课堂笔记蒙混过关。他的行为和态度得罪了教过他课的所有物理、数学教授。他们不仅不可能在他毕业时雇他做助手,更不愿意为他这个不会在学术界有任何前途的“懒狗”(后来帮助爱因斯坦完善狭义相对论四维时空理论的数学教授闵可夫斯基(Hermann Minkowski)对学生时代爱因斯坦的评价)提供职业推荐。

在遭遇这番挫折之际,爱因斯坦没有灰心丧气。或为自嘲或为激励,他频繁以英勇的施瓦本人形象自居,要与玛丽奇一起独自向整个欧洲物理学界挑战。在得到专利局的稳定工作之后,他每天八小时、每星期六天上班。另外每天还花一小时做家教,挣点钱贴补家用。其余时间除了与他“奥林匹亚科学院”同僚海阔天空,便都用在钻研物理问题上。

奇迹年过去一年之后,依然在专利局安居乐业的爱因斯坦给他“奥林匹亚科学院”朋友写信,回顾他那一年的那四篇论文。他依然很是兴奋、自豪,但刻意强调其中的第一篇——光电效应论文——才确实具有“非常革命性”(“very revolutionary”)。他那时当然不可能料到十多年后正是那篇论文会为他带来诺贝尔奖。但不仅是那个时候还是直到今天,更为人所知的是他那第三、四篇论文,分别开创狭义相对论、揭示质量与能量的等价和转化关系。如同牛顿力学、麦克斯韦电磁学,相对论成为爱因斯坦物理成就的代名词。

虽然爱因斯坦当时便认定他的光电效应论文比相对论更具革命性,他自己也没能完全领会其深远意义。在那篇论文中,他石破天惊地提出光并不是麦克斯韦方程中所描述的电磁波,而是由微小、分立的“光量子(light quantum)”组成。唯有如此,才能理解普朗克的新理论,才能简单、完美地解释萊纳德发现的那些与麦克斯韦理论不符的现象。然而,光量子是什么、遵从什么样的物理定律,他也还没有切实的概念。

果然,他的论文很快遭到最先引入“量子(quantum)”概念的普朗克的强烈反对。在那之后几十年中,他不仅面对老一代物理学家的诘问,还会与同辈的玻尔(Niels Bohr)展开漫长的争辩,并领受新生一代物理学家的责难。当然那时候的爱因斯坦的身名、地位都早已不可与在专利局时的他同日而语,他仍然发现自己几乎总是一个人孤独而固执地挑战一个又一个既定或正在确立的物理体制。

伴随着这一过程,人类进入了量子力学新时代。

26岁的爱因斯坦无法预知这一切。但即使他明知前路坎坷,也不会犹豫彷徨。因为英勇的施瓦本人无所畏惧。


(待续)



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