爱因斯坦|曹天元谈1905：又一个大“奇迹年”( 二 )_爱因斯坦|布朗运动|相对论|牛

爱因斯坦敏锐地想到，如果这种假设是正确的话，那么，虽然分子本身以当时的技术是观察不到的，但我们完全可以从花粉的运动中，反推出分子的种种性质来。不妨想象这样一个场景：在黑夜的广场上，有一大群喝得烂醉的醉鬼。广场上没有灯，而每个醉鬼都穿着黑衣服，于是我们什么也看不见。突然，一个穿白衣服的人跑进了广场。这时会发生些什么呢？显然，这个可怜的人会时时刻刻遭到来自各个方向的醉鬼的碰撞，被推得趔趔趄趄，走路也七歪八扭。爱因斯坦的意思就是，虽然我们一个醉鬼也看不见，但只要仔细研究这个穿白衣的人的行为，完全可以推算出这个广场上到底有多少醉鬼，每个醉鬼平均有多壮，或者两个醉鬼之间的平均距离是多少……显然，在这里醉鬼就是分子，白衣人就是花粉，通过对花粉的布朗运动的研究，也可以给我们打开一扇通往原子和分子世界的大门。
这就是奇迹年论文中第三篇和第六篇的主题。当然，论文的具体细节这里没必要展开，总之，爱因斯坦通过研究布朗运动，给出了具体的测算分子质量以及阿弗伽德罗常数的方法，后来，这由其他科学家进行的具体的实验以及计算，成为证实分子论的有力武器。原子和分子的假设可说是现代科学的基础之基础，费曼曾经说过，假如发生了某种灾难，所有的科学知识都丢失了，只允许留一句话给后人，这句话应该是：物质是由原子组成的。这一假设的真实性得到证明，意义可想而知，而爱因斯坦就是其中最重要的指路人之一。
上面三篇是第一类，关于分子论和布朗运动。第二类论文则是关于光电效应的，只有一篇，就是奇迹年发表的第一篇论文。当时，光是一种电磁波的认识早已根深蒂固。而当光照在金属上时，它会从金属表面打出一些电子来，这就叫光电效应。但研究光电效应的时候，有一个令人头痛的问题：如果光是一种波，那么光电效应中的一些现象就怎么也解释不了。
爱因斯坦大胆地指出，在光电效应中，只有假设光是一种“能量子”，是离散地作用在金属表面上的，才能解释实验中所观察到的种种现象。这个假设听起来简单，在当时可谓石破天惊。因为光是一种波，这是麦克斯韦电磁理论的自然推论，你现在把它推翻，那等于是和麦克斯韦理论对着干。
那个时候，恐怕没几个人会想到，这篇论文点燃了二十世纪最伟大的两场物理革命之一——量子论革命的导火索。从大胆和创新的意义上来说，这是六篇论文中最革命的一篇，甚至超过了相对论（爱因斯坦自己的评价）。它为爱因斯坦赢得了诺贝尔奖。
最后，第三类论文，自然涉及爱因斯坦最为人熟知的领域：相对论。相对论分狭义和广义，1905年的两篇论文（第四篇和第五篇）做的是狭义相对论，这个大家可能平时在科普中看到过不少，什么接近光速时能使尺子变短、时间变慢之类，我也就不多说了。作为一门全新的运动学，相对论建立在两个基础假设之上，即相对性原理和光速不变原理，这在奇迹年的第四篇论文中明确提出过，而第五篇论文则进一步做了说明，值得一提的是，其中还提出了一个或许是有史以来最有名的公式：E=MC2 。
如果说原子论是科学的基础，那么，相对论和量子论则是现代物理学的两大基本支柱。在1905年，爱因斯坦一个人同时吹响了这两大革命的号角，为两个理论分别奠定了根基，这实在是非常了不起，可以说是科学史上的传奇。1905年的这六篇论文，三个研究领域，每个领域的成就无疑都该得一个诺贝尔奖，也就是说，这一年的工作至少该得三个诺贝尔奖。加上后来的广义相对论，爱因斯坦一生至少应该有四个诺贝尔奖，其中三个都是1905年的工作。不过，他只因为光电效应的工作拿了一个。当然，爱因斯坦的历史地位也无需用诺贝尔奖的数量来衡量了。