20世纪物理学的太阳是怎样升起的

老兮头

宇宙星空中美丽的上海（网络照片） 牛顿之后，爱因斯坦无疑是举世公认的能与前者比肩的科学巨擘，是照亮20世纪物理学的太阳。科学的太阳是怎样升起的？文笔很好的英国著名科普作家曼吉特·库马尔的《量子理论》（爱因斯坦与波尔关于世界本质的伟大论战）一书，是“优雅别致”地让人见到“现代物理学核心奥秘”的“最佳指南”，即使一般读者也会从中“找到一点粒子物理学家的感觉。”同时也能大致解开“太阳升起”的谜团。
爱因斯坦虽然不是量子理论（量子力学或量子物理）高原上的喜马拉雅，却是整个20世纪物理学界光芒万丈的太阳。我在这里“重新编码”的仅是库马尔关于量子理论大故事中涉及爱因斯坦的少年、青年时代成长的“小故事”。这些内容对我们的学校教育，社会教育、家庭教育，科学家（工程师）创造力的积聚，乃至民族与国家创新环境的改善，都不无裨益。

一、独特的天赋、罕见的个性、耐性和强烈的好奇心
爱因斯坦诞生于1879年3月14日。仅仅26年后（1905年），他就给世界顶级学术杂志《物理学年鉴》寄出了一篇论文，阐述了被认为比发现量子的前辈科学家普朗克更具颠覆性的光量子学说；在后来的3个多月里，他又有关于量子，关于确定原子大小的新方法，关于布朗运动（即分子热运动），关于修改时空理论后的电动力学（“狭义相对论”诞生）等4篇论文问世（这段时间的中国纪元正是清朝光绪六年至三十一年），几年后这些论文都成了改变世界物理学面貌的颠覆性创新成果。20世纪物理学群星闪耀的天空，被刚刚腾越出海的“赤婴”晕出了曙红。
然而，此时的爱因斯坦还只是个业余物理学家， 3年前因做了瑞士联邦专利局的一名普通公务员，刚结束“挨饿这件恼人的事”。
　　可见，在爱因斯坦那颗奇异的大脑，蕴藏了多么巨大的令人难以想象的创造性能量，巨量优质的储存，当然与他头骨中奇异的“存储器”、“处理器”相关联，但更重要的是他在后天的环境中养成的善于独立思考、发现、创造的独特秉性。
德国多瑙河畔的城市乌尔姆，爱因斯坦在一个犹太人家庭呱呱坠地，妈妈发现新生儿的后脑壳大得出奇，与头部完全不成比例，误以为生了个畸形儿。
爱因斯坦少年时代的照片（网络照片） 6岁的“畸形儿”就读于离家最近的一所小学。乌尔姆深处德国天主教的后方，严格的宗教教育是该校的“基本功”。然而，爱因斯坦却清晰地记得，那里的老师“持有自由思想，而没有什么宗教成见。”这个判断肯定了老师们具有自由思想与宽容情怀，也表明基督教本身蕴含质疑、创新、分裂、改革精神。德国是天主教改革的重镇，奥古斯修道院的马丁·路德以捍卫《圣经》教义为名，反对罗马天主教会传统的精神统治，反对教皇以“赎罪券”对教徒的压制，发动宗教改革。路德的“抗议宗”后来演变为新教的德国形式——信义宗。15世纪至16世纪的这段宗教改革史，理所当然地影响了德国知识分子的精神与思想。所以，虽然天主教排斥犹太人，但学校并没扼杀爱因斯坦“像驴子一样的倔劲”，他喜欢孤独地用纸牌搭建高楼，最后竟能倔强地搭到令人吃惊的14层。
爱因斯坦9岁进入路伊特波尔德中学，他在小学里曾被反犹太情绪激励，个性极强，进一步增益了倔强、耐性、顽强的性格。中学生爱因斯坦与年长他21岁的另一位物理学大家麦克斯·普朗克截然不同：后者在中学习惯于军事化纪律管束并能茁壮成长，前者则厌恶令人窒息的纪律、循规蹈矩的行为与机械式的学习方法。由于该校教育偏向文科，而爱因斯坦喜欢数学、物理等理科，语文、历史等文科成绩不好。老师对这个“不服从”管束的偏科生不看好，说他“将来不会有什么出息”，而实际上他在语言方向的学业却非常优异，“拉丁文成绩依然名列前茅，希腊文成绩也不错。”
那时，21岁的医生麦克斯·塔木德每个星期四到他家吃晚饭，向10岁的爱因斯坦推荐科普名著，医生很快就把这个好奇心十足、喜欢提出各种问题的小孩视为知己，爱因斯坦自己也认为“强烈的好奇心”是自己唯一天赋，两人经常在一起长时间讨论书中的重要内容与问题。爱因斯坦特别喜欢数学，12岁时就自学微积分，塔木德医生给他带来一本欧几里得几何学，这个小男孩当时证明几何定理与解题速度已令医生感到震惊。
正是对这些科学与知识的探讨，触发了他“毫无约束的自由思索”。他开始怀疑《圣经》中的许多内容不真实，认为是“国家通过谎言故意对年青人进行欺骗。这是一种粉碎性的印象。”进而断言：自己“宗教天堂般的青年时代”就此画上了句号。这也是后来这位发现了狭义相对论与广义相对论的20世纪最伟大的物理学家之所以在“相信上帝”的同时，却断然否定上帝的“人格化”的重要原因。
　　爱因斯坦憎恨德国教育界那种无条件服从师长与权威的压抑环境，喜欢瑞士自由的空气与这个充满人性的民族所推崇的心灵独立与宽容精神，因而16岁时决心放弃德国国籍。在父亲的支持下，他开始申请瑞士国籍，此后因故做了5年“无国籍”的“盲流”，最终成为瑞士公民。
爱因斯坦的青少年时代（网络照片） 在瑞士苏黎世联邦理工大学上学的爱因斯坦，继续羁傲不逊、特立独行，同学们管他叫“放肆的斯瓦比亚人”。他经常逃课，讨厌考试，尤其成绩落后到不及格的边缘时，他“只要一想到任何科学问题就觉得反胃。”他开始是海因里希·韦伯的“铁杆粉丝”，非常喜欢韦伯的物理课，并且到了“听完了他的一节课就盼望他的下一节课”的痴迷状态。后来因教授不讲麦克斯韦的电磁学理论及相关最新成果，求知欲与好奇心超强的爱因斯坦对韦伯便深感失望（虽然爱因斯坦举世闻名之后还常赞扬韦伯的热力学课是“大师级水平”）。后来爱因斯坦因“特立独行的个性和桀骜不驯的行为举止使得他渐渐与教过他的教授们疏离”。连原本欣赏他的韦伯教授也这样批评：“你是一个聪明的年轻人”，“但是你有个大缺点：你容不得自己听取他人教诲。”
大学毕业以后，爱因斯坦立志要做物理学家。然而，这个职业目标对于名校毕业的优秀生而言，也非常困难，更何况苏黎世联邦理工大学当时名气远不如德国那些赫赫有名的主要大学；同时，韦伯教授应他请求写的学业评语也并不好。为此他执着地让自荐书“从北海到意大利最南端（几乎整个西欧各国——本文注）的所有物理学家全部光顾个遍了。”初出茅庐的爱因斯坦一无所获。
为了糊口，爱因斯坦只得进一所中学打“临时工”。

二、益于培养创造性的环境以及能动地利用这种环境
爱因斯坦的父亲与叔叔都是成功的电器商人，因此他从小不仅可以读到科学著作，还被科学衍生的技术及其产品包围、吸引，这种独特的家庭氛围把小爱因斯坦导向神奇的科学与技术的广阔天地。
因生意场上竞争失利，父亲带领全家移民意大利。到米兰后，这个具有特殊才能的中学生前往瑞士报考苏黎世联邦理工大学，结果因语文、历史等文科成绩太差落榜。理工大学的教授基于他优异的数学、物理学成绩，邀请他旁听，同时指点他去瑞士阿尔高小行政区学校复读一年，然后再考。
　　这是一所学习气氛更加宽松与自由的中学，爱因斯坦非常喜欢这个环境，激励自己发奋学习。他搭伙、住宿在古代经典课老师乔斯特·温泰勒的家里，老师夫妇有3个女儿、4个儿子，家里“从娃娃抓起”，努力培养孩子们“自由思索的能力”。每天吃晚饭的时候，老师家里长辈与孩子，老师与学生就共同形成了一个活越热闹的训练“自由思考能力”的课堂。温泰勒夫妇则像父母那样关心、爱护、帮助爱因斯坦。正是在“温泰勒爸爸”、“温泰勒妈妈”的关爱下，他轻而易举地通过了“高考”，如愿进入苏黎世联邦理工大学。
爱因斯坦在参加学术会议（网络照片） 如前所述，爱因斯坦大学毕业后没能进入大学当物理学家，只在专利事务局当了一名“专利的奴仆”。为了多挣点钱，养他已经有的家，他登报求聘做家教。
一位伯尔尼大学哲学系学生、罗马尼亚犹太人莫里斯·索洛文雇了他。两人一见面就相见恨晚地被共同的兴趣相互吸引。原来“雇主”也喜欢物理学，但因数学知识欠缺，影响对物理学的“掘进”，才找“教头”来攻读以数学为工具的物理学。 第二次登门两人就热情四溢地探讨物理学热门问题，将授课抛到九霄云外。爱因斯坦坦诚地告诉索洛文：“你在物理学上没有必要请家教。”两人立刻成了好朋友。很快，爱因斯坦在中学打工时结识的朋友哈比希特也加入进来，一起热烈探讨物理学和哲学一系列基本问题。对这个因共同的学术兴趣走到一起的3人小团体、小环境，他们自我标榜为“奥林匹亚科学院”！
当后来爱因斯坦与米列娃·玛丽奇结婚时，婚礼上的嘉宾只有 “奥林匹亚科学院”全体三人。
专利事务局主任哈勒先生，也给年青的爱因斯坦后来勃发的创造力，注入了极为重要的价值理性与工具理性。爱因斯坦认为：如果没有这份工作、这个环境，“即使我不死，我的头脑也会是昏头转向。”因此，他深情表白：“只要我还活着，我就会对哈勒感恩戴德。”
哈勒先生是受朋友之托接收爱因斯坦来专利局的，但他对这位刚毕业的大学生要求很严。哈勒认为爱因斯坦“对图纸一无所知”，不会审读、评价专利技术，不肯与他签订录用合同，职位被暂定为“三级专家”。工作中，哈勒亲自向爱因斯坦传授相关知识和方法，尤其是清晰、简洁、和正确表达自己想法的技巧。从小就难以容忍“被指导”的爱因斯坦，此时却老老实实地明白“应当从哈勒那里学习一切。”
哈勒先生特别倡导质疑原则与精神。他要求：“当你拿起一份（专利）申请的时候，要把发明人所说的任何话语都看成是错误的。”“不然的话，你就会被套进发明人的思路，而这会扭曲你的见解。你必须时刻保持能挑出毛病的警惕性。”
正是在日常工作中遵循了哈勒这种求异思维方式、千方百计挑毛病的“工作方法”，爱因斯坦迅速掌握了识别、审核、评价专利的要义与技能。他对所有专利申请预设“有猫腻”的前提，然后“横挑鼻子竖挑眼”地一一质疑，直至所有问题或“毛病”化解，保证专利涉及技术的成熟、可靠。短短几年的经历，不仅胜任本职，同时还有大量的时间从事物理学研究，更重要的是这份工作培养、确立了爱因斯坦一生受用的对科学理论，对权威，对学术界的老师、长辈的质疑精神与质疑方法。这是一种创新能力，它提高了爱因斯坦发现新知识的“嗅觉灵敏度”，并使他能从大家认为正确的物理学基本理论中，找出瑕疵和矛盾，然后竭力探索用新解释去消除它们，一旦无法消除，他就试图从中找到一种全新理论，推出原创性的重大发现。
就在专利局所工作期间，他发现享誉世界的物理学家普朗克关于对黑体辐射（以下“光谱”均指黑体辐射的光谱）法则所做的推导，由于为了迎合预先想要的公式而推导出来的公式是错误的；同时他也弄清楚，原本普朗克可以推导出的正确公式，早已由瑞利勋爵在5年前就推导出来了，那就是著名的“均分定理”（经詹姆斯·金斯修正了计算错误后被命名为“瑞利-金斯法则”），它与光谱在长波波段（甚低频）范围内的黑体辐射表现完全拟合，但“瑞利-金斯法则”预测的在光谱的紫外线波段会积聚无限能量（即“紫外线灾变”），却与地球生物存在的事实相悖；而最早发现黑体辐射法则的另一位大物理学家威廉·维恩的公式既没有普朗克的推导错误，也没有“瑞利-金斯法则”的“紫外线灾变”，但公式只在光谱的短波波段（高频）范围内有效。爱因斯坦就把自己关于光量子的论据限定在这个挑不出任何毛病的范围内。这个范围就是光量子严格的“真理范围”，越过一点，就是谬误。
于是，颠覆当时物理学的光的量子理论诞生了，惊动世界的光量子被发现了！
被默默无闻的专利局职员爱因斯坦“挑毛病”的3位物理学家，都是声名显赫的学界前辈，在他们的不同的长处和“毛病”中，爱因斯坦找到了世界物理学学术主流肯定至今的科学理论。爱因斯坦的朋友、理论物理学家麦克斯·玻恩因此称道：“他与我们所有人不同的地方”就是“对于大自然原理难以名状的洞察力。”
　　这种超越常人（乃至后来到达“举世无双”高度）的洞察力的养成，显然也受益于他少年与青年时代的环境。
工作中的爱因斯坦 三、比较“干净”、公平、便捷的学术上升通道
爱因斯坦26岁就能在世界物理学的高地上有所建树，这受益于20世纪初瑞士联邦乃至欧洲相关国家有一种让科技俊才快速上升的综合机制，或者说是在年青科学工作者面前有一条比较“干净”、公平、便捷的学术上升通道。
大学毕业以后，爱因斯坦无法当上他梦寐以求的物理学家（实际仅是谋求一个从事物理学研究或教学的岗位），并且已到了被“挨饿这件恼人的事”纠缠的地步。这时候，在苏黎世大学学业优于爱因斯坦的同学格罗斯曼却已认定他将来会成为一个“非常伟大的人物”，请求父亲出手相帮。老格罗斯曼于是向老朋友、担任瑞士联邦专利事务局主任的弗里德里希·哈勒大力推荐，爱因斯坦因而谋得了一个薪金较丰厚的“饭碗”，也使爱因斯坦在衣食无忧的同时，有了较充裕的研究物理学的时间。
不仅如此，当后来爱因斯坦为了想用因简洁而美丽的数学公式来描述、概括广义相对论，不得不刻苦钻研“精妙难解的数学方法”，而向数学造诣颇深的“热血青年”格罗斯曼求助的时候，格罗斯曼又无私地“助推”了广义相对论这枚物理学的“运载火箭”点火升空。
爱因斯坦是1902年进入专利局当“三级临时工”的；两年后他由于胜任专利的审读、评价工作而转正，工资增加了400瑞郎；又过了两年，他的工作业绩又更好地证明了自己，于是成为哈勒先生眼中“专利局最宝贵的专家之一”，被适时提拔为二级技术专家，这已是一个受人尊敬的职位了。
爱因斯坦在瑞士联邦专利局工作期间，他除了在业余时间兴致勃勃地专心研究他热爱的物理学之外，并没有去“在职攻读”硕士、博士学位。为了能够在大学谋取一个数学或物理学教师职位，他将自己在世界顶级学术期刊《物理学年鉴》上发表的4篇论文和一篇博士论文先后试着寄给了苏黎世的三所学校，虽然求职失败，但却被苏黎世大学授予博士学位（世界上无人质疑这个博士学位的真假，或者是否“掺水”。这对我国学位授予制度，是个好的借鉴）。苏黎世大学的实验物理学家阿尔弗雷德·可莱纳教授，希望在理论物理学上已崭露头角的爱因斯坦能到本校担任理论物理特别教授（相当于副教授），并授意他先去伯尔尼大学“义务劳动”，通过没有报酬的“编外”方式，踏上讲师台阶。一年以后爱因斯坦如愿在苏黎世大学当了特别教授，结束了“专利的奴仆”的生活。
　　两年以后，爱因斯坦提出关于固体如何吸收热的新理论，并用量子方案解决了比热反常的理论问题。著名物理学家沃尔特·能斯脱教授（后来获得诺贝尔化学奖）经过精确测量，数据与爱因斯坦的“量子解决方案”完全吻合。新的声望又起，使32岁的爱因斯坦获得了布拉格日耳曼大学的教授职位。
上海天文馆-爱因斯坦狭义相对论的空间弯曲模型 参加国际重大学术会议，是科学家的创新业绩受到同行承认的重要标志。爱因斯坦刚当上苏黎世大学副教授，就受邀参加了德意志自然科学家协会的学术会议，并被要求在大会演讲，主持人是当时世界光焰万丈的物理学家普朗克。如此重要的学术演讲机会是一种极高的荣誉，通常是给世界声名卓著的资深物理学代表人物的，这时却“破格”落到一个刚满30岁的学术界毛头小伙身上。初露锋芒的“小伙”也当仁不让地在群星聚集的大会上信心满满地向物理学大家们预言：“理论物理发展的下一个阶段，将给我们带来一种光的理论，可以把它想象成光的波理论和光的释放理论的某种融合。”这就是后来著名的“光的波粒二相性”。
担任布拉格日耳曼大学教授不到一个月，爱因斯坦收到了一个“绝对没有想到的人”厄恩斯特·索尔韦先生发来的参加布鲁塞尔“科学大会”的邀请，还给了作压轴演讲的殊荣。可索尔韦只是个用新工艺生产碳酸钠“暴发”的企业家啊。爱因斯坦很快知道这件事是物理学家沃尔特·能斯脱（即曾替爱因斯坦证明“量子方案解决比热反常理论”的）教授一手促成，连说服索尔韦出资，让科学大会在豪华的“大都会饭店”举行，也是能斯脱教授所为。在这次会议上，爱因斯坦与欧洲各国选出的22位杰出的科学家一起整整谈论了5天量子，还与两次赢得诺贝尔奖的居里夫人相识，两位老少科学家惺惺相惜：玛丽·居里欣赏爱因斯坦头脑清晰，摆事实精细，学识具有深度；爱因斯坦则赞扬居里夫人“迸发着智慧的火花”。
　　更有意思的是当年爱因斯坦从大学刚毕业的时候，为了谋求一份适合自己的工作，曾两次写信请求助欧洲著名化学家、莱比锡大学的威廉·奥斯特瓦尔德教授（沃尔特·能斯脱教授的老师），但都石沉大海，没有回复。电器商父亲眼看儿子陷入绝望，赔上老脸暗中给奥斯特瓦尔德教授写信担保儿子：“出于对科学的热爱，他是极端的勤奋和刻苦”，“敢望所有处在能公断此事的职位上的各位先生，能赏识他的才能。”这样的恳请也无法打动这位学术权威。然而，当爱因斯坦学术成就初露锋芒的时候，威廉·奥斯特瓦尔德教授却是向诺贝尔自然科学奖委员会推荐爱因斯坦的第一个提名者。
宇宙模型-上海天文馆
事实上，由于科学界形成共识因严谨而艰难，爱因斯坦的“光量子”学说曾长期被欧美学术界权威，如普朗克这样的大科学家带头否定、反对；就连用了10年时间测试“光量子”方程，并坦承测试结果“是正确的，决然无误”的美国实验物理学家罗伯特·密立根，也因它“好像违反了我们所知道的有关光的干涉的一切知识”，坚持拒绝接受“光量子”理论。 但是，诺贝尔自然科学奖委员会还是将1921年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，只是大奖谨慎地颁发给他的光电转换方程及其效应，机智地避开了他颇具争议的对光电效应所做的“光量子”解说。
　　爱因斯坦正是在这样一个充满正气的学术通道中冉冉上升，直至作为20世纪物理学的太阳喷薄而出，最终以“相对论”誉满全球。


2018年9月1日