思想實驗2：駕乘光束

20世紀(jì)初期，物理學(xué)領(lǐng)域被另外一系列思想實驗所顛覆。1879年，一個男孩出生在德國的一個家庭中，他的父親是工程師，母親是家庭主婦。據(jù)說，他3歲才開始說話，9歲時被學(xué)校認為患上了學(xué)習(xí)障礙，16歲時就開始幻想著乘著月光飛行。

這個年輕人知道英國數(shù)學(xué)家托馬斯·楊（Thomas Young）于1803年所做的實驗，那個實驗證實了光由波組成，具備波動性質(zhì)。那時的推論是，光波必須借由某種介質(zhì)傳播。畢竟，水波借助水傳播，聲波借助空氣或其他物質(zhì)傳播。科學(xué)家稱光波傳播的介質(zhì)為“以太”（ether）。那個男孩知道1887年美國科學(xué)家阿爾伯特·邁克爾森（Albert Michelson）和愛德華·莫利（Edward Morley）所做的實驗：該實驗試圖借助小船在河流中順流和逆流而行的類比，證明“以太”的存在。如果你恒速劃槳行進，順流而行時，從岸上觀測的速度會較逆流而行更快。邁克爾森和莫利假定光會在“以太”中勻速前進（即以光速運動），推斷出地球沿其軌道朝太陽運動時（從地球上的有利位置觀測）與地球朝遠離太陽方向運動時陽光運動的速度會不同（甚至可以達到地球運動速度的兩倍）。這一點一旦得到證實，就能證明以太的存在。然而他們發(fā)現(xiàn)，不管地球處于軌道上的哪個位置，陽光向地球運動的速度都不會變。他們的發(fā)現(xiàn)否定了“以太”存在的觀點。那真實的情況究竟是怎樣的呢？此后20年，這一直是一個謎。

這個德國男孩則幻想與光束同游，他認為自己應(yīng)該能看到光束凝結(jié)，就像與火車保持同速前進時，火車看似靜止一般。不過，他意識到這不可能，因為不管你的行進速度如何，光速都被視為恒定。所以，他幻想著以稍微慢些的速度與光束同游。如果以光速的90%的速度運動會怎樣呢？如果光束像火車那樣，他推論自己會看到光束在他前面以10%的光速運動。實際上，那就是地球上的觀測者將看到的一幕。但我們知道邁克爾森-莫利的實驗表明光速恒定。因此，他應(yīng)該看到光束在他前面全速前進。這似乎產(chǎn)生了矛盾——怎么可能呢？

到這個德國男孩26歲時，答案似乎是顯而易見的了。順便提一下，男孩的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦。顯然，時間為青年大師愛因斯坦變“慢”了。愛因斯坦在1905年發(fā)表的論文中對他的推導(dǎo)過程進行了闡釋。7如果地球上的觀測者看到男孩的手表，就會發(fā)現(xiàn)它的轉(zhuǎn)速慢了9/10。實際上，當(dāng)他返回地球時，他的手表會顯示只過了1/10的時間（暫時不考慮加速和減速）。然而，從他的角度來看，手表卻是正常運轉(zhuǎn)，旁邊的光束也是在以光速運動的。時間的速度會自行減慢9/10 （相對于地球的時間）就可以解釋看似存在矛盾的分歧了。在極端情況下，當(dāng)速度達到光速，時間就會減慢到接近于零，因此，想與光束并駕齊驅(qū)是不可能的。不過，盡管不可能以光速運動，但理論上來說，速度超越光束并非不可能，而到那時，時間就會倒退。

在許多早期評論家看來，這個解釋太荒誕了。時間怎么會因為某人運動的速度而自行減慢呢？實際上，18年來（從邁克爾森-莫利的實驗開始），對愛因斯坦來說顯而易見的論斷，其他研究者卻無法得出。他們中許多人對這個問題的思考貫穿了整個19世紀(jì)下半葉，他們選擇信奉先入為主的現(xiàn)實運作觀，而不是這一原理的啟示，實質(zhì)上就是“摔落馬背”了——也許我應(yīng)該說他們“摔落光束”了。

愛因斯坦的第二次思想實驗是想象自己和兄弟一起飛越時空。他們相距186000英里（約為299338公里）。愛因斯坦想在保持彼此距離不變的情況下加速前進，于是用手電筒給兄弟發(fā)送信號。他知道信號傳送時間為1秒鐘，于是他會在發(fā)出信號1秒鐘之后再開始加速。而他的兄弟接收到信號就立即加速。這樣，兩兄弟恰好同時加速，因此能保持相互間距離不變。

但是想想看，如果我們在地球上會看到什么樣的情況？如果兩兄弟正向背離我們的方向運動（阿爾伯特領(lǐng)先），看上去就會是光抵近他兄弟的時間不足1秒，因為他在向光的方向運動。同樣，我們也會看到他兄弟的計時器變慢了（由于他加速時離我們更近些）。鑒于所有這些原因，我們將看到兩兄弟越靠越近，并最終相撞。然而，在兩兄弟看來，他們始終保持著186000英里的距離不變。

怎么會這樣？答案顯然是，距離與運動平行，而不是垂直。于是，隨著加速前進，愛因斯坦兄弟會變得越來越矮（假定他們頭朝前飛行）。也許，這個怪誕的結(jié)論比時間流逝的差異更不能讓人信服。

同一年，愛因斯坦又用另一個思想實驗來探索了物質(zhì)與能量的關(guān)系。蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在19世紀(jì)50年代證明了被稱為光子的光微粒雖然不具備質(zhì)量但仍具備動量。孩童時，他有一個名為克魯克斯輻射計（Crookes radiometer，見圖1-3）的裝置。該裝置由一個密封玻璃球莖組成，其內(nèi)部包含部分真空和繞軸旋轉(zhuǎn)的4個葉片。葉片一面白，一面黑。每個葉片的白色面反射光，黑色面吸收光（這就是為什么熱天穿白色T恤衫更涼爽的原因）。當(dāng)裝置上有光照射時，葉片就會旋轉(zhuǎn)，黑色面朝遠離光的方向運動。這就直接證明了光子具備足夠的動量，可以讓輻射計的葉片運動起來。8

愛因斯坦苦苦思索的是動量與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系：動量是質(zhì)量和速度的乘積。因此，一輛以每小時約48公里的速度行駛的機車，比以相同速度運動的蟲子具備更大的動量。但是，不具備質(zhì)量的光子怎么會有正動量呢？

愛因斯坦的思想實驗由一個在空中飄浮的盒子組成。盒內(nèi)里有一個光子從左端射向右端。因為系統(tǒng)的總動量守恒定律，所以當(dāng)光子發(fā)射時，盒子會產(chǎn)生反作用然后向左退。一定時間后，光子與盒子右端相撞，將其動量傳回給盒子。系統(tǒng)總動量仍需守恒，所以此時盒子便靜止不動了。

至此，一切似乎都很合理。但仔細想一想，從愛因斯坦的角度來看，又會如何呢？他是從盒子的外部觀察的，所以應(yīng)該看不到盒子外部有任何變化：沒有微粒對其進行撞擊——無論是否具備質(zhì)量，也沒有物體脫離。而根據(jù)上述情節(jié)，愛因斯坦卻看到盒子迅速向左移動，然后停了下來。按照我們的分析，每個光子應(yīng)持續(xù)使盒子向左運動。另一方面，既然不存在盒子向外部作用或受到外部作用的情況，那么其質(zhì)心應(yīng)與之保持相同位置。但是盒子內(nèi)部從左向右運動的光子不能改變質(zhì)心的位置，因為它不具備質(zhì)量。

或者，光子是具備質(zhì)量的？愛因斯坦的推論是，既然光子具備能量和動量，那么它也一定存在質(zhì)量的等價物。運動的光子與運動的物質(zhì)完全等價。我們可以通過確認光子運動期間，系統(tǒng)質(zhì)心必須保持靜止來計算這一等價值。通過數(shù)學(xué)計算，愛因斯坦證明了質(zhì)量和能量等價，并通過簡單的常量相聯(lián)系。然而，值得注意的是：這個常量也許簡單，但數(shù)值卻極大，它是光速的平方（大約為1.7×1017每平方秒平方米——即，17后面跟16個0）。這樣，我們也就得出了愛因斯坦的著名方程式：E=mc 2。9因此，1盎司（28克）的物質(zhì)相當(dāng)于60萬噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。愛因斯坦在1939年8月寫給羅斯福總統(tǒng)的信中，說明了根據(jù)這個方程式計算出的原子彈的潛在能量，而這個方程式也開啟了原子時代。10

你也許認為這一點應(yīng)該早點被發(fā)現(xiàn)，因為實驗人員早就察覺到放射性物質(zhì)的質(zhì)量虧損是受到了長期輻射的結(jié)果。然而，當(dāng)時存在一種假設(shè)，認為放射性物質(zhì)燃燒了自身包含的某種特殊高能燃料。這種假設(shè)并非完全錯誤，只不過那種燃燒掉的燃料就是質(zhì)量。

我以達爾文和愛因斯坦的思想實驗作為本書的開篇基于以下原因。他們展現(xiàn)出了人腦的非凡能力。在沒有任何其他設(shè)施的情況下，愛因斯坦僅憑筆和紙就描繪出這些簡單的思想實驗并寫出由此得到的簡單方程式，顛覆了統(tǒng)治物理學(xué)領(lǐng)域兩個世紀(jì)的傳統(tǒng)觀念，深刻影響了歷史的進程（包括第二次世界大戰(zhàn)），并開啟了核時代。

愛因斯坦確實借鑒了19世紀(jì)的一些實驗結(jié)果，但這些實驗也沒有使用精密儀器。雖然后來愛因斯坦的理論驗證實驗使用了先進的技術(shù)，但如若不然，我們也無法證實愛因斯坦理論的正確性和重要性。然而，這都無法掩蓋由這些著名的思想實驗展現(xiàn)出來的人類思想的耀眼光芒。

雖然愛因斯坦被譽為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家（達爾文被譽為19世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一），但隱藏在其理論背后的數(shù)學(xué)原理卻并不復(fù)雜，思想實驗本身也十分簡單。所以，我們不禁好奇，愛因斯坦究竟為什么會被貼上“聰明過人”的標(biāo)簽？我們將在后面的內(nèi)容中具體描述他在提出這些理論的時候，有著怎樣的思維活動。

這段歷史也展現(xiàn)了人類思維的局限性。為什么愛因斯坦能駕乘光束而不至于摔落（雖然他推斷實際上不可能駕乘光束），而成千上萬其他的觀察者和思考者卻不能借助這些并不復(fù)雜的方式來思考呢？一個共同的障礙就是，大多數(shù)人難以摒棄并超越同輩人的思維觀念。至于其他障礙，我們會在審視大腦新皮質(zhì)如何工作后進行更細致的討論。