曹天元谈1905：又一个“奇迹年”

您在《上帝掷骰子吗：量子物理史话》中说，1905年是个奇迹年，为什么会这样说？

曹天元：1905年是物理史上最伟大的年份之一，也是爱因斯坦一生中最光辉的时刻。奇迹年并不是我的发明，事实上，绝大多数科学史书籍和爱因斯坦的传记都采用这种说法。 所谓奇迹年（拉丁文annus mirabilis），本来是形容牛顿在1666年的贡献。那一年，牛顿回到乡下老家躲避瘟疫，结果，在这段日子里，他单枪匹马发明了微积分，完成了光分解的实验分析，据说还因为看到一个苹果从树上落地，从而获得启发，对万有引力定律进行了开创性思考。换句话说，短短的一年时间，牛顿就为数学、光学和力学三大学科奠定了最重要的基础。任何人只要毕生之年完成三样中的一样，就足以厕身历史上最伟大的科学家之列。这样的壮举，确实令人瞠目结舌，可以说是前无古人，甚至在相当长的一段时间里，人们都以为不会再有来者了。

然而，爱因斯坦在1905年横空出世，极为戏剧性地打破了这种想法。那一年，还是专利局小职员的他连续发表了六篇论文，彻底地改变了现代物理学的面貌 3月18日，《关于光的产生与转化的一个试探性观点》（之一篇）； 4月30日，《分子大小的新测定法》（第二篇）； 5月11日，《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》（第三篇）； 6月30日，《论运动物体的电动力学》（第四篇）； 9月27日，《物体的惯性同它所含的能量有关吗》（第五篇）； 12月19日，《关于布朗运动的理论》（第六篇）。 这六篇论文，构成了1905这个奇迹年的全部，在科学史上可谓鼎鼎有名、如雷贯耳，甚至还有个专门的说法叫做奇迹年论文（annus mirabilis papers）。 这样说来，奇迹是因为爱因斯坦发表的论文。您能否详细谈谈这些论文对未来的科学发展以及人类科学史的意义？

曹天元：上述这六篇论文，按研究方向划分，可以分为三类。首先，是分子测量和布朗运动方面的工作，即奇迹年论文中的第二、第三和第六篇。今天大家都知道，物质是由原子和分子组成的，但在1905年情况却非常不同。当时，原子和分子模型虽然早已被提出，但在科学界却依然只是一种假说。原因很明显：分子太小了，从没有人见过它们。那个年代流行的是实证主义，以马赫为首的一批科学家和哲学家认为，如果某种东西从来没有被观察到，那谈论它又有什么意义呢？ 因此，如何实际证明和测量分子的存在，就成了一个很重要的问题。爱因斯坦对这个问题一直很感兴趣，之前也曾经发表过几篇关于分子测量的论文。奇迹年论文的第二篇，就是他利用流体力学中的技巧，试图测量液体中分子大小的一篇文章。在六篇奇迹年论文中，这篇的名气恐怕是最小的，但实际意义却更大它是爱因斯坦的博士论文，为他赢得了博士学位。 此后，爱因斯坦的注意力就转到了布朗运动上。所谓布朗运动，是英国植物学家布朗发现的一种现象，当你用显微镜观察悬浮在水中的花粉时，会发现这些花粉似乎永远都像无头苍蝇一般，左摇右晃，看似随机地四处乱动。这种不规则运动，后来就被称作布朗运动。 为什么会产生布朗运动？它的根源是什么？人们在很长一段时间里都迷惑不解，也曾提出过许多不同的假设。但直到十九世纪八十年代，一些科学家才提出这样的想法布朗运动实际上是分子运动的结果。花粉在水中受到来自四面八方的水分子的不停推搡，因此被推得东倒西歪，看上去就似乎在做无规律的曲折运动。 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 *** ，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。 上面三篇是之一类，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，就是奇迹年发表的之一篇论文。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。 您曾经提到，相对论的意义是不是诺贝尔奖所能评价的，还很难说。为什么会这样说？ 曹天元：你只要这样想，相对论是和量子论齐名的二十世纪两大物理理论，量子论的创立史上群星璀璨，少说也有二十来人因此拿了诺贝尔奖。而相对论的故事则更像是爱因斯坦的个人传奇，要是对等一下的话，岂不是说爱因斯坦一个人就应该为此拿二十多个诺奖？ 不过在名气上，相对论似乎完爆量子论。让一个普通人列举二十世纪的科学理论，恐怕百分之九十九的人都会之一个说出相对论，而知道量子论的人却少得多。虽然爱因斯坦也曾为量子论的诞生做出了不小的贡献，但人们总是更愿意把他和相对论联系起来。显然，爱因斯坦和相对论已经在公众中被永远地关联在了一块，日积月累，两者的名气大概也互相叠加了好几倍。 话又说回来，科学有时候也是需要这样的标签的，正如说到巴黎就想到埃菲尔铁塔一样，说到科学理论就想到相对论，我们就当它是一个科学代言人的角色吧。 同样是奇迹年，爱因斯坦的1905年与牛顿的1666年有可比性吗？两者孰轻孰重？ 曹天元：关公战秦琼一向是读史者更爱做的事情之一，但牛顿的成就确实是很难挑战的。这与个人才华无关，牵涉的是历史地位的问题。在科学启蒙的时代，牛顿是一个开天辟地的角色。牛顿的1666年，往小了说是给力学、光学、数学打下了基础，往大了说，几乎就是搭起了整个现代科学的架构。而爱因斯坦站在牛顿的肩膀上，至多只能是改良和翻新前辈留下的学说，任你技巧高出一万倍，这个地位总是超不过去的。

不过，从创造奇迹的难度上说，我觉得爱因斯坦更胜一筹。首先，牛顿的事迹有些模糊，据科学史家研究，他的一些成就其实并不是在1666年中做出的，而是1665年，而关于万有引力定律的争论则更是一个长久的话题。大多数人认为，1666年的牛顿对此只有非常基本的认识，绝大多数工作都是后来做的，自然也就不能算在奇迹年里。相比之下，爱因斯坦的论文斑斑可考，毫无争议。 其次，牛顿时代的科学研究还未成形，竞争者也极少，有大片未开发的荒芜领域。而在爱因斯坦的年代，人们认为物理学已经被研究得彻彻底底，再也没有什么角落遗漏了，不要妄想做出什么大的突破，而爱因斯坦硬是在这样的背景下掀起了两大革命。因此，牛顿的成就固然伟大，但并不让人意外，而爱因斯坦的事迹就让人拍案称奇了。 最后，从当时两人的生活状况来看，牛顿在大学里任职，本来就是专门做研究的，而且，他在乡下老家躲避瘟疫，环境清静，心无旁骛。而爱因斯坦压根就不是专业研究人员，他的正职是伯尔尼专利局职员，研究物理是他的业余工作。他当时刚毕业不久，有妻有子，四个人（包括他的妻弟）挤在一间不到三十平方米的公寓中，收入又极微薄，不得不一直搬家（相对论的论文就是在搬家后的一个月发表的）。家庭、经济、事业的压力之大可想而知，在这种生活条件下，做出堪称奇迹的成就，似乎比牛顿要更牛一些。 总之，牛顿的奇迹年更伟大，而爱因斯坦的奇迹年更奇迹，我是这么认为的。 当时的爱因斯坦，在专利局中以笔和纸就完成了这些不可思议的工作。那么，在科学高度发达的今天，乃至未来，还会不会出现这种富有传奇色彩的个人英雄主义行为？ 曹天元：正如前面所说，爱因斯坦的成就不是在大学，而是在专利局中完成的，许多民间科学家因此特别喜欢爱因斯坦，总幻想自己也能成为爱因斯坦第二（尽管爱因斯坦本人是正规大学物理系科班毕业的学生）。不过，爱因斯坦的时代和今天又有了很大的不同，哪怕在理论研究领域，单打独斗的情况已经很少见了，更不要说这种基础性的突破。 造成这种状况的因素有许多。首先当然是现代科学的高度发达，各个领域已经是如此的细化，以致一个人穷尽一生，能够研究透一个分支中的某个具体问题已经很不容易，更谈不上同时在几个方向上取得颠覆性的成就。 其次，专业科学家的数量发生了几何级的增长，导致科学竞争前所未有的激烈。在1905年，狭义相对论诞生的条件其实已经非常成熟了，提出这个理论并不需要太高明的才华。假如爱因斯坦当时面临的是如今这样庞大的研究者群体，他是否还能之一个提出狭义相对论，那就不好说了。 最后，如今的研究早已不是一支笔一张纸就可以完成的了，所需要的人力物力数目庞大，资金动辄上千万，这不是一个人所能做到的。比如前一阵发现的希格斯玻色子，为了证实这个东西，光建造加速器就是四十亿美元，别说个人，哪怕是一个国家都承受不起，只得展开合作。事实上，今天的教授与其说是研究者，不如说是团队项目经理，像爱因斯坦那种个人作坊式的研究不能说没有，但可以说数量极少，而且绝不会出现在最基础、最热门的领域里。 所以说，未来要再出一个爱因斯坦那样的人物，难度恐怕不小。即使有，那也应该是以团队领导者的角色出现，而不是个人研究者。这就像在现代战争中，再想要出现以个人武勇而闻名的将军，似乎也不大可能。这本身就说明科学已经取得了翻天覆地的进步，我个人觉得无需为此惋惜。个人英雄主义的故事可以为科学史增添传奇色彩，但科学的魅力，终究还是根植于它的理论之中。