愛因斯坦的“錯誤”：天才的人性弱點

愛因斯坦一家在小阿爾伯特（Albert，在家里叫Albertle）出生不久就搬到了慕尼黑。在那里，他的父親和叔叔創(chuàng)立了愛因斯坦公司，其業(yè)務(wù)是制造電動機械，特別是發(fā)電機和照明設(shè)備。當時一場電氣技術(shù)革命正在歐洲掀起，老愛因斯坦預計其工廠將從這項新技術(shù)的發(fā)展中獲利。一家人住在工廠旁邊的一棟房子里。小阿爾伯特在慕尼黑長大，在附近的一所小學讀書，然后上了幾年的中學。

愛因斯坦回憶說，小時候他對指南針很感興趣：“當我還是一個四五歲的小孩，父親給我看一個指南針的時候，我內(nèi)心經(jīng)歷了強烈震撼。這只指南針以如此確定的方式行動，根本不符合那些在無意識的概念世界中能找到位置的事物的本性（同直接‘接觸’有關(guān)的作用）。我現(xiàn)在還記得，至少相信我還記得，這種經(jīng)歷給我一個深刻而持久的印象?！?2歲到16歲，他自學了基本幾何和數(shù)學，包括微積分演算的原理。他還讀了一套關(guān)于自然科學的叢書，這激發(fā)他成為一名物理學家。

14歲的愛因斯坦

斯瓦本人說，他們只有到四十歲（“斯瓦本年紀”）才獲取智慧，但阿爾伯特很早就獲取了智慧。他是個早熟的孩子，智力發(fā)育得很好。他是一個好學生，比班上大多數(shù)人成績都好，但老師發(fā)現(xiàn)他的問題太多，如太自以為是，太無禮。阿爾伯特也并不欣賞他的老師，他說小學的老師是軍士長和軍士，中學的老師是副官。

作為對父母完全不信教態(tài)度的回應(yīng)，青春期的阿爾伯特一度癡迷于前輩們的宗教。他熱心研讀經(jīng)文，甚至寫了一首對上帝的贊美詩給家人聽，把這首贊美詩強加給家人好幾個小時。但是，他很快從這種宗教愚昧中恢復過來：“??這種信仰在我12歲那年就突然中止了。由于讀了通俗的科學書籍，我很快就相信，《圣經(jīng)》里的故事有許多不可能是真實的??這種經(jīng)驗引起我對所有權(quán)威的懷疑??這種態(tài)度再也沒有離開過我?！?/p>

愛因斯坦公司起初取得了一些成功，但后來它競爭不過更大、更強的公司，被迫退出了業(yè)務(wù)。盡管這在一定程度上是因為規(guī)模較大的公司獲得了更好的融資，但部分原因是老愛因斯坦押錯了寶。19世紀末，有關(guān)遠距離輸電線路交流和直流輸電孰優(yōu)孰劣引起了激烈的爭論。老愛因斯坦把賭注押在直流電上，而他兒子只要稍微計算一下就可以向他證明，在高壓下交流電力的傳輸效率要比直流電高得多。由于這一優(yōu)勢，交流電逐漸取代了直流電。老愛因斯坦的公司是典型的“搖搖欲墜”的企業(yè)之一，這類企業(yè)總是伴隨著資本主義向新技術(shù)的擴張而滅亡。老愛因斯坦將其工廠和家人搬到了意大利的帕維亞，在那里他預計競爭會減少。同時，他決定把阿爾伯特留在慕尼黑，這樣愛因斯坦就可以在那里完成中學教育。

阿爾伯特想擺脫德國中學那種僵化的紀律。許多年后，他在《自述》中抱怨道：“認為用強制和責任感就能增進觀察和探索的樂趣，是一種嚴重的錯誤。我想，即使是一頭健康的猛獸，當它不餓的時候，如果有可能用鞭子強迫它不斷地吞食??也會使它喪失貪吃的習性的?！彼绕浞锤熊娛掠柧?，他害怕服兵役，因為這是當時所有德國17歲年輕男子的義務(wù)。一位老師為此斥責他，并且說，如果阿爾伯特離開學校離開班級會更好，阿爾伯特聽了老師的話，收拾好行李逃到了意大利。在那里，他說服父母讓他在瑞士蘇黎世附近的阿勞完成中學學業(yè)。

阿爾伯特就讀的這所瑞士學校是一個進步的、無教派的學校，它甚至講授達爾文進化論，這在那個年代仍然有點新奇。（就講授達爾文學說而言，一百多年前的瑞士中學比當今許多美國中學更開明，后者迎合了把宗教與科學混為一談的喧囂的基督教教派，并將虛幻的偽科學理論，如創(chuàng)世論與智能設(shè)計等灌輸給學生。）多年以后，阿爾伯特親切回憶起他的母校：“以其開明的精神和老師們的嚴肅認真??這所學校給我留下了難忘的印象；與在德國威權(quán)式中學里六年的教育相比??我深深意識到，以行動自由和責任為導向的教育比建立在操練、強加權(quán)威和野心基礎(chǔ)上的教育要好得多。”

但是，阿爾伯特的評價因其作為外國人在瑞士享有的特殊待遇而不客觀。19世紀末，軍國主義在瑞士和在德國一樣猖獗。普魯士人在1866年和1870年的戰(zhàn)爭中擊敗奧地利人和法國人的速度和效率給瑞士人留下了深刻印象，瑞士人對中學生的軍訓采用普魯士的訓練和紀律。（即使到了今天，軍訓仍然是強制性的，所有年輕的瑞士男性都必須在家里保留一把SIG 550突擊步槍和50發(fā)子彈，以保護布谷鳥鐘之類的東西。）作為一個外國人，阿爾伯特被免除了這些強制性軍訓，他可以在田園詩般的下午和房東的女兒調(diào)情，而他的瑞士同學們則要參加長時間的無聊軍訓，即普魯士式軍訓，并輔之以越野行軍、戰(zhàn)斗演習和實彈射擊練習。

愛因斯坦的中學文憑

1896年獲得中學文憑后，（17歲的）阿爾伯特在蘇黎世聯(lián)邦工學院（如今通常簡稱為ETH，即很難正確發(fā)音的德語名稱 Eidgen?ssische Technische Hochschule的縮寫）注冊為物理專業(yè)的學生。恰在此時，愛因斯坦公司破產(chǎn)，父親無法支付阿爾伯特大學教育的費用。富有的叔叔和姑姑施以援手，支付了阿爾伯特在蘇黎世求學的幾年費用。姑姑可能不知道阿爾伯特不客氣地稱她為“恐怖姑姑”。憑借每月的零用錢，阿爾伯特可以在工學院附近的一所房子里食宿，還能負擔得起和同學們一起去蘇黎世最豪華的街道巴恩霍夫街的咖啡館，在那里度過大多數(shù)下午時光。他還喜歡住在利馬特河畔的豪華大咖啡館Metropol（現(xiàn)在的大咖啡館），每周都會在那里會見最親密的朋友和同學馬塞爾·格羅斯曼。他經(jīng)常和朋友們一起在蘇黎世湖上航行，在以后的歲月里，帆船一直是他喜歡的消遣之一。

愛因斯坦是一個相當特立獨行的學生，逃課很多，畢業(yè)時差點兒沒有完成最低限度的課業(yè)，而大部分時間都花在了對物理學更高級課題的獨立研究上：“我經(jīng)常逃學，待在家里，帶著宗教般的熱情學習理論物理學大師。”對于考試，他依靠的是格羅斯曼所做的筆記。愛因斯坦的成績平平，他經(jīng)常曠課，態(tài)度高傲無禮，這些都給教授們留下了不好的印象。物理教授曾斥責他：“愛因斯坦，你是個非常聰明的孩子，可以說聰明過人，但你有個大毛病：你從不聽別人說什么?！睈垡蛩固够鼐戳诉@位教授，稱他為韋伯先生，而不是傳統(tǒng)的韋伯教授先生，這在當時看來是一種幼稚的不尊重行為，之前在慕尼黑的中學里也曾如此。這種冒犯肯定激怒了韋伯教授先生，因為他最初對愛因斯坦印象不錯，甚至在愛因斯坦注冊進入工學院之前就要他去聽自己的課。后來有一次，愛因斯坦沒有遵守規(guī)定的程序，引發(fā)了實驗室設(shè)備的爆炸，弄傷了手，這一事故坐實了他那輕率的、自以為無所不知的壞名聲。

在大學時代，愛因斯坦放棄了德國國籍，申請了瑞士公民身份。在對其性格進行調(diào)查之后，一名警探提出了有利于愛因斯坦的報告，說他是“一個非常熱心、勤奮和極受尊敬的人”，而且還禁欲。

如果警探再深入一點，報告可能就不那么有利了。愛因斯坦戒酒，但私生活卻沒有節(jié)制。他同班上唯一的女學生米列娃·瑪里奇（Mileva Marie）談起了戀愛，她是來自塞爾維亞的一位聰明的年輕女子。同阿爾伯特一樣，米列娃早年就有了成為一名物理學家的雄心，她在聯(lián)邦工學院注冊，因為這是為數(shù)不多的幾所允許女性進入物理學研究的大學之一。她因炙熱的戀情而心煩意亂，考試不及格；之后的懷孕使她心神不定，她在第二次考試，也是最后一次考試中失敗了。這直接導致她的物理學生涯提前結(jié)束了。愛因斯坦把她送回了她在塞爾維亞的父母家，在那里她生了一個女兒。阿爾伯特寫信給米列娃，展示了他的父愛和興趣：“我非常愛她，可是我還一點也不了解她！在你完全恢復健康之前，難道就不能給她照張相片嗎？她很快就能把她的眼睛轉(zhuǎn)向某個東西吧？”但是，他從來沒有去看這個心愛的女兒。不久，熱戀的米列娃回到了瑞士，把女兒拋在身后，這個嬰孩從歷史記錄上消失得無影無蹤——也許她夭折了，也許她在塞爾維亞的某個角落長大，也許她的后代今天還住在那里。阿爾伯特的私生女，這個秘密被他的家人嚴格保守；提到那個女兒的大部分信件都被毀了，直到阿爾伯特去世后三十年，阿爾伯特和米列娃（即Jonzerl和Schnoxl，他們彼此如此稱呼）之間的一些剩余的信件才被出版。

1900年畢業(yè)后，愛因斯坦希望得到某個學術(shù)職位，也許是某位教授的助教。但鑒于他作為學生的不良記錄，聯(lián)邦工學院的教授們都沒有興趣雇用愛因斯坦。他向德國、奧地利和意大利的教授們寄了數(shù)十張明信片，表示求職意向，卻無人理會?！安灰嗑梦揖蜁晕业耐稑藖斫o從北海到意大利南端的所有物理學家增光”，他在給米列娃的一封信中寫道。那位富叔叔的經(jīng)濟援助隨他畢業(yè)而告終，他用了悲慘的兩年時間做兼職私人家庭教師，以圖維持生計。

他在德國邊境附近的沙夫豪森做過一段時間家教，輔導學生。后來他搬到伯爾尼，通過當物理和數(shù)學的家教，賺取了微薄而間歇性的收入。后來他的朋友格羅斯曼幫他找到了聯(lián)邦專利局專利審查員的職位，才使他免于餓肚子。

愛因斯坦如釋重負地找到了一份收入穩(wěn)定的工作。與前幾年的艱難困苦形成對比，這份工作的微薄薪水在他看來就像是財富?！拔易龅煤芎?，”他在給一位朋友的信中寫道，“我是一位體面的聯(lián)邦職員，有著正常的薪水。此外，我騎著我的舊數(shù)學物理學木馬，拉著小提琴”。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，專利局對其工作要求并不太高，在正常工作日結(jié)束時，他仍然有時間和興趣進行科學研究。在徐緩的日子里，他甚至可以在專利局的辦公桌上做一些研究，每當主管進入房間，他就會把筆記藏起來。

很久以后，他思考了這份工作的優(yōu)點。他認為實用的職業(yè)“對我這樣的人來說是一種福氣。在學術(shù)生涯中，一位年輕人受到一種強烈的驅(qū)動，要求他發(fā)表大量的科學論文——一種膚淺的誘惑??大多數(shù)實用的職業(yè)都是這樣的一種類型，一個普通的人才就能達到對他的要求??如果他有更深層次的科學興趣，他可以在搞好專業(yè)職責的同時鉆研他最喜歡的問題。他不必因為擔心其努力將徒勞無功而沮喪”。

與在伯爾尼結(jié)識的兩位朋友康拉德·哈比希特（Conrad Habicht）和莫里斯·索洛文（Maurice Solovine）的談話，為他的研究提供了寶貴的激勵。愛因斯坦和他倆組成了一個三人討論小組，他們稱為“奧林匹亞科學院”。幾年后，他回憶起奧林匹亞科學院時愉快地說：“在伯爾尼，我們建立歡樂的科學院時，肯定是一個美好的時刻，它肯定沒有那些備受尊敬的科學院那么幼稚，我后來才熟知這一點?！彼麄兘?jīng)常見面，閱讀和討論各種有關(guān)物理學和哲學的書籍，其中一些對愛因斯坦的相對論思想有著深刻的影響。

愛因斯坦開始在專利局工作后，與米列娃結(jié)了婚。他們先后住在伯爾尼的好幾處出租公寓里，其中包括一套位于克拉姆大街49號二樓的公寓，靠近市中心，離工作地點很近。在這里，他們的第一個兒子于1904年出生，同時這里也誕生了他的好幾個偉大思想，包括1905年的相對論。

1904年的愛因斯坦

愛因斯坦在《物理學雜志》發(fā)表的第一篇論文是1901年的一篇關(guān)于毛細現(xiàn)象的比較無關(guān)緊要的論文，他還把這篇論文略做修改，用作他向伯爾尼大學提交的學位論文。然后他發(fā)表了幾篇關(guān)于熱力學的論文，其中沒有一篇具有持久的重要性。今天，愛因斯坦早期的所有論文讀起來都相當枯燥，如同那些年在《物理學雜志》中發(fā)表的大多數(shù)其他論文一樣。

但在1905年，也就是他的奇跡年，愛因斯坦的思想達到巔峰，引發(fā)了他瘋狂的創(chuàng)造力的爆發(fā)。他像著魔一般工作，表現(xiàn)出熱烈的精神活動，這常常使他陷入絕望的困惑之中，但最終他得出了敏銳的洞見。緊張的腦力勞動使他精疲力竭，當完成工作后，他癱倒在床上兩個星期。

1905年3月至9月，他完成了至少五篇論文，這些論文將對物理學產(chǎn)生永久而深遠的影響：第一篇，將光描述為光的量子流（后來稱為光子），解釋光電效應(yīng)；第二篇，確定分子的大小；第三篇是布朗運動理論，及如何為原子的存在提供決定性證據(jù)；第四篇是相對論；第五篇是能量與質(zhì)量的關(guān)系。第一篇，使他獲得諾貝爾獎；第二篇和第三篇，讓許多懷疑論者相信原子和分子是事實，而不是虛構(gòu)；第四篇，讓愛因斯坦扮演相對論發(fā)明者的角色；第五篇，則因為公式E=mc2及其與核能和原子彈的著名聯(lián)系而出名。

所有這些論文都發(fā)表在《物理學雜志》第17卷和第18卷，如今這些卷已成為收藏家的藏品；單冊在拍賣會上的售價超過1萬美元，圖書館不得不把這些期刊鎖起來并保管好鑰匙。你要是看看第17卷和第18卷，就會發(fā)現(xiàn)它們沒有包含任何其他值得注意的東西——它們中的其他作品都被遺忘了，大多數(shù)作者也被遺忘了，其中許多人當時是德國名校備受尊敬的教授博士先生，都被一位專利審查員的發(fā)明所掩蓋。

但是，如果說1905年是奇跡之年，那也是錯誤之年。我們看到，1905年愛因斯坦在漫長而杰出的職業(yè)生涯中所犯的錯誤比其他任何一年都多。那一年他發(fā)表的五篇著名論文中，有四篇是有缺陷的。

從本質(zhì)上說，相對論認為勻速、不加速的運動總是相對的。即一個物體處于勻速運動時，這個運動只相對另一個物體有意義。當你坐在一列靜止的火車上，對這個運動的相對性有很強的直覺印象。（這類例子常常令局外人抱怨說，相對論者似乎癡迷于火車和電梯；如果你厭倦了火車，你可以用停在候機坪的飛機代替在車站等待啟程的火車。）當你被一本書或一次談話分散了注意力，你突然感覺到另一列火車正慢慢地滑過你的窗戶，此刻你感到困惑：是沒有注意到離開的時刻嗎？是你的火車在開動，還是另一列火車在開動？即使你低頭看了看地面，確定哪一列火車在動，你也只能分辨出存在著相對運動，你不過是在確定這個相對于地面的運動。

這種運動的相對性，是愛因斯坦的一個著名逸事（可能是虛構(gòu)的）：他正從瑞士乘火車去巴登巴登，他問列車員：“這列火車什么時候到巴登巴登站？”不管是不是真的，愛因斯坦的問題被制作為一件雕塑的標題，這件雕塑由一個載著大鐘的鐵道車廂組成，并在紐約的現(xiàn)代藝術(shù)博物館展出。

為了精確描述位置和運動，物理學家選擇一個參考點，用以測量相對于這個參考點的距離。例如，參考點可能是機場的指揮塔，相對于這個參考點，（比如說）飛機的位置可以用東西距離、南北距離和垂直距離描述。這些距離被稱為空間坐標，因為需要三個坐標來精確定位飛機的位置，我們說空間是三維的。然而，為了描述飛機上發(fā)生的事件，如海鷗與飛機的碰撞，我們還需要指定時間坐標，即事件發(fā)生的時間。若知道某事件的空間坐標和時間坐標，則知道該事件發(fā)生的地點和時間——這些都是調(diào)查人員在收集有關(guān)該事件的信息時必須問的第一個也是最基本的問題。

物理學家們喜歡想象，參考點周圍的空間充滿了量尺點陣和時鐘陣列。量尺測量任何事件的空間坐標，時鐘測量時間坐標。這樣一個假想的量尺點陣連同時鐘陣列，統(tǒng)稱為參考系。

三個空間坐標和時間坐標，統(tǒng)稱為時空坐標。由于時空包含四個坐標，所以我們說它是四維時空。這個四維時空的概念由數(shù)學家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）提出，他是愛因斯坦在蘇黎世聯(lián)邦工學院的教授。在小學和中學時，愛因斯坦是一名優(yōu)秀的學生，數(shù)學一直是最高分。但在聯(lián)邦工學院就讀時，愛因斯坦自以為是的學習態(tài)度，讓他很少認真地對待閔可夫斯基的課，也翹了很多課。閔可夫斯基說他是一只“懶狗”，幾年后，當相對論發(fā)表時，他評論道：“我本來真的不相信他能做到這些。”

閔可夫斯基對這只“懶狗”的意外能力很驚訝，改變了他的偏見，用優(yōu)雅的數(shù)學語言重新表述了愛因斯坦理論的核心；他引入了四維時空的概念，并用這個四維時空的幾何表達了相對論的思想。愛因斯坦起初反對閔可夫斯基，把相對論的幾何重新表述稱為“多余的博學”，可是他和其他物理學家很快就認識到閔可夫斯基幾何方法的優(yōu)點，且這些方法后來在廣義相對論的發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

不同的參考系，相對于彼此可以有不同的運動。例如，一架飛機的參考系相對于地面的參考系可能有900千米每小時的速度，如果飛機遇到某種湍流，它的參考系就會上下彈跳，并可能向側(cè)面傾斜。這種不規(guī)則的運動使它很難用這個參考系描述物理現(xiàn)象，因此物理學家更喜歡使用勻速運動、沒有任何加速度的參考系。

勻速不加速直線運動的參考系，稱為慣性參考系。與地面相聯(lián)系的參考系近似為慣性參考系，因此相對于地面具有均勻運動的任何參考系也是慣性參考系。（實際上，與地面相聯(lián)系的參考系并不完全是慣性參考系，因為地球繞著地軸自轉(zhuǎn)，也繞著太陽公轉(zhuǎn)。這些圓周運動涉及運動方向的改變，這意味著此種運動不是勻速運動——它是加速運動。然而，與地球繞地軸的圓周運動和地球繞太陽的軌道運動相關(guān)聯(lián)的那些加速度都很小，往往可以忽略不計，因此與地面相聯(lián)系的參考系可以被看作近乎是慣性參考系。那些迷戀精確的天文學家，更喜歡與太陽相聯(lián)系的參考系，這樣可以更精確地實現(xiàn)慣性參考系。）

19世紀末，物理學家們遇到了一個關(guān)于光速的難題。這個謎題起源于大約一百年前，即1805年前后。當時人們認識到光是一種波，即其振蕩的波長很短，頻率很高。（直到很晚才發(fā)現(xiàn)光波中的振蕩是電和磁擾動，即電場和磁場，物理學家喜歡這樣稱它們。）

19世紀的物理學家認為，光波的傳播類似于聲波的傳播。聲音的傳播需要介質(zhì)——它可以在空氣、水、木材等介質(zhì)中傳播。同樣，人們認為光的傳播也需要介質(zhì)，一種滲透我們周圍環(huán)境的介質(zhì)，以及所有的行星際和恒星際空間，以便允許光在任何地方傳播。這種介質(zhì)被稱為以太，這個名字取自中世紀天文學家們想象的充填月球以外天體區(qū)域的物質(zhì)的古代名稱[有時被稱為光以太，以區(qū)別于用于乙醚，與以太同名]。以太被認為非常稀薄，故它不會阻礙行星的運動，卻具有很強的彈性，其振動將產(chǎn)生光波的速度，即30萬千米每秒。

人們假設(shè)以太相對于太陽處于靜止狀態(tài)，從而假設(shè)相對于太陽或太陽系，光速為30萬千米每秒。由于地球以30千米每秒的速度繞太陽運轉(zhuǎn)，19世紀，物理學家們預計，在地球參考系中，與地球相同方向運行的光信號應(yīng)該有一個減少的速度（地球正在遠離這個信號，故這個信號需要更長的時間經(jīng)過地球），而向相反方向運行的光信號應(yīng)該有增加的速度（地球正與這個信號相向而行，故信號會被地球?qū)_）。人們認為光速遵循直覺上明顯的速度加減規(guī)則，故相對于地球的參考系，光信號在與地球相同的方向上運行的速度應(yīng)該是（300,000－30）千米每秒，而向相反方向運行的光信號的速度應(yīng)該是（300,000＋30）千米每秒。

這就是19世紀末物理學家們所面臨的難題：好幾個實驗試圖檢測光速與地球速度的這種依賴性，但都沒能檢測出任何影響——光速似乎完全不受地球運動的影響。

其中最有創(chuàng)意的實驗，乃是1881年由美國物理學家亞伯拉罕·邁克耳孫在柏林學術(shù)休假期間設(shè)計出來的。邁克耳孫出生在波蘭，父母是猶太裔，后來移民到美國，定居在內(nèi)華達。他在安納波利斯的美國海軍學院當學生時就開始了物理研究，這一職位是他憑借超人膽識獲得的。當被告知任命海軍學生的配額已滿時，他前往華盛頓特區(qū)，走進白宮，找尤利西斯·格蘭特總統(tǒng)幫忙。日色將盡時，格蘭特同意和他談?wù)?，這個軍校學員候選人的堅持和主動給格蘭特留下了深刻的印象，于是破格給了他一個學生名額。

在安納波利斯，邁克耳孫很快發(fā)現(xiàn)他對物理學比對海軍更感興趣，他設(shè)計了一種改進儀器測量光速的方法，是在一條長長的“跑道”上對光信號的往返行程進行計時，并在遠端用旋轉(zhuǎn)反射鏡測量光速。他一生都在改進這一實驗，并獲得了光速為299,796千米每秒的最終結(jié)果，其不確定度為±4千米每秒（恰好命中：現(xiàn)代值為299,792千米每秒，這實際上就在邁克耳孫測量值4千米每秒的誤差范圍內(nèi)）。

因在物理學學習中以高精度測量而聞名，邁克耳孫從海軍請假，去柏林攻讀光學研究生。那時候，德國人是光學和幾乎所有的其他物理學分支的領(lǐng)軍人物，任何有能力的美國物理學家都去德國學習。邁克耳孫在赫爾曼·馮·亥姆霍茲的指導下研究光的干涉效應(yīng)時，突然意識到，這些效應(yīng)可以用于比較兩個不同方向光速的極其敏感的實驗。他為此設(shè)計了一種儀器，由柏林最好的一家儀器制造商制造，并在波茨坦附近的天體物理觀象臺地下室的一個實驗室里組裝起來。邁克耳孫指出，這臺儀器如此超常敏感，在離觀象臺100米遠的路面上沖壓所產(chǎn)生的振動都會破壞它的運作。

這臺儀器有兩條相互垂直的臂，長度完全相等。在這兩個垂直方向上，雙臂作為光束的“跑道”。邁克耳孫將光束對準儀器的中心，在中心處，一面半鍍銀（即半透明）鏡將這束光分成兩等分，一束光沿著一條臂跑，另一束光沿著另一條臂跑。這些光束在雙臂末端的鏡子上反射回來，然后向中心跑，在那里，它們再次遇到那面半鍍銀鏡，重新組合成一束從儀器前面射出來的光束。如果兩條臂的往返速度完全相等，那么兩束返回光束中的光波應(yīng)該同步到達中心，它們會發(fā)生相長干涉。因此，每個光波的波峰與另一個光波的波峰重合，這就產(chǎn)生了一束很強的新光束。但是，如果往返速度不同，光波到達時會稍微異步，且不發(fā)生相長干涉，從而產(chǎn)生較弱的新光束。如果一個光波的波峰與另一個光波的波谷重合，光束會完全抵消，也許它們甚至會造成相消干涉。因此，只要速度上的微小差異，新的重組光束的強度就會發(fā)生劇烈變化。

邁克耳孫發(fā)明的這一儀器，如今被稱為邁克耳孫干涉儀，它非常出色。邁克耳孫立即意識到，它不僅可以用來敏感地比較雙臂上的光速，還可以用來敏感地比較雙臂的長度——如果其中一臂被稍微縮短（或者遠端的鏡面輕微移動），那么重組的光束就會變化，從相長干涉變?yōu)橄嘞缮?。因此，僅僅一個光波長幾分之一的長度變化都很容易被檢測到。除了被用來檢測光速的差異外，邁克耳孫干涉儀還被廣泛用于測量微小的長度差異。由于該儀器具有非常實際的應(yīng)用，邁克耳孫在1907年獲得諾貝爾獎，這是諾貝爾獎第一次授予美國物理學家。

至今，邁克耳孫干涉儀仍被用于精確的長度比較。例如，路易斯安那州巴吞魯日附近的引力波LIGO探測器就是一臺邁克耳孫干涉儀，其臂由4千米長的疏散管道組成。激光束在重組之前可以來回傳播好幾百次。這臺邁克耳孫干涉儀可以探測到的長度變化達十億分之一米的十億分之一，這是由來自遙遠的超新星爆炸的引力波的影響而產(chǎn)生的長度變化。

邁克耳孫于1881年在波茨坦的實驗結(jié)果，是否定的。邁克耳孫將其干涉儀的一臂平行于地球運轉(zhuǎn)方向，另一臂指向垂直方向。沿平行臂的光束的往返時間應(yīng)該比沿垂直臂往返的時間長，可是邁克耳孫發(fā)現(xiàn)，它們根本沒有差別。他的儀器的靈敏度足以探測到地球相對于5千米每秒以太的速度，而實驗的否定結(jié)果表明，速度（如果有的話）要小得多。當太陽系中的以太靜止時，地球相對于以太的速度應(yīng)該是30千米每秒，即地球的軌道速度。因此，邁克耳孫實驗的否定結(jié)果與樸素的以太理論完全矛盾。

邁克耳孫是光以太理論的堅定擁護者。為了解釋他的否定結(jié)果，他對以太理論進行了修改。他認為，也許地球會把它附近的以太帶動并曳引它，在這種情況下，地球也會沿著光波“曳引”，這樣我們就不會看到地球運動對光速的任何影響。但是，這一解釋與天文望遠鏡中的星光行為相沖突。天文學家曾觀察到，地球圍繞太陽的運動使星光以傾斜的方式進入望遠鏡，就像你開著敞篷車冒雨行駛時，雨點會以傾斜的方式進入你車子的駕駛艙一樣；如果望遠鏡附近的以太被地球曳引，這種星光傾斜（即“光行差”）就不會發(fā)生。

邁克耳孫回到美國，退出海軍，在克利夫蘭的凱斯學院與愛德華·莫雷合作重復了干涉測量實驗的更精確的版本；此后，這個實驗被稱為邁克耳孫-莫雷實驗。這個更精確的版本仍然沒有探測到地球運動對光速的任何影響。但是邁克耳孫認為這是以太曳引的進一步證據(jù)，他堅信以太理論，直到他生命的盡頭，甚至在相對論已被廣泛接受，以太的思想被大多數(shù)物理學家所拒之后。他悲嘆道：“但沒有介質(zhì)，怎么能解釋光波的傳播？??如果不存在介質(zhì)，又如何解釋傳播的恒定性這樣一個??基本假定？”

邁克耳孫-莫雷實驗成了最受歡迎的相對論檢驗之一，其他實驗者也重復了很多次。最精確的重復，是由德國物理學家喬治·約斯于1930年在耶拿的蔡司工廠的地窖里建立的一臺邁克耳孫干涉儀。那時，納粹極權(quán)的陰影正籠罩在德國和德國科學之上，而約斯在對實驗的描述中只字不提那個猶太人愛因斯坦。他為此受到指責，不過可以認為，他只是在對愛因斯坦以牙還牙：在自己的所有著作中，愛因斯坦都沒有提到過邁克耳孫-莫雷實驗，所以也許他是自作自受，實驗者們也沒有提到他。

奇怪的是，愛因斯坦在1905年把關(guān)于相對論的工作完成了，根本沒有意識到邁克耳孫-莫雷實驗。歷史學家們?nèi)匀辉跔幷搻垡蛩固沽私舛嗌?、何時知道這個實驗。愛因斯坦自己關(guān)于這個問題的陳述，則自相矛盾。在愛因斯坦去世前的幾年，他在一次采訪中聲稱，直到1905年之后，他才知道邁克耳孫-莫雷實驗，他說：“否則，我會在我的論文中提到它。”在第二次采訪中，他說：“這不太好說。我記不清第一次聽說邁克耳孫實驗是什么時候。我不覺得在我投身于相對論的7年中，它對我有過什么直接的影響?！彼a充說，他一定在1905年以前就知道這個結(jié)果，因為他“已經(jīng)簡單地假定邁克耳孫的結(jié)果是正確的”。

對愛因斯坦來說，邁克耳孫-莫雷實驗意義不大，因為他得出相對論不是通過沉思那些實驗和觀測事實，而是通過思考電場和磁場的理論方面，特別是蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在19世紀60年代表述的描述電磁場的方程式。在20世紀20年代愛因斯坦訪問劍橋時，一位主人對他說：“您成就卓著，但您站在牛頓的肩膀上?！睈垡蛩固够卮鹫f：“不，我站在麥克斯韋的肩膀上。”

本文摘選自《愛因斯坦的錯誤：天才的人性弱點》（[美]漢斯·C.歐翰年 著，潘濤 譯，范岱年 校，新星出版社2022年5月版）。