愛因斯坦與伯恩

一、

公元一九零五年,是物理學上充滿突破的一年。在這短短的一年內,愛因斯坦 (Albert Einstein) 發表了五篇有關光電物理,分子運動,以及相對論的論文。人們把這一年稱為物理學或愛因斯坦的「奇蹟年」 (Annus Mirabilis)。在工作之餘進行物理學研究的這段時間,愛因斯坦居住在瑞士的伯恩 (Bern) 。伯恩成為愛因斯坦成名的地方,這城市的名字,也就跟這位廿十世紀最偉大科學家的名字連在一起,變得不可分割了。

二、

瑞士是世人心目中的旅遊勝地,歐洲人享受滑雪運動的好地方。其中日內瓦 (Geneva) 是不少國際機構或組織的總部所在,蘇黎世 (Zürich) 則是歐洲重要的金融中心。可是,作為首都的伯恩,卻是出奇地低調,如果沒有到過瑞士,或是對瑞士不太熟悉的人,大概都說不出這個地方,把其他兩個城市當作瑞士的首都的,也大有人在。

伯恩是瑞士伯恩州的首府,位於瑞士的德語區,是瑞士繼日內瓦和蘇黎世後的第三大城市。一八四八年,瑞士成立聯邦政府,新憲法將伯恩定為瑞士聯邦首都。相對於日內瓦和蘇黎世,伯恩作為瑞士的行政中心的確是一個比較內向的城市。不過,從遊客的角度來看,伯恩卻絕不比它們遜色。除了城市四周的自然風光,在伯恩市內已被聯合國教科文組織確認為世界遺產的舊城區,可找到十五世紀宏偉的歌德式大教堂,以及一個古老的大鐘樓 (Zytglogge)。舊城區的南面,那勒河 (River Aare) 的對岸,是瑞士幾所重要的博物館的所在地。加上愛因斯坦曾經在這裏居住及發表他學術生涯中最重要的幾份論文,伯恩其實是一個非常值得到訪的地方。

三、

來伯恩找愛因斯坦的足跡,可先到位於舊城區克拉姆大街 (Kramgasse) 四十九號愛因斯坦的故居。愛因斯坦在蘇黎世聯邦工業大學 (Swiss Federal Institute of Technology Zürich) 畢業後,被伯恩的瑞士專利局聘用為技術員,從事申請專利的鑒定工作。在克拉姆大街的這幢房子的二樓,便是愛因斯坦從一九零三年至一九零五年在伯恩工作時居住的地方。現在,這個房間被保留下來,成為一個小型的愛因斯坦博物館。

愛因斯坦的故居,跟伯恩這座城市一樣,都很低調。克拉姆大街四十九號的地下,是一間餐廳。房子正門上標著的,便是這間餐廳的名字。「愛因斯坦故居」 (Einstein Haus) 的字卻被夾在中間,跟外牆的顏色更是差不多。若不是順著大街的門號一路找來,相信很容易便會錯過了這個地方。

故居的房間內,陳列著各種不同的物品,有愛因斯坦讀大學時的成績單、不同的證書的副本、愛因斯坦的照片、他兒子的睡床、還有他穿過的一套西裝。我正在參觀的時候,來了一班中國的留學生,本來已經不是很寬敞的房子裏一下子熱鬧起來。負責賣票的女士見他們一副十分好奇的樣子,走來為他們介紹房間內的物件。

房間進門右邊展示著愛因斯坦及他的第一任妻子米列娃 (Mileva Marić) 在大學的成績單。米列娃曾經在是蘇黎世聯邦工業大學修讀物理,是愛因斯坦的同學。那位女士告訴我們,把他們的成績單放在一起展覽,是希望大家知道米列娃在數學及物理學的成績也是十分出眾的。的確,從成績單上可見,他們倆無論在數學或物理學的科目上取得很好的成績,幾乎每一科都拿到滿分。可能正因為米列娃也精通數理,不少人提出她可能在愛因斯坦的研究中作出不少貢獻。有些人認為相對論的基本理論是由她提出的,有些人則認為愛因斯坦提出了相對論的中心思想,米列娃則幫助他完成數學上的推論。不過,這些說法無從稽考,也沒有被世人所認真看待。

成績單上另一個有趣的地方,是在眾多科目中均取得優異成績的愛因斯坦,獨在其中一科「應用物理學」,卻拿了最低的分數。賣票的女士告訴我們,其實愛因斯坦在這一科的成績也是很好,只是他經常曠課,令該課的教授十分不滿,所以給他最低的分數。

在另一個房間內,放置了一張愛因斯坦在伯恩專利局工作時所使用的書桌。在書桌的四周,牆上展示著不同學者名人對愛因斯坦及其對物理學所作的貢獻的評價,其中也有如霍金 (Stephen Hawking) 等為人所熟知的科學家。在隔壁的房間,放映著一套有關愛因斯坦生平的短片,讓遊人對愛因斯坦的一生有多些了解。

四、

一九零五年被稱為物理學上的「奇蹟年」,這是由於愛因斯坦在這短短一年內所發表的一共五篇論文,對物理學、天文學、什至整個科學界作出了莫大的貢獻。以下是這五篇論文的題目。

  • 《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》(1)
  • 《測定分子大小的新方法》(2)
  • 《根據分子運動論研究靜止液體中懸浮微粒的運動》(3)
  • 《論運動物體的電動力學》(4)
  • 《物體慣性與其所含能量有關嗎?》(5)

這五篇論文中的其中一篇,《測定分子大小的新方法》,是愛因斯坦向蘇黎世大學 (University of Zurich) 提交的博士論文。別以為博士論文一定是長篇大論、頁數過百的文章,愛因斯坦這篇論文只有二十一頁!根據愛因斯坦所述,他第一次提交這篇論文時,大學回覆說篇幅太短,要他作出修改。可是,最終愛因斯坦也只是在原稿中多加了一句句子,便再次提交,並且通過審核,獲頒發博士學位。

除他的博士論文外,愛因斯坦在這一年內,把其他幾篇論文在一本知名的物理學學術期刊,Annalen der Physik (《物理學年鑑》) ,逐一發表(他的博士論文經修改後在次年也被刊登於這本期刊中)。這些論文一經發表,整個物理學界都驚訝不已。他們的驚訝,不單在於這幾篇論文所涉及的廣泛題目以及獨到和創新的內容,而更在於這些論文竟然是由愛因斯坦──一個並非在大學工作及研究、還未取得博士學位、只在專利局工作的技術員──所發表。愛因斯坦幾乎與跟當時的學者沒有交流,科學上的討論也只限於跟他私人授課的學生以及他的妻子的談話。他的資源相對在大學工作的學者也較為貧乏,可供閱讀的書籍只限於專利局圖書館和他自己的藏書,而沒有大學圖書館那種完備的支援。然而,這幾篇論文所提出的,卻是能改變我們對這個宇宙的理解的重要發現。

修讀過高中物理學的,一定知道物理學上的「光電效應」 (photoelectric effect) 。上述的其中一篇論文,《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》,正記載著愛因斯坦對光電效應作出分析的結果。直至十九世紀末期,物理學界一直認為光是一種能量,並以連續不繼的光波 (wave) 的形式存在。可是,當時一些有關光電效應──指金屬在光的照射下發釋放出自由電子──的實驗中,卻出現了很多與波動理論互相矛盾的結果。愛因斯坦在這篇論文中,提出光量子 (photon) 的概念,並利用數學上的推論,精彩地解釋了光電效應的原理。結果,此理論不單為物理學界所接納,更為愛因斯坦帶來一九二一年的諾貝爾物理學獎。

當然,比起光電效應,愛因斯坦所創立的相對論更為人所熟知。《論運動物體的電動力學》這篇論文正是發表他在狹義相對論的研究成果。其實,愛因斯坦曾經多次因為相對論的研究被提名為諾貝爾得獎者。可是,由於當時評審委員會對理論物理學較為抗拒,加上相對論難以被理解,又缺乏有力的證據,因此愛因斯坦從未因為相對論而獲得諾貝爾獎。愛因斯坦另一廣為人知的發現,是「能量──物質轉換方程式」,即 E=mc2。《物體慣性與其所含能量有關嗎?》這篇論文正是推導出這一方程式的基礎研究。

五、

愛因斯坦對科學有著重大的貢獻,同時亦是一個傳奇的人物,小小的一所房子,當然不足以讓人們了解他的故事。除了這「愛因斯坦故居」外,伯恩的歷史博物館中,還設有一個資料非常詳盡的愛因斯坦展覽,介紹愛因斯坦的生平。這個展覽,本來是伯恩的歷史博物館在二零零五年時,為慶祝愛因斯坦提出相對論一百週年而籌劃的一個特備展覽,並不是常設的展覽。可是,自展覽設立已來,來參觀的人數不斷增加,並廣受本地人及遊客的歡迎,所以歷史博物館決定保留這個展覽,又乾脆把它命名為「愛因斯坦博物館」。

「愛因斯坦博物館」所收藏的展品十分豐富,對愛因斯坦生平的描述也十分仔細。愛因斯坦不僅是一個傳奇人物,他的一生,也見證著歷史上很多如兩次世界大戰等重大的事故或變遷,展覽中對這些事件也有著頗為深入的介紹。看過這個展覽後,不單對愛因斯坦的個人生活、學術生涯及人生哲學有了更深刻的了解,對於他的時代和歷史大事的知識也會增進不少。參觀者由愛因斯坦的出生開始,慢慢了解他的童年、他的教育、他在瑞士的生活、因物理學上的研究獲得諾貝爾獎,以及他到美國普林斯頓定居後的生活。當參觀者走到展覽的盡頭,也是愛因斯坦生命的終結。一九五五年四月十八日愛因斯坦於普林斯頓去世。他臨終時說了幾句話,都是用他覺得最親切的德語說的,當時在他身旁的謢士不諳德語,沒能聽懂他最後的說話。

參考資料

伯恩

愛因斯坦

愛因斯坦「奇蹟年」論文 (Annus Mirabilis Papers)

  • “On a heuristic viewpoint concerning the production and transformation of light.” Annalen der Physik, 17:132-148, 1905.
  • “A new determination of molecular dimensions. University of Zurich, Ph.D. Dissertation, 30 April 1905.
  • “On the motion of small particles suspended in liquids at rest required by the molecular-kinetic theory of heat.” Annalen der Physik, 17:549-560, 1905.
  • “On the electrodynamics of moving bodies.” Annalen der Physik. 17:891-921, 1905.
  • “Does the inertia of a body depend upon its energy content?” Annalen der Physik, 18:639-641. 1905.

有關愛因斯坦的文學作品

  • Alan Lightman. 1993. Einstein’s Dream. New York: Pantheon Books.
  • Jean-Claude Carrier. 2005. Please, Mr Einstein (Einstein S’il Vous Plait). London: Harvill Secker.