原子(原子真的存在吗？爱因斯坦是怎么证明的？)

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1905年，爱因斯坦发表了四篇论文，彻底颠覆了物理学的核心原理。他的论文对世界运行方式进行了全新的解释，在此基础上催生出的现代科技改变了我们的日常生活，也加深了我们对探索宇宙的渴望。

在爱因斯坦发表论文最多的一年，他取得的突破催生出了物理学中三个不同的新领域，这一年通常被称作他的“奇迹年”。他从理论上解释说明了光电效应，即光既是粒子（从技术上讲是量子）又是波，从而推动了量子力学这一新领域的发展。

就像一首儿歌里唱的那样：“髋骨连接着大腿骨，大腿骨连接着膝盖骨……”量子力学又催生出半导体；半导体是晶体管的组成部分；晶体管构成了计算机；计算机创造了互联网；而由此产生的应用程序，从谷歌到脸书，已经重塑了社会。

爱因斯坦在他的“奇迹年”中发表的另一篇论文里，从统计学角度论证了分子（或原子）的存在。物理学家和化学家曾经认为原子只是一个理论的或虚拟的概念，而他的这篇论文将其转变为有实际大小的实体。此篇论文既开创了统计物理学领域，又为探索和计算原子提供了一种切实可行的实验方法。也许与普通人更相关的是，爱因斯坦的见解（在物理学家开始对原子的概念丧失兴趣的时候提出的）将科学带进了原子时代。随着科学新时代的到来，太空旅行、核能等应运而生，当然其中也包括核武器。

爱因斯坦在第三篇论文中提出了他最著名的方程：E = mc，描述了物质和能量的等效性。最后，在第四篇论文中，他提出了狭义相对论（为E = mc提供了理论基础）。这也许是最令人难以置信的突破，却不是他获得1921年诺贝尔奖的原因，他是因为发现了光电效应才获奖。不过，狭义相对论确实是物理学上的一次重大变革，它指出，在光速限制下，距离和空间都会被压缩，这预示着时空中有一个新的维度，同时它也预测了宇宙时空是弯曲的，这些对其他人来说都是难以想象的。爱因斯坦的这些理论既给我们带来了有用的东西（如GPS），也带来了令人困惑的东西（如黑洞）。

尽管爱因斯坦做出了巨大的贡献，但根据他自述中对自己思维方式的深入剖析可以证明，他所用的都是为人所熟知的方法，并没有那么的神秘莫测。爱因斯坦提出了最大胆、最“放肆”的问题，但他运用正常的创新工具回答了这些问题。

爱因斯坦不在乎他的问题有没有答案，以及有没有办法回答。他只关心它们是不是足够宏大和有助于从根本上去理解宇宙的本质。电磁和光的本质是什么？原子存在吗？它们是如何运动的？牛顿断言运动是相对的，但当我们知道真空中的光速总是恒定的时候，我们又怎么能继续执着地相信他呢？

除了能提出大胆的问题之外，爱因斯坦还有一种天赋，就是他能通过搜集一堆杂乱的、不一致的证据并剖析其共同本质来回答这些问题。

也就是说，他可以将以前观点中最好的那部分重新排列组合为一个新的合适替代方案。尽管这样说似乎有些亵渎的味道，但这些重新排列所参考的许多基本思想和所有的实验数据确实不是都来源于爱因斯坦。

（图源：veer）

他的天才之处在于将现有的证据融合起来，并且做一些改变。爱因斯坦在解决问题时加入了一些新元素，它们可能是来自另一个领域的现有观点，但它们通常都会打破认知框架，因为爱因斯坦会替换问题中的固有假设。不管怎样，重新排列组合加上爱因斯坦的新观念使得那些现有的想法和证据得以共存。

如何证明原子的存在

20世纪初的物理学处于一种混乱的状态。自牛顿和伽利略时代以来公认的观点与关于原子行为的新理论和实验结果发生了激烈碰撞，换句话说，牛顿的经典力学定律似乎与更加现代的热力学和电磁学定律相冲突，从而产生了一系列悖论。

热力学是在19世纪发展起来的一门描述机器中能量流动并将其最大程度加以利用的学科。大约就在那个时候，越来越多的工业生产过程燃起了人们制造永动机的愿望，这一愿望点燃了热力学领域，最终却因热力学新定律的发现而破灭。热力学第二定律指出，如果没有新的能量输入，就不可能无限地将热能转化为功。这是因为哪里有能量，哪里就有熵。

熵总是增加的，原子就会自然地由于熵增而失去能量，总是从一个较热的状态变为一个较冷的状态。融化的冰块在没有能量（比如来自冰箱）输入的情况下不会再次冻结，这一过程是单向不可逆的。

而经典力学认为，由于热能只是影响原子的动能，那么原子A撞击原子B，或者原子B撞击原子A是一样的，即相互作用都是可逆的。所以，根据热力学，显然需要冰箱来制作冰块。相反，牛顿力学预测，冰块中的原子应该完全能够冻结，就像它们在室温下能够融化一样。

物理学走到了一个十字路口。大多数专家都拒绝抛弃热力学中那些非常吸引人的原理。人们纷纷反问，经典力学有可能是错的吗？或者原子并不是真实存在的，只是一个理论概念？如何解决这一悖论引起了人们极大的兴趣。原子真的存在吗？它能解释热力学和经典力学之间的矛盾吗？爱因斯坦这一问题可谓占尽天时地利。

事实上，爱因斯坦不知道的是，物理学家路德维希·玻尔兹曼和J.威拉德·吉布斯已经找到了一个解决方案—热力学第二定律可以通过分子四处跳动的事实来理解。

在不知情的情况下，爱因斯坦在一系列论文中重复了他们的工作（他的文献库有限），并最终在1905年发表了一篇影响力巨大的论文。但爱因斯坦也扩展了他们的研究成果，因为在那篇论文中，爱因斯坦大胆地用统计学重新包装了他们的观点。

路德维希·玻尔兹曼和J.威拉德·吉布斯

原子存在的证据来自生物学上的一个类比。布朗运动是小的有机体的不规则运动。它最初由英国植物学家罗伯特·布朗发现，用来描述漂浮在池塘顶部的那些微粒的运动。

布朗曾将它们不停歇的、无规则的运动描述为“群游现象”。爱因斯坦假设原子也会表现出群游现象，他的原子间随机相互作用的统计模型使他能够在不违反经典力学的情况下解释热力学第二定律。而且，爱因斯坦计算出了原子的大小，他提出如果使用显微镜的技术人员有足够强大的工具，就可以轻易地看见原子。

因此，爱因斯坦不是通过发现新的物理定律或定理来证明原子存在的。他也没有试图在对立阵营之间做出判断。相反，他将现有认知框架与一条新信息（原子的运动）和一种新方法（统计物理学）结合了起来，后者本身就是两个现有学科的结合。这是一个运用创新工具的精彩例子，涉及三种截然不同的创新工具：提出正确的问题、类比和重新组合排列。

狭义相对论是这样诞生的

在爱因斯坦1905年发表的所有论文中，关于狭义相对论的那一篇极具变革性。构成爱因斯坦狭义相对论的两个假设是：（1）物体的运动相对于观察者的参照系而存在；（2）与参照系无关，光速在真空中是恒定的。

但可以肯定的是，这两个假设是相互矛盾的。运动怎么可能同时既是相对的又是恒定的呢？爱因斯坦再一次将一些前所未闻的东西纳入了讨论，使问题得以解决。在这种情况下，“前所未闻”的元素与原本的认知框架相差如此之大，似乎是对我们基本假设的一个几乎难以想象的挑战，也是将相对性假设与光速恒定性联系起来所需要的线索。

相对性假设是指（使用爱因斯坦在他的《相对论：狭义与广义相对论》一书中自己的解释），如果一块石头掉到地上，它的轨迹并不会是某种固定的、真实的路径。事实上，不同的观察者可能会看到不同的轨迹。换句话说，轨迹是相对于观察者的参照位置而言的。

爱因斯坦举了一个例子，一名乘客在行驶的火车上扔了块石头到铁轨上。这名乘客看到石头笔直地掉了下来。然而，站在铁轨旁边的路人会看到石头的下落轨迹为抛物线。谁是正确的？他们都正确。

运动是相对于在任何惯性（非加速）坐标系中移动的观察者的视角而言的。这个假设一点也不新鲜，它是经典力学的一个一般性特征，由牛顿和伽利略提出，并为地球围绕太阳公转这一观点提供了根据。

第二个光速恒定的假设似乎简单易懂—大多数小学生都知道光速是3亿米/秒。但如果你思考一下光速恒定的含义，会发现其实它的含义很奇怪。

詹姆斯·卡卡里奥斯的《迷人又有趣的量子力学》一书提供了一个例子：想象一下，你正驾驶着一辆汽车，旁边有辆卡车行驶得比你快一点，并且正慢慢地靠近你。你把脚踩在刹车上，但卡车并没有从你身边飞驰而过，而是继续慢慢开过来。你加速，卡车还是慢慢开过来。这是独立于运动参照系的恒速运动。

高速行驶的卡车与小汽车 （图源：veer）

但同样，这并不是爱因斯坦提出的新想法。1676年，丹麦天文学家奥勒·罗默首次提出了光的恒常性。根据对木星及其卫星的观察，他指出，由于日食光线到达地球所需的时间恒定，当它的卫星距离地球最远和距离地球最近时，这两种日食会有所不同。后来，詹姆斯·麦克斯韦从理论上证实了光速恒定，他在1862年左右提出光是电磁波的一种形式。

整个19世纪末，物理学界都在为能够找到一个可以同时解释相对性（经典力学）和光的恒常性（电磁学）的答案而争先恐后。但出现的所有解释都是一些特例。爱因斯坦并没有试图寻找另外的解释，他回到了第一性原理—事实上，他支持的假设在第一性原理之前就已经存在。

我们测量运动，本质上是在测量时间。爱因斯坦直接推翻了时间不变的观念，并用相反的理论取而代之：时间是相对的（就像那块从火车上扔出的石头的轨迹一样）。

他要求我们重新考虑一些我们认为是理所当然的东西，即速度被定义为在一段特定时间内移动的距离。速度会改变，但时间不会，当你的车以60英里/时的速度行驶时，车在移动，它所花的时间虽然可以测量，但并不随着车速的变化而变化。爱因斯坦的理论突破是，他指出了时间的恒定不变不是靠观察确定的—它只是一种假设。

假设（正如爱因斯坦所解释的那样）闪电击中了火车沿线的两个地方（A点和B点）。你站在两个击中点的中间（M点），通过巧妙地利用镜子，你可以同时看到A和B。为了证明这两个地方是同时被击中的，你提议在镜子中进行简单的观察，看两道闪电是否同时出现。

但爱因斯坦指出：“只要你知道……光线沿A→M传播的速度与沿B→M传播的速度是相同的，你的假设就会是正确的。

但是，只有当我们已经有了测量时间的方法时，才有可能对这一假设进行检验。”换句话说，爱因斯坦不愿意假定每个向量的时间都是相同的，他要求测量两个向量的时间。

最终（需通过一个数学证明，因过于复杂无法在这里再现），爱因斯坦证明了时间确实不是恒定不变的。像运动一样，它是相对于观察者的参考点而言的。同样地，爱因斯坦证明了距离也是相对于参照物的。因此，测量一列火车的长度时，从另一列正在行驶的火车上测得的结果可能与站着的路人测得的结果不同。

最初，爱因斯坦使用洛伦兹变换方程进行了数学上的论证。随后，爱因斯坦的狭义相对论被其他人通过实验和观察实现了经验性证明。通过演绎和归纳推理，当速度接近光速时，时间和距离都不是不变的。

爱因斯坦通过质疑基本假设，再一次打破了现有的认知框架。他推断，如果当时流行的观念是不正确的，时间和距离都是相对的，那么运动的相对性原理和光速不变原理就可以协调一致。如果有人质疑并阐明更基本的假设，那就没有必要抛弃早已存在的观察结果或理论。

但是，爱因斯坦认知框架转换的结果令人难以置信。现实世界中，物体的运动速度远比光速慢，所以我们没有觉察到时间和距离的相对性，但当物体的速度接近光速时，时间和距离会收缩。对我们来说，时钟会变慢，尺子会变短。爱因斯坦已经接受了这些“怪事”，他无所畏惧。

本文摘自《像天才一样思考》（罗伯塔·乃斯 著，赵军 译，丁奎岭 校），本文较原书内容有少量改动。

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来源：科学大院

编辑：Callo