？如果艾萨克?牛顿、麦克斯?普朗克和爱因斯坦是对的，光是以微粒形式存在会怎样？在紫外光光电效应实验中，紫外光微粒撞击金属表面的时候，确实产生电流，如果不是金属而是原子接受撞击，又会发生什么？这些奇思妙想在爱因斯坦头脑中盘桓。他的头脑中浮现出一个想法：一个粒子，一个光当中的粒子，即光子，其传播中所携带的能量为e＝hf。那么，当光子击中金属表面的原子，金属原子受到撞击之下将失去所拥有的一部分电子，而光子的一些能量则以功函数p的形式，在撞击金属表面的原子时损耗掉了。剩余能量则用于移动被撞飞的电子，使之成为电流存在于金属表面。这个相当新潮的想法一直在爱因斯坦脑中萦绕不去，根据这个想法，人们能够完满地解释光电效应现象。顺着光以粒子形式而非电磁波形式存在的思路，爱因斯坦终于解决了光电效应的世界性难题。同时他还指明，光电效应所产生的电流的大小不取决于照射到金属上的光线的强度大小，证实了菲利普?勒纳1902年的实验。美国物理学家罗伯特?米利肯在1916年的实验中证实爱因斯坦关于光电效应的解释。爱因斯坦关于光电效应中逸出电子能量的等式e＝hf－p为米利肯一些非常精细的实验奠定了基础，从中得出普朗克常数h的数值为6.57x10-34尔格?秒，其误差不过百分之零点五。

一路投奔奇迹(4)

在瑞士乃至整个欧洲的学术传统里，博士候选人为了获得学位首先需要跟指导老师通力合作，选取一些重要的尚未解决的课题作为博士论文研究范围。选题后，指导老师基本不再介入，他需要独立完成课题研究，并撰写详细的报告即博士论文，提交评审委员会每一个评审委员以确认论文研究成果是否原创，所解决的问题是否重要或论证是否正确，是否有价值在高质量物理学刊物上发表等。爱因斯坦1901年11月提交了一篇原创论文，但没有被苏黎世技术大学的评审委员会所接受。他为此相当沮丧，在1903年3月给朋友米歇尔?贝索的信中说他已放弃获得博士学位的努力，因为“博士学位没什么用，我对这场闹剧已烦透了”，后来经朋友劝说和鼓励才改变主意。爱因斯坦沮丧的部分原因是与当时论文指导教授海因里希?韦伯相处不和谐，他更多倚重于另外一个指导教授阿尔弗雷德?克莱纳。在克莱纳的指导下，他于1905年4月30日完成题为《论分子大小测定的新方法》的博士论文。根据传说，克莱纳刚开始告诉爱因斯坦，论文显得太短了，于是爱因斯坦只在文中多加了一句话再次提交给老师。论文经克莱纳等审阅后，于7月20日提交给学校当局，很快学校通过了答辩，同意授予博士学位。爱因斯坦在论文开头有一句题辞献给好朋友马塞尔?格罗斯曼，他是一名出色的数学家，后来在广义相对论研究过程中扮演重要的角色。

当时，物理学家们接受原子理论时间不长，甚至到了1900年，人们还缺乏对原子大小的认识，也不知道在一定质量的物质里面包含有多少个原子，即阿伏加德罗常数的确切值。爱因斯坦在博士论文中找到了一个借助流体动力学的新方法来测定原子大小和阿伏加德罗常数的确切值。他首先想象有一条河向下游流去，你把手放进河里，则水流会发生变化，从这个想象中获得灵感，他进而设想当一个刚性球状微粒放进一种流体里，流体流动状态会有怎样的变化。然后，顺着这个思路追问，如果不止一个，而是有n个刚性球状微粒在流体里那将会产生什么结果。他认为会发生两种情况：首先，流体的粘滞性会发生改变。刚性球状微粒的加入产生了新的“有效”粘滞性，比原有的自然粘滞性更高；第二种情况是刚性球状微粒慢慢地扩散并展开到整个流体。物理学中用字母“d”表示扩散率，用以描述刚性球状微粒扩散的速度。爱因斯坦计算在半径p范围内所含的刚性球状微粒数n的情况下流体新的粘滞性值是多少，然后计算在半径p和刚性球状微粒数n的情况下扩散率的大小。在论文中，爱因斯坦聪明地把这些方程式进行多次变换，得出在扩散率为d的情况下刚性球状微粒半径p和数量n的值。这个是个关键步骤，因为粘滞性和扩散率通过一些简单的实验很容易就能获得。然后，他把从实验中获取蔗糖溶液的粘滞性和扩散率的值代入方程式中，从而计算出刚性球状微粒半径p及其数量n的值。利用这些实验数据，爱因斯坦估算出质量为一克的物体所含原子数量大约为2x1023个，这个数值便是今天常用的阿伏加德罗常数。爱因斯坦用这个方法得出的数值与他那个时代科学家用其他方法得出的数值相当吻合。

他的博士论文提交给评审委员会后不久，爱因斯坦和米列娃便带着小汉斯到贝尔格莱德和诺维萨德探望孩子的外公外婆。

提交博士论文大约11天以后，爱因斯坦完成了另外一篇有关布朗运动的重要论文。这篇论文也发表于德文物理学杂志《物理学纪事》，它是爱因斯坦被其他科学家引用最多的一篇论文。在这篇论文中，爱因斯坦开始运用不同于在博士论文中所使用的方法计算扩散系数，即观测一滴墨水的分子如何在液体中扩散过程。如果一个分子在某一刻位于x点，则下一刻它将处于何处？爱因斯坦对这个问题的回答涉及一些复杂的数学推理计算，但原理相当简单。

假设你抛掷一个硬币，如果有头像的那面朝下则站到左边，反之，如头像朝上则站到右边。如果这个硬币没有任何问题，那么你站到左边和右边的次数基本上是一样多，平均而言，你应该还站在刚开始时的位置，变化不会太大。具体举例如下，假设抛硬币的次数为四次，头像朝向为朝上，朝下，朝下，朝上。第一次抛则往左一步，第二次抛则回到原地，第三次则往右一步，第四次又回到原地。总之，你其实在原地并没有变化。如果不考虑往左还是往右，只考虑从开始出发的地点总共走了几步，将会有什么情况发生？回到刚才的例子，第一次抛出硬币，你走了一步，抛第二次回到原地走了零步，第三次走了一步，第四次则再次归零，总的平均下来其实走了半步（物理学上通常为了简便起见，往往取距离平方的平均值，得出所谓的距离均方），当硬币抛掷n次后，距离均方与n成一定比例。原子的移动即类似于人通过抛硬币站边。在一定时间段里，一个原子移动了一定的距离，但平均而言该原子还待在原地哪也没去。原子移动所经过的距离均方则有赖于移动步子的次数，而次数则取决于所花费的时间。爱因斯坦察觉到一些现象，首先是墨水的碳原子会因其奇特的“随机移动”而扩散开来，其次即这些随机移动的粒子的扩散与上述例子所揭示的简单分布遵循一样的规则，最重要的是他得出一个方程式来表达在时间t内，一个粒子所移动距离的平方的平均数。根据这个方法所得出的曲线方程，人们可以用另一种方法来确定阿伏加德罗常数和一个分子的大小。

一路投奔奇迹(5)

爱因斯坦的预测有助于解释苏格兰生物学家罗伯特?布朗1828年的一个发现，即水中飘动的花粉颗粒移动轨迹是很不规则的。由于对此现象百思不得其解，有些19世纪的生物学家甚至相信粒子是有生命的。后来这个观点被证明没有根据，又有人转而认为这是因为电流作用的结果。但是在这篇论文中，爱因斯坦为人们描绘了一个清晰图景：随机移动的水分子撞击花粉分子，所以花粉分子的轨迹也毫无规律。后来，一位波兰的理论物理学家在1906年用他自己的方法印证了爱因斯坦的结论。他们俩共同缔造的理论均可通过实验检验，但是这样的实验很难进行。此后的几年里，爱因斯坦还写了不少文章向化学家解释这个有关布朗运动的理论，因为这个理论对化学研究很有助益，但化学家们由于研究领域的不同，往往缺乏物理学家们所擅长的数学背景来理解这个理论。

1908年，法国物理学家吉恩?佩兰通过实验证实了爱因斯坦的猜想，为此他在爱因斯坦获奖五年之后，也于1926年获得诺贝尔物理学奖。由于他的巨大贡献和所付出的心血，佩兰的获奖显然当之无愧。他在实验中没有使用花粉而代之以许多细小粉末状藤黄胶脂（东南亚一种树脂）和乳香（乳香黄连木的树脂）。他把这些原料放到离心分离机中分离出几乎差不多大小的微小颗粒，然后置于显微镜下连续好几个小时细心观察并记录它们如何移动。最后所得的实验结果与爱因斯坦的理论十分吻合。佩兰并没有就此止步，他还设法通过实验确定藤黄胶脂和乳香微粒的旋转速度，他的实验结果甚至令爱因斯坦本人亦感到惊讶，因为当他在1906年考虑布朗运动中微粒旋转的影响时，这也只是脑海中的一个小小的想法而已，并没有也无法付诸实施。

然而，让爱因斯坦闻名于世的最著名成就还不是上述两篇论文所涉及的领域，而是他的相对论。在这个理论的研究上，与他的博士论文相同，也是抓住一个有争议的想法进行研究并得出自己的研究结果。时间回溯到17世纪中期，英国科学家艾萨克?牛顿爵士提出三大运动定律及其创立的微积分，人们可以预测在简单外力作用下的物体的移动轨迹。牛顿运动定律非常成功，不但能够用以预测球在空气中的运动也可以正确解释围绕太阳运行的行星的运动。在19世纪中期，牛顿运动定律依然正确，在解释物理现象方面尚无问题，但是到了19世纪末，尽管大部分人那时仍然相信物理学的大部分规律已被发现，人们的主要工作是完善这些定律并找出为数不多的剩余规律，有一部分物理学家已开始质疑牛顿运动定律的正确性。后来的事实证明，那时的大部分人都错了。

1864年，苏格兰科学家詹姆斯?克拉克?麦克斯韦将电与磁的现象完美地统一于电磁理论之下。他的四个电磁公式作出清楚的预测：光是一种作恒定速度运动的电磁波。就是这个预测成为问题所在。假设你正处在以每小时30英里速度行驶的车上，而另一辆车以每小时55英里速度行驶赶上你的车。坐在前一辆车里，另一辆车则相对以每小时25英里的速度超过你的车往前行驶。根据牛顿运动定律，这个道理很容易理解，即相对速度是两个速度之差，55－30＝25。但如打开另外一辆车车前灯会如何？假定光速相对于另外一辆车上的人来说是c，那么按照牛顿运动定律，你计算另外那辆车车灯发出的灯光的速度应该是55＋c－30＝c＋25。在这种情况下，只有当光速无限时，光速c才有可能等于c＋25，但这就与麦克斯韦的预测产生矛盾。物理学家们在此陷入两难境地：麦克斯韦和牛顿当中只有一个人是对的，但到底谁错了呢？根据两百五十多年来牛顿定律的运用和检验，大部分物理学家认为牛顿肯定是正确的，但是爱因斯坦站在麦克斯韦这边，认为牛顿的运动定律在某些地方出现了问题。

人类企图测量光速的努力早在好几个世纪以前就开始了。人们注意到，站在一个巨大的空房子里大声讲话常常能听到回声，这是因为喉咙的音腔产生的声波到达房子的另一边的时候会被墙壁反弹回来，因此能够在说完话很短的时间内听到来自对面墙壁反射回来的声音。如果你知道立足之地与对面墙壁的距离，并记下从说话到听到回声的时间延迟，便可大概计算出声音的速度是多少。意大利著名的物理学家伽利略在他出版于1638年的《两门新科学的对话》一书中提到一个类似的实验，试图测量光的速度。在这个实验中，两个人隔着很远的距离站着，手里各拿着一盏遮起来的灯笼。第一个人先移去灯笼的遮盖物向另一个人发出一束光。当另一个人看到亮光马上也移开他的灯笼的遮盖物向第一个人也发回一束光。跟回音壁同样的道理，若人们知道两个人相距的距离以及从发出第一束光到接收到返回的光束花去的时间就能计算出光线的速度。目前不清楚伽利略自己做过这个实验没有，但他肯定知道光的速度非常之快，因为伽利略观察到闪电先于雷声为人们所感知，大炮的闪光先于发射炮弹时的爆鸣声到达目的地，因此可以推断他知道光速比音速要快得多。

一路投奔奇迹(6)

伽利略是第一个用望远镜详细观测木星的卫星的人，但不是第一个尝试测定光速的人。第一个为测定光速作出主要贡献的人是丹麦科学家欧里?勒梅尔，他在1675年观测木星的卫星时发现，在木星的卫星应该形成遮蔽与实际发生遮蔽中间有短暂的时间延迟。他当时认为这一延迟是因为光速的有限性，所以光线需要时间从木星传回地球上的人眼中。勒梅尔据此计算出光线从太阳到达地球需要十一分钟，但他不知道地球轨道的大小。1669年，法国天文学家简?皮卡德通过对地球经度的精确测量，并由此而计算出地球的直径。稍后法国主导的圭亚那勘探活动使得天文学家能够通过获知的地球直径数值资料算出地球与太阳之间的距离。上述这三个