爱因斯坦77小机器、维恩和超光速论题1907.7

    在1906年12月12日论文《论热力学平衡定律有效性的界限并论基本量的新测定(方法)的可能性》的实验设计部分，爱因斯坦提出了一个以电容器板系互联再断开而产生的电势差来测定阿伏伽德罗常数的方法，自此以后他对可以为电容器中发生的电压涨落提供实验证据的测量极微小的电量也产生了兴趣。

    1907年7月15日，爱因斯坦自觉在测量极微小电量的研究方面有了些心得，便急冲冲的给哈比希特兄弟（康拉德和保罗）去了封信，要求他们有机会的话来和自己面谈测量极微小电量的问题：

    “亲爱的哈比希特兄弟！

    我很想在这几日的某一天中再与你们见一面！你们是否愿意并且能够很快来一趟？现在，也就是在7月，我可以接待你们两位，因为我妹妹走了。如果你们能在8月初来西蒙沙尔（Simmenthal）的伦克（注：Lenk，伯尔尼州高原上的一个村子，海拔1070米）那就更好了，我将在8月1日偕我的妻子和儿子去那里度假10天左右；在那里我整天都有空。感谢保罗先生那封有趣的信。我已经发现了另一种新的测量极其微小能量的方法。

    我们全家向你们问好。你们的

    阿尔伯特·爱因斯坦

    盼速回信！”

    爱因斯坦的“新方法”从本质上讲就是通过一台特殊的静电感应电机(或倍加器)来把非常低的初始电压增大，这样这个仪器的输出电压就可以用一台简单的静电计测量到。

    根据上述原理，1907年8月哈比希特兄弟制成了第一台倍加器，在1907年秋季和冬季期间“小机器”(Maschinchen)仍然使爱因斯坦着迷。但是，出于“对当制造商设什么兴趣”，爱因斯坦却决定不申请专利。

    从专业、实用的应用技术角度看，天才理论物理学家爱因斯坦看好的这个小机器并不令人满意，1908年7月，另一位仪器制造商(可能是鲁道尔·加塞尔，RudolGasser)被找来帮助爱因斯坦工作。几个月之后，保罗·哈比希特制成了一台机器，但是它完全不能运行：它的电绝缘部分太不完善，而且不能起电。到了10月，爱因斯坦终于能借助一台自制的静电计和一个电池组来试验这台机器了，他嘲弄地说这是“我自己拼凑做成的一件漂亮东西”。

    1908年10月哈比希特再次建议增加这台机器的倍增系数，而1909年3月爱因斯坦似乎才准备开始进行精确的测量，到了4月，在用一台借来的验电计工作了一段时间之后，他能够估计出这台装置的倍增系数了。但是直到当年的11月，仍然有些技术问题必须要解决：这台装置也许最精巧的部分，即倍加器的弹簧触点需要改进。最终，到了1910年3月，爱因斯坦和哈比希特兄弟试验了这台机器，并起草了一篇技术文章对它作了描述，文章于5月23日完成，并发表在《物理学期刊》(《PhysikalischeZeitschrift》)上，爱因斯坦都没有署名，署名是哈比希特兄弟。

    1911年12月保罗·哈比希特向德国物理学会演示了这台机器。爱因斯坦对他的“明显成功”感到很满意，他写信给一位朋友说：“他(哈比希特)已经克服了对此事的阻力；我相信这种小机器很快就会取代灵敏的象限静电计和线静电计。”

    然而事实上爱因斯坦对这一发明过分乐观了，这项发明并没有普及起来。也许只制造和售出了几台，但这种“小机器”无疑从未取代过不断改进的精确的静电计。爱因斯坦-哈比希特的机器未能普及起来有许多原因。虽然这种机器的基础理论很简单，但其构造却相当复杂。有几种并非人们所希望的效果可能会影响它的性能。再者，这种机器的输出很容易受难以控制的静电现象的影响，而大气湿度和尘埃对所有静电装置的影响都很大。此外，静电起电机常常自充电。不同金属物(例如金属刷和金属板)之间的接触，甚或材料相同但物理性质不同的表面之间的接触都有可能产生接触电。另外，这台机器的运动部分和固定部分之间的摩擦也能产生微量的电。在静电发电机中，这些现象可用作激发之用，因而是有益的，但是在旨在增加和测量微弱电荷的倍加器中，这些效应只能是有害的。另一方面，把这种机器用来作为高压发电机(就像哈比希特所建议的那样)恐怕已经很不实际了。物理学家们为达到这一目的已经有了其他效率更高，作用更大的仪器。

    虽然自认为动手能力不错（传说中爱因斯坦的小椅子，虽然最差，但却是他做的最好的一个），但爱因斯坦的特长明显更在理论方面，就在对爱因斯坦-哈比希特小机器兴趣浓厚的这个时期，爱因斯坦还进入了另一个战场，那里明显更适合他，这个战场就是至今也令人津津乐道的话题——超光速。

    与爱因斯坦展开超光速话题讨论的物理学家是红外灾变公式的作者威廉·维恩（1864年1月13日-1928年8月30日）。维恩全名威廉·卡尔·维尔纳·奥托·弗里茨·弗兰茨·维恩，德国物理学家，1864年1月13日出生于东普鲁士菲施豪森，大爱因斯坦15岁。

    1866年，随家人搬到了拉斯滕堡（现波兰肯琴）附近的德拉亨斯坦；

    1879年，15岁在拉斯滕堡（Rastenburg）读中学；

    1880年-1882年，在海德堡读中学；

    1882年，18岁中学毕业后进入哥廷根大学学习数学，同年，转去柏林洪堡大学；

    1883年至1885年在赫尔曼·冯·亥姆霍兹实验室工作；

    1886年，22岁获得柏林洪堡大学博士学位，论文题目是光对金属的衍射以及不同材料对折射光颜色的影响；

    1890年，26岁变卖父亲的土地后，回到赫尔曼·冯·亥姆霍兹身边，作为他的助手在国家物理工程研究所工作，为工业课题做研究；

    1892年，30岁年获得柏林洪堡大学任教资格；

    1896年，32岁前往亚琛工业大学担任物理学教授，以接替菲利普·莱纳德（1905年诺贝尔物理学奖获得者）；

    1898年，34岁威廉·维恩与路易丝·梅勒结婚，婚后两人育有4个孩子；

    1899年，35岁担任吉森大学物理学教授；

    1900年，36岁赴维尔茨堡大学任教，接替威廉·康拉德·伦琴（X射线的发现者）；

    1902年，被邀请接替路德维希·玻尔兹曼出任莱比锡大学物理学教授，但他拒绝了这个邀请；

    1906年，被邀请接替保罗·德鲁德（PaulDrude）出任柏林洪堡大学物理学教授，但他也拒绝了这个邀请；

    1911年，47岁获得诺贝尔物理学奖；

    1920年底，前往慕尼黑大学任教，再次接替威廉·康拉德·伦琴；

    1928年在慕尼黑去世，享年64岁。

    随着年岁的增长，越来越感到人生的无常，人的一生要做出一点成绩来还是比较难得的，看看维恩一生的人生简介，再对照对照各个年龄段的自己，人生之中哪有太多惊天动地的伟业，人的一生也确如白驹过隙，弹指而过，所以，我们普通的大众更应珍惜目前的生活，努力在自己的人生中尽量做出一点成绩来，这样才不枉一生。

    威廉·维恩的研究领域为热辐射与电磁学等，1887年，威廉·维恩完成了金属对光和热辐射的导磁性实验，在国家物理工程研究所，他与路德维希·霍尔伯恩一起研究用勒沙特列温度计测量高温的方法，同时对热动力学进行理论研究，尤其是热辐射的定律。

    1893年，维恩经由热力学、光谱学、电磁学和光学等理论支援，提出波长随温度改变的定律，后来被称为维恩位移定律。该定律指出，在一定温度下，绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的峰值波长的乘积为一常数。

    1894年，维恩发表了一篇关于辐射的温度和熵的论文，将温度和熵的概念扩展到了真空中的辐射，在这篇论文中，他定义了一种能够完全吸收所有辐射的理想物体，并称之为黑体。

    1896年，维恩发表了维恩公式，即维恩辐射定律，给出了这种确定黑体辐射的关系式，提供了描述和测量高温的新方法。该公式在短波波段与实验符合得很好，但在长波波段与实验有明显的偏离，即红外灾变。

    1896年，维恩前往亚琛接替菲利普·莱纳德后，他在那里建立实验室研究真空中的静电放电。

    1898年，维恩研究了欧根·戈尔德施泰因发现的阳极射线，指出它们的带正电量与阴极射线的带负电量相等，他测量了它们在磁场和电场影响下的偏移，并得出阳极射线由带正电的粒子组成，维恩所使用的方法在约20年后形成了质谱学，实现了对多种原子及其同位素质量的精确测量，以及对原子核反应所释放能量的计算。

    1900年，维恩发表了一篇关于力学的电磁学基础的理论论文，此后又继续研究阳极射线，并在1912年发现，在并非高真空的环境下，气压不是非常弱时，阳极射线通过与残余气体的原子碰撞，会在运动过程中损失并重得它们的带电量。

    1918年，再次发表对阳极射线的研究结果，他测量了射线在离开阴极后，发光度的累积减少过程，通过这些实验，他推断出在经典物理学中所称的原子发光度的衰退，对应于量子物理学中的原子处于活跃状态的时间有限。

    威廉·维恩对于热辐射等物理法则作出了贡献，他的研究成果为从牛顿的经典物理学向量子物理学过渡作出了贡献，马克斯·冯·劳厄评价威廉·维恩不朽的荣耀是他为我们打开了通往量子物理学的大门。

    时间拉回到1907年，这年的7月23日，爱因斯坦给维恩写了一封信，拉开了两人一个来月时间的信件讨论超光速的讨论潮，这一时期属于爱因斯坦写给维恩的信有6封，可称为超光速讨论六部曲。

    7月23日的这第一封信是爱因斯坦回复威廉·维恩对自己的咨询电磁理论中超光速速度的产生与爱因斯坦关于这种运动的不可能性的结论之间的不一致性而写的，在信中爱因斯坦称呼现在的柏林洪堡大学物理学教授威廉·维恩为“非常尊敬的教授先生”：

    “非常尊敬的教授先生！

    您在这里提出了一个最令人感必趣的问题！收到您的信后我立即就投入到这个问题的研究之中并且得到了以下初步结果。”

    首先，爱因斯坦给出了自己搞出的“群速度”定义及其公式：

    “1.我把“群速度”U定义为振幅的一种(缓慢)变化的传播速度；毕竟，这是个有争议的量。我发现(对无论多么强的吸收)：

    U=V/[1+（l/V）·dV/dl]，其中l是真空中的波长，V是煤质中的光速。

    就眼下而言有相当的准确度，而且与您提到的V-l·dV/dl（注：群速度的标准表达式）的值相符。”

    其次，爱因斯坦认为不同颜色光的群速度大于光速是不对的，违反狭义相对论：

    “2.在我看来，如果对于某一特定的金属和特定的颜色（注：即光）U>L(光在真空中的速度)，那么这与真空中光速不变原理相联系的相对性原理（注：狭义相对论）是相矛盾的。”

    再次，爱因斯坦从电磁理论角度阐述了超光速的不可能，论证的依据是超距作用以光速L为传播速度与麦克斯韦方程等价，即超距作用的作用速度是光速：

    “3.电磁信号以超光速传播这点也是与麦克斯韦的电学和光学理论不相容的。这是从发表在洛伦兹纪念文集上的维歇特（注：埃米尔·维歇特，EmilWichert，1861年-1928年）的研究成果中得出的结论。这项研究表明，如果有人引入某些超距作用，而这些作用以光在真空中的速度L传播并且从一个带电体作用到另一个带电体，那么他就会得出某种与麦克斯韦方程等价的东西（注：超距作用以光速L为传播速度与麦克斯韦方程等价）。”

    以此为依托，爱因斯坦设计了一个简单的思想实验以论证对静止物体的纯电磁信号而言超光速度是不可能的：

    “设A是一个可发射电磁作用的点，B是一个可感知来自A的电磁作用的点。设P、Q、R等等是具有电磁上起作用的静止粒子，设想所考察的传递-传播的媒质就是由它们构成的（注：思想实验场景设定）。

    假设以A发出一种作用。因此，当时间为AB/L时就会在B中产生一种超距作用，除非在下列过程中得到补偿：

    从A中发射——由此在P中产生超距作用——从P中发射——来自P的超距作用在Q中产生激发——等等——在B中产生的激发（注：思想实验作用过程）。

    整个过程可以设想为是由从A到B这样的间接作用和最初提到的直接作用（注：A到B的超距作用，作用速度为光速L）所构成。

    由此可以很容易地得出结论：时间AB/L至少必然在B中的第1次激发前流逝（注：A到B的超距作用耗时AB/L≤A-P-Q-R-B的间接作用，A到B超距作用速度为光速L，则A-P-Q-R-B的间接作用必然≤光速L），也就是说，对静止物体的纯电磁信号而言超光速速度是不可能的。”

    之后，爱因斯坦再次强调了麦克斯韦-洛伦兹理论与狭义相对论的一致性，即真空光速为常数，麦克斯韦-洛伦兹电磁理论和狭义相对论暗示或明示了光速是信号传播的极限速度，不会有超光速的出现：

    “4.总的看来，可以说在静止物体的光学中没有哪个与麦克斯韦-洛伦兹理论相符的过程会与相对性原理相矛盾，因为麦克斯韦-洛伦兹理论的基础与相对性原理是一致的（注：狭义相对论就是以麦克斯韦-洛伦兹理论为立论前提的，光速为常数是麦克斯韦方程导出的结果）。”

    在信的最后，爱因斯坦又从折射率的角度论证了超光速的不可能：

    “总而言之，在我看来U>L这种情况是否真的会出现这个问题是非常有意思的。从麦克斯韦理论中必然会得出U≤L这种关系，或者，若n表示折射率，那么对任意物质：l·dn/dl≤n-1。

    因此，对于某个l我们有n<1（注：根据折射率公式n=c/v，则n<1时即为波的相速度超光速），那么按照这个公式，必然存在一个更大的l，对于它n=0；对于比它还大的l，不存在任何在这种物体中传播的波(n2<0)。

    谨致最崇高的敬意。您的

    阿尔伯特·爱因斯坦”

    爱因斯坦第一封信回复威廉·维恩关于超光速的论述比较符合大家常识的看法，爱因斯坦斩钉截铁的断定超光速不可能，既违反传统的、经典的、公认正确的麦克斯韦方程组，也不符合新晋博士爱因斯坦先生的狭义相对论，虽然此时爱先生的理论和本人的名气还没有多大，而且也不符合传统的光学折射理论。