欧洲史话 187 爱因斯坦创奇迹，又见列强入非洲

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大家好，我是枫落白衣，上集我们说到普朗克虽然被告知物理学没啥玩意可以研究了，但别的玩意他也不想弄，抱着能研究多少就研究多少的想法，他留在了物理领域。当然，历史上这种带着天命下凡的，肯定不会因为老师的一两句劝诫就影响他们的使命，对普朗克也是如此，不久之后，他就知道上帝为啥死心眼让他死守在物理学领域了。

1900年4月27日，英国著名的物理学家开尔文男爵，在英国皇家学会发表了一个演讲，他在激昂慷慨吐沫横飞地赞美一番物理学的成就之后，也略带忧虑地说了这样一句话，“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了”，此人说的两朵乌云其中之一，就是著名的黑体辐射实验，具体细节我们不必深究，总之，实验结果和理论计算的数值对不上。

而年轻的普朗克就在这个时间点上，福至心灵，突然开窍了，如有神助一样地，提出了一个惊世骇俗的理论。他说你们那个公式之所以对不上实验结果，是因为你们有一个不靠谱的假设：能量渐变。啥意思呢？举个例子，我们平时看一件东西从几厘米，长到几十厘米，那一定是要经过中间所有的长度，它一定有某个时刻，长度是10厘米的，绝对不会从9厘米没经过任何时间，一下子就11厘米了，这种经过所有计量刻度的增长，就是渐变的。

但普朗克说了，也许能量这个混蛋玩意儿，它就不是渐变的，而是一个跳跃的，均分的量，换句话说，它是一份一份的。不仅提出了设想，普朗克还给出了解决方案，他说每一份能量的数值是物体频率乘上一个固定的常数，今天我们都知道，这个常数就是一切科学的基础值，普朗克常数（Planck constant），它和频率相乘得到的能量，被普朗克称为能量子。

结局相当美好，用上普朗克的能量子之后，在黑体辐射实验中，经典物理的公式计算和实验结果终于是对上了。但客观地说，当时就连普朗克自己也不知道，他的这个小到了极致的常数有什么特别的意义，此人仅仅是脑洞大开，让能量在发射和接受时，是一份一份的，从而让黑体辐射实验符合理论公式而已。

可是五年之后，另一个物理大神论证了不仅能量，甚至光本身都是一份一份的，称为光量子。光量子的发现又一次惊掉了全世界科学家的下巴，但无可辩驳的事实证明了光量子确实存在，随即，全人类进入了量子时代，一门新的科学，量子力学诞生了（Quantum mechanics），一般来说，普朗克公布普朗克常数的1900年12月14日，被公认为是量子力学的诞辰之日。

顺便说一句，你要是去网上把普朗克年轻时的照片，和学了物理学之后的照片找出来，往桌子上这么一摆，你媳妇那是绝对滴，坚决不会让你们的儿子去学物理，因为普朗克年轻时就如同《泰坦尼克号》电影里的麦克那样帅，可学了物理学之后，比麦克的扮演者小李子现在的形象还要惨不忍睹，物理学对人的摧残可见一斑。

那么，刚刚说的，提出光量子概念，间接引起量子革命的另一位物理大神是谁呢？他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）。

和普朗克不同的是，爱因斯坦是一个纯粹的德国人，因为他出生于1879年，那时候德意志帝国已经成立8年了，顺便说一句，爱因斯坦出生这一年，恰恰是物理学另一位巨人麦克斯韦去世那一年，上帝他老人家是不是在玩接力，这就不知道了。

16岁的时候，爱因斯坦来到了瑞士，并且放弃了德意志的国籍，从这时候，一直到1901年他获得瑞士国籍，这期间的五六年时间，他相当于是一个无国籍人士。不仅无国籍，也没工作，1900年毕业就失业，无所事事地混了两年，才在一位大学同学老爹的协助下，成为伯尔尼瑞士专利局的一名小职员，估计这份职业实在是太清闲了，让年轻的爱因斯坦整天无所事事地胡思乱想，这样想来想去，就想出了事。

1905年的6月，7月，9月和11月，德国科学期刊《物理年鉴》一连发表了四篇从瑞士专利局寄过来的稿件，作者都是一个人，专利局小办事员爱因斯坦。

这四篇文章的第一篇，讲的是光电效应，也正是在这篇文章里，爱因斯坦提出了光量子的概念，不仅支持了普朗克的学说，还一举开创了量子时代。从某种意义上来说，爱因斯坦是量子力学的首创者，这个说法并不过分。关于量子力学，我们在后面会详细介绍，这里先省略。

第二篇文章讲的是热力学的布朗运动，我们这里也略过。

他的第四篇文章讲的是著名的质能方程，E=mC2，今天我们很多人都知道，人类后来研发出核武器，这个方程也是一个关键，日本广岛上空那枚核武器爆炸产生的能量，实际上只来自于一杯水大小的质量，其中的奥妙，就是这个质能方程所描述的。多说一句，在很长时间里，我对这个方程的理解都是质量和能量是可以相互转换的，但后来我知道，正确的说法应该是：质量本身也是能量的一种描述。至于这里面的差别，大家可以自己体会一下。

关于质能方程，还有一个首创权的争论，我们前面提到的《乌合之众》作者古斯塔夫·勒庞，他在1922年写信给爱因斯坦，说你说的这个质能方程我早就预料到了，我还发表过文章，你小子应该算是抄袭吧？你抄袭也没啥，那为啥人们都不表扬表扬我呢？爱因斯坦非常冷静地回信说，提出一个想法不难，难的是如何证明它，而这个世界上，能够证明质能方程的，只有俺的相对论。

那么，啥又是相对论呢？这就涉及到两件事，一个是前面开尔文男爵说的那“两朵小乌云”的另一朵，另一个是爱因斯坦在1905年发表的第三篇文章，《论动体的电动力学》（On the Electrodynamics of Moving Bodies）。

先说那朵小乌云，我们说很早之前，人类就知道光具有波动性，它在大多数时候和水波、声波表现出一模一样的性质。可问题是，水波离开了水，声波离开了空气，就走不动了，完犊子了，你和你媳妇儿鼻子上插着氧气管儿在真空中散步，即便是手拉着手，你说话她也听不见，因为声音的传播需要空气这个介质。

但光线呢？那就完全不是，这玩意好像不需要任何介质就能到处跑来跑去。这种事对于你来说，无所谓，毕竟不影响你晚上开着手电筒找夜宵吃，但在科学家眼里，它就是一个大问题，没有中介物质就能传输，这就等于是挖了经典力学的坟。于是乎，科学家们脑洞打开，发明了一种叫做“以太”的物质，说它可邪乎了，在宇宙中无处不在，只是看不见而已，光就是在这东西里面传播的，不仅仅是光，以前那些找不到媒介的东西，什么万有引力，磁场电磁波等等，全都是用“以太”作为媒介传播的。

坦白地讲，这就是凭空造出一只鬼！只不过也是没办法的事情，否则又咋解释光可以到处跑呢？从此之后，无数科学家就开始找“这只鬼”，用他们的话说，要证明以太的存在。

最著名的实验是1887年在美国进行的迈克耳孙-莫雷实验（Michelson–Morley experiment），两位科学家用一套极其精巧也极其准确的设备测量光速，它运行的逻辑是这样的，如果以太到处都在，地球以每秒30公里的速度在其中穿行，必然会形成“以太风”，这东西肯定会影响光线的速度，只要我们测得足够精准，我们就会发现一个事实：沿着各个角度发射出去的光线速度是不一样的。至少，您得差上每秒30公里，否则，地球老爷子岂不是白跑这么快了？

很悲催的是，老爷子还真白跑了。实验结果表明，无论如何精准的测量，光线在所有方向上的速度完全一样，没有一丝一毫的变化！后面又有无数类似的实验，甚至一直到今天，科学家还在做，但光速它就是没变过。

实际上，在前面我们介绍的麦克斯韦方程组里面，麦大神已经推导出了电磁波的速度，它不仅和光速一样，而且根据公式，它还是和任何参考系都无关的，换而言之，那个理论上的电磁波速度，居然也是在任何情况下都不会变的。

“光速不变”这件事就是开尔文男爵说的另一朵小乌云，虽然他在1900年时说得轻描淡写，但当时几乎所有科学家都已经快崩溃了。

就在无数人忙活着要修改麦克斯韦的方程，或者改进实验精度的时候，爱因斯坦在1905年的第三篇论文《论动体的电动力学》发表了，在这篇文章里，他轻描淡写，却又是石破天惊地提出了一个新理论：各位，光速有可能本来就是绝对不变的，如果我们接受这个假设，那么，就必须接受一个全新的，完全和牛顿经典力学不一样的“时空观”。

那么，这个全新的时空观长啥样呢？我这里用一个例子来解释一下，假定你拿着一根激光笔站在一辆飞驰的高铁车厢里，车厢前面挂着一面镜子，而我站在铁路旁边，痴痴地等着高铁过来。当列车经过我身边时，你打开激光笔去照射前面的镜子，我们再假设过了T秒的时间，光线啪唧一下，照在了镜子上。因为高铁根本就没搭理我，一直在向前奔跑，这时候你和你的激光笔肯定已经离开我一段距离了，我们用S表示这段距离。

下面诡异的事情就出现了，对你来说，在这T秒内，光线就是跑了从你手里激光笔到镜子这么远，可是对我这个可怜，被人无视的，站在路边瑟瑟发抖的家伙，光线跑的距离却是从激光笔到镜子，再加上S这个距离。

最关键的问题就来了，我们已经假定光线的速度是不变的了，可是现在你我看到这家伙跑的距离却不一样。根据距离等于速度乘以时间这个公式，现在这结果只能用一件事来解释，我和你的时间T是不一样的，很明显，高速运动的你，时间变短了。

那我们之间的时间差是多少呢？这个和你运动的速度有关系，只不过呢，要被光速的平方除一下，那自然是极小极小的，现在这个高铁速度让我们根本感觉不到这个时间差别。可是，假如某一天咱科技大发展了，高铁的速度提升到接近光速了，那就麻烦了，你坐在里面抽根烟的功夫，我在路边已经是沧海桑田，转眼千年了，你再回来，那就只能到我的坟头上点根烟了。

爱因斯坦的这个基于光速不变，而时间和空间却必须相对变化的理论，就是大名鼎鼎的狭义相对论（Special relativity）。

顺便说一句，不仅是时空，质量也是相对变化的，速度越大，质量就会越高，这都是有公式可推导的，前面说的那个质能转换方程就是用相对论推导出来的，所以爱因斯坦才对勒庞说，叔叔啊，去一边好好研究你的大众心理学，物理这一块儿，真没您什么事。

不过1905年的时候，相对论的所有推导和公式都不能涵盖万有引力，一加到里面，结果就乱了，后来是爱因斯坦又用了十年多的功夫，才把引力也包括进来，建立了一套有着完善理论基础的体系，中文称为广义相对论（General relativity），其实，也就是真正的相对论。

可以这样说，相对论刚刚问世的时候，科学家们不仅不相信，也没几个人能搞懂，但后来很多很多科学观察都验证了爱因斯坦的正确性，比如说光线弯曲，高速运动粒子寿命会变长，高精度原子钟验证了时间缩短，以及黑洞被证实，引力波被检测到等等等等，无一不明白无误地告诉人类，爱因斯坦是对的，不仅光速不变这个假设是对的，他的相对论也是对的。我们今天只能献上我们的膝盖，妥妥的，对着爱因斯坦说一声大写的一个服字。

到此为止，普朗克和爱因斯坦等人用非凡的大脑得出了下面的结论，微观粒子的世界必须使用量子力学，而涉及到光速以及大天体的运算，相对论那就是不二之选。至于说前辈牛顿的经典力学，还是可以用的，只不过必须用在个头比微观粒子大，又不能太大如星云，速度也不能太快到接近光速的范围之内。

可以这样说，传统物理大厦上的“两朵小乌云”现在变成了大瀑布，和大厦鼎足而立，稀里哗啦日夜不停地流淌。

提醒大家一下，我们千万不要认为量子力学和相对论是远离人间的纯理论，和我们现实生活无关，甚至有人说“遇事不决，量子力学”加以讽刺，这是不对的，举一个小例子，日常的导航，如果没有相对论参数作为调整，GPS或者北斗卫星能直接把你送沟里去，而核磁共振这项医疗手段，要是没有量子力学的参与，你可能直接就是一块肉饼了。再说一下，量子力学我们后面会做重点介绍。

但必须承认的是，即便是今天，这两个新兴理论都是在起步阶段，整个宇宙，还有太多太多的东西需要我们去发现，在开尔文男爵那一代物理学家被打脸之后，现在已经没有人说“物理大厦已经建成”这样狂妄的话语了。一切，才刚刚开始。

迄今为止，我们也不知道瑞士专利局这个小职员爱因斯坦在那一年到底经历了啥，居然能写出四篇到现在大多数人也看不懂，却越来越显示出其正确性的论文，正因为他的这个魔幻行为，1905年又被称为爱因斯坦奇迹年。

当然，我们也知道，这一年对于日本人，也是一个奇迹，因为他们居然战胜了俄罗斯人，但这一年发生的重要事情，还远不止如此。

就在这一年，1905年3月，一件后世称为“第一次摩洛哥危机”（First Moroccan Crisis）的事件发生了，草蛇灰线，这件事在现代历史学家眼里，是第一次世界大战爆发的一个关键伏笔，这事儿呢，是这样的。

欧洲南面的非洲大陆在我们这个史话里，一直都是若隐若现，从罗马和迦太基争雄开始，北非地区就和欧洲有着千丝万缕的联系，只不过由于伊斯兰教在那片地区的长时间统治，欧洲一直到大航海的后期，都对那儿的影响力不大。

即便是工业革命之后，欧洲人有了称雄世界的武力，但他们对进入非洲内陆地区也不感兴趣。如果我们翻开1875年的地图，你就会发现，欧洲列强在非洲，把当时几乎所有海岸都占领了，但广大的非洲内陆，当时就是一片灰色，没人去。这主要是两个原因，一是不值得，用英国首相迪斯雷利1852年的一句话总结就是：“（非洲）殖民地是挂在我们脖子上的沉重磨盘”。比如说英国在冈比亚和黄金海岸的两小块殖民地，那里的收入远远小于英国人在那里的行政开销，如果不是大英帝国海军需要两块基地，那真是只有脑袋进水了，才会去建立殖民地。

第二个原因是不安全，非洲内陆实在太大了，也太原始了，进去就懵圈，迷路不说，各种热带疾病和老虎狮子等猛兽也是随时可见，咱人类这体格子，实在是不够它们祸害的，大家觉得只有脑袋进水后再咣当一声撞铁门上，才会去非洲内陆找罪受。

但这种状况在19世纪末期却突然被改变了，短短的20几年时间里，整个非洲就被瓜分一空。再次打开一战前夕，1913年的非洲地图，几乎那上面的每一个角落都被标注了颜色，代表了欧洲的一个强国，历史上称为瓜分非洲（Scramble for Africa）。最主要的参与国家是英、法、德、西班牙、葡萄牙、比利时和意大利，其中以英法占据的地盘最大，也最具有价值。

那为啥风向突变，非洲成了香饽饽呢？这里面自然是有原因的，还不少，至于说啥原因，我们下集再聊。