爱因斯坦和质能方程（上）

作者：胡桃夹子工作室

审稿专家：周晓亮（北京交通大学物理学实验室 高级工程师）

谁最能象征高智商、大智慧？恐怕很多人在听到这个问题的时候，脑海里就会出现就是阿尔伯特·爱因斯坦。

他可能是世界上最为广大人民群众熟知的科学家之一，而他伟大而又简洁的质能方程，也被人们所熟悉——虽然很多人并不知道它究竟有什么意义。

你可能有所不知的是，这个伟大公式的发现，是建立在一次最成功的失败之上的。

# 最成功的失败

1900 年 4 月 27 日，英国皇家研究所的演讲台上，“热力学之父”开尔文勋爵向全世界物理学家发表了一篇新年致辞。谁也没有想到，这篇简单的演讲后来竟成为物理学史上最出名、最重要的演讲。

在 17 至 19 世纪，经典物理学有了突飞猛进的发展：站在巨人肩膀上的牛顿，总结出了赫赫有名的“运动学三定律”及万有引力定律，统一了力学定律；麦克斯韦则归纳出了“最美方程”麦克斯韦方程组，用四个等式总结出了电磁学全部规律；开尔文勋爵自己通过几十年的潜心研究，总结出了热力学第二定律；此外，光学的许多问题也已经解决了。

当年绝大多数物理学家认为，几乎一切的物理现象都已经得到了科学的解释，破解世界上所有物理难题指日可待！

开尔文勋爵是一位十分自负的人，他认为当时物理学已经发展到至臻完美的程度，只是还需要解决两个小问题，他把它们比作“物理学大厦上空漂浮的两朵乌云”。

谁也没有想到，这两个问题不是“两朵乌云”，而是“两次地震”，它们先后改变了当时物理学家们的世界观；此外，直到今天物理学家们也没能完全解决这两个小问题。

现在，我们就来介绍一下“第一次地震”，啊不，“第一朵乌云”：迈克耳孙-莫雷实验。

很长一段时间以来，人们都好奇一个问题：水波可以借由水来传递，声波式借由空气来传递，那么光线是不是也应该在某些介质中传播呢？当时，科学家们认为这种介质一定存在，只是还没有被发现，并将其暂时命名为“以太”。为了侦测“以太”的存在，科学家们设计了各种各样的实验，最出名的是迈克耳孙-莫雷实验。

阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷都是美国物理学家。19 世纪末期，为了侦测神秘物质“以太”的存在，他俩联手设计了一种实验装置。这个实验装置排除了几乎所有可能产生误差的因素，十分完美，可以说，只要实验成功，科学家们就能确定“以太”的存在。整个物理界都翘首以盼，期待实验结果。

然而，最终的实验结果令人大跌眼镜。无论怎么改变实验条件，实验结果都与当初科学家们的设想完全相反——这个实验完美地证明了“以太”是不存在的！本来迈克耳孙和莫雷计划进行半年的实验，彻底搞清楚“以太”的物理性质，结果仅仅过了4 天，实验就草草收场。由于实验设计得实在太过完美，当时的物理学家甚至找不到合理的质疑实验结论的理由。

完美的实验结果与完美的理论出现了巨大偏差，物理学家都明白，一定是二者之一出现了问题，但又不知道问题出在哪。于是，开尔文勋爵把这个实验称为“漂浮在物理学大厦上空的一朵乌云”。这个实验在整个物理学史、甚至人类科学史上都有举足轻重的地位，它是成功的，因为它的结果十分正确，“以太”确实不存在；它又是失败的，因为实验结果与科学家们的预期相差巨大。所以，后人送给这个实验一个矛盾但贴切的称号：“最成功的失败”。

在迈克耳孙和莫雷第一次做实验的时候，爱因斯坦只有8 岁；当开尔文勋爵发表那篇著名的演讲时，爱因斯坦才刚从学校毕业。估计谁也没有想到，这个德国年轻人能够解决掉一朵乌云。爱因斯坦是怎么解决的呢？

敬请阅读下篇。

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