一述|爱因斯坦的少作 | 昌海一述( 二 )
在爱因斯坦与科赫的交往中，被爱因斯坦念念不忘的是那台“漂亮的小蒸汽机”，令爱因斯坦研究者们念念不忘的则是他16岁那年寄给科赫的一篇少作。那篇题为“对磁场中以太状态的考察” (über die Untersuchung des Aetherzustandes im magnetischen Felde) 的文章是爱因斯坦在科学上的“处女作”，在他去世后的1971年，连同他寄文章时的信一起，被印度裔美国科学史学家杰格迪什·梅拉 (Jagdish Mehra，1937) 翻译成英文并披露，如今则作为“爱因斯坦的第一篇科学文章” (Einstein's First Scientific Essay) 收录在了《爱因斯坦全集》里。
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爱因斯坦这篇少作的撰写时间被认为是15-16岁时，完成时间则被认为是1895年夏天[注5]。在这篇文章中，爱因斯坦提出了一种测量以太性质的实验。具体地说，爱因斯坦采纳了以太的机械模型之一，将以太视为一种普通的弹性介质。他并且认为，磁场的能量是以太的弹性势能，因此磁场的存在对应于以太中的应力变化。另一方面，弹性介质内的波速正比于应力与质量密度之比的平方根[注6]，利用这一点，并考虑到质量密度的变化可以忽略，爱因斯坦提出通过测定光速 (即以太中的波速) 在磁场中的变化来推算磁场所对应的应力变化[注7]，并研究这种应力变化与磁场大小的关系。
这篇文章既采用了特定的以太模型，又假定了以太中的光速 (相当于如今所说的真空中的光速) 可变，从科学角度讲是没有价值的——哪怕在当时也已并无价值。比如《爱因斯坦全集》的编者就指出，爱因斯坦采用的将以太视为普通弹性介质的特定模型，哪怕在当时就已有些过时了，而他将磁场能量视为以太弹性势能的“理论”，也是落伍的 (因为逊色于将磁场能量视为动能的“理论”) 。不过少作的价值本就不在于其原始目标是否达成 (因为那通常是达不成的) ，而在于它是作者早期思维的呈现。爱因斯坦的这篇少作也是如此，它对于追溯爱因斯坦当时的知识背景是很有价值的。
在爱因斯坦这篇少作中，我们可以看到，他当时已接触到了某些特定的以太模型，并将之作为了自己思考电磁现象的框架。从这篇文章提到的若干概念——比如双折射、赫兹实验、偏振等等，则可以看出他当时对光学和电磁理论已有过不少涉猎，已知道光是一种电磁波。不过另一方面，这篇文章认为以太中的光速可变 (因此才会提出通过测定光速变化来推算应力变化) ，这跟麦克斯韦电磁理论是不相符合的，被认为显示了爱因斯坦当时对麦克斯韦电磁理论缺乏了解 (这是不足为奇的，因为麦克斯韦电磁理论甚至在当时某些大学的电磁学课程中，都尚未成为标准内容) 。
除知识背景外，这篇文章对于追溯爱因斯坦智力发展的其他方面也不无裨益。在这篇文章的开篇和给科赫的信里，爱因斯坦都写了一些很谦逊的话，显示出如成熟科学家那样的自省和谨慎。比如在给科赫的信里，他称自己的文章是“一次小心翼翼的尝试”，“相当幼稚及不完善”。在文章的开篇，他则提到“除单纯的思考外，完全缺乏能让我更加深入探究这一主题的资料”，“愿感兴趣的读者的宽容与我呈献这篇文字时的谦卑心情相匹配”。这些话不仅仅是谦逊，也是一种诚实的自我评估。比如“完全缺乏能让我更加深入探究这一主题的资料”就说得很实在，因为从爱因斯坦对赫兹实验有所涉猎，却对作为赫兹实验理论基础的麦克斯韦电磁理论缺乏了解，就能看出他对光学和电磁理论的了解尚不系统，很有可能正是因为“完全缺乏能让我更加深入探究这一主题的资料”。
另外比较有趣的是，在这篇少作的最后，爱因斯坦提到电流回路有一种阻尼，能对抗电流产生磁场，这种阻尼正比于回路的长度，但跟回路导体的材料和截面无关。他认为应对这种阻尼的存在进行验证。由于爱因斯坦提到的这种阻尼明显就是电路的自感 (self inductance) ，因此梅拉披露这篇文章时，在所撰的引言中表示“年轻的爱因斯坦独立发现了自感的定性性质”。1982年，荷兰裔美国物理学家亚伯拉罕·派斯 (Abraham Pais) 在他那本以深入程度而论迄今仍属最佳爱因斯坦传记的Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (《上帝是微妙的：阿尔伯特·爱因斯坦的科学与人生》) 中也“附议”，并且几乎直接照搬了梅拉的句子，称“年轻的爱因斯坦独立发现了自感的定性性质”。
16岁的爱因斯坦果真“独立发现了自感的定性性质”吗？在我看来是值得怀疑的。
从历史上讲，自感是1832年被美国物理学家约瑟夫·亨利 (Joseph Henry) 从实验上发现的，比爱因斯坦的这篇少作早了半个多世纪。由于自感是从实验上发现的，因此按定义就是已被验证过的现象，但爱因斯坦却认为应对其存在进行验证，这显示他并不知道自感已在实验上被发现。既然不知道自感已在实验上被发现，那么爱因斯坦的文字似乎意味着“独立发现”——这也就是梅拉和派斯的判断。但另一方面，在电磁理论的发展史上，除位移电流 (displacement current) 和电磁波等寥寥无几的例外，其余几乎全是实验为先，理论在后。虽然谁也不敢小觑爱因斯坦——哪怕16岁的爱因斯坦——的物理直觉，但包括法拉第在内的那些杰出的电磁学先驱们都只能从实验上发现电磁现象，若说16岁的爱因斯坦仅凭“单纯的思考”就不仅能推出自感的存在，而且还包括了自感正比于回路的长度，但跟回路导体的材料和截面无关那样的“定性性质”，仍未免太匪夷所思了。或者退一步说，推出自感的存在或许还不无可能——因为以太模型为自感的存在提供了类比渠道，但连自感的性质都一并推出却并非轻而易举[注8]。若真能推出，该是一件“得意之作”，似乎不至于对推理过程只字不提。
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