一类新的反常质量

一类新的反常质量

为了理解爱因斯坦要克服的思维障碍，就必须进入当时的物理学家的思维定式。在1905年，原子的存在还没有完全确定。假如原子果真存在，它们的性质也尚不为人知。爱因斯坦几乎肯定相信原子存在，正像他相信固体中原子的振动是热的起因，尽管他也不知道原子是什么样子。不过爱因斯坦，或者同时代的任何一位物理学家，是怎样想象一个发光物体，例如一个手电筒，会失去一部分质量的？这样一个古怪的事件是怎样发生的？

例如，它失去了组成成分的部分原子吗？果真如此，原子到哪里去了？或者，它们突然不再存在？再或者，它的组成成分的部分或全部原子的体积变得比以前小了一丁点儿，而数量保持不变？在这种情况下，单个原子是通过什么机制失去一部分质量的？基本粒子，例如于1897年刚刚被英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森（J. J. Thomson）发现的电子的质量，是不是有可能是可变的而不是固定的？另一方面，如果物体没有失去任何一个原子，而且如果每一个组成成分的原子保持初始质量不变，那么整个物体怎么可能会失去任何质量？这真是一个谜。

当然，所有这些问题都取决于那个时代的物理学家是怎样想象质量的。关于这一点，没有任何疑问：他们看质量和我们凭直觉看质量完全一样，甚至在今天，100多年以后，仍是如此，即质量是任何有形物体的一种固定特征，诸如钟表、云朵、尘埃、原子，但不适用于无形的概念，诸如叮当声响、潺潺水声、吵闹喧哗、跌跌撞撞，因为这些动词似的现象不过是某种物质的运动方式，是没有重量的。既然质量被看成是有形物质的固定特征，它肯定不会召之即来、挥之即去。事实上，一个物体的质量根本不能改变，除了会有一小部分的脱落或飘散，就像烟卷散发细小的烟粒子那样看不见地飘散而去。但是，即使如此，所有这些微小的看不见的质量的总和仍然与其初始质量相等。这在当时，甚至现在，都是不言自明的。总质量不增不减，它是一个不变量，因此总量是守恒的。

所以，爱因斯坦的新公式将他置于一个尴尬的境地，因为每一个人都非常清楚有形物体和无形现象之间的区别，而这个新公式似乎是说一个有形物体因为失去或获得能量而可能（事实上是必须）失去或得到质量，尽管从表面看能量绝不会是有形物体。新公式要表达的意思可以用一个正在冷却的热物体作例子。这个热物体释放了它自身的一部分热到周围的环境。根据爱因斯坦的新公式，这个物体也必须失去它的一小部分质量。这就意味着某些质量是与热相关的。但是，不要忘记，对于爱因斯坦和那个时代的大部分物理学家来说，“热”是“原子振动”的同义词。这就是说，他被自己的信念推向了一种超现实的思想，即固体内的原子振动对固体的质量有贡献。当然，它的质量主体居于原子本身，被看成是有形物体。

因此，我们被导向了一个二分境地。在质量概念的问题上，在爱因斯坦和那些接受他的结论的人看来：一方面，存在人们熟悉的那一类质量，我们称之为正常质量。它等同于“有形物体的质量”这一标准的日常概念。另一方面，存在另一类质量，我们称之为反常质量。它等同于爱因斯坦著名公式披露出的反直觉的新概念。爱因斯坦本人在1907年作了同样的区分，他用的术语是“‘真实’质量”和“‘表观’质量”。质量被划分成了两类，虽然出乎意料，却是公式强加给我们的，是不可避免的。一朵云和一块表显然拥有正常质量，因为它们都是由材料，即原子构成的，而光、声和热却没有正常质量，但它们拥有反常质量。当然，云和表也拥有一些反常质量，因为它们包含一定量的热能，而如前所述，热充满了反常质量。

就是说，任何普通有形物体都拥有大量的正常质量和一丁点儿反常质量，而且它们的相对比例会随时间推移产生变化。例如，一个长时间发光的手电筒将逐渐失去它的反常质量，因而变得稍微轻了一点儿。当它耗尽它的反常质量只剩正常质量时会发生什么？我们都知道，到这时，手电筒就再不能发射任何电磁辐射，除非换上新电池。它依然拥有大量的正常质量，但这一事实和它发光的特性毫无关系，因为正常和反常质量之间不存在相互转化。也就是说，似乎不能抽取手电筒充盈的正常质量的储存来发光。直接经验也让我们认识到，一个物体只有依赖它非常稀少的反常质量的供给才能释放能量，诸如手电筒的发光。

下面这个寓言故事将有助于更清晰地表述这两类质量之间的区别。简有资金购买大部分生活必需品，但是她有限的银行存款让她不能把钱花在奢侈品上。前段时间，她继承了一座豪宅及其庭院，价值高达数百万美元。但是在她心目中，这类财产和日常花费不属于同一范畴，无论房产的官方价值是多少，她认为住宅不属于可供她消费的流动资金。她把它看成是冻结的固定资产。对于简来说，这两类财产毫无关系，好像有一条严格的心理屏障把这两个概念分割开了。为了购买奢侈品或外出度假，她永远不会想到可以卖掉几亩花园，更不要说卖掉豪宅了。在简的心里，她有限的流动资产可以自由流动，这也是为什么它被称为“流动资产”，但是她的固定资产是完全冻结的，是不可动的。如果需要钱，她绝不会想到后者。但是，有一天，当她的一份高额账单拖欠数月之后，简收到了一封令她担忧的信。信中称几天后她的部分财产将被执法人员强行没收。这时，她的脑子才突然灵光一现……

很容易把这个寓言故事翻译成质量和爱因斯坦发现的概念二分的语言。这个想法很简单：反常质量（等于流动资产）和正常质量（等于冻结资产）之间的不可逾越的屏障其实根本不是不可逾越的。这个屏障是可以跨跃的，只要有足够的压力（等于没收资产的威胁）让这一念头在头脑中闪现。

然而，对于1905年的爱因斯坦和读过他的有关E=mc²思想的第一篇文章的读者来说，正常质量和反常质量之间的屏障是绝对不可穿越的。当时的情形怎么可能不是这样呢？举例来说，想象一块大鹅卵石（典型的正常质量的例子），大石内部的热量储存（典型的反常质量的例子）将会随着大石散发红外线辐射为周围环境增温而逐渐减少。但是谁能想到大石本身会一下子突然从宇宙消失得无影无踪，同时放射出非常强烈的光芒？这两种想象是不可同日而语的。不在重压下，谁都不会去拥抱这类猛烈而模糊的情形，谁都不会主动欢迎这类与自身经历严重冲突的概念，更别提与人类的集体智慧相左的思想。

在有样学样的类比问题“abc?abd; xyz????”中，没有人会马上想到优雅而对称的答案wyz。他们总会先想z后面的字母，因而撞到了屏障上。只有在初始的简单直觉行不通之后，才会开始尝试更激进的想法。简言之，需要巨大的思维压力才能激发激进的概念滑动，而在提供压力的各种来源之中，美学意识不可小觑。

下面是霍夫曼对爱因斯坦这个非常微妙的阶段的思路的记述：

在他1905年的论文中，爱因斯坦说所有能量，无论哪一类，都有质量。甚至爱因斯坦本人又花了两年时间才达到了惊人的认识：反过来也必然成立，即，所有质量，无论哪一类，必然有能量。他是靠美学原因走到这一步的。

人为什么要在一个物体已经具有的质量和该物体在释放能量时损失的质量之间作出一种类别性的区分？这样做需要设想两种不同的质量，而当一种已经足够的时候还要设想两种，这样做没有充分的理由。这种区分缺乏艺术性而且在逻辑上很难辩护。所以，全部质量都必然有能量。⁸

这段话很有说服力也有眼力，但也令人好奇，因为它的两半几乎是相互矛盾的。第一段说明很难超越存在两种不同质量的直觉，甚至对于爱因斯坦来说都是如此。第二段为我们提供了一个从内部观察爱因斯坦思路的得天独厚的现场记录，它宣称没有充分的理由相信这两种质量的区分。但是，实际上，这样的信念的产生需要一个非常强烈的理由。恰恰是爱因斯坦本人的公式在曾经是铁板一块的质量的概念中创造了裂痕。从这个角度解读，霍夫曼的这段话是对两年来爱因斯坦心路历程的一个完美总结。第一段暗示了爱因斯坦在1905年对一种新质量的初窥，也暴露了他对这种新质量不全面的理解。第二段指出这种不完整的理解在爱因斯坦的思维中引发了强大的张力，迫使他最终对他的初始概念“反常质量”作出一个大胆的、由美学意识驱使的延伸，从而消弥了概念裂痕并重建了概念统一，进而生成了一个全新而和谐的理解状态。一切思维张力由此消除了。

现在要把爱因斯坦的心路历程放在放大镜下考察。如果光、热和声等，都拥有质量，哪怕是极微量的质量，这也意味着我们在和一种前人想不到的新的质量打交道。物体在释放能量时要损失一丁点质量，但却不损失它的固态的或正常的组成成分。损失的是一种全新的东西，一种不同类的质量。简言之，对于任何理解公式E=mc²的人（里面当然包括发现者本人）来说，有一种强烈的压力迫使他们假设存在两种截然不同类别的质量，一种是熟悉的、正常的，另一种是新的、反常的，后者与能量的输出和输入有关。更具体地说，被光束带走的微量质量来自电池损耗的反常质量。然而，电池里的粒子没有丝毫损毁。它的每一个微粒，原子、分子等都完好无缺。因为电池的质量从未受到光的释放和吸收过程的影响，这导致了这两类质量之间存在严格界限的形象，通俗地讲就是“它们不搭界”。

他的公式指出了（事实上，强力推出了）一个无法穿越的思维障碍。爱因斯坦花了两年的时间才得出结论：这个障碍实际上不存在。如霍夫曼所说，他的“宇宙统一的直觉”最终引导他得出了自然内部的一致性这一激进的思想。也就是说，物理学定律的统一性和简单性要求任何有形物体，即任何正常质量，无论是电子还是炮弹，都应该能够“融汇”进逃逸的光束带走的反常质量，正像潜存于房地产里面的冻结资产可以转化为流动资金一样。

这的确是一个令人震惊的思想，因为它不但意味着固态、巨大的有形物体，真的可以非物质化、消于无形（或者，如果我们将之反转，这类物体还可以从天而降，突如其来地实体化），而且任何变化都必然伴随着巨大能量的瞬间同时出现（或消失）。事实上，正是巨大能量的产生或消失使爱因斯坦公式新显露出的全部意义变得令人震惊，甚至给人一种超现实的感觉。