为什么说1905年是个“奇迹之年”？——经典物理学的变革脉络

20世纪初期，经典物理学经历了一场空前绝后的重大变革，但毋庸置疑，参与其中的绝大多数物理学家都是站在伽利略、牛顿和麦克斯韦这三位巨人的肩膀上开展研究的，通过梳理这场变革的脉络，我们就能一窥究竟。

1638年，智慧过人的托斯卡纳科学家伽利略在发表的一篇论文中奠定了经典力学的根基——力是如何影响物体的运动的。他首次提出了自由落体运动的数学公式。

大约50年后，伟大的英国天才艾萨克·牛顿横空出世。他的研究在某种程度上可视为伽利略思想的一种延续。他在力学、光学和万有引力等领域提出了许多极具开拓性的理论，同时，他还发明了微积分。他于 1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书被公认为是物理学历史上最具影响力的著作之一。

时光又匆匆走过了两个世纪。英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦一手缔造了经典物理学的第三个核心架构。1864年，他发表了一篇在其学术生涯中具有重要地位的论著——《电磁场的动力学理论》，这个理论将电场与磁场统一起来，正式创立了电磁学理论。

到了世纪之交的1900年，科学界迎来了春天。首先是艾萨克·牛顿所提出的几大物理定律取得了空前的成功，两百年之后，基于牛顿理论的种种预测——从气体及日常物体的运动情况，到太阳、行星、月亮及彗星的运行轨道，再到地球的扁球体形状及地球上潮汐的起落规律等等，都终于一一得到验证。

在牛顿定律难以覆盖的领域，麦克斯韦的理论体系发挥了重大作用。麦克斯韦方程组为人们掌握电场与磁场的本质奠定了坚实的基础，而且事实证明，它所做出的预测是十分伟大的——它揭示了光实质上是一种电磁波。到了19世纪末期，科家们进一步明确了热量与能量之间的关系，光学、化学以及分子理论等领城也取得了许多振奋人心的进展。

在当时的许多人看来、物理学的基础框架似乎已经建构完毕。1900年，物理学家威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）宣称：“如今的物理学领域已经不会再有什么新的发现了，余下的仅是更加精确的测量工作罢了”。在量子力学的创立者之一马克思·普朗克成为物理学家之初，他的导师就曾劝告他“尽早换一个新的研究领域，因为物理学领域的研究工作已经基本结束了”。

不过，还是存在一些“反常现象”是当时的科学理论无法解释的。1887年，海因里希·赫兹注意到，若用紫外线光束照射金属表面，金属表面会很快失去它所携带的电荷，即金属的电性质会发生改变。当时，没有人能为这个奇特的“光电效应”提供一个合理的解释。9年之后，亨利·贝可勒尔发现，铀盐会持续不断地发出某种未知辐射，那时，对于这种所谓的放射现象的运作原理，人们一无所知。

受热物体只会发出某几种特定颜色的光，比如烧红了的物体就只泛红光，对于这些现象，无人知晓其根源所在；著名的“迈克尔孙-莫雷实验”则否认了以太（人们想象中的可传播光的介质）的存在；同时，人们对水星运行轨道的测算结果也与牛顿的预测有少许不同。

在众多令科学家束手无策的“反常现象”中，还有一个重要的问题需要物理学家们去解决，那就是牛顿定律与麦克斯韦理论之间存在的固有分歧——一个有关匀速运动所产生的影响，因为涉及到光，因此这是根本性冲突。

犹如地震之初的微弱振动，经典物理学领域的重大变革已显现出隐隐作响的轰鸣之声。20世纪初期的科学家们为探寻这些反常现象背后的深层原因所做出的种种努力，最终促成一套全新自然法则的诞生。这些新生理论散发着反常、诡异而又绮丽的光辉，对人们关于真实本身的最基本假定提出了质疑。这些理论包括：量子力学、狭义相对论、广义相对论。这三个全新的自然法则的建立，是由20世纪早期一批杰出的物理学家共同创立的，而其中最关键的人物，就是爱因斯坦。

终于，人类迎来了科学历史上的“奇迹之年”。1905年，26岁的爱因斯坦向世界公开了他多年研究的成果。他在《物理学年鉴》第17卷上公开发表了三篇论文，这三篇论文旨在解决一些其他科学家未曾注意到的物理学矛盾，并为人类提供一个看待真实世界的全新视角。这三篇论文分别涉及:

光电效应定律——在这篇具有开创性意义的论文中，爱因斯坦提出了光量子假说，以解释光电效应的发生原理。爱因斯坦以马克斯·普朗克的构想为基础，大胆断言，光既具有波的性质，也具有粒子的性质。爱因斯坦认为这一假设“极具革命性”，而事实上也的确如此。普朗克和爱因斯坦的研究成果为量子力学的诞生奠定了坚实的科学根基。

布朗运动——科学家们早在至少一百年前便已观察到，悬浮于水中、小如尘埃的颗粒会持续不停地进行不规则运动，但科学家们始终无法解释这种运动产生的原因。爱因斯坦提出，这类运动产生的根源在于个体水分子的热振动——这是对原子与分子的真实存在性的首次有力证明。

狭义相对论——在这篇论文中，爱因斯坦提出了一个颠覆性的概念，即空间与时间是相对的。传记作家罗兰·克拉克称其为“人类历史上最伟大的科学论文之一……，它推翻了人类长期以来对时间和空间的既有观念”。但伦敦《泰晤上报》却认为它是“对人类常识的冒犯”。尽管争议之声很大，但爱因斯坦很自信，他称这篇狭义相对论论文“目前仅是一个较为粗糙的初稿……，关于空间和时间的理论会进一步作稍许修改”。

爱因斯坦没有实验室，因此，其论文提及的所有实验他都未曾亲自做过。他有的，仅是指间的铅笔以及一沓白纸。他是一个真真正正的理论物理学家，所有关于光电效应、布朗运动以及相对论的理论假设，皆为纯粹的思维产物。爱因斯坦究竟是如何做到这一切的？一切变革的起点，便是始于伽利略、牛顿和麦克斯韦构筑的经典物理学世界——他们的成就，以及他们理论中的分歧。