狭义与广义相对论浅说-第13部分

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科学革命，简直就像某些不稳定的小国家发生军事政变一样。”爱因斯坦认为（根据克莱因的引证）：“过多使用科学革命这个术语会使人对科学发展过程产生错误的印象”。爱因斯坦写道：这个“发展过程是前后连续几代最优秀的头脑加上不知疲倦的劳动”，是“逐渐导致对自然规律的更深刻的认识过程”。在这些文字中，我们可以发现，尽管爱因斯坦强调科学进步的积累的一面，但他没有完全排除偶然发生的革命。　
克莱因发现：“只有当（科学上的）变革达到法国或俄国革命那种程度时，爱因斯坦才特别地提到了科学革命”。我们已经看到爱因斯坦一再提到麦克斯韦革命（或法拉第，麦克斯韦，赫兹革命）。在他的“自传注释”（1949，37）中，爱因斯坦指出：“从引进（电磁）场而开始的革命绝没有完结。”克莱因（1975，118－119）对爱因斯坦的成就进行深入的分析后指出，爱因斯坦并没有真正创立新的“光量子理论”，而仅仅是提出一个假说，它是“建立必要的新理论的一个富有启发性的向导”。克莱因还指出，在爱因斯坦提出相对论时，他没有宣称他“发现了新的基本理论”。因此在他1907年的论文中（1915年的文章中也是如此），爱因斯坦正确地指出狭义相对论不过是“一个富有启发性的原理”。对爱因斯坦说来，相对论不能构成一场革命。　
尽管爱因斯坦在他1905年做出的三个伟大贡献中，只把其中的一个冠以“革命性的”这样的定语，但他的科学界的同仁、学生、合作者和传记作者都赞成科学史家的观点：狭义相对论、光量子论、对布朗运动的解释这三者都具有革命性质。其中他对布朗运动的解释最不为人们所知，但它的革命性质是与生俱来的，因为它为解决分子运动这一基本问题提供了一个全新的方式。在研究分子运动时，爱因斯坦建立了“已给出的统计涨落理论中第一个重要的方法”（克莱因1975，116）。由波兰物理学家M．V．斯莫尔乌克尔斯基同时独立提出了这一理论，被许多同代人看作是革命性的，特别是当它被J．佩兰、斯维德伯格和其他人的实验证实以后。但爱因斯坦并不认为这一工作是革命性的，因为“它不过是摆脱机械论世界观所得出的一个必然结果”（同上）。　
爱因斯坦1905年论光的量子性的论文的革命意义已经在本书第27章中讨论过了。但这里我们应当注意爱因斯坦在标题中用了“启发性的”一词。他所阐述的尚不是一个理论，而是以一个假说为基础解释各种各样的现象，而假说的正误在他那里是无关紧要的，它只是作为解释的基础。爱因斯坦直到去世时仍然没有将“理论”一词向光量子假说联系在一起，在他去世前一周，爱因斯坦纠正一位“爱因斯坦的光量子理论”的来访者，爱因斯坦强调说：不，光量子“不是一个理论”，因为光量子和相对论不同，爱因斯坦认为相对论是以前物理学逻辑的进化式的发展，而光量子假说同以前的原理不能相容。他认为他得出的光的概念是奇特的，甚至是完全站不住脚的。因此他采用“革命的”作为光量子假说的定语也许暗示了这种不合适的，甚至不正确的特性，而不只是它的新奇。　
众所周知，爱因斯坦在他科学生涯的鼎盛时期，曾花费大量的时间致力于创立“统一场论”，但没有取得成功。统一场论试图以一种内在联系的方式将引力和其它物质力统一在一起，以期对物理世界进行准确完整的描述。M．克莱因认为爱因斯坦后来的关于科学革命的见解是他对正在到来的革命的信念的一部分，这场革命将恢复物理学中某些在20世纪的冲击下失去的性质。克莱因（1975，120）写道：“当爱因斯坦心存疑虑地反对声称这个或那个新发现的理论引起了物理学革命的时候，他指的是‘真正的革命’。牛顿世界观的旧体系已被抛弃，但他的天才后继者必须提出一个可理解的、一致的和统一的物理实在图景，以代替已被抛弃的旧图景。没有给出完整新图景的暂时的思想成果理应获得应有的评价，但爱因斯坦拒绝把它们称作是已经完成的革命”。　
让我们回过头来看看爱因斯坦对伽利略的评价。他和开普勒和牛顿一道是爱因斯坦所崇拜的英雄人物。爱因斯坦不仅盛赞伽利略的科学成就，而且欣赏他工作所体现的主导思想：“竭力反对任何根据权威而产生的教条。”爱因斯坦称赞伽利略只承认“经验和周密的思考才是真理的标准”，他评论说，伽利略的这种态度在那个时代是“多么危险和多么革命”。这些话出自爱因斯坦为S．德雷克英译的伽利略的《对话》所写的序言，我们关于爱因斯坦和革命的讨论很快就会涉及这本书。　
爱因斯坦的序言分别用德文和所谓的“S．巴格曼的权威英译本”的出版。尽管两种版本中都出现了同一个词汇——革命的，因德文版有一段话中采用了另一个完全不同的词汇：bahnbrechend（字面意思是“开创”），按照“权威译本”，这段话的意思是“对话的革命性的真正内容”。在序言中，爱因斯坦把伽利略比作政治革命者。按照爱因斯坦的观点，伽利略抛弃了古代学者的权威和偏见，而坚信自己的推理。因为在伽利略时代，几乎没有“具有坚定意志，并且兼具智慧和勇气的人”敢于挺身而出，反对“那一批无所事事的说教者，他们靠了人民的无知，披着牧师和学者的外衣”，借以“维护自己的权势”。爱因斯坦认为伽利略的地位是“开创性”和“革命的”。但他没有使用“伽利略革命”这样的词句。他懂得即使没有伽利略，在17世纪也能看到“腐朽的文化传统的枷锁”被打破，他的谨慎说明他担心自己也难免具有“一般人的弱点”，那就是“由于醉心于所崇拜的人物，而夸大了他们的地位”。　
当时爱因斯坦已经熟练地掌握了英语，无论是写作还是讲演，但他还是宁愿用德语写作。我们不知道他在审阅那个“权威译本”时有多细心，但我相信如果不能表达他本人的思想的话，他绝不会放过用“revolutionary”代替“bahnbrechend”的译法。当时译者与爱因斯坦就在一起工作，难道是他歪曲了爱因斯坦的意思？无论如何，爱因斯坦就在几行前刚刚用了“革命的（revolutionary）”一词，从上下文的意思来看，其用意是毫不含糊的。四年前，爱因斯坦在他的“自传注释”（1949，53）中，在叙述曾朗克之后的时期也使用了同样的词：在普朗克的开创性工作之后（nach　Plancks　bahnbmehender　Arbeit），但这一次和他提到伽利略不同，他没有将普朗克的工作说成是“革命的”。他讨论了“根本危机——这场危机的严重是由于普朗克深入研究了热辐射而突然被人们认识到的”（1900，37）。　
爱因斯坦在他的“自传注释”（1949，3235）中讨论了麦克斯韦理论的革命性，他用“伽利略牛顿组合”对比“法拉第麦克斯韦组合”，其中每一组合中的第一人都抓住了“定性的联系”，第二个人则都是把这种联系用精确的公式表达了出来，并且使它们可以定量地运用。我们相信，凡是对照读过“自传注释”和“对话”序言的人都不能不得出这样的结论：爱因斯坦承认有两次伟大的革命。第一次是以伽利略革命为先导的牛顿革命，在他们那里质量和加速度的概念同力的新观念联系了起来，这是一种超距作用力。第二次是在一定程度上基于法拉第电磁感应观念上的麦克斯韦革命，他们引进了场的概念来代替牛顿的“超距作用”——爱因斯坦非常确切地强调说“场同样也描述了辐射”（1949，35）。　
1927年《自然科学》上发表了一篇爱因斯坦撰写的纪念牛顿的文章，他写道：“由法拉第和麦克斯韦发动了电磁学和光学革命……这一革命是牛顿革命以后理论物理学的第一次重大的根本性的进展”。从上下文可以看出，爱因斯坦在这里似乎也隐含着承认了牛顿革命。这里爱因斯坦没有像在其它文章中那样使用“revolution”一词，而是使用了“法拉第麦克斯韦的电磁和光学革命（umwalzung）”。我们知道，umwalzung一般被视为revolution的同义语。　
爱因斯坦在后来评述牛顿的文章（1927；1954，260）中表达了他自己的看法。他提出：“广义相对论是场论研究规划的最后一步”。然后他说：“从量上看来，他自己对牛顿的学说只作了很小的修改，但从质的方面说来，他的改进则是深刻的”。这是爱因斯坦对广义相对论进化的特性的经典论述。“修正了的牛顿理论”这句话表达了爱因斯坦的内心思想：他的工作只是一种改进（transformaion），而不是全新的创造。我们知道，认识到这是一场改进绝不会贬低我们对新的观念可能带来的革命性变化的估价。在这篇文章中，爱因斯坦说：“麦克斯韦和洛伦兹的理论不可避免地会导出狭义相对论，狭义相对论既然放弃了绝对同时性观念，也就排除了超距作用力的存在”。他希望读者认识到狭义相对论是进化的台阶，尽管我们也许看到了这样一种改进的意义是如此重大，因而不论其进化特性如何突出，它也能被看作是革命性的。在文章中，爱因斯坦深刻地如实地揭示了狭义相对论和广义相对论的意义。而对大多数历史观察家来说湘对论似乎不仅是革命的，而且是最高层次上的革命。　
进化这一主题在爱因斯坦的许多文章里都作了阐述。他在伦敦《泰晤士报》（1919．11．28爱因斯坦，230）上的一篇通俗文章中写道：“狭义相对论”只是“麦克斯韦和洛伦兹电动力学的一个系统发展”。1921年在伦敦皇家学院所作的一次演讲中，爱因斯坦进一步发挥了这一思想，他说：“相对论……可以说是完成了麦克斯韦和洛伦兹建造的巨大的智慧大厦”，他试图把“场物理学推广到各种现象，包括引力在内”（同上，246）。然后他毫不含糊地声明：“这里我们并没有革命的行动，它只是一条可以追溯到几个世纪前的发展路线的自然延续”。下面我们即将考察爱因斯坦的这一声明是否是对新闻媒介的夸张所做出的反应。但我们应当注意到，进化的主题同样在他的其它演讲中以及后来的文章中出现，例如在评价牛顿的文章（p．261）中，爱因斯坦讨论了“我们关于自然过程的观念的进化”。然而，试图把爱因斯坦的见解纳入一个简单的模式所面临的困难是，事实上，即使在同一篇文章里，爱因斯坦所描述的科学发展的图景也是十分不同的：“我们的基本观念的革命自19世纪末已开始发生了”，德文原文是这样写的：“ein　umschwungder　grandanschauungen”，由巴格曼（爱因斯坦1954，257）翻译成英语是：“我们的基本观念发生的渐变”。可是我们或许能参考爱因斯坦论述麦克斯韦的文章，得到对这句话理解的一点启示（见前面第20章）。爱因斯坦这样写道“在任何时候，这场伟大的变革（或革命）都将和法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字联系在一起”。但在紧接着的下一句话中，爱因斯坦用了“革命（revolution）”一词来描述这一事件，这使我们清楚地看到他把“变革（umschwung）”用作“革命”的同义语。爱因斯坦评价牛顿文章第一位翻译者将“umschwung”翻译成“revolution”（这是许多词典中这个词的第一个释义），但却改变了作者的语法关系，变成“我们基本观念中的逐步革命”。也许这为科学史的变化引入了一个新的概念，而事实上它在逻辑上是自相矛盾的。可是我们无论选择这个词的哪一个释义，毋庸置疑的是爱因斯坦确信科学中伟大的革命性变革能够发生且已经发生，但它们很少（如果有的话）是与过去的思想没有任何逻辑联系突发性的、戏剧性的和无法预期的变化。然而他本人从未在公开场合或私下说相对论是这样一场革命。　
吉拉德·霍尔顿在1981年写过一篇评述爱因斯坦的文章，他讨论了爱因斯坦关于“科学理论是通过进化而发展的思想”（P．14）。他强调爱因斯坦的主张：“物理学理论最美妙的命运是能指出一条建立一个包容更广的理论的途径，而旧理论本身则是新理论的一种特例”。特别具有说服力的是爱因斯坦第一次来到美国时所作的演讲（《纽约时报》），1921．4．4见霍尔顿1981，15）：　
目前在公众中广泛地流传着一个错误的见解，认为相对论同牛顿、伽利略以来的物理学格格不入，同他们的推理完全对立。而实际情形与此相反，没有伟大的物理学前辈的发现，没有他们建立的前导理论，相对论简直是不可想像的，它没有赖以生存的基础，凭心而论，没有以往必须作的工作，相对论不可能适时出现。那些为建立相对论奠定基础的人有伽利略、牛顿、麦克斯韦和洛伦兹。　
米歇尔。布宾在哥伦比亚大学介绍爱因斯坦时说，他是一种理论的创立者，而这种理论是“动力学的一次进化，而不是一场革命”。当时他对爱因斯坦的立场一定会心领神会的。　
上述爱因斯坦的见解表明，用一句话来概括爱因斯坦是否相信科学中发生了革命是多么困难。他一定知道大多数人（不论是科学家还是非科学家）都认为相对论是一场革命，因此他不厌其烦地（在不少场合下）指出相对论迈出的是逻辑的、进化的一步，而不是与旧观念的直接决裂的一步。他不只一次说有麦克斯韦革命，而且在1953年他毫不含糊地介绍伽利略的《对话》时运用了“革命性”一词，语气显然比他半个世纪前称自己的光量子为“富有启发性的”加重了许多。　
探讨爱因斯坦有关科学革命和科学进化的思想，我们不该忘记，爱因斯坦从未写过有关文章，也没有在有记录的谈话中，或在我们能收集到的信件中专门讨论这一主题。而且我们知道爱因斯坦在许多方面都是一位很谦虚的人，因此他会极力反对在报刊上宣传他发动了科学革命。在他的一次最为坦率的表态中，他突出反对的是新闻媒介给人造成了这样一种印象：科学革命“每五分钟”就会发生一次。但应当注意的是，即使在爱因斯坦尖锐反驳对薛定谔的成就过分渲染时，他也没有完全排除发生科学革命的可能性。天件谦和与对新闻机构作法的反感很可能是爱因斯坦把自己开创的革命看作为“进化”的主要原因。　
此外，对年轻的富有理想的知识分子来说，在1905和1906年出现“革命”一词，同1917年后的意义完全不同。爱因斯坦把他的工作看作是进化的而不是革命性的主要论述，是在1917年俄国革命和第一次世界大战结束后很快遍及中欧的革命夭折后做出的，当时柏林的大街上还在进行着血腥的战斗。从2050年代，正如我们所知，爱因斯坦乐于撰写论述伽利略（也许还有牛顿）革命的文章，他还多次写过评述麦克斯韦革命的文章。我认为，重要的是在爱因斯坦40年代写的自传中，占有突出鲜明地位的，是他对麦克斯韦革命的论述，那是一种强烈而明快的论述。当爱因斯坦谈到麦克斯韦革命是由法拉第、麦克斯韦和赫兹共同做出（还附加了麦克斯韦具有“狮子般的领袖地位”）的时候，毫无疑问他强调的是观念变革的深度，而没有顾及时间的跨度。因为法拉第的论文发表于19世纪3O年代，赫兹的论文发表于19世纪90年代，这场革命横跨半个多世纪的漫长时间。这个例子表明爱因斯坦思想中的伟大科学革命不能同突发性的、剧烈的政治事件进行严格的类比，政治变革是以统治形式的更替为特征的。　
爱因斯坦先前的助手巴纳什·霍夫曼曾写过几部关于爱因斯坦和现代物理学的书。他告诉我他从未听到爱因斯坦说过任何反对发生科学革命的话。在霍夫曼同爱因斯坦长期的秘书和朋友合作写的一本书中，霍夫曼依据大量有关爱因斯坦革命的论述，发现爱因斯坦的科学观并不自相矛盾。霍夫曼把爱因斯坦曾用于伽利略和麦克斯韦的科学但没有用于他自己的科学的那些评语照搬于爱因斯坦的科学。英费尔德在他所写的论述爱因斯坦和相对论的书中，称狭义相对论是“第一次爱因斯坦革命”（1950，23；40），广义相对论是“第二次爱因斯坦革命”。英费尔德是爱因斯坦的亲密助手，并和爱因斯坦合作完成了《物理学的进化》（1938）一书。英费尔德评价爱因斯坦对量子理论的贡献是量子理论“这场未完成的伟大革命”的一个主要步骤，它是“革命的同时也是调和的”。记者亚历山大·莫斯柯夫斯基曾报道过大量同爱因斯坦谈话的内容，他说狭义相对论体现了“物理学思想的革命性转变”（1921，113），广义相对论要求“革命性的自然观念”（p．6），“我们中间很少有人意识到沿着爱因斯坦观念的发展线索，等待我们的是更深刻的内在革命（p．141），普朗克，这位在思想和言论上均比较保守的人在宣称爱因斯坦工作的极端革命性方面显然没有丝毫的犹豫（霍尔顿1981，14）：　
这种关于时间的新的思维方式极大地要求物理学家具有抽象和想像的能力。他远远超过在理论科学研究中甚至在知识论中取得的任何惊人的成就……，相对论引起的世界观的革命，就其影响的深度和广度来说，只有哥白尼引进的新的宇宙体系所导致的革命可与之相比。　
但丹尼斯·西夏马（1969，ix）发现：“牛顿运动定律其自身的逻辑是不完整的，从中产生的问题一步步导致了极端复杂的广义相对论”。有许多科学家和历史学家认同爱因斯坦的观点，认为相对论是已有科学观念的扩展和改进，同样也有许多证据表明相对论是本世纪最伟大的革命之一，是一场主要的科学革命。　
爱因斯坦在大量文章中以及自传中都认为，进化和革命均是科学发展的要素，现今已经成为两项重要的研究课题。吉拉德·霍尔顿（1981）集中研究爱因斯坦关于相对论进化性质的表述和他1947年声明反对薛定谔宣称的革命的立场。因此他只是提到了但并没有讨论爱因斯坦致哈比西特的有关量子理论的信，也没有考察爱因斯坦许多关于麦克斯韦革命的论述。另一方面，马丁·克莱因（互975）在了解到爱因斯坦关于相对论是科学进化过程中的一部分这一思想的同时，他也研究了爱因斯坦关于革命的论述——这类论述同麦克斯韦、薛定谔和爱因斯坦自己的光量子假说联系在一起。
爱因斯坦的科学成就
吴　忠　超
爱因斯坦是历史上继牛顿之后最伟大的科学家。他是狭义相对论的重要发现者，他对量子理论的创立具有重大的贡献，而广义相对论，亦即现代引力论的建立，则应全部归功于他。　
十九世纪末期，麦克斯韦成功地把电学和磁学统一在他的电磁理论中，从他的方程推导出，电磁波在真空中传播的速度刚好是光速，于是他断定光波应是电磁波的一种。麦克斯韦因为家族遗传的疾病，只活了四十八岁，因此没有看到电磁波实验的成功。在牛顿的绝对空间、绝对时间以及伽利略的旧的相对性原理框架中，只有以无限速度运动的物体，在相对匀速运动的坐标系中才具有相同的速度，即无限速度。而牛顿的万有引力认为是以无限速度传递的，所以在麦克斯韦之前，牛顿物理学被认为是自洽的，而电磁波是以有限速度传播的，在旧的相对论框架中，它的速度会因坐标系的选取而改变，这样他的方程只能在一个特定的坐标系中成立，这个坐标系被认为是相对于一种称为以太的媒介静止。于是寻求以太的存在便成为科学的主题。迈克尔逊——莫雷实验的结果否认了以太的存在。爱因斯坦在1905年发表了一篇题为“运动物体的电动力学”的论文，指出如果将时间和空间组成四维的时空，而在参考系进行相对匀速运动时，时空坐标遵照所谓的洛伦兹线性变换，则一切物理定律包括麦克斯韦方程都应采取相同的形式。这样一来，以太的存在便完全是多余的。爱因斯坦在发表狭义相对论之前是否知悉迈克尔——莫雷的实验仍是科学史上的一个悬案。
这篇论文抛弃了牛顿的绝对时空观，导致物理学上的一场革命。由洛伦兹变换导出的尺缩、钟慢以及双生子佯谬都和人们的直觉相抵触。而著名的质能等效公式则是核能乃至核武器的理论根据。
1900年普朗克为了解决黑体辐射的紫外灾难问题，提出了辐射的量子理论，即是光辐射必须采取一种称作量子的波包形式。但是只有在爱因斯坦提出光子理论之后，人们才真正接受光可以粒子即光子的形式存在。普朗克曾经是爱因斯坦关于狭义相对论第一篇论文的审稿人。既然光波可以作为粒子而存在，那么电子等物质粒子能否以波动而存在呢？这是法国的一名研究生德·布罗依的设想，爱因斯坦得知后立即支持这一激进的假说。这些都是量子理论发现的前奏。爱因斯坦因他的光子理论而获得诺贝尔物理学奖。其实爱因斯坦对相对论的贡献远为重要，但是诺贝尔评奖委员会