（科学技术哲学专业论文）爱因斯坦狭义相对论中的统一性思想初探.pdf

摘要 2 0 世纪伟大的科学家阿尔伯特暖因斯坦在他一生的科学理论中蕴含着丰富的统一 性思想，统一性思想是他科学研究的重要源泉和核心指导思想。关于爱因斯坦的哲学思 想和爱因斯坦相对论的解释是一个具有重要科学和哲学意义的课题。 在科学发展史上，统一性思想也是激励着无数科学家去选题作深入研究的重要信 念。本文从爱因斯坦统一性思想的理论渊源、主要内容和特征出发，运用推理、演绎、 模型分析的方法，阐述了狭义相对论中爱因斯坦统一性思想导向，分析了狭义相对论中 的统一性思维方式，及其在狭义相对论中的具体表现。通过对狭义相对论中的统一性思 想模型分析，探讨了爱因斯坦统一性思想是在狭义相对论中的实现过程。本文还将对爱 因斯坦统一性思想的价值、地位和局限性和潜在影响进行了分析。 爱因斯坦，狭义相对论，统一性思想 关键词 a b s t r a c t t h e2 0 t hc e n t u r y ，t h eg r e a ts c i e n t i s ta l b e r te i n s t e i ni nh i sl i f e s c i e n t i f i ct h e o r yc o n t a i n saw e a l t ho fu n i f o r m i t yo ft h o u g h t ，u n i t yo f t h o u g h ti sa ni m p o r t a n ts o u r c eo fh i ss c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt h ec o r e g u i d i n gp r i n c i p l e o ne i n s t e i n sp h i l o s o p h ya n dt h ei n t e r p r e t a t i o no f r e l a t i v i t yi sa ni m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n dp h i l o s o p h i c a ls i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t t h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n ti ns c i e n c e ，t h eu n i t yo ft h i n k i n gi s i n s p i r e dn u m e r o u ss c i e n t i s t st oc o n d u c ta ni n d e p t hs t u d yo ft o p i c s i m p o r t a n tb e l i e f s i nt h i sp a p e r ，e i n s t e i n st h e o r yo ft h eu n i t yo ft h e i d e o l o g i c a lo r i g i n s ，t h em a i nc o n t e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h eu s eo f r e a s o n i n g ，d e d u c t i o n ，m o d e l b a s e da n a l y s i sm e t h o d ，d e s c r i b e de i n s t e i n s s p e c i a lt h e o r yo fr e l a t i v i t yi nt h eu n i t yo ft h ei d e o l o g i c a lo r i e n t a t i o n ， a n a l y s i so ft h es p e c i a lt h e o r yo fr e l a t i v i t yi nt h eu n i t yo ft h i n k i n g a p p r o a c ha n di t sa p p l i c a t i o ni nt h es p e c i f i cp e r f o r m a n c eo ft h es p e c i a l t h e o r yo fr e l a t i v i t y s p e c i a lt h e o r yo fr e l a t i v i t yt h r o u g ht h eu n i t yo f t h ei d e o l o g i c a lm o d e li nt h ea n a l y s i so fe i n s t e i n ss p e c i a lt h e o r yo f r e l a t i v i t yt h eu n i t yo ft h o u g h ti si nt h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o n f i n a l l y ， t h i sa r t i c l ew i l lb et h i n k i n go ft h eu n i t yo ft h ev a l u eo fe i n s t e i n ，t h e s t a t u sa n dl i m i t a t i o n sa n dt h ep o t e n t i a li m p a c ta n a l y z e d k e y w o r d s e i n s t e i n ，s p e c i a lr e l a t i v i t y ，t h eu n i t yo ft h i n k i n g 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适 学位论文作者签名： 刁年多月7 日 叼年月卢日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 一躲列僦、 萨6 月7 日 西北大学硕士论文 一、问题的提出 绪论 统一性思想是一种在人类思想结构中的科学与哲学信念。爱因斯坦从青少年时期就 对统一性思想有着浓厚的兴趣，在他的科学研究生涯中始终不渝地坚持着这一光辉的思 想。正是在科学研究中坚持统一性的思想，爱因斯坦创立了相对论，把电场和磁场统一 起来了、把质量和能量统一起来了、把牛顿力学方程作了相对论的修正，使牛顿力学方 程和麦克斯韦方程真正和谐起来。另外，在统一性思想导引下爱因斯坦还把引力现象也 纳入了相对论范畴，建立了相对论引力场方程，将狭义相对论推广到了非惯性系中，形 成了广义相对论。统一性思想是他在科学研究领域奋斗不息的力量之源，也是他不断追 求真知的人生目标。在爱因斯坦心目中，统一性思想就是为这种“内在和谐”的世界提 供统一的理论，追求自然界的和谐统一是爱因斯坦理性思维的重要特征，也是爱因斯坦 创立一个个科学理论的思想动机。综上，在科学上统一性思想是爱因斯坦科学探索的最 高目标，在哲学上统一性思想是爱因斯坦哲学思想的精髓，在方法论上统一性思想是爱 因斯坦科学方法的核心。一直以来，关于爱因斯坦的哲学思想和爱因斯坦相对论的解释 科学界和哲学界一直都在进行积极的探索，也从未间断，并取得了丰硕的研究成果。 在国夕 ，( a l b e r te i n s t e i n ：p h i l o s o p h e r s c i e n t i s t ( 1 9 4 9 ) ，( t h es c i e n c e a n d t h el i f eo fa l b e r te i n s t e i n ( 1 9 8 2 ) ，( e i n s t e i n sp h i l o s o p h yo fs c i e n c e ( 2 0 0 4 ) ， ( a l b e r te i n s t e i n l e t t e r s ( 1 9 5 6 ) ，p f r a n k 著 e i n s t e i n ：h i sl i f ea n dt i m e s ) ) ( 1 9 4 7 ) ，美国的q 内森、h 诺登编著巨人箴言录：爱因斯坦论和平，亚伯拉罕派 斯的上帝难以捉摸一爱因斯坦的科学与生活和爱因斯坦传、派依斯著戈革等译的 一个时代的神话爱因斯坦的一生，爱因斯坦著方在庆等译爱因斯坦晚年文集 和爱因斯坦语录等，从不同的角度展现了爱因斯坦科学生活的多个侧面。美国普林 斯顿大学出版社出版的爱因斯坦全集全面系统地汇集了与爱因斯坦有关的各种档案 资料，成为目前科学史研究方面最为重要的文献之一。 在国内，许良英主持编译的三卷本爱因斯坦文集，是迄今最全面的爱因斯坦思 想资料，在书中他对爱因斯坦的思想诸如科学和社会的相互关系、科学史的分期等问题 进行了深入的研究。戴念祖老师对于爱因斯坦在中国的情况进行了研究，并且在2 0 0 5 年的“世界物理年”上发表了爱因斯坦在中国及其创建狭义相对论的历史背景对爱 绪论 因斯坦创建狭义相对论的历史背景进行了详实的分析。万勇在纪念爱因斯坦狭义相对论 发表1 0 0 周年之际撰文，从迈克尔逊一莫雷实验与相对论的创立的关系，对爱因斯坦创 立相对论的思想过程及其科学思想等进行了分析说明。郭汉英发表在现代物理知识 的文章爱因斯坦与相对论体系对爱因斯坦的相对论体系的建立中的若干问题及其面 临的变革进行了全面而详实的剖析。李醒民出版和发表论狭义相对论的创立、人类 精神的又一峰巅爱因斯坦思想探微、巨人箴言录：爱因斯坦论和平( 上) 、科 技发展与历史观念的变革纪念爱因斯坦狭义相对论发表1 0 0 周年笔谈、爱因斯坦 一人类的伟人、科学的巨擘等等指出，爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人，为 自然科学的根本性飞跃和人类社会的进步做出了不可磨灭的贡献。李醒民老师还针对爱 因斯坦科学思想和哲学思想中特别突出的统一性思想进行了系统的研究。武杰老师先后 在山西高等学校社会科学学报发表研究爱因斯坦统一性思想的文章四篇，从爱因斯 坦统一性思想的形成、统一性思想在其科学生涯中的地位和作用、统一性思想与爱因斯 坦科学方法的关系、统一性思想这一哲学思想向科学方法转化过程、统一性思想的方法 论意义一一进行了详细的描述。梁建宇老师通过研究认为统一与和谐是爱因斯坦科学思 想的核心。李建明、朱亚宗两位老师也对统一性思想在科学创造中的积极作用和局限性 深入探讨，并针对杨振宁教授谈及爱因斯坦统一场论时提到的“卓见 和“瘤见 这一 对反义词，从正反两个角度对爱因斯坦统一性思想给出了客观、辩证、准确的评述。刘 文霞2 0 0 3 年9 月发表论爱因斯坦的统一性思想一文，该文称统一性思想是爱因斯 坦科学研究探索中的思想源泉，认为相对论是爱因斯坦在对统一性思想的不断追求、深 入探索以及在统一性思想指引下获得的不朽的成果。 综上，虽然近年来对于爱因斯坦的研究从未停止，但是对于爱因斯坦统一性思想有 着深入研究的国内外学术成果依然较少，尤其是对于在爱因斯坦的科学理论中发挥着重 要作用的统一性思想的实现仍然是个基本全新的领域。迄今为止，很少有科研工作者对 在爱因斯坦统一性思想视野下的狭义相对论的实现机制进行研究和探讨。 二、研究目的及意义 统一性思想在爱因斯坦的相对论形成过程中，是重要源泉和核心的指导思想。研究 爱因斯坦狭义相对论中的统一性思想对于我们进一步学习和研究他的科学研究思想和 方法具有积极的意义。本文以爱因斯坦狭义相对论为例，探讨在爱因斯坦统一性思想导 引下狭义相对论的实现机制是本篇文章探讨的目的。 2 西北大学硕士论文 三、研究方法 本文运用演绎、推理、模型分析和实证的方法研究统一性思想视野下的爱因斯坦狭 义相对论的实现机制。 四、研究思路与结构编排 本文将以爱因斯坦狭义相对论为例，深入剖析爱因斯坦相对论的产生过程，探索统 一性思想下爱因斯坦相对论的实现机制，并对统一性思想在爱因斯坦相对论形成中的影 响和局限性进行分析。全文共分五章。其中第一章主要介绍爱因斯坦的统一性思想，首 先阐述统一性思想的历史渊源，其次介绍爱因斯坦统一性思想的内容，最后对爱因斯坦 的统一性思想的特征作分析。第二章、第三章、第四章是文章的重点，主要探讨爱因斯 坦狭义相对论中的统一性思想，共分“狭义相对论中的统一性思想导向 、“狭义相对论 中的统一性思维方法、“狭义相对论中的统一性模型及实现 三章完成。第五章主要阐 述爱因斯坦统一性思想的价值、地位和局限性。 五、可能的创新 本篇论文的创新之处就在于将爱因斯坦的相对论放入统一性思想视野下，剖析统一 性思想在爱因斯坦狭义相对论的实现机制，得出爱因斯坦统一性思想是爱因斯坦在科学 探索和研究中哲学地位，为相对论进行科学解释提供新的模型、理论和方法。 第一章爱因斯坦的统一性思想 第一章爱因斯坦的统一性思想 一、爱因斯坦统一性思想的理论渊源 爱因斯坦的统一性思想的形成得益于两个方面，一方面是汲取科学思想中的统一性 思想，另一方面便是通过哲学学习获得的哲学启发。 1 、科学思想中的统一性思想理论渊源 统一性思想有着悠长的历史渊源。在人类科学思想发展的历史中，思想丰富而又多 彩，但统一性思想则是其中最典型而又古老的一种。从古代哲学家到现代科学家，有的人 在探讨纷繁复杂物质世界的组成基质，还有的人在探讨物质世界的运动规律及表现形 式。泰勒斯的水，奥斯特瓦尔德的能，道尔顿的原子都曾一度被当作物理世界的统一本 原。每一个从事自然科学研究的人，都从统一性思想中获取了研究的动力，当然也包括 爱因斯坦。 1 1 古希腊时代的统一性思想 古希腊时代，自然哲学家们把自然现象的无限多样性的统一看作是顺理成章的，并 且在特定的物质和物质范畴中探索着这种统一。泰勒斯经过研究发现，这种特定物质具 有水的特质。他的学生和追随者又通过分析和验证逐渐把这种基本物质的性质表述的更 加精确，并使这种物质兼具统一性和不灭性。人们后来又假定了许多种基本物质组成世 界的本源，这些物质的混合和分离就会形成不同的物质，从而引起自然界的绚丽多彩的 变化。到了留基伯和德谟克利特时期，他们认为这种物质是不可分割的原子。在他们看 来物质和自然界的万物的区别不是由于其内在性质，而只是在于组成它们的原子的多 少、形状、位置和运动的不同，所以他们用原子学说来解释各种各样的自然现象。毕达 哥拉斯学派的学者在研究琴弦的振动时发现，只有当两根弦的长度互相成简单的有理数 比例时，就会发出和谐的声音。他们从中得到启发：既然在音乐的和谐中数的结构是它 的本质核心，那么我们周围自然界中一定也存在着这种内在的和谐，那门就可以从数学 核心中找到自然界的本源。因此，毕达哥拉斯学派提出了统一的数量说，并对这种统一 作数的解释。 1 2 哥白尼的统一性思想 哥白尼时代的统一性思想第一次取得了丰硕的成果。在那个年代，在当时观察所要 求的精确度范围，托勒密的地心说虽然解释事实是非常成功的，但是在几何学观点上其 4 西北大学硕士论文 弱点是均轮和本轮的繁复性，使得编制历表的所依托的理论非常繁琐，这种客观情势使 人们关注天文学理论的变革。哥白尼深受毕达哥拉斯学说影响，所以在他看来，宇宙应 当符合数学的和谐性，而且这种和谐性越简单以数学研究看来就越好，也越接近于自然。 他说“在这极美丽的庙堂中，谁能把这个火炬放在更好的地位，使它的光明同时照到 各个体系呢? 有人把太阳叫做宇宙的灯，有人称作宇宙的心，更有人称作宇宙的统治 者，都没有什么不适当。这样我们就发现在这样有秩序的安排下，宇宙里有一种 奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的谐和关系。这样的情形是用别的方法达不到 的。 【l l 所以，哥白尼用太阳取代地球位为宇宙的中心，所有的行星包括地球均以太阳 为中心转动。这一伟大的变革使得各大行星运动获得了统一性。哥白尼的日心说体系是 的行星运行具有了确定性和统一性。1 2 1 1 3 开普勒的统一性思想 哥白尼体系执着的坚持希腊古典的正圆运动观念，这使它不得不继续沿用本轮、均 轮组合法，以获得与观测现象的相符。1 3 开普勒对数学的爱好、对自然界效的和谐的神 秘感受，始终支配着他对天空奥秘的探索活动。【4 】正是哥白尼体系那令人赞叹的数学的 和谐和美使他直觉到它就是真实的宇宙图景。但是当他着手研究弟谷所遗留下来的天文 观测资料时，他发现如果按照哥白尼体系里天体运动是匀速的和遵循正圆轨道的，则不 能准确得到弟谷所测算的结果，于是1 6 1 8 年开普勒出版哥白尼天文学概论，将他已 经发现的火星运动二大定律推广到了太阳系的所有行星，而且同时公布开普勒第三定律 将所有行星的运动与太阳紧密地联系在一起，彻底清除托勒密和哥白尼体系中运用的一 大堆本轮和均轮，确立了太阳系的概念，实现了开普勒定律对所有行星运动的统一，完 成科学史上一大伟业。 1 4 牛顿的统一性思想 著名物理学家牛顿在开普勒和伽利略的研究基础上，创立了的运动三定律把大至辽 阔宇宙中的恒星，小至微小粒子的物质的运动统一了起来。对于苹果落地与行星运转这 两类极不相同的现象，也找出了支配它们的共同的力万有引力，并且对开普勒定律 中行星按照椭圆轨道运行给出了合理的解释。牛顿还把在月球方面所得的结果推广到其 f l l 【英1 威廉塞西耳丹皮尔著，科学及其与哲学和宗教关系的历史t m ，北京：商务印书馆，1 9 4 6 年，1 7 2 页； 【2 1 吴国盛，科学的历程( 上册) m 】，湖南科学技术出版社，1 9 9 7 年0 1 月第l 舨，第3 1 3 页 n 吴国盛，科学的历程( 上册) m i ，湖南科学技术出版社。1 9 9 7 年0 1 月第l 版，第3 2 0 页 【4 】吴国盛，科学的历程( 上册) 【m 】，湖南科学技术出版社，1 9 9 7 年0 1 月第l 版，第3 2 1 页 5 第一章爱因斯坦的统一性思想 他行星的运动上去，使得整个太阳系的错综复杂的运动就统一到一个理论中了，从而建 立起一个包括天体运动、潮汐涨落和堤上物体运动在内的自然现象做出统一解释的经典 力学体系，在人类认识史上构造出第一个系统而又统一的科学图景。 综上，我们可以看到无论是古代哲学家还是现代的科学家，都力图把自然科学中各 种各样的物理现象概括到一个统一的体系，来探讨自然世界的统一性。那么我们可以看 出正是这些前辈对统一性思想的探索和认识，为爱因斯坦统一性思想的提出，奠定了良 好的基础，也成为了爱因斯坦统一性思想的重要理论渊源。 2 、哲学思想上的几个理论渊源 在爱因斯坦统一性思想的形成中，离不开哲学家们的启迪，尤其是像马赫、斯宾诺 莎和彭加勒的思想的熏陶。通过对前人哲学成就的学习和吸收，逐步形成了爱因斯坦的 哲学思想，而这些哲学思想也成为爱因斯坦统一性思想的理论渊源。 2 1 马赫主义哲学思想 马赫主义又称“经验批判主义”，本质上是一个哲学上是唯心主义的逻辑实证论者。 马赫的代表作是纯粹经验批判，因此马赫主义又被称为经验批判主义。马赫主义它 在奥地利、德国产生以后，迅速在西方各国流行，为不少自然科学家和哲学家接受，很 快取代了早期实证主义哲学的地位。马赫主义形成的时期，自然科学特别是物理学领域 发生了巨大变革。古典物理学正向现代物理学过渡，新发现的x 射线、电子、放射性元 素镭等，使人们对物质结构有了新的认识。牛顿力学无法解释物理学中的新发现，以牛 顿力学为自然科学基础的哲学也走到了尽头。用什么样的哲学来概括、解释自然科学的 新变化，马赫、阿芬那留斯的经验批判主义就是一种尝试。马赫主义强调经验的重要性， 把感觉经验看作是认识的界限和世界的基础，认为作为世界第一性的东西既不是物质也 不是精神，而是感觉经验，马赫彻底否定了经验以外还有其它本质的东西存在，这样就 把哲学彻底归结为认识论和方法论。从这一立场出发，强调一切科学理论都不过是作业 假说，它们只有方便与否之分，没有正确与错误之别。马赫主义曾吸引了不少哲学家和 科学家，其思想直接影响了实用主义、逻辑实证主义，并在当时的工人运动中有一定的 反映。列宁曾撰写了唯物主义和经验批判主义对马赫主义进行了深刻的批判，既指 出了马赫主义的思想渊源，也指出了它主观唯心主义和不可知论的实质，捍卫并发展了 马克思主义哲学。 2 2 彭加勒的哲学思想 6 西北大学硕士论文 彭加勒的主导哲学思想是经验约定论。彭加勒的整个哲学思想是比较复杂的。在集 合论基础方面，他反对康托尔的，被认为是一位结构主义者和前直觉主义者。在物理学 哲学中，他的约定论为经验，被认为他是经验论主义者。他强调感性知觉和经验材料的 作用而言，又被认为他是实证论者。他认为探索真理和追求科学美是科学活动的唯一目 的，所以有人认为他是高远的理想主义者。他抨击实用主义，认为理论是人类理智的自 由创造，有人认为他是理性论者。但也有人认为他是一个证伪主义者和归纳主义者，因 为他把相对性原理看作是可被实验否证的暂时性的假设。他赞同马赫的某些观点，所以 又有人认为它是马赫主义者。另外，我们也能从他的思想中发现毕达哥拉斯主义对自然 先定和谐的信念和他的工具主义色彩，因为他提出的两种对立的中性假设可以作为研究 的有用工具。但是从整体上看，彭加勒主要还是一位约定论者，这是彭加勒的哲学创造， 也是彭加勒的主导哲学思想。经验约定论认为，数学中的公理与物理学中的一些基本概 念和基本原理既非先验综合判断，亦非经验事实，它们原来都是约定；约定是我们精神 自由活动的产物，它贯穿在整个科学创造活动中，但自由并非完全任意，而是充分发挥 我们的能动性；约定无所谓真假，只是出于方便而已，约定的提出要受到实验事实的引 导和避免一切矛盾的限制，约定的选择要出于方便或简单性的考虑，因为有些实验的确 向我们保证了这一点：约定具有巨大的方法论功能，在从事实过渡到实验定律，尤其是 从实验定律上升到原理时，其方法论功能更为显著。f 5 】 2 3 斯宾诺莎的哲学思想 斯宾诺莎在哲学上是一名一元论者或泛神论者。他认为宇宙间只有一种实体，即作 为整体的宇宙本身，而上帝和宇宙就是一回事。他的这个结论是基于一组定义和公理， 通过逻辑推理得来的。斯宾诺莎的上帝不仅仅包括了物质世界，还包括了精神世界。他 认为人的智慧是上帝智慧的组成部分。斯宾诺莎还认为上帝是每件事的“内在因 ，上 帝通过自然法则来主宰世界，所以物质世界中发生的每一件事都有其必然性；世界上只 有上帝是拥有完全自由的，而人虽可以试图去除外在的束缚，却永远无法获得自由意志。 如果我们能够将事情看作是必然的，那么我们就愈容易与上帝合为一体。因此，斯宾诺 莎提出我们应该“在永恒的相下”( s u bs p e c i ea e t e r n i t a t i s ) 看事情。斯宾诺莎提出 以实体、属性与样式为中心的唯物主义世界观，具有一定的唯物主义观点，并披上泛神 论的外衣，同时又具有丰富的辩证法因素。强调自然界的一切都是必然的，主张“必然 【5 】李醒民：论爱因斯坦的经验约定论思想，自然辩证法通讯，1 9 8 7 年第4 期。 7 第一章爱因斯坦的统一性思想 性的认识”就是自由。认为感性知识不可靠，只有通过理性的直觉与推理才能得到真正 可靠的知识，是唯物主义唯理论的主要代表之一。 二、爱因斯坦统一性思想的基本内容 青少年时代的爱因斯坦就对统一性思想深信不疑，并被这种热情推动着去探索大自 然的统一性。他说：“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识 到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉 嘲。爱因斯坦对自然界的和谐统一的信念给予 了很高的评价，把它与自然界可以被认识的信念并列为推动他进行科学创造的两个基本 动力。在爱因斯坦看来，探索世界的内在和谐是他科学探索的目标。从研究布朗分子运 动提出测定原子大小的新方法，研究光电效应提出光量子假说，剖析经典力学与电磁理 学之间的矛盾创立狭义相对论、广义相对论，再到对统一场论的探索等成就的取得都贯 彻着统一性思想，成为人类科学发展史上光辉的篇章之一。在爱因斯坦看来逻辑简单的 东西，不一定是物理上真实的东西，但物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西， 也就是说物理上真实的东西必定在基础上具有统一性。在爱因斯坦的科学生涯中，对自 然界和谐统一的坚信，始终是鼓舞爱因斯坦不断探索和前进的重要力量。 爱因斯坦的统一性思想包含两重含义，第一是科学理论应深刻地揭示物质运动的内 在统一性，使理论与所描述的客观世界保持统一；第二是理论内部的逻辑结构具有一致 性，使同一理论层面的不同部分相互协调，不同层面的理论间呈现出发展的有序性和整 体的统一性。 三、爱因斯坦统一性思想的主要特征 爱因斯坦的科学思想处处都体现着哲学思想，从科学思想上也能清晰地看出他深刻 哲学基本思想。爱因斯坦的哲学思想虽是丰富的，但是他的统一性思想却是最值得研究 和学习的思想之一，纵观爱因斯坦的统一性思想，我们可以发现它具有如下主要特征。 1 唯物主义 爱因斯坦统一性思想是建构在物质性基础之上的，所以统一性思想最显著、最根本 的特征就是统一性思想是唯物主义的，这与恩格斯的“物质性统一思想在本体论意义 上保持了一致。思格斯认为世界是统一的，而统一的基础是世界自身所具有的物质性， r 】聂承昌，黄照欣，熊钰庆，高等物理教学论【明，广州：华南理工大学出版社，1 9 9 4 年，3 1 8 页； 8 西北大学硕士论文 正如恩格斯描述的那样“世界的真正的统一性是在于它的物质性，而这种物质性不是魔 术师的三两句话所能证明的，而是由哲学和自然科学长期的和持续的发展来证明的。 1 7 j 爱因斯坦的唯物主义信念是从少年时代形成，从此终生不渝，同样也渗透在其统一 性思想中。虽然，他在一些场合，常常提到“神”或“上帝，但他心目中的“神 ，决不 是宗教或者神话中的“神 ，而是斯宾诺莎所指的在泛神论意义上与自然等同的“神 。 虽然从爱因斯坦哲学思想的形成和发展，我们可以知道爱因斯坦曾是马赫思想坚定的追 随者，但他对于马赫哲学是有限度和有选择的吸收的。他摈弃了马赫关于物是感觉复合 的观念和经验论的唯心主义基础，但他坚持相信：“在我们之外有一个巨大的世界，她 离开我们人类独立存在，它在我们面前就像一个伟大而永恒的谜，然而它至少是部分的 能为我们的观察和思维所能及的”【引。他对感觉材料背后必然有一个脱离于人的主观意 识而独立存在的客观世界这一论断深信不疑。所以，当被问到是否存在一个我们的感觉 之外的实在世界时，爱因斯坦的回答给出了肯定的答复。 这种唯物主义的统一性思想贯穿于他根据普朗克能量辐射的量子理论提出得光量 子概念，贯穿于他以惯性系乃至一切运动系的统一性为基础创立的狭义相对论，贯穿于 以惯性质量和引力质量的统一性为基础建构的广义相对论，也正是这种唯物主义的统一 性思想促使他试图通过引力场和电磁场的统一以及场和粒子的统一来完备地描述整个 物理世界，所以爱因斯坦的统一性思想所具有的唯物主义，对于我们建立正确的认识论 和方法论具有积极的指导意义。 2 、单值决定论 单值决定论是以经典力学中的动力学规律为基础，认为世界上大到恒星，小至沙粒 的一切物质，只要给出精确的初始条件，就可以根据物理中的既有规律单一的测算出它 在之前和之后的状态。正如拉普拉斯所描述到：“如果有一种智慧能了解在一定时刻支 配着自然界的所有的力，了解组成它的实体各自的位置，如果它还伟大到足以分析所有 这些事物，它就能用一个单独的公式概括出宇宙万物的运动，从最大的天体到最小的原 子，都毫无例外，而且对于未来，就像对于过去那样，都能一目了然” 9 1 。 爱因斯坦的统一性思想认为一切自然现象都能被统一到一定的具有因果性的客观 规律里，所以爱因斯坦统一性思想具有显著的单值决定论特征。虽然爱因斯坦在研究分 【7 】马克思恩格斯选集g - - 卷 m ，北京：人民出版社，1 9 7 2 年，8 3 页； 【8 】李建明、朱亚宗，论爱因斯坦统一性思想的特征与局限阴，浙江社会科学，2 0 0 7 年第6 期 n 李醒民，激动人心的年代【m i ，四川人民出版社，1 9 8 3 年，3 1 1 页； 9 第一章爱因斯坦的统一性思想 子运动理论时运用过统计方法，但统计的应用仅仅局限在纯粹的方法层面，而没有形成 严格意义上的哲学自然观。在具有严格因果性的统一性思想指导下，他不断地做着还原 自然界错综繁复现象的工作，并有效地把这些现象统- n 各种科学公式、定律和科学体 系中。爱因斯坦的相对论对经典物理学中的时间、空间等基本概念上进行了变革，但对 以单值决定论为基础的自然观不仅丝毫没有改变，而且相对论还进一步扩大了单值决定 论的使用范围，使单值决定论在相对论理论体系中获得了更高的表现形式。爱因斯坦穷 尽后半生追求的“统一场论，在他看来具有完备的因果解释力，可以严格地还原出物理 学一切客观实在的现象所具有的规律。这也是他追求统一性思想单值决定论特征的最高 体现。 追求单值决定论不仅是爱因斯坦对待一般科学问题的态度，也可以说是信仰。他还 在各种场合多次表达了对单值决定论的执着态度：“然而我不能为这种信念提供出逻辑 的根据，而只能拿出我的小指来作证，也就是说，在我自己的皮肤之外，我提供不出凭 据 。n 町因此，爱因斯坦也是拥有单值决定论思想的典型人物。 3 、逻辑简单性 逻辑简单性同样是爱因斯坦统一性思想的重要特征。爱因斯坦认为尽管现象的世界 是千姿百态、错综复杂的，但在它的深处却隐藏着数学简单性和逻辑简单性，逻辑简单性 是深深地扎根在客观实在的世界中的。爱因斯坦总是想用统一性思想把纷繁的自然现象 尽可能地统一到较少的、简单的、经济的基本原理和基本规律上。其中“所谓简单的 和经济的不是指心理学上的经济，而是指逻辑上的经济。可观察到的性质应 当由尽可能少的假设推出来，即使这些假设看起来好像是任意的，而且这些结果的演 算可能很困难。 i l l 】也就是说，逻辑简单性是指一个科学理论具有尽可能少的逻辑上互相 独立的基本概念和基本公设。爱因斯坦头脑中的逻辑简单性正是把一切概念和一切相互 关系，都归结为尽可能少的一些逻辑上独立的基本概念和公理。 如果说开普勒地相信世界的简单性和统一性是直觉使然，那么，爱因斯坦对世晃的 简单性则是具有一种深刻的哲学认识，也就是说他对世界简单性的认识具有逻辑简单性 思想特征的。爱因斯坦的狭义相对论是举世公认的，它厚重而庞大的理论体系完全构建 在相对性原理和光速不变原理这两条基本假设之上，具有高度逻辑简单性的理论。尽管 爱因斯坦在研究统一场论时试图用一个基本公式来统一物理世界的所有理论和现象，耗 【l o 】许良英、范岱年编译，爱因斯坦文集第一卷【m 】，上海科学技术出版社，1 9 7 9 年，4 3 6 4 3 7 页： 【1 赵中立、许良英，纪念爱因斯坦文集，上海科学技术出版社，1 9 7 9 年，1 5 8 1 5 9 页； 1 0 西北大学硕士论文 尽了他后半生的精力而且还导致了他走向了追求完美统一的极端，但其中饱含着爱因斯 坦统一性思想的逻辑简单性特征，并把逻辑统一性思想推向了极致。 第二章狭义相对论中的统一性思想导向 第二章狭义相对论中的统一性思想导向 爱因斯坦的学术生涯中处处体现着统一性思想的光辉，世界的和谐统一是爱因斯坦 心目中最高、最神圣的追求目标。爱因斯坦正是在统一性的思想的导向下，狭义相对论 实现了电场和磁场的统一，质量和能量的统一，并把牛顿力学方程作了相对论的修正，使 牛顿力学方程与麦克斯韦方程和谐起来。下面就统一性思想在狭义相对论的创建过程中 的思想导向做具体分析。 一、狭义相对论的科学思想地位 谈到1 9 0 5 年最为重要的科学成就，科学家们首推爱因斯坦的狭义相对论。从根本 上说，爱因斯坦的狭义相对论消除了经典物理学内在的不统一，实现了牛顿力学与电动 力学的内在统一，绝对参照系与非绝对参照系之间的统一。自1 9 0 5 年以来，狭义相对论 一直据有很高的地位。直至今天，狭义相对论仍然是科学和哲学上重要的理论基础，狭 义相对论被列为当代物理理论的基础之一，大学里物理学系学生必须学习狭义相对论， 任何设想和科研成果，只要与狭义相对论相抵触，就会被判为是不正确的。联合国为了 纪念狭义相对论发表1 0 0 年，还将2 0 0 5 年定为国际物理年，并在各地举行了各式各样 的庆祝活动。 狭义相对论的提出否定了牛顿的绝对时间和绝对空间的观念，使以太漂移的问题一 扫而清。在狭义相对论中，运动的尺会缩短，运动的钟会变慢，光速是极限速度。狭义 相对论的创立是对物理理论的一次巨大变革，它变革了牛顿力学的时间、空间、质量、 动量、能量等基本概念，牛顿力学的定律都须加以改造。狭义相对论揭示了作为物质存 在形式的空间和时间的统一性，力学运动和电磁学运动的统一性，电与磁的统一性。因 此，狭义相对论的诞生标志着物理科学的一次伟大的综合。然而，狭义相对论建立过程 的合理性及其推论的正确性一直存在着一些的争议。相对论研究专家认为狭义相对论是 伟大的科学理论，是现代物理学基础，得到了实验支持，不存在严重错误。部分学者认 为狭义相对论中有正确认识，但也存在偏离事实、逻辑矛盾、数学困难、曲解实验、误 导实践等错误，因此应该积极地超越相对论。还有部分学者认为狭义相对论是一个建立 在错误的数学基础和虚妄的理论前提上的理论体系。 目前，分歧依然存在，人们对狭义相对论的解释还在继续，狭义相对论依然在现今 科学哲学和社会中具有崇高的地位。为此，研究狭义相对论对于科学、技术、哲学的发 1 2 西北大学硕士论文 展仍具有极为重要得意义。 二、狭义相对论中统一性思想的科学思想背景 1 9 世纪8 0 年代，经典物理学已经建立了完整的理论体系，其中包括以牛顿运动定 律和万有引力定律为基础的经典力学，以麦克斯韦方程为基础的电磁场理论，以热力学 三定律为基础的热学理论和以分子运动论和统计物理学所描述的微观理论。物理学上取 得的这一系列辉煌成就，使当时许多物理学家认为：物理学理论的大厦已经建成，今后 的工作只能是扩大这些理论的应用范围和提高实验的精确度，也就是作一些修饰和填补 细节的工作。可是历史的发展往往不以人的意志发生转变，好景不长，人们惊异地发现 这座经典物理学大厦尽管外表金碧辉煌，却是构建在沙堆之上的。 1 、经典力学的局限性 1 。1 牛顿的绝对时空观 对于时间和空间，牛顿在其自然哲学的数学原理一书中写道：“绝对的空间本质 上是与外界无关的，是同一的和静止的，“真正的数学上的时间，本质上是一种与外界 物体无关的均匀流动”，所以在牛顿看来用来度量空间的标准尺都是绝对的，与物质的 运动无关。运动的标准钟和静止的标准钟的快慢是完全相同的，因为时间是绝对的，与 物质的运动无关，也就是说绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没 有联系，都具有绝对性。另外，绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动 状态无关，在不同惯性参照系中同一物体的观察到的运动学量( 如坐标、速度) 可通过 伽利略变换而互相联系，然而现代科学证实，宇宙中根本不存在绝对静止的空间和物质， 同样也不存在绝对流逝的时间。正如前面说的正是爱因斯坦认识到时间的概念需改变， 并对牛顿同时性定义进行了修改，才建立起狭义相对论。 1 2 牛顿力学中的坐标系 在三维真空中描述物体的位置需要选择参照物，所以在被描述的物体上固定三条互 相垂直的具有长度刻度的刚性杆，形成笛卡儿坐标系的坐标轴x ，y ，z ，物体在空间中的 位置由空间坐标x ，y ，z 的数值来显示。如果要描述物体的运动，我们还需要在空间中的 每一处位置都放一只结构完全一样的标准时钟，这些时钟的读数就给出了“当地的时间” 就是时间定义坐标t 。若我们假定存在瞬时传播信号，那么我们就可以使用这个信号作 为通讯手段把位于空间各处的时钟相互校准，这些时钟所记录的时间就是时间坐标t 。 第二章狭义相对论中的统一性思想导向 这种定义下的坐标系( x ，y ，z ，t ) 就是牛顿力学和经典物理学中的笛卡儿坐标系。 1 3 伽利略相对性原理 伽利略相对性原理认为力学定律在一切惯性系中是等效的，利用力学的方法不可能 观测到绝对运动。在惯性系中牛顿力学第二定律写成：f - - m a 。( 公式中f 代表力，a 代 表物体的加速度，m 是物体的惯性质量) 。用相对性原理描述即是在k 系中方程式具有 相同的形式：f 7 - - m a ( 其中带州”的量是该量在k 系中的观测量) 。f - - m a 7 是经过伽利略变换f = - n l a 后变得到的。伽利略相对性原理还表明：物体的惯性质量m 是 和运动速度无关的常数。牛顿万有引力定律也满足伽利略相对性原理。 1 4 伽利略时空变换 伽利略发现了物体的惯性并提出了惯性定律。由惯性定律可知，相对于惯性系k ( x ， y ，z ，t ) 作匀速直线运动的另一个参考系k ( x ，y ，z ，t r ) 同样也是惯性系，两个参考系 之间的坐标变换就是伽利略变换( x7 = x vt y = y - vt ，z w = - z vt ，t k t ) ，当t 7 - - t = o 时两惯 性系重合；其它时刻，k ，系相对于k 系以不变速度v 沿x 轴正方向平行移动，伽利略变换 给出： x = x v t y = y z 2z t = t x = x + v t y = y z5z t = t 这个变换式中t = t ，表明各个惯性系有共同的时间，时间与空间不发生关系，这是一 种绝对的时间观念。伽利略变换中长度也是不变的，一个刚体，在k 系测量其长度为l ， l = ( x 2 一x 1 ) 2 + 0 2 一y 1 ) 2 + ( z 2 一z 1 ) 2 变换到k ，系其长度l ，- l 。 伽利略变换表明：( 1 ) 同时性是绝对的。即在一个惯性系中同时但不同地点发生的 两个物理事件，在其它惯性系中观测也是同时发生的；( 2 ) 长度和时间间隔均不随运动 而改变； 1 5 超距作用 在物理学发展史上，对于物体之间的作用存在两种对立的猜想：一种认为物体之间 的所有作用力都是近距作用，两个远离物体之间的作用力必须通过以太传递，不存在任 1 4 西北大学硕士论文 何超距作用；另一种认为物体之间除了通常的接触作用之外，还存在超距作用。超距作 用是指分离的物体间不需要任何介质，也不需要时间来传递它们之间的相互作用。也就 是说相互作用以无穷大的速度传递。 当时的大多数自然哲学家认为超距作用带有神秘的色彩，而倾向于近距作用观点。 牛顿本人也并不赞成超距作用，而倾向于以太观点的。但是，1 6 8 6 年牛顿发表了万有引 力定律，并用以说明了月球和行星的运动以及潮汐现象，却支持了超距作用观点。正是 由于引力定律说明太阳系内星体的运动获得极大的成功，同时探索以太并未获得实际结 果，超距作用观点得以流行开来。j l 拉格朗日、p s m 拉普拉斯和s 。d 泊松等人从引 力定律发展出数学上简单而优美的势论，更为有利地支持了超距作用的观点。 2 、电磁理论与经典力学之间的矛盾 2 1 电磁理论的建立 首先，库仑于1 8 世纪末，根据实验结果提出：真空中两个静止的点电荷之间的作用 力与这两个电荷所带电量的乘积成正比。f ：k 旦擎，其中q 1 、0 2 分别代表两点电 r 。 荷的电量，r 代表两个点电荷间的距离，k 是与单位选择有关的常量。点电荷之间的作用 力的方向沿着这两个点电荷的连线，同性电荷相斥，异性电荷相吸。这就是库仑定律【1 2 1 。 我们可以看出，库仑定律和万有引力定律f = g 堡的形式完全一样。 r 1 9 世纪3 0 - - 一4 0 年代，法拉第在大量的电磁实验的基础上提出了场的概念。法拉 弟认为电荷之间的相互作用是通过他们周围的场来施加到另一电荷或物体上的，与电场 类似，电流之间的相互作用也是通过磁场来实现的，这些成果其实就是对超距作用观点 提出了质疑和否定。虽然法拉第提出了场的概念，但对场的认识还不完整，还不成体系， 但是他的实验研究的丰硕成果对以后的科学发展起了巨大的推动作用。爱因斯坦曾充满 感情的说：“对于我们，法拉第的一些概念，可以说是同我们母亲的奶一道吮吸来的。他 的伟大和大胆是难以估量的”【13 1 。 麦克斯韦承继了法拉第的观点，他将全部己知的电磁现象概括为统一的理论，用麦 克斯韦方程组系统地统一了电磁场的运动规律，统一的电磁场和电磁波理论从此形成 了。麦克斯韦的电磁场理论让人们认识到电磁场中的电场和磁场不再是孤立的和静止 【1 2 】赵凯华、陈熙谋，电磁学第二版【m 】，北京：高等教育出版社，1 9 8 5 年 【n 】许良英、范岱年编译爱因斯坦文集第一卷【m 】，上海科学技术出版社，1 9 7 9 年，3 8 7 页； 1 5 第二章狭义相对论中的统一性思想导向 的，它们之间是互相依赖的和互相激发的，并且是可以互相转换的，它们都以波的形式 运动着的。麦克斯韦还由此预言出了电磁波是以有限速度传播的，其波速就是光速c 。 c = 1 三( 其中o 是真空介电常数，uo 是真空磁导率) q s q 麦克斯韦关于电磁波以及光波和电磁波统一的预言是电磁场理论的一大重要突破， 他的预言得到了1 8 8 7 年h r 赫兹完成的观察电磁波实验的确认。 2 2 电磁理论对绝对时空观的冲击 1 9 世纪法拉第和麦克斯韦以场观点为基础建立的电磁场理论有力地冲击着经典力 学的绝对时空观。电磁场理论的成功，说明场的观点是符合实际的，根据电磁场理论， 两个点电荷之间的相互作用是通过场来实现的，由于场是以有限的速度来传递，就说明 点电荷之间的作用中必然有一个时间延迟，尽管这种推迟效应，对稳定场是不突出的， 但是对于运动电荷以及变化的场来说却显得很突出。但是从超距作用的观点看，相距很 远的两个物体之间的相互作用是以无限大速度传播、是不需要时间。以有限速度运动的 场及其中的时间延迟，对当时占统治地位的绝对时空来说提出了直接挑战。无论愿意与 否，由于电磁