爱因斯坦的物理思想和研究方法

纪念爱因斯坦诞辰一百周年 爱因斯坦的物理思想和研究方法 胡宁 爱因斯坦是牛顿以后对物理 学贡献最大的一位伟大的科学家 牛顿创 始了经典力学 爱 因斯坦则在 电动力学的基础上提出了相对论 否定了十九世纪经典力学统治一切 的机械论观 点 把力学现象和电磁现象的规律平等地统一在相对性原理之下 他对时间和空间革命性的 新观点是做到这一点的关键 在量子理论方面 爱因斯坦从普朗克发现的当时并不为人们所 理解的电磁辐射能量的量子现象 预见到光 的粒子性 和作为这个粒子性的重要验证 的光电现 象的量子关系 二 十世 纪物理学重要成就之一是波动和粒子的统一 电磁 波作为经典的波动 既有波动性也有粒子性电子作为经典的粒子既有粒子性也有波动性 在这个波粒二重性的 基础 上人们建立了作为物理世界运动和转化的总规律 量子场论 爱因斯坦所提出的 电磁 波也是粒子 的观点正是量子场论的两个支柱之一 爱因斯坦 的广义相对论作为引力论和宇宙论也是他对物理学的一个重要的贡献 这个理 论是他 的狭义相对论 的逻辑发展 在这个理论里既有严谨的科学思维 也有从日常经验中提 升出的诗一般的畅想 爱因斯坦的成就决不是偶然的 固然在当时科学发展的条件下 相对论和光电现象的量 子关系最终是会被发现的 但爱因斯坦能够更早的提出这些规律是与他 的治学态度和哲学见 解有密切关系的 如果我们 回顾一下物理学发展的历史 将会看到模型对理论发展所起的重要作用 西方 中古时代托勒密的天动说是人们 当时的宇宙模型 由于编制历书的需要 人们经过长期 的天 文观察和纪录 总结出一些唯象的理论 从大量观测数据的积累和逐步精确化的唯象规律中 最后产生准确的反映现实情况的模型 最先提出的模型 中 有哥 白尼的地动模型 地动论代替 了托勒密 的天动论 但是哥 白尼的天体模型 只是部分反映了真实情况 因为在这个模型里 行星的轨道是以太阳为中心的圆周 而实际上行星的轨道是以太阳为一个焦 点的椭圆 后面这 个正确 的模型是开普勒给出的 正是根据开普勒模型 牛顿才提出万有引力理论和作为力学 基本原理的牛顿三定律 这个例子说明在物理学发展中 往往是先有了正确 的模型 然后才能 有正确的运动规律 虽然我们日常生活中所有运动现象都服从牛顿力学规律 但人们却没有 从日常生活中发现这个规律 反而要通过日常生活之外的开普勒太阳系模型发现这个规律 这 说明准确的模型对发展科学理论的重要性 物理学中另外一个重要的运动规律 电磁运动的 规律也是在建立 了正确的模型以后才被提出的 通过长期的实践 人们找到了决定电荷间作 用力的库仑定律和决定电流周 围磁场的安培定律 人们还找到了高斯定律和法拉第定律 在 人们能够把这些定律统一成为麦克斯韦电磁理论之前还需要对 空无一物 的 自由空间究竟是 邓 什么这个 间题作出回答 在这以前空间只代表物体的位置和它所占据的体积 两个带电物体 间的库仑作用和 两个星体间的万有引力被解释为超越空间距离的作用 空间本身并不对这种 超距作用有任何参与 麦克斯韦具体的提出一个以太模型 按照这个模型 空间并不是空无一 物的 而是充满了叫做以太的极其稀薄的弹性物质 以太 占据着整个空间 无所不在 麦克斯 韦假定以太在电磁力的作用下也会产生极化现象 从而出现所谓 位移电流 正是通过这个位 移电流的概念麦克斯韦统一 了以前所有的电磁规律 给出麦克斯韦方程作为描写 电磁现象的 总规律 这是 由模型导出运动规律又一个重要的例子 人们也许会说以太模型现在已被否定 至少不能算是一个正确 的模型 我们指出 以太模型包含着几个方面 一个方面是把以太看 作是在空间中固定不动的机械框架 相对于以太静止不动就是绝对的静止 以前的实验从来 没有证实这种绝对静止的存在 另 一个方面 以太意味着空间不是空无一物的 空间有电磁现 象 能够出现极化现象甚至可能存在着结构和量子的涨落 这些都已被实验观察到 近年来实 验又发现 太空中存在着 的辐射能量 这些都表明 空间并不是 空而无物的 二十世纪物理学的另 一个重要进展是量子理论 的建立 这个理论的出现是离不开正确的 原子模型的 在初期 人们把原子看作是一个 葡萄干布丁 在这个原始的原子模型里 正 电 荷象淀粉做成的胶状 的布丁那样填满原 子体积 负电荷则象细小果屑一样分散在布丁 之中 卢瑟福用 粒子撞击原子 发现散射后 粒子运动的方向有很大的改变 这表明 粒子和原子 中的正 电荷间有很强 的作用力 因而正 电荷不可能是平均分布在原子体积内的 布丁 而必须 是集中在体积极小并且极重的原子核上 只有非常集中的电荷才能产生足够强大的电磁场 使 粒子在碰撞后的运动方向有很大的改变 这个图象就是卢瑟福的原子模型 按照这个模型 原子中心有一个带正 电的极小极重的原子核 围绕着原子核很多极轻的电子象行星围绕着太 阳那样运动 在提出卢瑟福模型以前 人们已有大量原子光谱的实验数据并对线光谱作了很 多精确的唯象分析 情况和在提出开普勒太阳系模型以前人们已积累 了大量天体运行的数据 和唯象规律的情形相 同 在提出原子的正确模型以后 玻尔就根据这个模型已有的数据和唯 象规律创立了量子理论 圆满地解释了原子光谱 值得指出的是由以太模型发展到麦克斯韦 电磁理论和由卢瑟福原子模型发展到量子理论的过程中 经典力学遭到两种不同的命运 以 太模型把机械运动规律 的统治推广到电磁现象的领域 原子模型则相反 在微观领域内否定了 牛顿力学的机械运动规律 以上我们说明了模型和理论 间的重要关系 指出了认识物理世界的重要方式 这样做的 目的是通过对比来说明爱 因斯坦创立相对论所遵循的独特方式 和前面提到的牛顿力学 麦 克斯韦电磁理论和量子理论一样 爱因斯坦的相对论无疑也是物理学发展进程中的重要里程 碑 一般介绍相对论都是从迈克尔逊实验的零结果开始的 现在让我们也回忆一下这个实验 结果的意义 当时人们认为以太本身代表绝对静止的参考系 要想知道地面的绝 对运 动速 度 就要测量地面对以太的运动速度 迈克尔逊设计了测量地面在以太中运动速度的实验 实 验结果发现这个速度完全测不到 后来罗仑兹和菲斯基拉德根据以太论说明了为什么测量不 出地面相对于以太 的速度 原因很简单当仪器相对于以太运动时 由于电磁作用的改变 沿 着运动方向的长度缩短了 长度的缩短恰好使得仪器相对于以太的速度不可能在迈克尔逊的 干涉仪上显示出来 如果一个人真正理 解了 以太模型下的电磁规律 他就不会建议用迈克尔 逊干涉仪来测量地面相对于以太的速度 总之 在迈克尔逊实验结果和以太模型之间没有出 现任何矛盾 有些人认为提出相对论是为了解决以太模型和迈克尔逊实验之间的矛盾 这是 不正确的 爱 因斯坦提出相对论 时并没有注意到迈克尔逊实验 但他 的理论是符合下面的观 点的既 然认为以太是绝对静止的坐标系 而测量又不能发现运动物体对以太 的速度 那就很 可能意味着这个绝对静止的以太并不存在 绝对静止本来是牛顿在力学中早已引入 的概念 牛顿认为恒星的平均位置是绝对静止的 所有相对于绝对静止坐标作等速运动的坐标都是惯 性坐标 力学规律在所有这些惯性坐标 中都是相同的 牛顿引入绝对静止作为他下一步引入 惯性坐标在逻辑上的依据 另 一方面作为描绘力学规律的工具的所有惯性坐标系都处于平等 的地位 这样也就不可能 利用力学现象发现具有特殊地位的绝对静止的坐标系 这表明牛顿 力学所描绘的运动只有相对的意义 这种不能凭藉力学现象辨认出绝对静止坐标的原理称为 经典力学的相对性原理 爱因斯坦认为对于所有的物理现象 相对性原理应 当是普遍成立的 因而绝对静止坐标也不能凭藉电磁 现象辨认 出来 这将可能还进一步的意 味着绝对静止根本 是不存在的 所以爱因斯坦并不是从旧理论和新实验间出现 的矛盾 而是通过哲学观点和逻辑 的思考 提出了狭义相对论的 后来他提出广义相对论更进一步把相对性原理推广到非惯性 坐标系 一个物体在引力场中运动的加速度是与这个物体的质量无关的 这是经典力学 中极 为平常的常识 但爱因斯坦却以这个简单的事实为依据提出了广义相对论的等效原理 进一步 创立了一个新的引力理论 当然如果当时爱因斯坦没有提出狭义相对论 后来的实验也会发 现旧电磁理论和客观现象之 间的矛盾 按照前面玻尔发现量子力学的方式发现狭义相对论的 但这将推迟物理科学的发展 由于发现了狭 义相对论 在年建立了非相对论量子力学不 几年后 即创立了相对论量子力学和量子场论 由此我们看到凭藉思维的洞察力 在理论和实 验之间出现不 可克服 的矛盾之前 发现新的理论是完全可能的 这是思维 的主观能动性高度发 挥的结果 当然新理论是否正确最终要靠实验的审定 在广义相对论提出以后除掉不久 即被 实验验证的三大实验以外 五十多年以来实验和理论都很少有实质性的进展 有的人认为这 是广义相对论缺乏生命力 的表现 我们则认为这正是理论远远超过实验技术水平的后果 近 年来由于技术水平的提高 人们已在广义相对论领域内获得很多重要的实验结果 对于长期 争论的引力波是否存在问题 最近对双星观察 结果也给出了肯定 的结论 在这里我们 也看到 模型和理论之间的密切关系 相对论是建立在新 的时间空间模型上的 不 同的地方是以前只 有在得出正确的模型以后才能得出正确的理论 而在相对论里模型和理论是同时形成的 爱 因 斯坦能够深刻地洞察事物的本质是和他 的哲学观点分不开的 第一他认为基本的物理规律必 须具有最简单的逻辑形式 第二他在思 想 上不受旧框框的任何限制 在很多场合下他对问题 的看法和所有的人都不一样 在量子理论发展过程 中 他一直不 同意大多数人的观点 和玻尔 等人展开激烈的争论 爱因斯坦重视逻辑推理的作用 可从他由相对性原理导出运动长度 的 缩短和运动时间变慢 的例子中看到 他运用有力的逻辑推理能够使人信服地接受与日常生活 经验极不协调 的结论 爱 因斯坦物理思想 的另一个特点是他尽量缩小动力学在理论 中的地位 例如 运动长度 的缩短既可用以太理论来说明也可用狭义相对论来说明 在以太理论里 缩短是动力学 的效 应 因为当物体运动时 沿运动方向分子力的强度增强 因而使得长度收缩 在狭义相对论里 长度沿运动方 向缩短只是一个运动学的效应 换句话说 只是时间和空间在不 同罗仑兹坐标 中的表现 这个表现可以概括为光速在所有惯性坐标中都相 同的原理 它是与运动物体本身属 性无关的现象 在广义相对论里 引力被认为是弯曲时空的本身而不被看作是物体在相互作 用下的运动规律 真正 的运动规律被描述成最简单的形式所有物体都沿短程线运动 再如 普朗克最早发现的能量的不连续性 在玻尔理论里被描绘为波动方程能级的不连续性是运动 规律 的后果 但爱因斯坦则直接把辐射能量的不连续性解释为光的粒子性 这种不连续性是 光的本质 后来这两种不 同的观点在量子场论中被证明是等价的 这些例子 说明爱因斯坦尽 力降低力学规律在物理现象 中的地位 提高本体和模型的地位 在哥本哈根学派所创立的量 子理论 里点模型的电子和经典理论并没有什么不 同 一切新的现象都归之于新的微观运动规 律 爱因斯坦对于波动方程 的统计解释极不满意 把量子理论只看作是一个唯象理论 认为 它还没有进入模型阶段 认为统计解释只 意味着尚未能对现象作出全面的或完全的描述 这 就是爱因斯坦和哥本哈根学派长期争论所在 爱 因斯坦物理思想还有一个特点 就是统一的观点 他 的统一场论突出的说明了这一点 但是 应该指出他所以要把引力和 电磁力统一起来 其主要原因还是逻辑上的需要 他在把 引 力现象描绘为时空的弯 曲现象以后 立刻认识到如果不把电磁现象也描绘成时空的几何 那么 广 义相对论在逻辑上是立足不稳的 因为 电磁作用 和引力作用是当时仅有的两种超距作用 非 常类 似 当然爱因斯坦统一观点也促使他认为电磁现象应和力学 现象一样也满足相对性原理 在以太模型里 电磁现象被看作是机械运动 这也代表统一观点 只不过后来的实践证明这种 机械论 的统一是错误的 爱因斯坦 的统一场论 同样也未获得成功 在这方面工作的一位著名 学者魏耳曾感慨的说道 世界并不象我们所想象的那样简单 前面 已经指出相对性原理代表 一个重要的成功的统一观点 所以 总的说来 爱因斯坦在物理学上的伟大成就是和他的统一 的观点分不开 的 在广义相对论里 爱因斯坦并没有把广义协变原理看作是一个绝对化 的原理 在讨论 引力 场 的能量动量密度 时他仍满足于非广义协变的能量动量密度的表达式 事实上他只要求基本 规律必须是广义协变的 这种规律只包括场方程 星体在引力场 中的运动方程在广义相对论里 已不具有广义协变性 爱因斯坦还进一步设想引力场是远处物质所造成的惯性力场 这样就 可能最终的消除了惯性场和 引力场的差异 按照这样观点引力场本身是与物质质心坐标相联 系的一种效果 因而也就不再是与坐标选择无关的了 我们看 到广义协变性只代表最普遍 的规 律 具体的引力场和 星体在引力场中的运动方程将由引力场本身的存在的形式决定 前面提 到实验曾经测得整个空间存在着 的辐射分布 可以找到一个坐标系使得在这个坐 标系 里的辐射分布是各向同性的 实验测 出太阳系相对于这个各向同性分布的坐标的 速度 为每秒公里 这个坐标可以看做是整个物质分布的质心坐标 也可看作是真空的静止坐 标系 在某种意义下 上面给 出的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的太阳系相对于以太运 动的速度 在这里必须强调一下 相对论承认基本规律是与坐标的选择无关的 而以太模型则 否定了相对性原理认为基本规律是与坐标选择有关的 在广义相对论里 在计算具体现象时 除开需要广义协变的场方程外 还需要引入边界条件和各种具体的对称性 这些都不是与坐标 选择无关的 我们 的结论是相对性原理和广义协变性的适用范围应有一定的限度 广义协变 性并不是一切物理规律是广义协变的 但具体 的解则不一定是这样 我们认为这种协变性不 是一切 的观点 在爱因斯坦物理思想 中占有很重要的地位 爱因斯坦曾经说过 一个科学工作者孜孜不倦地追求自然界的真理 除掉作为生活的需要 外最重要的社会因素是同行们的赞许 我认为这个说法有一定的道理 当然我们进行科学研 究的 目的是为 了建设社会主义的祖国 这是没有疑间的 但是当人们一丝不荀不放过细节不 逃避困难 废寝忘食地进行艰苦工作时 其中一个重要的因素是不愿辜负同下转第页 引力理论 不过 由于在这种尝试中 相对性原理仍然成立 我们就能够相应地把广义相对论 的等效原理适当推广 引力理论的建立也就有矩可循了 同时 只要在构造引力场方程或给出 引力场作用量时仍然以爱因斯坦原理为基本原理 并考虑到规范理论的原则 那么就有可能建 立物理上可以成立的引力理论并进而考虑相应的量子行为 当然 在理论上并不排除有可能通过其它途径来解决相对论体系的这个疑难 而且 那一 条途径最终通向客观真理 这 只能由科学实验的实践来判断 不过 二旦这个疑难能够完全解 决 人类对自然界的认识又会深入一步 这种意义是值得重视的 历史上的伟大的科学家 从来不希望他的后继者们只会因循守旧 生搬硬套 而丝毫没有 大 胆创新的批判精神 爱因斯坦正是这样一位伟大 的人物 他总是那样谦虚 他从不满足于他取得的成就 他更 不认为他的学说就是自然科学的顶峰 他当然不会希望他 的后继者们或者只会躺在大树下奉 读他 的著作 把相对论当作圣经 或者只会打着他的旗帜大叫大嚷 而在探索真理的道路上却 不敢越雷池一步 伟大的马克思曾经深刻地指出 辩证法在现存事物 的肯定的理解中 同时包含对现存事 物的否定的理解 即对现存事物 的必然灭亡的理解 辩证法对每一种既成的形式都是从不断的 运动中 因而也是从他 的暂时性方面去理解 辩证法不崇拜任何东西 按其本质来说 它是批判 的和革命的 马克思 恩格斯全集 第卷 第页 对于社