第二章 探索与收获 早在少年时代,爱因斯坦就想摆脱纯属个人日常生活的兴趣。可是,他很久都 不知道究竟该把精神上的力量贡献给哪一种崇高的、超出个人兴趣范围的思想,因 而沉湎于宗教。爱因斯坦脱离宗教之后,转向了积极的自由思想,积极的献身给 “超个人的”而又是合乎理性的、现实的思想。它不只是激发起了对宗教教条的敌 对情绪,因为宗教教条同科学的世界图象相比是站不住脚的。爱因斯坦还走向社会 抗议,并且永远脱离了自己环境圈子的传统观点。他在自述中曾写道,《圣经》中 的神话在科学的打击下垮台了, 他意识中的国家权威也被推翻了。国家用宗教精神 教育青年,是在欺骗青年,“这是一个使人震惊的结论。”爱因斯坦没有转而冷淡 宗教和社会,虽然冷淡主义同样是他在很年轻时就与之断绝了关系的传统之一。 爱因斯坦在抛弃了宗教之后,接受了这样一种思想,这种思想成了他全部生活 和全部创作的核心。渴望认识客观的、”个人以外的“和“超个人的”世界, 成为 他基本的、支配一切的意向。 世界的客观性思想是爱因斯坦世界观的深刻、牢固的基础, 同他年轻时追求 “超个人的东西”相联系, 并具有某种感情的和道德的因素。当后来爱因斯坦碰到 关于世界是感觉——主观经验的要素复合的观念时, 他严厉地否定了这种观念。 爱因斯坦另一个基本思想是:世界作为这“一个伟大而永恒的谜”,既不同人 们的感觉,也不同人们的逻辑构造相符合。它作为独立的实在而同它们相对立。因 此,认识世界是一个接近真理的过程。科学的反教条主义倾向是同承认它的对象的 独立性相联系的。 爱因斯坦清晰地论述他的认识论思想是在物理学的基本发现之后,但是,它们 不是从已经完成了的步骤中得到的结论。相对论超出了物理学中的统一性和可知性 所能包括的范围。爱因斯坦对世界的统一性和可知性的信念,早在青年时代就具有 了愈来愈彻底和自觉的性质,在这方面,可以说爱因斯坦在阅读过的哲学和自然科 学著作中受到了“影响”。他在年轻时早已不是一名学生,他的观点也不能纳入任 何一个哲学学派的框框。 爱因斯坦对自己本身的思想发展的态度,同他对所有其他事物的态度是一样的, 他在这里也力图进入“超个人的”领域。在这种场合,“超个人的”哲学概念和思 想,扎根在科学家的意识中并在某种程度上成了新的科学观念的基础。 一方面,爱因斯坦研究感觉;另一方面,也研究那些遵照逻辑学确定的严格规 则,及逻辑地一个个推导出来的概念。但是,初始的概念可以是任意的。逻辑思维 只保证一点:概念之间的相互关系是根据公认的逻辑规则推导出来的。在这个意义 上,逻辑地推导出来的命题将是正确的。 爱因斯坦写道:“命题如果是在某一逻辑体系里按照公认的规则推导出来的, 它就是正确的。体系所具有的真理内容取决于它同感觉总和相一致的可靠性和完备 性。”如果估计到宇宙的无限复杂性,那末由此得出的结论是:任何逻辑上无矛盾, 并且同一系列观察一致的理论保证不了今后不产生“惊讶的行动”和不向另一种理 论过渡。 爱因斯坦关于数学和实在的相互关系的观念,是把他引向相对论的最重要的认 识论前提之一。这一观念是在相对论出现之后完全形成的, 但它早就存在了, 并且 是狭义相对论、特别是广义相对论出现的一个条件。 在苏黎世工大时,爱因斯坦勤奋地光顾物理实验室。对爱因斯坦青年时代来说, 这种对实验的迷恋是很有代表性的,也是形成相对论思想的途径之一。问题不在于 熟悉那些后来成为相对论的出发点的实验。 爱因斯坦对实验着迷还表明问题的另一方面,这是同他的物理思维和数学思维 的性质紧密联系着的。 爱因斯坦的天才就表现在善于把各种彼此相去遥远的概念联系起来,组合起来, 有时是等同起来。在思想家的头脑中,每一个概念的周围都存在着潜在的联系云或 力场,它们抓住了其他的概念,有时改造这些概念,把这些概念和该概念联系在一 起,引起新概念的产生和某些旧概念的湮灭。这种云的巨大力量,这种场的强度, 这些力的作用半径的大小——就是天才的标志。 最后,爱因斯坦的实验直觉成了数学直觉。在他的著作中,有许多令人惊异、 优美和强有力的方法。 其中查明能够进行实验检验的规律性,是选定这些数学方法的基础。不过,这 一点出现得较晚,这时物理直觉早已使爱因斯坦分成两种,一种是形式上的,另一 种是物理学上有内容的,即原则上能够同观察相比较的,这种划分比古典物理学前 进了一大步。此前在苏黎世时,爱因斯坦还没有选择这种或那种科目或课题的标准。 从爱因斯坦的观点看来,重要的是哪些东西可以作为建立图象的材料或工具。 在数学上,他还没有找到这类标准。可是,把宇宙秩序反映在严密的几何定理体系 中的观念早就有了。起初, 这种观念是初步的, 爱因斯坦认为,几何客体是实在物 体的假名,它们就其本性说与后者没有不同。对爱因斯坦来说,使人惊讶的是能够 纯逻辑地得到关于观察对象的可靠知识。 后来,他才了解到,这种可能性是不存在的。 根据爱因斯坦的看法,科学的发展不只是逃避“奇迹”,而且也是逃避“显然 性”。当实验发觉几何构造的不精确时, 科学就剥夺了几何构造的“显然性。”这 就是逃避显然性。但是,科学每次都企图建立同逻辑构造链条之间的一致。新的观 察在这种情况下就不再是奇迹了,而逻辑构造的链条得到了物理意义,这种物理意 义用纯逻辑方法是得不到的。 几何与实在的相互关系是逻辑因素与经验因素关系的一个方面。爱因斯坦的大 量认识论言论阐明了这种相互关系。它们又是同物理学本身的著作紧密相联系的。 有时候,关于整个科学的理论体系表现为只是相对论的某种推广。有时侯,物理学 的著作又是认识论公式的一个例证。关于爱因斯坦没有自觉的和深思熟虑的认识论 立场而自发进行创造的观点,也像爱因斯坦的总观点具有先验性质一样,刚一碰到 他的科学遗产的实际结构就迅速垮掉了。 爱因斯坦在《关于理论物理学的方法》中讲到: “判断物理学所使用的方法, 不应该依据他们的言论, 而应该依据他们工作的 成果。 按爱因斯坦的话来说,物理学应当包括:初始概念、由概念构成的定律,由定 律推导出来的结论。这些结论必须同经验相符合。 根据同样的观点,爱因斯坦的相对论渐渐系统地贯彻在物理学中和几何学中, 而几何学是自由地、不考虑实验地去构造逻辑上无懈可击的结论的复杂体系。 但是,经验并且唯有经验才赋予这些构造以物理意义。 爱因斯坦关于数学概念和方法在物理学中的创造作用、构造作用,以及关于它 们能够接近实在的言论,恰恰应该这样理解。 1926年,爱因斯坦在《非欧几里得几何和物理学》一文中阐明过几何学和 物理学之间的总观点。 其中,新几何学和相对论的形成公式是从历史角度概括的。科学在自己的系统 发展中经过的周期,和爱因斯坦在自己的个人发展中经过的周期相同。诚然,爱因 斯坦只是在回顾中,即在相对论创立之后,才能清晰地阐明逻辑构造和自然界中观 察到的相互关系的总观点。也只有通过回顾,他才能说明他的历史观,最初把几何 概念和物理概念等同起来,然后又把它们划分开来,最后才把它们综合起来。但是, 不能以为爱因斯坦是在简单地重复曾把他引向相对论的道路。爱因斯坦在整个认识 过程中意识到了一个公式,它不是把回顾附会给科学史,它确实是从数学和物理学 发展的历史画图中得出来的。 爱因斯坦不仅驳斥了康德的先验论,而且还指出了科学的实际问题和矛盾,康 德由于把认识的个别方面、片断,给不正确地抽象化了,进而从这些问题和矛盾中 得出了形而上学的结论,他关于空间具有先验本性的想法也是在这种情况下得出的。 先验性的幻想造就了几何学的公理化,几何概念脱离其原型的第二个根源则在物理 学本身。 爱因斯坦在1949年的自述中提出了选择科学理论的两个标准,第一个标准 是“外部的证实”: 理论必须同经验相一致, 这一要求是一目了然的。但是, 应 用它却很困难,因为常常可以借助于某些补充的假设来保持一种理论。爱因斯坦的 第二个标准所指不大明确, 这就是理论的“内在的完备”, 它的“自然性”, 在从 一些大体上等价的理论中选择该理论时没有任意性。 爱因斯坦认为,他所说的关于标准的原则,只是对作出抉择的一种暗示。他说, 不能很快,也许本来就不可能用更准确的公式来代表暗示。不过,爱因斯坦说,理 论家无论在判定理论的“外部证实”还是理论的“内存完备”时,他们的意见往往 总是一致的。 首先要指出,上述两个标准在某种意义上是统一的,本质上二者表达着同一个 内容。它们确定理论的本体论价值,即理论符合实际的标准。这不是说,不可能有 优美、简单、统一等等纯形式的、美学的标准。 但爱因斯坦的这些评述没有独立的意义,它们只是有助于更准确地确定理论的 真理性。 爱因斯坦内在的完备标准比上述附加支柱的要求更广, 这种要求只是内在完备 的组成部分之一。但是, 问题的本质不在于此。爱因斯坦的数学美具有认识论的意 义:理论的美反映着它对现实世界的接近。 爱因斯坦力求写出表现存在规律的方程和各种不同位移条件下的渐变方程时, 他探索了理论的最大限度的“内在完备”,按实质说,它意味着理论与客观的统一、 世界的决定性、物理关系的保持、无限宇宙规律的最大一致。“外部的证实”和 “内在的完备”标准,早在它们获得这样的名称之前很久,就被应用于作为物理学 的基础的古典力学了。 爱因斯坦首先由“外部的证实”标准评判绝对时间概念,观察是否同这种时间 观相符。 古代的思想家以物体的绝对位置,确定物体相对于静止的地球和空间边界的方 向为出发点。他们由此规定绝对运动是物体从一个绝对地点过渡到另一个绝对地点。 牛顿的方法是以绝对运动为出发点。绝对运动表现在运动着的物体内部进程的改变, 这一标准不要求什么参照物体。由绝对运动规定绝对空间:它的特征是物体系统由 绝对空间的一部分向另一部分的过度是绝对的运动,就是说有系统中的内部变化同 时发生,问题在于内部变化是什么样的运动。 爱因斯坦否定空虚空间对物体行为的作用,物体的行为只依赖于质量的相互作 用。这个原理成了爱因斯坦观念的出发点。对爱因斯坦来说,批判绝对加速度和绝 对空间的概念,乃是恢复这些概念所违反的唯理论公式。对爱因斯坦来说,牛顿的 绝对是同牛顿体系的基本思想相矛盾的,爱因斯坦为了牛顿而同牛顿斗争, 反对牛 顿的绝对观点, 维护牛顿体系的基本的、主要的内容。 对爱因斯坦来说,牛顿就整体而言,是为客观真理而斗争的象征。牛顿体系的 最重要的特征就是,从初始的物理学原理推导出经过经验确证的结论在原则上是可 能的,这种可能性粉碎了不可知论的所有论据。 如果理性的结论同观察相一致,就意味着理性的前提反映着实在。 1905年,在阐述狭义相对论的文章即将发表时,爱因斯坦完成了贡献给分 子运动的古典理论的一系列工作。他在《物理学杂志》上发表的总结性文章,回答 了显微镜下观察到的悬浮在液体中的微小物体的运动——所谓布朗运动的性质问题。 爱因斯坦的热力学研究、特别是布朗运动理论,具有独立的意义。在相对论创 立者的科学生涯中,它们和爱因斯坦整个一生的主导旋律相联系。 爱因斯坦从热的动力学理论、从不规则地运动着和碰撞着的分子图象出发,解 释了布朗运动。爱因斯坦估计到了物体周围的流体分子给予它的不规则撞击引起的 不可避免的起伏现象。 在爱因斯坦青年时代,热力学规律性同分子力学的不可分割性对他产生了强烈 的印象。爱因斯坦心目中的热力学,并不否定粒子的运动,即不否定作为世界图象 基础的力学,也不是力学定律直接统治的领域。 对爱因斯坦来说,热力学是间接地运用和确证物质的间接运动规律的广阔领域。 对18世纪的机械论及其模仿者们来说,借助力学就能解决的物理学问题,都是同 类型的。在19世纪的科学中,这些问题在复杂性、丰富性、彼此不可归结性方面, 是极其多样的。 对爱因斯坦来说,问题和对象的这种多样性不取消局部问题的特殊性,归根到 底是解决它们的一把钥匙。 爱因斯坦写道:“一种理论前提的简单性越大,它所涉及的事物的种类越多, 它的应用范围越广,它给人们的印象也就越深。因此,古典热力学对我造成了深刻 的印象。”布朗运动理论打破了宏观规律不依赖于动力学模式的幻想。爱因斯坦论 述了布朗运动定律及关于热和分子运动学说中的其它发现。 在爱因斯坦1905年提出的光量子或光子思想中,重审“古典理想”的要求, 比在相对论中要鲜明得多。 爱因斯坦在1905年提出了一种理论,光不仅仅被辐射和被吸收,而且光还 是由间断的、不能再分割的光量子组成。光的量子是粒子,它们在真空中以每秒3 0万公里的速度运动。后来,这些粒子获得了光子的名称。 光的波动性与微粒性的这种奇异结合,在爱因斯坦的科学思想中具有代表性。 爱因斯坦一刻也不怀疑光实际上具有波动的和微粒的特性。他不想回避悖论,这一 悖论推翻了不具有波动特性的古典粒子观念和古典波动观念。 他在《物理学杂志》上刊登了论光量子的文章,还刊登了相对论的第一篇说明, 其中叙说了也许是更为反常的情况:光都是以同一速度传播的。无论是在光子论还 是在相对论中。爱因斯坦所描述的物理学中的反常情况,决不是非反常现象的结果。 爱因斯坦与众不同的地方, 不仅是他所提出的物理学思想的内容, 也是同这些内容 相联系的对存在的反性的感受力,是对与逻辑相矛盾的反常结论的可靠性、客观性、 实体性的感受。光子论连同光的波动特性和微粒特性的反常结合,在长时间内没有 获得承认。在1912年,在杰出的德国物理学家签署的遴选爱因斯坦进入普鲁士 科学院的建议中,还讲过光量子假说是某种须予谅解的东西:“他在自己的推论中 有时有超越目的范围的东西,例如在其光量子假说中就有,但不应该对他过于苛求。 因为,不决心冒风险,甚至在很精密的自然科学中也搞不成真正的新东西。”当爱 因斯坦第一次思考光的参照系并以怎样的速度传播时,他只有16岁。那时爱因斯 坦还在阿劳,后来在苏黎世,在创立相对论10年之前,他就力图更直观地设想一 个参照系的运动,想象地描述同某个物体一起运动的、固定在这个物体上的量杆, 还有时钟。量杆和时钟能够测量每个物体在每一瞬间的位置并确定它的速度。这样, 爱因斯坦把参照系作为实在物体的形式来描述,固定于其上的有坐标原点、无限长 的坐标轴和许多要多长有多长的杆。于是,任何一个物体,无论它在给定瞬间位于 何处,它的位置都同量杆上的某个标志相契合,也就是具有一定的坐标,具有借助 杆的帮助的“给定瞬间”。为了不把对该参照系的测量和其他测量混淆起来,爱因 斯坦设想有一个人和系统一起运动,并且看不见任何其他的系统,他观察到的仅仅 是物体是否同该参照系上的量杆上的标志相契合。几乎在所有的相对论解释中都提 到这个“观察者”,但似乎没有他也行。“观察者”决不影响相对论的客观意义, 他系在空间中飞行的量杆上,并且能够借助这些无限多和无限长的杆同时测量物体 的位置。这个形象可以被不太精确的乘客形象所代替,这个乘客坐在挂上窗帘的车 厢里或船舱里。 设想有一艘船,它航行的速度与海面上波浪的速度是相同的。对于船上的“观 察者”来说,也就是对一个能够测量船速的人来说, 波浪显然是静止不动的, 如果 不看天空、海岸,“观察者”看到的海面好象是凝固不动的,他无论如何都不知道 波浪在运动——因为波浪相对于船是静止的。“观察者”的这种主观印象只不过是 有条件地表现一个客观事实:波浪对于固定在船上的参照系实际上是静止的。 爱因斯坦感兴趣的问题是,波对于船是否仍然保持静止,假如这不是水面上的 波浪,而是电磁波即光的话。爱因斯坦理论的结论接近古典相对性原理,使它易于 被人把握,并且赋予这一理论惊人的可靠性。 爱因斯坦的理论得出了洛仑兹的结论,对迈克尔逊实验结果有了解释。在这方 面,爱因斯坦的理论合乎“外部证实”和“内在完备”的公式。当新的十分反常的 事实——光速在迈克尔逊干涉仪中守恒并要求作出某种解释的时候,洛仑兹提出了 一种观点,它和这一事实相一致,也和从前已知的各种事实相一致,但不是单一地 和自然地从更普遍的原理中得出来的。 爱因斯坦则是从改造全部世界图象中推导出的解释,而世界图象又是新的时空 观,即从更深刻、更普遍和更具体的说明已知科学事实的全部总和中得出来的。 因此,使“外部证实”和“内在完备”相结合理论就完成了“逃避奇迹。”爱 因斯坦的初始思想就是用经验检验逻辑结构的必要性。概念不可能先验地符合实际, 概念应当得出可以同经验相对照的结果。绝对运动经不住这种考验。 因此,相对论的全部结论不是从专门提出的假定中得出来的,而是从普遍原理 中自然地推导出来的。爱因斯坦写道:“除此之外,相对论的另一个特点是它的认 识论观点, 物理学中没有任何概念是先验地必然的, 或者是先验地正确的。决定一 个概念的生存权的,是它同现象、同物理经验是否有清晰的和单一的联系。”当空 间和时间互不依赖的观念被四维空间— 时间的“世界”代替的时候,这就完成了 从牛顿力学向另一种同类型的力学的过渡。和牛顿力学相比,具有更多的“内在的 完备”和“外部的证实”,更接近于“古典理想”。 爱因斯坦从相对论的基本前提出发,推导出了新的速度合成定理,根据爱因斯 坦速度合成定理可以得出,在每一个参照系中给定物体的速度都不可能大于光速。 让物体以某一速度运动,然后再附加一个推动力,在原有速度上将增加一个新的速 度,根据新的速度合成定理可以得出,这时物体的速度不可能超过光速,物体的速 度越接近光速,附加的推动力使物体增加速度的作用将越来越小。关于光速极限性 质的论断是从普遍的假设和具体的观察中自然地得出来的,而爱因斯坦认为它是完 全可靠的。因此,他非常猛烈地抨击过一种光速有限的通俗解释,更别说什么还有 超光速的运动。 -------- 泉石书库