爱因斯坦----理论物理学的基础

理论物理学的基础

科学是这样一种努力，它把我们纷繁芜杂的感觉经验与一种逻辑上连贯一致的思想体系的对应起来。在这个体系中，单个的经验与理论结构必须以如下方式联系：必须使所得到的对应结果是单一的，并且是令人信服的。
感觉经验是当下的主观感受，但用来解释感觉经验的理论却是人造的。而这理论又是不辞劳苦地适应过程的结果：假设性的、永不完满的结论，更有常遇到的困难和怀疑。
形成概念的科学方式有别于我们日常生活中形成概念的方式，这种区别并非是本质上的，而是在概念和结论上有更为精确的定义，需要对实验材料进行更费力、更系统的选择，亦需要更大的逻辑上的简单性。最后这一点，我们是指这样一种努力，它要把一切概念和相互关系都归结为尽可能少的逻辑上独立的基本概念和公理。
我们这里所涉及的物理学，包括各种在测量基础上建立其概念的自然科学。这些概念和命题使得它们自己能用数学方式加以阐释。相应地，它的领域就被定义为我们的全部知识中那些能用数学方式加以描述的部分。随着科学的进步，物理学的领域是如此的庞大，以致于看起来它只受这种方法自身局限的限制。
物理学的研究大部分集中于物理学不同分支的发展。每一分支学科的目的是对或多或少有一定局限的经验作出理论上的理解。并且每一分支学科中的定律和概念尽可能地与经验相联系。正是这样一门科学，因其不断地专业化，它已使最近几个世纪的实际生活发生了革命，并且使人类最终有可能从沉重的体力劳动的苦役中解脱出来。
但在另一方面，从一开始，人们就试图找到各个单个学科的一个共用的理论基础，它包含最少的概念和基本关系，并且从它那里，可以通过逻辑过程导出各个分支学科的所有概念和关系。这就是我们所以要通过研究找出物理学的基础的本意所在。认为这个终极目标是可以实现的，这一忠诚的信念是研究者们充满生气的热情奉献的主要源泉。正是在这种意义上，下面专门讨论物理学的基础。
从上面所说的，我们可以清楚看到：这里的基础这个词，并不意味着与建筑物的基础在所有方面有类似之处。当然，从逻辑上看，物理学的各个单个的定律皆建立于这种基础之上。然而，一个建筑物可以被暴风雨或洪水严重毁坏，而其根基完好无损；但在科学方面，逻辑基础经常受到新的经验和知识的威胁，它比同实验有较密切接触的学科承受更大的危险。正是在基础与各个分支学科之间存在的联系使它有着巨大的意义，但同样，面对新因素时，它有

着更大的危险。当我们认识到这些的时候，我们不禁想知道，为何所谓的物理科学的革命时代并不见得比实际情形发生更加经常、更加彻底的基础改变。
最先尝试建立一个统一的理论基础的是牛顿的工作。在他的体系中，一切可以归纳为以下概念：（1）质量不变的质点；（2）任一对质点间的超距作用；（3）质点的运动规律。严格讲，这并非涵盖一切的基础。它只对引力的超距作用给出了明确的定律。而对于其他超距作用，除了作用与反作用相等这条定律之外，并没有先验地确立任何东西。而且，牛顿也完全意识到，在他的体系中，时间和空间作为物理学上有效的因素是本质上的因素，尽管他只是通过暗示表明了这一点。
直到十九世纪末，牛顿的理论基础还被证明是卓有成效的，并被认为是最终的基础。它不仅在细节上给出了天体运动的结果，而且提供了不连续和连续介质力学的理论，提出了能量守恒原理的简单解释，提出了完整而杰出的热理论。但在其体系中，对电动力学事实的解释则是比较牵强附会的。在所有一切中，从最初起，最不能令人信服的是关于光的理论的解释。
毫不奇怪，牛顿不愿接受光的波动理论，因为这个理论非常不适合于他的理论基础。假设空气中充满了由质点组成的介质，而该介质只是传播波而不展示其他力学性质，这对于他而言，是相当不自然的。对光的波动性质的最强有力的经验证据：固定的传播速度、干涉、衍射、偏振等现象，要么是未知的，要么未被有序的综合起来。所以，他有理由坚持自己的光的微粒理论。
在十九世纪里，争论解决了，人们赞同波动理论。但没人对物理学的力学基础进行根本性的怀疑，因为起先人们不知道在哪里建立另一种基础。慢慢地，在事实的不可抗拒的压力下，才有人提出了新的物理学基础：场物理学。
从牛顿时代起，人们不断发现，超距理论是不自然的。并不缺乏用动力学理论解释引力的努力，即建立在假想质点上的碰撞力的解释，但这种尝试是肤浅的，并且毫无成果。空间（或惯性系）在力学基础中所扮演的奇特角色也逐渐被清楚认识，并且受到恩斯特·马赫异常明晰的批判。
真正巨大的变化是由法拉第、麦克斯韦和赫兹带来的，但实际上他们这样做是半无意识的，并且是违背自己意愿的。他们三人终其一生都坚信自己是力学理论的信徒。赫兹发现了电磁场方程的最简单形式，并且宣称任何导致这些方程的理论均为麦克斯韦理论。但在其短暂的生命即将结束之际，他写了一篇论文，在论文中，他提出了一种与力的概念无关的力学

理论作为物理学的基础。
对我们而言，早已把法拉第的一些观念像母乳一样接受了，所以很难赞赏他们的伟大和冒险精神。法拉第一定准确无误地抓住了所有将电磁现象归于带电粒子间超距作用的企图的非自然的本质。分散于纸上的大量铁屑中的单个粒子又是如何知道来回运动于附近导体中一个个的带电粒子？所有这些带电粒子合在一起好像在周围空间中产生了一种新的状况，这种状态使铁屑按一定的顺序排列。他确信，若其几何结构和互相依存的作用一旦被正确掌握，那么这种空间状况——今天我们称之为场——将为神秘的电磁作用提供线索。他把这些场设想为充满空间的介质的力学应变状态，它类似于弹性体扩张时的应变状态。因为在那个时候，对于这些在空间里明显地连续分布空间的状态，这是仅有的可以设想的方式。在这背景保留的是对场的这种特殊形式的力学理解——从法拉第时代的力学的传统观点看，这是对科学意识的一种安抚。依靠这些新的场的观点，法拉第成功地形成了他和他的前辈所发现的整个复杂电磁现象的定性概念。对场的空间-时间定律作出精确阐述的是麦克斯韦。我们可以想象一下，当他所阐述的微分方程证明电磁场以偏振波的形式以光速传播时，他是何等的感受呀！世上很少有人体验到了这种感受。在那激动人心的时刻，他肯定没有想到光的那些似乎是已被完全解决的而又难以捉摸的性质会继续困惑着随后的几代人。同时，他的天才迫使他的同事在概念上所作的跳跃是如此之大，以致物理学家们花了几十年的功夫，才理解麦克斯韦发现的全部涵义。直到当赫兹用实验证实了麦克斯韦电磁波的存在之后，对这个新理论的抵制才被彻底打垮。
但是，如果电磁场能够作为一种波独立于物质源之外，那么静电的相互作用再也不能用超距作用来解释，对于电学的作用是正确的东西，对于引力的作用也就不能否定了。牛顿的超距作用到处都得让路于以有限速度传播的场。
在牛顿的基础中，现在仅剩下服从于运动定律的质点。但是汤姆逊指出：依据麦克斯韦理论，电场中带电体的运动必然产生磁场，磁场能量恰是物体动能的增量。若一部分动能由场能组成，那么会不会整体动能也是这样？抑或物质最本质的性质——它的惯性能够在场论屮得到解释？这就引起了用场论来说明物质的问题，它的答案会提供物质原子结构的解释。人们马上意识到，麦克斯韦理论不能实现这个纲领。从那时起，有许多科学家热情地通过对包含物质理论的推广来寻找完整的场论，但都徒劳无功。要创立-个理论，仅仅有一个关

于目标的清晰想法是不够的。还必须提出一个形式观点，以便能限制没有制约的各种可能性。一直到目前为止，这种观点还没有被找到，因此，场论未能成功地提供整个物理学的基础。
好几十年来，大多数物理学家都相信可以为麦克斯韦理论找到力学根基。他们的努力失败了，这使得他们逐步将新的场的概念作为不可归约的基础接受了——换言之，物理学家放弃力学基础的想法。
这样一来，物理学家就坚持了场论纲领，但它不能被称为基础，因为没有人能说出是否有一个统一的场论能够一方面解释引力，而另一方面也能解释物质的基本组成成分。在此情形下，就有必要把物质粒子看成是服从牛顿运动定律的质点。这正是洛伦兹创立其电子理论和运动物体的电磁现象理论的步骤。
这便是在世纪之交时基本概念所处的状况。当时在对各种新现象的理论洞察和解释方面，取得了巨大的进展；但要建立统一的物理学基础，则看起来实在相当遥远。后来的发展更加剧了这种状况。本世纪物理学的发展以两个本质上相互独立的理论体系为特征：相对论和量子论。这两种体系彼此不直接矛盾，但是它们看起来几乎不可能融于一个统一的理论中。我们有必要简短地讨论一下它们各自的基本思路。
在世纪之交的时候，从逻辑简单性的角度进行的物理学基础的改进导致了相对论的产生。所谓狭义的或有限制的相对论的基础是麦克斯韦方程（以及光在空虚空间中的传播定律）在进行洛伦兹变换后，能转化为同一种形式。麦克斯韦方程的这种形式上的性质又为我们一个牢固的经验知识所补充，这就是：物理规律对所有惯性系都是一样的。这便导致了用于空间和时间坐标的洛伦兹变换决定了从--个惯性系到任何其他惯性系的转化。相应地，狭义相对论的内容可以归结为一句话：一切自然规律必定受到这样的限制，使它们对于洛伦兹变换都是协变的。由此可以得出：不同地点事件的同时性不是一个不变的概念，并且，刚体的尺寸和时钟的速度取决于它们的运动状态。进一步，它又使得当给定物体的速度与光速相比不算小时，必须对牛顿的运动定律进行修正。接下来的是质能相当原理，即质量和能量的守恒定律融为一体。一旦表明同时性是相对的并且依赖于参照系时，在物理学基础中保留超距作用的可能性都消失了，因为这个概念是以同时性的绝对性（必须有可能“同时"表明两个互相作用质点的位置）为前提的。
广义相对论最开始是为了尝试解释一个现象，此现象在伽利略和牛顿时代便已为人知，但至今理论上的解释仍令人困惑：

物体的惯性和重量，它们在本质上是截然不同的事情，却可以用同一常数——质量——加以量度。从这种对应关系，人们就得出：对于一个给定的坐标系，我们不可能通过实验来确认它到底是在做加速运动，还是做匀速直线运动，而其中观察到的现象则是由引力场引起的（这便是广义相对论的等效原则）。一旦引入了引力，惯性系的概念便被粉碎了。可以这样说，惯性系是伽利略-牛顿力学的弱点所在，因为它事先假设了物理空间的一个神秘的性质，来限制惯性定律和牛顿运动规律能适用的坐标系的种类。
这些困难可以通过以下假设相应避免：对自然规律可以用下列方式来表述——它们的形式对于任何运动状态的坐标系都是相同的。实现这一点正是广义相对论的任务所在。另一方面，我们从狭义相对论中推断，时间-空间连续区中黎曼度规的存在。根据等效原理，它不仅描述引力场，而且描述空间的度规性质。假设引力场方程为二阶微分，那么场定律便可明确确定下来。
除开这个结果，这个理论还使场物理学从它所不能解决的问题中解脱出来。这个问题与牛顿力学中的类似，是由于把那些独立的物理性质附加于空间而导致的，而这些性质迄今为止由于惯性系的使用而被掩盖着。但是，我们又不能断言广义相对论那些迄今已被公认为是定论的东西能为物理学提供一个完整而令人满意的基础。首先，出现在其中的总场是由两个逻辑上毫无联系的部分组成，即引力场和电磁场。其次，与早些时候的场论一样，这个理论迄今未能对物质的原子论性结构提出解释。这个失败，可能与它至今未能有助于理解量子现象有关。考虑这些现象时，物理学家被迫采用一些全新的方法。现在我们就来讨论这些新方法的基本特征。
1900年，在纯理论研究的过程中，马克斯·普朗克作出了一个非常杰出的发现：作为温度函数的物体辐射定律不能仅从麦克斯韦的电动力学中推导出来。为了得到符合相关实验的结果，具有一定频率的辐射必须被处理成好像是由一些能量原子构成，而单个能量原子所具有的能量为hv，其中h是普朗克的普适常数。在随后的几年中，发现光无论在哪里都以此能量份额被产生和吸收。尤其是尼尔斯-玻尔通过假定原子只存在不连续的能量值，并且在不同能级间不连续的跃迁都是与此能量子的发射和吸收相联系的，他能够大致理解原子的结构。这有助于说明如下事实，即：在气态时，元素及其化合物只辐射和吸收某些完全确定频率的光。所有这些在此之前存在着的理论框架中是相当不可理喻的，但至少这一点是清楚的，即在原子

现象领域中，发生的每一件事情的特征，都是由分离状态及它们之间的明显的不连续跃迁所决定的。而这其中，普朗克常数h起着决定性的作用。
接下来的工作是德布罗意做的。他向自己提出如下问题：如何用现有的概念来理解分离的状态。他想起了同驻波的类比，就如在声学中风琴管和弦的本征频率的情形那样。的确，这里所需要的这种波的作用尚未明了，但它们可以被构造出来，而且可以应用普朗克常数h建立起它们的数学定律。德布罗意设想，电子像这种假想的波列一样绕原子核旋转，并且通过对应波的驻波性质，对玻尔的“允许”轨道的离散性在某种程度有所理解。
现在，在力学中质点的运动是由作用于其上的力或力场决定。因此，可以预料：这些力场也会以类似的方法影响德布罗意的波场。埃尔温·薛定谔表明了该如何考虑这种影响，他用一种天才的方式重新解释了经典力学中的一些公式。在没有附加任何假设的情况下，他甚至成功扩展了波动力学理论。这个理论可应用于包含任意数目质点的任何力学体系，也就是说包含任意数目的自由度。这些均是可能的，因为一个包含n个质点的体系，从数学上说在一定程度上等同于一个在3n维空间中的运动的单个质点。
在这个理论基础上，得到了对各类不同事实的好得令人诧异的描述。这些事实，在其他理论中是完全不可理喻的。但令人奇怪的是，在如下问题上它又是失败的：它证明了不可能把薛定谔波同质点的确定运动相联系——但这一点却正是整个结构的最初目的。
这个困难似乎是难以逾越的，但玻恩以一种谁也未曾料到的简单方法克服了它。德布罗意-薛定谔波场不可能解释为一种关于一个事件如何在空间和时间中实际发生的数学描述，尽管它们确与这样的事件有关。更确切地说，它们是我们关于这个系统实际所知道的东西的数学描述。它们只能用来对我们这个系统所能进行的所有测量结果进行统计上的陈述和预测。
下面，让我用一个简单的例子来说明量子力学的这些普遍特征：先假设一个由于有限强度的力作用而在一限定局域G内的质点。若该质点的动能低于某一限值，那么依据经典力学，它永远不会离开区域G。但是依据量子力学，此质点在经过一段不能直接预测的时间之后，对能在一个不可预测的方向上离开该区域，逃逸到周围空间。根据伽莫夫的观点，这便是放射性蜕变的一个简化模型。
量子理论对此情形的解释如下：在时间t，薛定谔波系完全在区域G内，但从t时刻起，这些波在所有方向上离开G的内部。比较于原来G内波系的振幅，射出

波的振幅要小一些。这些射出波扩散得越远，G内波的振幅减少越多；相应地，从G中射出波的强度亦愈来愈小。只有经过无限时间后，G内的波才被耗光，同时，射出波不断扩散到更大的空间中去。
但是，这种波动过程与我们最初所关心的事物——G中的粒子又有何关系呢？为回答这个问题，我们必须想象一些装置，以使得我们可以对粒了进行测量。例如，我们不妨假想在周围空间中的某处有一屏幕，粒子一旦与之接触便粘附其上。然后，根据波撞击到屏上一个点的强度，我们可以推出粒子当时撞击到屏上这一点的几率。一旦粒子撞上屏上的任何一个特定点，整个波场就立即失去了其全部物理意义：它的惟一目的便是对粒子撞屏的位置和时间（或比如它撞屏时的动量）做出几率预测。
所有其他情形均类似。这个理论的目的在于决定系统在确定时间的测量结果的几率。另一方面，它没有试图对空间和时间中的实际存在着的或者进行着的事情作出数学表述。在这一点上，今天的量子理论与以往的物理学——力学以及场论——的所有理论在根本上有所不同。它不是为实际的空间-时间事件提供模型描述，而是以时间函数给出可能测量的概率分布。
必须承认的是，新的理论概念并非源于异想天开，而是源于事实经验的压力。所在企图直接以空间-时间模型来表述光和物质现象所展示的粒子和波动特征的努力，到目前为止均以失败告终。并且海森伯已令人信服地表明，从经验观点看，任何可作为自然的严格决定论性结构的结论已被明确排除掉了，因为我们的实验仪器的原子性的结构的缘故。因而，任何未来的知识也不可能迫使我们放弃现在的统计理论基础，转而支持直接处理物理实在的决定论性理论。这个问题在逻辑上似乎提供了两种可能性，原则上我们就在两者之间进行选择。归根结底，作出选择依凭的是，哪种描述产生的表述方式从逻辑上讲符合最简单的基础。现在，我们尚没有一种可以直接描述事件本身并合乎事实的决定性的理论。
目前，我们不得不承认，我们尚不具备任何全面的物理学的理论基础，可被称之为物理学的逻辑基础。至今为止，在分子领域，场论是失败的。各方面都认为，现在惟一可作量子理论基础的原理，应是一种能把场论翻译成统计学形式的原理。但这种理论是否实际上能以一种满意的方式得出来，没人敢下结论。
一些物理学家，包括我自己都不相信，我们必须确实并且永远地抛弃那种在空间和时间中直接表示物理实在的想法；或者说，我们必须接受下面的观点：自然界中的事件都类似于机

会[掷色子]游戏。每个人都可自由地选择其奋斗方向；而且我们每个人都可以从莱辛的名言中得到安慰：追求真理本身比占有真理更为可贵。