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愛因斯坦的機遇與眼光

愛因斯坦極其幸運:他出生於合適的時代,當物理學介面臨著重重危機時,他的創造力正處於巔峰。換句話說,他有機會改寫物理學的進程,這也許是自從牛頓時代以來獨一無二的機遇。這種機遇少之又少。這個機會當然也對同時代的科學家們開放。可是他們都錯失其重點,因為他們死守著舊觀念。愛因斯坦沒有錯失重點是因為他對於時空有更自由的眼光。孤持、距離、自由眼光是互相聯繫的特徵,是所有科學、藝術與文學創造活動中一個必要因素。

一、更自由的眼光使他抓住了時代的機遇

26歲的愛因斯坦敢於質疑人類關於時間的原始觀念,從而打開了通向微觀世界的新物理之門。

1905年通常稱為阿爾伯特•愛因斯坦的“奇跡年”。在那一年,愛因斯坦引發了人類關於物理世界的基本概念(時間、空間、能量、光和物質)的三大革命。一個26歲、默默無聞的專利局職員如何能引起如此深遠的觀念變革,因而打開了通往現代科技時代之門?當然沒有人能夠回答這個問題。可是,我們也許可以分析他成為這一歷史性人物的一些必要因素。

首先,愛因斯坦極其幸運:他出生於合適的時代,當物理學介面臨著重重危機時,他的創造力正處於巔峰。換句話說,他有機會改寫物理學的進程,這也許是自從牛頓時代以來獨一無二的機遇。這種機遇少之又少。E.T.貝爾(Bell)的《數學精英》引用了拉格朗日(J.L.Lagrange,1736-1813)的話:

雖然牛頓確實是傑出的天才,但是我們必需承認他也是最幸運的人:人類只有一次機會去建立世界的體系。

這裏,拉格朗日引用的是牛頓的巨著《自然哲學的數學原理》中第三卷即最後一卷前言中的話:

現在我要演示世界體系的框架。

拉格朗日顯然非常嫉妒牛頓的機遇。可是愛因斯坦對牛頓的公開評價給我們不一樣的感覺:

幸運的牛頓,幸福的科學童年……他既融合實驗者、理論家、機械師為一體,又是闡釋的藝術家。他屹立在我們面前,堅強、自信、獨一無二。

愛因斯坦有機會修正200多年前牛頓所創建的體系。可是這個機會當然也對同時代的科學家們開放。的確,自從1881年麥克爾遜-莫雷(Michelson-Morley)首次實驗以及1887年第二次實驗以來,運動系統中的電動力學一直是許多人在鑽研的熱門課題。令人驚奇的是,當愛因斯坦仍在蘇黎世念書時,他已經對這個題目發生了濃厚的興趣。1899年他曾寫信給他後來的太太米列娃:

我還了赫姆霍茲的書,現正在非常仔細地重讀赫茲的電力傳播工作,因為我以前沒能明白赫姆霍茲關於電動力學中最小作用量原理的論述。我越來越相信今天所瞭解的運動物體的電動力學與實際並不相符,而且可能有更簡單的理解方式。

他追尋此更簡單的理解方式,六年以後引導出了狹義相對論。

當時許多科學家對這個科目也極感興趣。龐加萊(L.H.Poincaré,1854-1912)是當時兩位最偉大的數學家之一,他也正在鑽研同一個問題。事實上,相對性(relativity)這一名詞的發明者並不是愛因斯坦,而是龐加萊。龐加萊在1905年的前一年的演講《新世紀的物理學》中有這樣一段:

根據相對性原則,物理現象的規律應該是同樣的,無論是對於固定不動的觀察者,或是對於作勻速運動的觀察者。這樣我們不能,也不可能,辨別我們是否正處於這樣一個運動狀態。

這一段不僅介紹了相對性這個概念,而且顯示出了異常的哲學洞察力。然而,龐加萊沒有完全理解這段話在物理上的意義:同一演講的後幾段證明他沒有抓住同時性的相對性(relativity of simultaneity)這個關鍵性、革命性的思想。

愛因斯坦也不是首位寫下偉大的轉換公式的人:

之前,洛倫茲(H.A.Lorentz,1853-1928)曾寫出這個公式,所以當時這個公式以洛倫茲命名,現在仍然是這樣。可是洛倫茲也沒能抓住同時性的相對性這個革命性思想。1915年他寫道:

我失敗的主要原因是我死守一個觀念:只有變數t才能作為真正的時間,而我的當地時間t'僅能作為輔助的數學量。

這就是說,洛倫茲有數學,但沒有物理學;龐加萊有哲學,但也沒有物理學。正是26歲的愛因斯坦敢於質疑人類關於時間的原始觀念,堅持同時性是相對的,才能從而打開了通向微觀世界的新物理之門。

幾乎今天所有的物理學家都同意是愛因斯坦創建了狹義相對論。這對龐加萊和洛倫茲是否公平?要討論這個問題,讓我們先引用懷特海(A.N.Whitehead)的話:

科學的歷史告訴我們:非常接近真理和真正懂得它的意義是兩回事。每一個重要的理論都被它的發現者之前的人說過。

洛倫茲和龐加萊都沒有抓住那個時代的機遇。他們致力於當時最重要的問題之一,即運動系統中的電動力學。可是他們都錯失其重點,因為他們死守著舊觀念,正如洛倫茲自己後來所說的一樣。愛因斯坦沒有錯失重點是因為他對於時空有更自由的眼光。

要有自由的眼光(free perception),必須能夠同時近觀和遠看同一課題。遠距離眼光(distant perception)這一常用詞就顯示了保持一定距離在任何研究工作中的必要性。可是只有遠距離眼光還不夠,必須與近距離的探索相結合。正是這種能自由調節、評價與比較遠近觀察的結果的能力形成了自由的眼光。按照這一比喻,我們可以說洛倫茲失敗了是因為他只有近距離眼光,而龐加萊失敗了是因為他只有遠距離眼光。

中國偉大的美學家朱光潛(1897-1986)強調過“心理距離”在藝術和文學創作上的重要性。我認為他的觀念與上述的遠距離眼光是一致的,只是在不同的學術領域而已。在最權威的愛因斯坦的科學傳記Subtle Is the Lord中,作者選擇這樣一個詞來描寫愛因斯坦的性格:孤持(apartness),並且在第三章開始時引述道:

與其他人保持距離;單獨地、孤立地、獨自地。(《牛津英文詞典》)

的確,孤持、距離、自由眼光是互相聯繫的特徵,是所有科學、藝術與文學創造活動中一個必要因素。

1905年愛因斯坦另一個具有歷史意義的成果是他於3月間寫的論文“關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點”。這篇文章首次提出了光是帶分立能量hv的量子。常數h由普朗克於1900年在其大膽的關於黑體輻射的理論研究中提出。然而,在接下來的幾年裏,普朗克變得膽怯,開始退縮。1905年愛因斯坦不僅沒有退縮,還勇敢地提出關於光量子的“啟發性觀點”。這一大膽的觀點當時完全沒有受到人們的讚賞,從以下的幾句話就可以看出這一點:八年後,當普朗克、能斯特(W.H.Nernst)、魯本斯(Heinrich Rubens)、瓦爾堡(O.H.Warburg)提名愛因斯坦為普魯士科學院院士時,推薦書上說:

總之,我們可以說幾乎沒有一個現代物理學的重要問題是愛因斯坦沒有做過巨大貢獻的。當然他有時在創新思維中會錯過目標,例如,他對光-量子的假設。可是我們不應該過分批評他,因為即使在最準確的科學裏,要提出真正新的觀點而不冒任何風險是不可能的。

這封推薦書寫於1913年,其中被嘲笑的光-量子假設(hypothesis of light-quanta)指的就是上述愛因斯坦於1905年大膽提出的想法。可是愛因斯坦不理這些嘲笑,繼續把他的想法向前推進,於19 16至1917年確定了光量子的動量,進而發展為1924年對康普頓效應(Compton effect)的劃時代的認識。

光量子這一革命性之觀點產生的歷史可以總結為:

1905年,愛因斯坦關於E=hv的論文

1916年,愛因斯坦關於P=E/c的論文

1924年,康普頓效應

在那些年裏,在1924年康普頓效應確立之前,愛因斯坦完全孤立,因為他對光量子的深邃眼光不被物理學界所接受。

二、廣義相對論是他的一次純粹的創造

關於廣義相對論,愛因斯坦沒有抓住什麼機遇:他創造了這個機遇。這是一次純粹的創造。

在1905年至1924年之間,愛因斯坦的研究興趣主要在廣義相對論。作為科學革命,廣義相對論在人類歷史上是獨一無二的。其設想宏偉、美妙、廣邃,催生了令人敬畏的宇宙學,而且它是一個人獨自孕育並完成的,這一切讓我想起《舊約》裏的創世篇(不知愛因斯坦本人是否曾想起這個比較)。

當然,我們很自然也會想起其他的科學革命,例如牛頓的巨著、狹義相對論、量子力學。不同之處:牛頓的工作確實是宏偉、美妙、廣邃的。對。可是在他之前有伽利略(Galileo)、開普勒(Kepler),還有更早的數學家和哲學家們的成果。他也不是當時唯一在尋求萬有引力定律的人。狹義相對論和量子力學也都是影響深遠的革命。可是它們是當時許多人研究的熱門課題,都不是由一個人所創建的。

關於廣義相對論,愛因斯坦沒有抓住什麼機遇:他創造了這個機遇。他獨自一人通過深邃的眼光,宏偉的設想,經過七八年孤獨的奮鬥,建立起一個難以想像的美妙體系。這是一次純粹的創造。

三、他的新眼光改寫了基礎物理的發展進程

愛因斯坦逝世50年來,他的追求已經滲透了理論物理基礎研究的靈魂,這是他的勇敢、獨立、倔強和深邃眼光的永久證明。

廣義相對論代表引力場的幾何化。自然而然它使愛因斯坦接著提出電磁場的幾何化。從而又產生了將所有自然力幾何化的想法,即統一場論。此發展成為他後半生的研究重點。例如,1949年至1950年在普林斯頓高等研究中心他最後的研討會上,他嘗試著把電磁場Fμν合併成不對稱的度量gμν。他這個嘗試和他先前在同一方向所做出的努力一樣,都沒能成功。

由於沒有成功,也由於自20世紀20年代初,愛因斯坦將其注意力幾乎全部放在這項研究上而忽略了像固體物理和核子物理這些新發展的領域,他經常遭受批評,甚至被嘲笑。他對於統一場論的投入被描述為著魔(obsession)。這種批評的一個例子是拉比(I.I.Rabi,1898-1988)於1979年在普林斯頓舉行的愛因斯坦百年紀念上所講的話:

當你想起愛因斯坦於1903或1902年至1917年的工作時,那是極其多彩的,非常有創造力、非常接近物理,有非常驚人的洞察力;然而,在他不得不學習數學,特別是各種形式的微分幾何的時期以後,他就改變了。

他改變了他的想法。他的那種對物理學的偉大創意也隨之改變了。

拉比是否正確呢?愛因斯坦有沒有改變呢?

答案是:愛因斯坦的確改變了。改變的證據可以在他1933年的斯賓塞演講《關於理論物理的方法》中找到:

……理論物理的公理基礎不可能夠從經驗中提取,而是必須自由地創造出來……經驗可能提示適當的數學觀念,可是它們絕對不能從經驗中演繹而出……

但是創造源泉屬於數學。因此,在某種意義上,我認為單純的思考可以抓住現實,正如古人夢想的一樣。

雖然你可以同意或反對這些非常簡要的論點,但是你必須同意它們強有力地描述了愛因斯坦在1933年關於如何做基礎理論物理的想法,而且此想法相對於他早年的想法有極大的變化。

愛因斯坦自己對這一變化非常清楚。在他70歲出版的《自述》裏,我們看到:

……我作為一個學生並不懂得獲取物理學基本原理的深奧知識的方法是與最複雜的數學方法緊密相連的。在許多年獨立的科學工作以後,我才漸漸明白了這一點。

很明顯,在這一段裏,“獨立的科學工作”指的是他於1908年至1915年期間創建廣義相對論的長期奮鬥。長期奮鬥改變了他。是否朝更好的方向改變了呢?拉比說:不是,他的新眼光變成徒勞無益的走火入魔。我們說:他的新眼光改寫了基礎物理日後的發展進程。

愛因斯坦逝世50年來,他的追求已經滲透了理論物理基礎研究的靈魂,這是他的勇敢、獨立、倔強和深邃眼光的永久證明。

(本文是楊振寧先生2005年7月24日在第22屆國際科學史大會上所作的大會報告,演講稿為英文,中文稿系翁帆女士翻譯。小標題為編者所加。全文刊于《科學文化評論》第2卷第4期<2005 >。)

上世紀30年代,愛因斯坦攝于柏林寓所。

講演者小傳

楊振寧

1922生於安徽合肥。1942年畢業於西南聯合大學物理學系,19 44年在西南聯合大學研究生畢業,1945年赴美留學,在芝加哥大學深造,獲博士學位,歷任芝加哥大學講師、普林斯頓高級研究院研究員、紐約州立大學石溪分校教授兼物理研究所所長,是美國科學院院士、英國皇家學會會員、中國科學院外籍院士。與李政道合作,提出弱相互作用中宇稱不守恆理論,共同獲1957年諾貝爾物理學獎。提出非阿貝爾規範場理論,大大促進了四種基本相互作用的研究。在粒子物理方面做了大量的開拓性工作。現為北京清華大學與香港中文大學的黃濟北——陸開群講座教授。

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