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量子问道

爱因斯坦的第一篇“论文”

发布时间:2020-07-31 15:58阅读次数:1464次
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摘要从伽利略到牛顿,从法拉第到麦克斯韦,所有天才的伟大创举,都有自身聪慧的原因,但也有当时环境的功劳。爱因斯坦所处的时代,正是经典物理学出现裂缝的大革命时代,所以他的成功,有我们中国人常讲的“天时”、“地利”与“人和”。很多人可能会疑惑,为什么爱因斯坦可以在1905年连续发表6篇划时代的论文,是什么样的教育培养了这样的天才?从1894年他的第一篇“论文”中,我们似乎可以找到一些答案。当爱因斯坦还是一个高中生的时候,他就已经阅读了一些哲学和物理学著作,并对一些物理学的基本问题有自己的思考。正是这长达10年的思考,才有了他最终的突破。这个故事对我们当下的教育有重要的启发意义,哲学和科学史可能是我们培养学生批判性思维能力的重要突破口。

阿尔伯特·爱因斯坦(1879年3月14日—1955年4月18日)出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭。1900年,他毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院,1905年他获得该学院物理系的博士学位。1933年1月, 希特勒上台,同年11月,他移居美国,并在普林斯顿高等研究院任职。1940年加入美国国籍, 1955年4月18日,爱因斯坦在新泽西州普林斯顿逝世,享年76岁。

爱因斯坦除了在科学方面的贡献,他在社会活动方面也对人类有深远影响,他反对纳粹,建议美国制造原子弹,但是最终又反对使用原子弹。1955年7月,哲学家罗素在伦敦发表了著名的罗素-爱因斯坦宣言(Russell–Einstein Manifesto),宣言对核武器带来的危险深表忧虑,并呼吁世界各国领导人通过和平方式解决国际冲突(去世前签署这份宣言)。但人们对爱因斯坦的关注,大多源于被称为“奇迹年”的1905年。在这一年,他发表了6篇具有开创性的论文,内容涉及光电效应、布朗运动、狭义相对论以及质能方程。在每个方向,他都开创了一个新的研究领域。人类从来没有——或者极少有——其它任何科学家如此深刻地改变了科学的轨迹。当时爱因斯坦26岁,在此之前他虽然也有一些学术成果,但并未引起什么关注。而他当时也只是专利局的一个小职员。从1902年到1908年,他一直在专利局工作,直到1908年才在玻恩大学找到了一个职位。除了他本人在零散的著作中提到的或告诉他的传记作者和采访者的细节,我们对爱因斯坦的少年和青年时期的教育经历知之甚少,这也让之后的物理史学家以及所有的教育者对爱因斯坦的思路历程非常好奇,到底是什么样的学习经历,造就了这样以一位人类最伟大的天才?

爱因斯坦在一次采访中提到1905年的工作是如何同时出现的。他表示光电效应论文是他经过五年深思熟虑并试图用更具体的术语解释普朗克的量子理论的结果。而研究布朗运动要容易得多,他说:“我想到了一个简单的解释方法,我就把它发了出去。”对于狭义相对论,爱因斯坦觉得,最初导致他创作《论动体的电动力学》的思想,在他年轻时就已经开始萌芽了。他说他从16岁就开始研究这个问题,那时他已经是一名高中生了。他只能把一部分时间花在这个问题上,并为此坚持思考了十年。

这就要提到爱因斯坦的第一篇论文了,这也是本文的重点。一般认为,爱因斯坦的第一篇科学论文是他在1900年发表的关于毛细现象的研究,实际上这个时间可能还要更早。这篇文章就写作风格而言是散文/评论(essay),但是所思考的问题却是百分之百的科学问题。在1894年或1895年,爱因斯坦把题为“关于磁场中以太状态的研究”的论文连同一封附信寄给了他的舅舅卡萨·科赫,这是爱因斯坦最早的与相对论有关的参考资料。当时,他正在准备瑞士苏黎世联邦理工学院的入学考试。当然,他对这个问题的思考,可能要更早。爱因斯坦的这篇文章并没有发表在任何刊物上,直到1970年才由爱因斯坦的表妹转交给物理学史的研究者(见参考文献【1】)。物理学家戴森认为很重要,建议马上发表。尽管这篇论文只有薄薄的几页纸,行文也很不规范,但它依旧有重要的科学史价值。这篇文章表明,爱因斯坦从初中或者高中时期就开始关注这些基本的物理学问题。经过十年的思考,最终在1905年“凤凰涅磐”般取得了突破。这个故事也证明,伟大的思想突破,没有多年的思考和积累,是难以实现的。

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图1. 柏拉图多面体。毕达哥拉斯证明只有五种正多面体。柏拉图将这些形状神秘化。他将这些形状和当时的四种元素对应,即火、气、土、水。同时,他将正二十面体和整个天空的星座对应。他的学生亚里士多德把正二十面体定义为第五种元素,即以太。


第一部分:以太的历史

他的这篇论文是关于以太的。 熟悉这段历史的读者,完全可以直接跳过下面对以太的讨论。

那么,究竟什么是以太?我们首先要明白这个概念。它是一种哲学家假想的物质,用来解释自然界的运动以及物质的存在形式。在不同的时期,它有不同的含义。可以这样说,以太是人类认知史上所犯下的最大的,历时最久(两千多年)的错误。它对科学发展的影响也是最深远的。不了解以太的历史,则难以理解物理学中许多重要的概念,比如光、引力、相对论和场等。科学的发展历程,总是伴随着许多类似的例子。说白了,这些都是我们直觉能力失效的证据。在创造性思维中,直觉能力很重要,但不是每次都是成功的。

以太,是英文Ether或者Aether的中文翻译。早在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德(Aristotle,公元前384 - 前322)就提出了“以太”的概念,他认为世界由五种元素组成,分别是水、火、土、气、以太,前四者组成了地球,而以太则充斥在整个宇宙之间,所以也常常作为“空间”的代名词。这五种元素对应五种不同的多面体,即著名的柏拉图多面体(图1)。以太是位于月亮以上的物质。月亮以下的物质有生有灭,但是月亮以上的以太,则不生不灭。地上元素的自然运动为直线运动,但是以太构成的物质的自然运动为圆周运动。以太是完美的,所以它的运动也是完美的。关于这些历史的详细讨论,可以参考罗素的哲学史。

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图2: 万有引力和超距离相互作用。

所以,以太自诞生之初,就披上了一层玄学的色彩,和另外四种元素相比,以太看不见摸不着,充斥着整个空间却又稀薄到对穿梭在其中的物质没有影响。当时也没有实验条件检查这些假设的正确性。随着历史的发展,人类对大自然的认识不断加深,以太的涵义也在不断发展。1644年,法国数学家笛卡尔(1596年3月31日-1650年2月11日)最先将以太引入科学。从笛卡尔的角度来看,物体之间所有的作用力都必须透过某种媒介来传递,不存在所谓的超距作用(action at a distance)。这种超距离相互作用的例子很多,最典型的是万有引力以及磁铁之间的相互作用。哲学家关注这些问题,比如哲学家奥卡姆就研究过磁铁的超距离作用,但是一直没有很好的解释。尽管如此,它提出的奥卡姆(1285年-1349年)剃刀原理,即简单有效原理, 在科学上甄别各种理论的好坏依旧发挥了重要作用。牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日)发现了万有引力(图2),但是也在这个问题上犹豫了20年。1692年,他在回答本特利神父的信中,就明确回应两个没有生命的物质是如何影响彼此的问题。他说:“一个物体可以通过真空超距地作用在另一个物体上而不需要任何其他介质,它们的作用和力可以通过真空从一个物体传递到另一个物体,这种观点在我看来是荒唐之极,以致我认为没有一个在哲学上有足够思考力的人会同意这种观点。” 牛顿对超距离作用持否定态度,但是也没有办法找到一个更好的解决方法。牛顿的理论自提出以来就遭到英国国内以贝克莱(1685年3月12日-公元1753年1月14日)主教为首的宗教界的反对,他的理论直到1710年才开始在英国盛行。在欧洲大陆,以惠更斯(1629年04月14日—1695年07月)为首的笛卡尔-惠更斯学派更加相信引力只是以太涡旋运动的表现。关于这段有趣的争论,阎康年在其文章中有较为细致的讨论。牛顿爵爷很有趣,他“脾气不好”,几乎和当时所有伟大的物理学家和数学家都有所有权争论。

直到法拉第(1791年9月22日-1867年8月25日)和麦克斯韦(1831年6月13日-1879年11月5日)提出场的概念,才算解决了这个问题。爱因斯坦的相对论,也是场的概念的应用。关于场的发展,爱因斯坦在其书《物理学的进化》中有详细描述。这本书很有趣,一个公式都没有,就写作而言,这本书比霍金的《时间简史》可能更加有趣。所以爱因斯坦对场和局域(local)相互作用是非常熟悉的。从这个角度,我们似乎可以理解,为什么在量子力学建立之初,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在1935年提出了著名的EPR佯谬 (Einstein-Podolsky-Rosen paradox)。它揭露了局域实在论与量子力学完备性之间的矛盾。目前有大量的工作讨论爱因斯坦的鬼魅般的相互作用(spooky action at a distance)。只要承认量子力学的描述,它将继续是物理学的重要研究内容。我们不再讨论这些故事---以后可以单独仔细讨论。我们提到这些故事,旨在说明,爱因斯坦的思想有深远的历史渊源和哲学背景,这些和他的教育和思考是分不开的。我们要培养学生的批判性思维,哲学和科学史就是一个非常重要的突破口。

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图3. 以太假说:以太充斥着空间,是光传播的媒介 (来自维基百科)。

长期以来,哲学家相信以太可以用来传递这种超距离相互作用。后来,“以太是某种媒介”的观点又与光的波动学说联系了起来,它被当作光波的载体(图3)。但在18世纪,随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功,以及人们迟迟未在实验中观测到以太存在的证据,超距离相互作用似乎并没有成为多大的困难。在18世纪,牛顿的光微粒学说一直占主导地位。因此,以太假说一度没落。到了19世纪,托马斯·杨(1773年6月13日-1829年5月10日)用光波的干涉解释了牛顿环现象,并在实验的启示下,于1817年提出了光波为横波的新观点,解释光的偏振现象。同一时期,菲涅尔(1788年5月10日-1827年7月14日)用光波动说成功地解释的光的衍射现象,他提出的理论方法(常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算出衍射的图案,并且能解释光的直线传播现象。之后菲涅尔又进一步成功解释了光的双折射,获得了很大的成功。这样一来,光是一种波的观点深入人心,再考虑到现实中的波都需要传播媒介,以太假说重获新生。所以,荷载光波的媒介(以太)应该充满了包括真空在内的全部空间,并能渗透到平常的物质当中。麦克斯韦在19世纪60年代建立的电磁理论,更是建立在以太的振动基础之上。由于很多透明的材料,比如玻璃等,都可以透过光,所以以太被认为充斥了整个空间,并且在物质中也存在。麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道:“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”。1888年,赫兹(1857年2月22日 - 1894年1月1日)的实验发现电磁波真实存在。既然麦克斯韦方程的基础是以太假设,人们自然一度认为这是证明以太存在的决定性实验。有趣的是,科学家还进一步“有板有眼”地探索这种以太的性质。在许多实验中已经非常清楚,光是一种横波,所以有两个不同的模式。但是对于机械波而言,横波无法在液体和气体中传播,所以,以太这种物质应该是有固体的属性,但是却没有质量(熟悉物理学史的读者可能会记得18-19世纪的热质说,它也是无质量而且无处不在的,因为温度的降低不会伴随质量的改变。它后来被实验推翻)。按理说,这样非常直观的物理学假设,有理有据,推理也非常严密,无数的证据也表明它的存在。爱因斯坦在《物理学地进化》中将这种科学发现的过程比喻为一种“探秘”,通过各种努力一步一步揭开谜底。每一步推理似乎都是正确的,可偏偏谜底是错误的。

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图4. 迈克尔逊-莫雷1887年实验装置示意图。研究者认为:如果存在以太,则当地球穿过以太绕太阳公转时,在地球通过以太运动的方向测量的光速(当我们对光源运动时)应该大于在与运动垂直方向测量的光速(当我们不对光源运动时)。从而从实验中测出干涉条纹移动的距离,就可以求出地球相对以太的运动速度,从而证实以太的存在。


尽管以太已经解释了这么多的现象,但还有一件很重要的事困扰着当时的科学家,按照当时的猜想,以太无所不在,没有质量。这种近乎抽象的物质真的存在吗?一批崇尚实证的物理学家开展了证明以太存在的实验,而其中最为著名的是1851年斐索(1819 年- 1896年)的曳引实验以及1887年的迈克尔逊-莫雷实验。尤其是后者,这个实验是成功的,因为它证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础;但从实验者最初的目的来看,它又是失败的,科学家并没有从中发现以太存在的迹象。但19世纪末,以太说在大多数科学家的脑中根深蒂固,仅凭一个实验难以让他们抛弃以太的观点。后来有很多人重复了这个实验,但都没有测量到以太存在的证据。

如何看待这个没有被观测到的实验结果?科学家面对这样的问题,通常有很多理解的方式,修正主义显然是最流行的(比如尺缩现象)。 但是关于这个问题,我们需要提到马赫(1836 - 1916)。他是奥地利著名的物理学家、心理学家和哲学家。他在物理上的建树不多,但却是一位一流的科学哲学家。他反对牛顿的绝对时空观念,他觉得这种观点没有办法产生实验可观察的事物,因为它们是“纯粹的思维产物,纯粹的理智构造,不能产生于经验之中”,只不过是一种“干巴巴的概念”而已。马赫认为一切都是相对的,绝对的时空是没有必要的。最能证明这个想法的,可能是他的著名的马桶实验。我们知道这个观点对爱因斯坦相对论的提出有重要影响,并将它命名为马赫原理。爱因斯坦在1948年给贝索的信中说:“马赫的伟大功绩在与于,他松动了18-19世纪统治者物理学基础的那些教条主义”。马赫的这些批评是对的,他对物理学理论基础的看法“入木三分”,但是他似乎也用类似的理由反对过原子论。原子论在19世纪的热学和化学研究中取得了很大的成功,但是谁也没有见过原子。所以,马赫和威廉·奥斯特瓦尔德(1853年9月2日-1932年4月4日)提出了“能量学”(energetics)概念,认为能量是唯一真实的实在。他们和玻尔兹曼(1844年2月20日-1906年9月5日)对原子论有长期的争论。最终玻尔兹曼的自杀,可能也和这段长期的争论有关。这是历史上一段有趣的公案。在历史的发展过程中,直觉出现错误是很常见的。那些不可能在实验上观察到的东西,是否可以作为科学的理论基础?燃素说和热质说都是非常好的例子。从17世纪就开始流行的关于燃烧本质的理论,在100年后终于被推翻。那个时候,燃素也被认为无处不在,包藏于万物之中,生命体因为燃素而有生机。燃素甚至被认为是万物的灵魂。最后证明是错误的。热质说也是如此。热质说在拉瓦锡1772年用实验推翻燃素说后开始盛行,拉瓦锡的《化学基础》一书就把热列在基本物质之中。卡诺(1796年6月1日-1832年8月24日)的理论就是建立在热质说的基础上的。后来卡诺的理论被证明是正确的,但是热质说是错的,最后被焦耳的机械能守恒定律取代。熟悉这段历史的哲学家马赫,提出这样的观点,也是顺理成章的事情。只是历史的结局是,他对了一半,又错了一半。熟悉马赫的爱因斯坦,面对迈克尔逊-莫雷等人的实验,应该也会有所思考,即这些没有被观察到的以太,是否能成为理论的基础?我们无法知道爱因斯坦当时的真实想法,把一个实验观察或者经验事实当作公理体系,他的做法与伽利略的实验到牛顿的公理体系升华有惊人的相似。

顺便提一下,爱因斯坦关于布朗运动的讨论,也和马赫对原子论的质疑有关。爱因斯坦从原子论出发,推导出了一些可以被实验观测的结果,后来被佩兰(Jean-Baptiste Perrin,1870年9月30日-1942年4月17日)实验证明,并获得了1926年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦在这篇文章中,提出一个可能的实验判据来判断原子论是否正确。他在文章开头第二段明确提出:“如果他的理论被证明是错误的,它将为原子论提供一个强有力的反例。” 1 909年佩兰做出实验的时候,爱因斯坦写信给他, 表示他不相信可以如此高精度地观测到布朗运动 (图4)。同样地,马赫似乎对相对论也没有那么感冒,他甚至反对把自己列为所谓的相对论的先驱---他也许还尖锐地反对过相对论。但是在1909年佩兰的实验基础上,马赫很快地接受了原子论。可惜此时,玻尔兹曼已经去世多年。物理学家真正抓住单个原子,并在实验上控制他们,则是近100年以后的事情了(2012年诺贝尔物理学奖授予了法国的Serge Haroche和美国的David J. Wineland, 以表彰他们在单原子或单离子操控领域的杰出贡献)。历史就是这么有趣,科学的发展,就是在错误的迷途中闯出一条正确的路来。再伟大的人物,也会犯错误。在这条崎岖的路上,哲学似乎自始至终发挥了重要的作用。我们可以从许多伟大的科学家的传记中和作品中,找到许多类似的例子。

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图5:布朗运动,佩兰的实验以及1909年和爱因斯坦的通信。


第二部分:爱因斯坦的散文


现在,我们可以回到爱因斯坦了。我们绕了一个很大的弯,这是经常在生活中碰到的事情。为了享受一顿美食,我们不得不走很远的路。有些球迷为了欣赏自己的偶像的比赛,不得不跑到国外的现场去,且不说车马劳顿,光签证就会碰到一大堆麻烦。所以,好事多磨,要享受爱因斯坦的这顿“美食”,我们需要好好回顾一下“以太”的历史。这段历史告诉我们几个明确的道理。首先,以太有广泛的历史背景,但是在爱因斯坦所处的时代,它暴露出了很多问题;其次,爱因斯坦的教育经历、阅读的哲学著作以及他当时所处的地理位置,让他有足够的知识、能力和机会去发现这些问题。本文讨论的爱因斯坦的第一篇文章,就是一个很好的证明。

爱因斯坦还在慕尼黑上高中时就已经对物理学有很大的兴趣,并了解了以太学说,他也了解了许多哲学的概念。对于一个高中生而言,这是了不起的知识储备。在当时,从麦克斯韦的理论出发,以太早已不再仅仅被认为是机械的东西,而且也是“电磁现象的载体”。1888年赫兹的实验,也很好地“证明”了这一点。对于类似固体的以太而言,它有密度、速度、形变以及压力等力学属性,同时也承载了电磁场。年轻的爱因斯坦受到了赫兹的影响(见1920年爱因斯坦在莱顿大学的演讲“以太与相对论”),这是毫无疑问的,所以他也对以太的存在深信不疑,他认为以太是某种类似固体---准刚性---的弹性介质。在他的论文中,讨论了以太与电磁现象之间的联系,并提出了一种通过向载流导线附近发射光线来检测以太弹性变形的方法。赫兹的实验是这篇文章讨论的重要出发点。赫兹在实验中曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样被偏振。但是此时爱因斯坦似乎并不知道1887年迈克尔逊-莫雷的实验——至少这篇文章没有提及。这篇文章开头,爱因斯坦提出了两个问题:(1) 电流接通时产生的磁场如何作用于周围的以太? (2)这个磁场又是如何影响电流本身的呢?

在爱因斯坦看来,电场的连续性改变,以太会保持在某一种势态(potential state)并产生磁场。所以,磁场可能是以太的某种势的状态。因为电流的作用,以太会运动,这种运动会导致以太的类似于振动过程中的形变,而这些性质都没有得到仔细研究。所以,尽管赫兹的实验是了不起的(marvellous experiment),但如果要了解电磁现象,则需要深入系统地了解以太在磁场中势的状态。这个势是以太的某种形变造成的。基于这个理论,爱因斯坦认为,电磁波的传播速度和弹性力(elastic force)的根成正比,而和以太的质量成反比。由于密度的改变很小,爱因斯坦建议可以忽略密度的改变。如果可以在实验上测量出弹性系数的某个分量,说不定还和光的双折射现象有关。可以看出,对于年轻的爱因斯坦而言,他对以太的认识基本还是机械论的观点。需要注意,固体中声波也是需要计算各种弹性系数(比如托马斯·杨的弹性模量等)等,所以声波和以太似乎有一个可以直接类比的关系。有趣的是,这个托马斯·杨,就是提出光波动理论、破解古代埃及文字的那个百科全书式的学者。毫无疑问,爱因斯坦是熟悉经典力学的基本知识的。在这篇文章中,他利用类比思想对以太的性质做了描述。在他看来,普通固体材料有的性质,以太也应该有。这种类比思想是在法拉第、麦克斯韦等人建立起来的电磁理论中被广泛采用,即便在今天,它依旧是科学中的重要的研究范式。

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图6. 爱因斯坦《关于磁场中以太状态的研究》手稿

在爱因斯坦看来,如果可以弄明白弹性系数的三个分量是如何影响以太的速度的,我们可以在此基础上研究磁场。他提出了三种可能需要区分的状态:

1. (磁)力线在北极以金字塔的形状汇集在一起;

2. (磁)力线在南极以金字塔的形状汇集在一起;

3. (磁)力线是平行的。

波沿着这些力线方向和它们垂直方向的传播速度都是需要经过实验测量的。如果实验精度足够高,它们是可以被区分和测量的。爱因斯坦给出了一些猜测,只要建造足够精密的仪器来测量波长,我们就能够获得波在力线和垂直于力线方向的传播速度,以太弹性形变及其产生的原因也将由这些实验确定。至于为什么是金字塔形状的?我们也许无从得之。但是这个形状似乎很像柏拉图多面体(图1)。我们要知道,在物理学发展历史上,许多重要的物理模型都是基于这个图像而表示的 (比如开普勒的天体模型),它们是最完美的结构。爱因斯坦最后总结:在实验上可以证明,这里存在一个电流的被动的阻力导致了磁场的产生。这个阻力和电流的路径长度成正比,但是和它的截面尺寸无关。

现在我们非常清楚,他的理解都是错误的。但是爱因斯坦有这样的认识,是情理之中的事情。对当时的科学家而言,放弃以太假设的代价,远远大于对这个理论的修正。比如1892 - 1895年洛伦兹坚持自己提出的尺缩理论是基于以太理论假设的,以太只有尺缩,没有时延。 这是一种折中的态度。1915 年,洛伦兹在回忆这段历史的时候写道:“我失败的主要原因是我死守一个观念:只有变量t才能作为真正的时间,而我的当地时间t’仅能作为辅助的数学量。”  1905年6月,庞加莱先于爱因斯坦发表了相关论文《论电子动力学》,但是也没有触及根本。杨振宁先生对这几人有非常精辟的分析(见2018年杨先生的采访【11】),他指出,洛伦兹有数学,但没有物理学,而庞加莱有哲学,但也没有物理学。只有26岁的爱因斯坦,意识到了问题的关键在于时间的相对性。从论文中我们可以了解到,作为一个高中生,此时爱因斯坦对最新的电磁理论了解并不算多,他的很多知识,都是从一些不严谨的书籍中获得的,我们甚至很难看出他直接阅读过相关发表的论文。当时,已经有许多实验没有测量出以太存在的证据,以及洛伦兹等人提出来的修正性解释,爱因斯坦对这些实验和理论进展都不甚了解。尽管那时他已经知道了1888年赫兹的实验,明白光是一种电磁现象,但他对麦克斯韦的理论尚不熟悉,对于光和电动力学(light and electrodynamics)是什么关系,他也不太清楚。在大学阶段,他才完成了对这些知识的系统学习。此时的爱因斯坦没有将怀疑的眼光投向时间和空间等基本哲学问题,甚至可能也没有意识到以太理论存在的问题。单单从论文本身来看,我们还找不到狭义相对论的影子。但它反映出年轻的爱因斯坦已经开始思考电磁现象之间的联系,并试图建立一个与实验事实相符的理论。无论1905年《论动体的电动力学》的真正起源是什么,这篇论文的思考都显得弥足珍贵。从1894年到1905年,爱因斯坦有十年的时间思考这些问题(爱因斯坦在《自传》中提到他从16时就思考这些问题,和这个时间一致)。在这段时间中,他获得了大学学位,后来在和几个朋友经常在家举办各种讨论会。其间讨论过许多哲学家的著作,包括马赫对牛顿的批判。马赫批判了牛顿的绝对参考系和时空观,并且质疑了它的必要性。马赫质疑原子论,也是类似的观点,即不存在的东西,是否可以作为理论的基础。爱因斯坦很有可能受到了这个观点的直接影响,既然以太没有被测量到,那么是不是可以干脆放弃以太学说?他的相对论,就是建立在这种假设的基础之上。这种想法,其实也非常符合奥卡姆剃刀原理:既然它没有被观察到,何必要考虑它呢?就方法论而言,爱因斯坦有一个信念,即理论必须以经验事实为依据 (1918年8月28日与贝索的通信)。

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图7:爱因斯坦早期读过的哲学著作 (来自文献【4】)


第三部分:总结以及对当下教育的启示

物理学家总是喜欢追求更加本质的原因,这一点很像柏拉图的洞穴隐喻。一方面,我们的科学是经验的,但是我们希望努力探寻背后的根源。所以对以太的研究,是物理学不可绕开的问题。它和超距离相互作用以及光的波动媒介理论密切相关有关。爱因斯坦的这段故事是非常有趣的,因为我们可以看见一个伟大的人物是如何犯错“错误”,以后后来终于取得突破的。最后我们谈一点点启示。从他的这篇文章,我们发现,当他还是一个高中生——也许初中就已经具备了,因为从12 - 16岁开始,他就开始学习欧几里得的几何、微积分以及物理知识——他就已经可以独立思考了。同时,为了满足他的兴趣,他还自学了许多物理学知识。从目前的资料来看,他喜欢物理学,喜欢哲学,并读过许多哲学书籍。在20世纪初 (1902年 - 1905年),哈比希特、索罗文与爱因斯坦等几人成立了奥林匹亚科学院, 他们讨论的问题涉及数学、物理和哲学 (见霍华德的“作为科学哲学家的爱因斯坦”【4】,以及图6)。他在16岁的时候,就阅读了康德的《纯粹理性批判》,《实践理性批判》以及《判断力批判》。同时,他也参加了一些关于康德的讲座,并在大学阶段学习过一些哲学课程。所以,爱因斯坦的成就,既有长期思考和积累的原因,也有长期以来学习哲学的影响。爱因斯坦也有许多哲学家朋友,除了和上面提到的这些人经常讨论哲学问题,他和著名的哥德尔(Kurt Friedrich Gödel ,1906年4月28日- 1978年1月14日)也一直保持着非常好的朋友关系。更多的细节,请读者参考文献【4,7】。

那么,这个年龄段,我们的高中生都在做什么呢? 当下中国的教育以填鸭式教育为主。在高中阶段,就算是成绩最优秀的学生,也是以被动接受教育为主。所以爱因斯坦的第一篇论文,对我们有很大的启示意义。我们如何培养有创造力的学生?毫无疑问,努力学习,是不够的;靠高中、大学老师填鸭式的教育,也是不够的; 靠天天做题目,也是不够的。培养学生的独立思考能力以及他们的批判性思维,就显得非常有必要。今天回头看爱因斯坦的第一篇论文,就不会感觉它只是一些稚嫩的错误了。从一个老师的角度来看,成功的学生应该具备的能力包括自学能力、独立思考、批判性思维能力(critical thinking)以及自我激励(self-motivation),这恰恰是当代我们从小学到大学的整个教育体系所缺乏的。学生在大学阶段,基本是强弩之末:他们的思维和习惯已经固化了,而激情又已经消失了。笔者在上课的时候和学生谈到万有引力的非局域作用力问题,以及洛伦兹力的破坏伽利略变换不变性等,绝大部分学生对这一点不会感到奇怪和惊讶。当然,主流的教材,也不会对这些哲学层面的问题做过多讨论。如何解决中国当下的困境,恐怕不是大学单方面努力就够的了。至于说如何培养批判性思维,从物理学发展的历史来看,很多重要的批判都是来自哲学,所以在学习的过程中适当学习一点哲学和科学史,也许是培养这种思维能力的有效方式。对任课老师来说,这也是一个挑战。

爱因斯坦对哲学和历史对物理学的关系有类似的明确的看法。在英费尔德的文章(【4】,黄娆、曹则贤译)就提到一个有趣的故事。爱因斯坦在回答桑顿(Robert A. Thomton)的信中说:“我完全同意你关于历史、科学哲学以及方法论的重要性和教学价值的看法。目前很多人,甚至职业科学家,在我看来也是只见树木不见森林。大多数科学家都带有其自身所处时代固有的偏见,而对历史和哲学背景的了解能使他们得以从这些偏见中独立出来。我认为,由哲学见识产生的这种独立性是区别一个纯粹的工匠或者专家与一个真正的真理追求者的标志。” 这不是客套话。几年之后,爱因斯坦在《爱因斯坦:哲人科学家》一书中写道:“认识论和科学之间的互反关系是显著的。它们互相依赖。脱离了科学的认识论成为一副空架子;没有了认识论的科学可以想见地只能是原始和混乱的。” 所以,对他而言,他的确是这样做的,哲学思考的习惯让他成为更好的物理学家。学习一点哲学和历史的目的,不是建议学生或者研究人员在研究问题时按照哲学的方式来研究问题,这是行不通的。而是为了培养批判的习惯和独立的判断能力。而笔者最喜欢的爱因斯坦对科学的评价是:“西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础的,那就是西方哲学家发明的形式逻辑体系,以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系。” 爱因斯坦本意是为了回答中国为什么没有独立发展出科学来,因此这句话也刺到了中国人的痛处。这两个非常重要的基础在中国的传统文化中就压根没有。为了培养学生的批判性思维,似乎没有比哲学和历史更能胜任这份工作了。

补充: 现在正好是研究生夏令营面试期间。我们也看到了许多优秀学生的成绩单。很多学生在大学阶段,花了大量的时间在一些“莫名其妙”的课程上,比如“大国战略”,“茶道”,“桥牌”,“音乐欣赏”,“电影艺术”,“健美”,“形式与政策”, “社交礼仪“,“中国近代史”等。这些可能都是识教育的重要组成部分。它们它们是否有助于培养学生的批判性思维,还是说对于很多大学教育而言,所谓的通识教育,就是多学一点非本专业的东西,这就不得而知了。如果减少一些没用的课程,让学生有更多时间思考一些基本的问题,对于解决当下的教育困境是一定有帮助的。如果我们仔细分析就会发现,这种能力不仅对科学有用,对一些文科也是有用的。从这个角度而言,爱因斯坦的第一篇文章,对我们当下的教育困境可能有重要的现实意义。

参考资料:

1. Albert Einstein's 'First' Paper(爱因斯坦的第一篇论文轭), Physikalische Belatter, 27, 385 (1971); https://doi.org/10.1142/9789812810588_0001

2. 马赫为什么拒绝相对论,董光璧,《自然科学史研究》,1988。

3. 关于牛顿是否提出“超距说”的看法,阎康年,《科学技术和辩证法》,1989。

4. 作为科学哲学家的爱因斯坦,霍华德,翻译: 黄娆、曹则贤,《科学文化评论》2006年,第6期37-49页。https://www.sohu.com/a/334506817_136745                                                                                                                                                                            

5. 西方哲学史,罗素。

6. 物理学的进化,爱因斯坦,英费尔德 著,李永学 译。机械论、场论、量子化、相对论是这本书的几个重点。

7. 关于爱因斯坦对哲学的兴趣,可以参考他67岁写的《自序》 (见《爱因斯坦文集》,商务印书局)。从《自述》中可见,他对物理学的很多兴趣, 都来自伯恩斯坦的《自然科学通俗读本 》的《自然科学通俗读本 》。《自述》没有提到他的1894-1895年的论文。

8. 真空不空, 涂涛,郭光灿, 物理,卷7,549 - 556 (2017)。

9. 物理学中的理论概念,郎盖尔 著, 向守平等 译, 中国科学技术大学出版社。

10. 从奥卡姆、牛顿、马赫到爱因斯坦——简单性原则的探讨,高雁军,《湖北民族学院学报》, 1994年。牛顿深受简单性原理的影响。在其《原理》中第一条,即对逻辑简单性的追求,因为“自然界喜欢简单”。最小作用量原理也和奥卡姆原理有关。

11. 爱因斯坦的机遇与眼,杨振宁,新浪科技《科学大家》, 2018年10月24日,网址链接: https://tech.sina.com.cn/scientist/2018-10-24/doc-ifxeuwws7309365.shtml


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