科学中的革命-第57章
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《科学中的革命》
科恩著
第27章 相对论和量子论
无论是对非科学家还是对科学家来说，相对论简直就是本世纪科学革命的同义语，而对于那些知情者来说，量子论（尤其是它的发展形式量子力学）是一次更为伟大的革命。我们将看到爱因斯坦作为科学家的伟大之处，他对这两场革命都做出了根本性的贡献。
谈到相对论，我们必须记住有两种不同的相对论理论：一是狭义相对论（1905），它研究时间，空间和同时性问题，由此推导出著名的质能关系式E＝mc2。二是广义相对论（1915），它研究引力问题。尽管两种相对论都是革命性的，但对相对论革命的探讨主要集中在狭义相对论的结果上。然而，真正促成全世界对狭义相对论引起重视的事件是1919年广义相对论的一个预言——星光经过太阳附近时，会因太阳引力场的作用而发生偏转——获得了证实。这次验证是在一次日蚀时进行的天文观测完成的，这一事件立即使相对论风靡全世界，而爱因斯坦也一夜之间成了家喻户晓的人物。
狭义相对论
爱因斯坦于1905年首次提出狭义相对论原理，论文发表在《物理学年鉴》上，同年，他对狭义相对论作了重要补充，并为辐射问题建立了最初形式的质能关系式。1907年，爱因斯坦完成了一篇的相对论的综述文章，其中包含一般形式的质能关系式E＝m2。他的卓越论文建立了全新的质量，时间和空间概念，并向明显简单的同时性观念提出了挑战。最初，爱因斯坦提出了“相对性原理”，并引进了“另一个假设”：“在任何给定的惯性系统中，无论发光物体是处于静止状态还是在作匀速运动，光在真空中的传播速度都是一个确定值C”。相对论的伟大意义在于，它抛弃了“绝对”时空观以及空间充满了以太的思想；而在当时，以太被视为是光和其它形态电磁波的传播媒介。
现在看来，1905年6月爱因斯坦关于相对论的开创性论文在《物理学年鉴》上发表，是理论革命阶段的典型例子。我们在第2章中已经看到，M．玻思1905－1906年间在哥廷根研究“运动物体的电动力学和光学”时，竟然从未听说过爱因斯坦和他的工作。1906…1907年间，英国剑桥大学的情况亦是如此。根据爱因斯坦妹妹的回忆（佩斯1982，150…151），爱因斯坦当时“想象在有名的，拥有众多读者的杂志上发表论文，便会立即引起注意”。当然，他期望“强烈的反对和最严厉的批评”，但缺少反响和“冷处理”反而使他“非常失望”。不久，他收到M．普朗克的一封信，就论文中几处疑点提出问题，这使爱因斯坦感到“异乎寻常的高兴”，因为普朗克是“当时最伟大的物理学家之一”。相对论后来迅速变成了物理学家感兴趣的议论和研究课题。这种戏剧性转变主要是由于普朗克较早且较深入地介入了相对论研究所引起的。爱因斯坦论文发表的第二年，普朗克就开始在柏林讲授相对论理论，但他当时讲演的基础不是爱因斯坦的工作而是洛伦兹的电子论。1907年，普朗克的助手冯·劳厄（后来的诺贝尔奖金获得者）发表了一篇关于相对论的专论。
1906年9月，普朗克在德国物理学会上发表了关于相对论的演讲（同年刊登在杂志上）；1907年，在普朗克的指导下，K．V．莫森格尔完成了第一篇专论相对论的博士论文（佩斯1982，150…151）。佩斯指出，早期介入这一领域的人实在是太少了。乌尔茨堡的Y．劳布和布莱斯劳（乌罗斯劳）的L．拉登伯格是为数不多的几个例外。劳厄曾经来到伯尔尼拜访爱因斯坦，他发现难以置信的是，这个‘年轻人”竟然是“相对论之父”。几年后，冯·劳厄撰写了一篇非常出色的介绍相对论的学术论文。冯·劳厄在1917年3月24日写给爱因斯坦的信中，表达了对自己的物理学革命性工作的兴奋之情：“终于实现了！我的关于波动光学的革命观点发表了”。他接着写道：在“这一紧要关头”，它们“无疑会激起每一个保守的物理学家最强烈的憎恨”；但“我仍然要坚持这些备受谴责的观点”。
除了队玻恩自己介绍了他是怎样每一次听说相对论的之外，我们还从L．英费尔德那里了解到当时的一些情形。英费尔德（1950，44）曾谈到他的朋友S．洛里亚教授告诉他的一件事，洛里亚的老师“克拉克大学的维特科夫斯基教授（他是一位非常伟大的教师）”读了爱因斯坦1905年关于相对论的论文后，冲着洛里亚兴奋地喊道：“读读爱因斯坦的论文吧，又一个哥白尼诞生了！”又过了一段时间（玻恩说是1907年）洛里亚在一次物理学会议上遇到了玻恩，他向被恩谈起爱因斯坦，并问他是否读过那篇相对论论文。结果，“不光是玻恩，在场的每一位都从未听说过爱因斯坦”。英费尔德的故事说，他们立即“跑到图书馆，从书架上取出《物理学年鉴》第17卷，开始读起爱因斯坦的论文”。英费尔德说，M．玻恩立即认识到相对论的伟大，同时感到有必要对它进行数学形式化。英费尔德认为，玻思后来对相对论的研究工作，“是早期对这一科学领域做出的重要贡献”。
最初，表示愿意接受爱因斯坦狭义相对论的物理学家很少，因此不足以在世界范围内引发一场科学革命。但德国理论物理学家中却有一部分拥护者。1907年7月，普朗克在致爱因斯坦的信中说：“相对论原理的倡导者仅仅形成了一个不大的圈子”，由此他坚信，他们之间“取得意见一致尤显重要”（佩斯1982，151）。“相对论原理”既体现了普朗克个人偏爱的洛伦兹理论，也体现了爱因斯坦的相对论，然而，爱因斯坦的声望在持续增长，尽管仍然缓慢，1907年秋，J．斯塔克（《放射性和电学年鉴》的编辑）写信给爱因斯坦，要求他写一篇相对论的评述文章。1906年普朗克曾使用过相对性理论的术语（米勒1981，88），但1907年爱因斯坦采用了今天人们更熟悉的名称——相对论。第一篇引用爱因斯坦相对论论文的文章是W．考夫曼1905年撰写的。他认为爱因斯坦的“研究……与洛伦兹的研究在形式上是相同的”，只不过后者有益于推广。考夫曼最后说，他自己的实验数据驳倒了爱因斯坦和洛伦兹的电子理论，我们将稍后再来研究这个问题。
lop年，B．爱伦菲斯特写了一篇以爱因斯坦理论为主题的论文。第二年（1908），H．闵科夫斯基发表文章，把爱因斯坦理论从根本上转化为数学形式，“大大简化了狭义相对论”。经过这样几个步骤，理论革命才变成了真正的科学革命。佩斯（1983，152）指出，从1908年开始，爱因斯坦的名声及影响迅速提高。
爱因斯坦的学术生涯开始坦荡起来了。1909年春，他从伯尔尼瑞士专利局一个地位低微的审查员，一跃而成为苏黎士大学理论物理学助理教授，这很明显是由于他在固体量子论方面所做的工作。爱因斯坦的推荐人之一写道：爱因斯坦“当属最伟大的理论物理学家之列”（佩斯1982，185）。“由于相对论原理方面的工作，他正受到极其广泛的重视”。lop年7月8日，爱因斯坦获得了日内瓦大学的荣誉学位，同时获得这项荣誉的还有化学家W．奥斯特瓦尔德和M．居里夫人，他在这个职位上只呆了两年，1911年3月他来到了布拉格，晋升为德国卡尔·费迪南大学正教授。在那里工作了16个月后，F．弗兰克接替了这个职位。爱因斯坦又返回苏黎士，担任综合技术学院的物理学教授。
当然，影响接受狭义相对论的困难主要是观念上的，但也的确存在实验上的障碍。在1905年开创性的论文的结尾，爱因斯坦推导出一个电子横质量公式。这个公式与洛伦兹理论中的公式极其相似，其中的差异很快就被消除了。于是，这两种理论能给出相同的结果。但是，考夫曼在分别发表于1902和1903年的论文中指出，他的实验结果与洛伦兹理论（同样适用于爱因斯坦理论）的预言有很大差异，爱因斯坦对这些结果无动于衷（见米勒1981，81－92；333—334）。1906年，考夫曼在《物理学年鉴》（一年前爱因斯坦发表相对论论文的同一杂志）发表了一篇文章，详细归纳了爱因斯坦的时空观（米勒1981，343），并探讨了洛伦兹…爱因斯坦电子理论。他总结道，他自己的测量结果于洛伦兹…爱因斯坦理论的“基本假设是不相容的”（见霍尔顿1973，189－190；234…235）。洛伦兹因此写了一封信给彭加勒（米勒1981，334…3371982，20…21），说他自己的“心智已经枯竭”。他对彭加勒说，“不幸的是”，他的假说“与考夫曼的新实验矛盾”，他认为“不得不放弃它”。但爱因斯坦却坚信：实验数据与理论间“系统误差”的存在说明有“未被注意的误差源”；新的更精确的实验一定会证实相对性理论。爱因斯坦的话得到了证实，1908年，A．H．布歇尔发表了新的实验结果，完全符合洛伦兹和爱因斯坦的预言。1910年，E．胡普卡的实验对此再次予以确证。而决定性的结果是1914…1916年间获得的。从那以后，各种表明相对论正确性的论据不断出现，且极为丰富。
随着实验证据的出现，相对论本身进行了根本性的重构。这项工作是哥廷根大学数学教授H．闵科夫斯基完成的。有趣的是，几年前，阅科夫斯基在苏黎世大学教过爱因斯坦数学。1908年，闵科夫斯基发表论文，引进四维“时空”概念，取代了孤立的三维空间与外加一维时间的不相容概念，他还把相对论转化为现代张量形式（这要求物理学家们进一步学习由里奇和列维…西维塔建立的新的数学理论），在相对论中引进专业术语，并明确指出：由相对论观点看，传统的牛顿引力理论已经不够用了（佩斯1982，152）。很明显，爱因斯坦开始并没有理解闵科夫斯基工作的意义，甚至认为把他的理论写成张量形式是“多余的技巧”（同上）。但到了1912年，爱因斯坦终于转变过来了；1916年，他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大地简化了从狭义相对论向广义相对论的过渡。爱因斯坦（1961，56…57）后来着重强调了闵科夫斯基的贡献，他说，如果没有他，“广义相对论……也许还在襁褓中”。英译本经常采用的语句是“no furthr than its longcloths”。尽管“windel”在德文中最普遍的意思是“尿布”，但这里的含义显然是：如果没有闵科夫斯基，广义相对论一定还在孕育之中。
闵科夫斯基的时空观首次公开发表于1907年11月5日的一次演讲中，演讲的标题是“相对论原理”。但这篇演讲直至闵科夫斯基去世后六年的1915年才出版。不过借助在1908年和1909年发表的另外两篇论文，闵科夫斯基的时空观已经流传开了（加里森1979，89）。闵科夫斯基充分认识到了他的贡献的重要性。在1907年演讲时，他开宗明义地说：“先生们，我想向诸位讲述的时空观念……从根本上是全新的，……由此，孤立的空间和时间观念本身将注定要消失在阴影之中”。事实上，闵科夫斯基在这篇演讲的初稿上，把他的新时空观的“特征”说成是“革命的”，而且是“极端革命的”（同上，98）。可是，在讲演稿最后付印时，“革命的”这类词语被删除了。
M．玻恩向我们讲述他最初阅读爱因斯坦论文时的经过，这让我们了解到爱因斯坦的概念是多么深奥难懂，甚至对于那些没有数学问题的人也是如此。1907年，当洛里亚向他介绍爱因斯坦论文时，玻恩正是H．闵科夫斯基大学研究班的成员，因此，“对相对性思想和洛伦兹变换很熟悉”。他回忆说，即便如此，在阅读爱因斯坦论文时，“爱因斯坦的推理超出我的意料之外”。玻恩发现，“爱因斯坦的理论是全新的和革命性的”，是天才的创造。爱因斯坦的观点“向I．牛顿建立的自然哲学以及传统时空观大胆提出了挑战”。现在看来，玻恩确实认识到了爱因斯坦思想革命和理论革命的威力，但也清醒地看到了真正的科学革命尚未到来。新的观念和新的思维方式仍在研究之中，要科学家们接受、应用并作为他们共同的思想基础还须假以时日。玻恩后来明确指出，事实上，爱因斯坦理论是如此激进，如此新奇和革命，以至必须“做出相当努力才能很好地消化和吸收”。而且他还提醒我们，“并不是每个人都能够或愿意这么做”，看来他本人当初是做到了。爱因斯坦革命要求人们普遍接受关于物质世界的全新的思考方式。
1909年美国科学家G．刘易斯和R．托尔曼发表的文章，清楚地说明了接受爱因斯坦假说的实际困难。他们承认爱因斯坦的相对性原理“综合了大量实验事实，没有出现矛盾的反例”，其中他们列举布歇尔的实验作为支持这一理论的重要依据。然而，他们在感到相对论基本“原理”这一方面无可挑剔时，也感到另一方面暴露出的问题。例如，“绝对运动无法观察到”这一普遍原理表示理解时，他们觉得相对于任何独立观察者光速不变的原理令人难以接受（米勒1981，251－252）。他们认为，后一原理将导致长度和时间相对性的“奇异结论”，这可能是“基于某种感官心理学上的科学幻想”。
时间一年年地过去，越来越多的物理学家终于转变了过来。然而，他们当中有许多人只接受爱因斯坦公式，承认“收缩性”是光速不变性引起的空间问题的基础。但是，他们仍然坚持绝对时间和同时性的信仰（包括洛伦兹在内，见米勒1981，259）。1911年4月，法国物理学家B．朗之万在波隆那哲学家大会上发表演说，为相对论增添了更为轰动性的色彩。朗之万是一位卓越的科学家，爱因斯坦曾经说过，如果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现它。在讨论时间相对性或钟慢问题时，朗之万没有采用爱因斯坦那种利用运动时钟和静止时钟解释时间效应的费解的作法，而是用所谓的“孪生子悖论”取代了爱因斯坦的“时钟悖论”，并立即成为众所皆知的由相对论引出的怪物。相对论的时间问题是这样产生的：如果一对孪生兄弟一个留在地球上，另一个去星际空间旅行，那么当旅行的兄弟返回地球时，竟会发现与留在地球上的兄弟的年龄已经不同了。朗之万列举的另一个例子是，旅行者沿直线飞向一颗恒星，绕其一周后原路返回。如果旅行的速度足够大（当然比光速小），最后旅行者将发现，在他两年的旅行中，地球已经度过了漫长的两个世纪。哲学家H．相格森后来承认，正是朗之万19if年4月的演讲，“第一次唤起了我对爱因斯坦观念的注意”。
时钟（或孪生子）悖论很快成为（在某种程度上今天仍然是）相对论使人困惑甚至招来敌意的原因。V．劳厄曾谈到那些反对相对论的“思想内容”、基本公式或数学结果的人。1911年他写信给爱因斯坦，反对相对论的共同理由“主要是时间相对性和由此产生的悖论”。劳厄在1912年写的第一部相对论教科书中指出：这些悖论和其它有关时间相对性的问题具有“伟大的哲学意义”，正是由于这一原因，“只能用哲学方法”对待这些问题。我们还注意到，爱因斯坦在1911年�
