第27章 相对论和量子论

 《科学中的革命》

  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1981,334-337 1982,20-21),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年讨论这一见解时,使用了理想实验的方法。他假设把装有“小生物的盒子”送向“遥远的飞行旅程”,结果在它返回地球时,“盒子的内部情况几乎没有变化”,而留在地球上的生物已“繁衍生息许多代了”。

  尽管许多人不愿轻易接受爱因斯坦对物理学基本思想进行彻底重构,但他们却已在应用爱因斯坦的数学结果了。劳厄(和另一些人)曾指出,这些数学结果在形式上和洛伦兹理论的结果是一致的,但它们的‘物理本质’御有差异。劳厄甚至宣称(1911),两种理论的“实质差别是不可言喻的”。但人们很快就认识到爱因斯坦的理论更加优越,特别是在广义相对论建立之后,狭义相对论的重要性尤其显露出来。

  大约到了1911年,爱因斯坦的狭义相对论已经有了数量足够多的拥护者,一场科学革命发生了。同一年,A.索末菲宣布,相对论理论已经“完整地建立起来了,它不再是物理学的前沿了”(米勒1981,257)。1912年初,刚刚获得 1911年度诺贝尔物理学奖的 W.维恩建议,授予爱因斯坦和洛伦兹这项最高奖赏。他在推荐书上写道:从“逻辑的观点看”,相对论原理“应当被看作理论物理学最重要的成就之一”(佩斯1982,153)。他说,目前已有“实验明确证实了这一理论”。他总结说,“洛伦兹是发现相对论原理数学内容”的第一人,而爱因斯坦则“成功地将相对论简化为一个简单的原理”。

  当然,并不是所有物理学家都接受这一革命性的新观念。范德瓦尔斯在1912年说,至今还不能解释为什么质量和长度随着速度的变化而变化(米勒1981,258)。除了时间相对性引起悻论外,在否定绝对长度、时间和质量方面还引起了更根本性的反对意见,而“同时性的相对性”也是很难令人接受的。然而更加困难的是抛弃以太概念。如果没有介质支承,光和其它电磁波如何在空间存在呢?反对意见和声势如此强烈,也可看作是新理论革命性质的一个标志。

  在众多的反相对论的观点中,普林斯顿大学的W.F.马吉教授(1912,293)很有代表性。19if年,他在美国物理学会作会长就职演说时说,相对论原理不能满足这样的标准:任何“真正有用的终极答案……应当为每一个人所能理解,包括训练有素的学者及一般公众”。对他来说,相对论无法使人理解,因为它不能“用普通的,任何人都能明白的力,空间和时间概念来描述”。可是他显然并不清楚,牛顿的力和惯性的概念在1687年时是多么新奇!他显然也不懂得,除了少数几个学过理论物理学的人之外,真正懂得力和概念这些“普通概念”的人是多么稀少!

  马吉还宣称,“应当问问相对论发展中新思想的创造者,他们是否认识到这一理论的用途是多么有限,是否认识到它用可理解的术语描述宇宙是多么的无能为力”。他准备“警告他们最好先收起他们的辉煌理论,除非能够通过简化,利用普通物理学概念圆满解释相对论原理”。

  L.T.莫尔 1912年在《自然》杂志( 1912, 94: 370-371)上发表评述文章,总结归纳了马吉演说中的观点,并就科学革命作出了以下论述:

  

  爱因斯坦教授的相对论和普朗克教授的量子论已被喋喋不休地宣布为自牛顿时代以来科学方法上最伟大的一场革命。他们用数学符号作为科学的基础,拒绝承认数学符号背后潜在的坚实的实验基础,因而用主观宇宙取代客观宇宙。从这一角度来看,他们的做法无疑是革命的。问题是,他们这样做是前进还是倒退,是走向光明还是陷入黑暗?一般认为,伽利略和牛顿开创的革命依靠科学家们的实验方法取代了学院派的形而上学方法,这显然是正确的。而现在,所谓的新方法似乎恰恰相反,因此,如果这里包含什么思想革命的话,那事实上不过是返回到中世纪的繁琐哲学的方法中去。

  大约在20年后,L.T.莫尔(现任辛辛那提大学研究生院院长)在他撰写的牛顿传记(1933,333)中,仍然表达了他对“爱因斯坦教授广义的相对论”的厌恶,他指责这是“通向唯心主义哲学的最大胆的企图;这样的哲学只是灵活思维的逻辑游戏,完全无视客观世界的事实;它或许是有趣的,但却深深陷入了经院哲学”。他总结道,如果坚持相对论物理学(及其哲学),“将导致科学颓废变质成为中世纪经院哲学和宗教神学”。读者对于莫尔污蔑数学和符号逻辑学的伟大发展也许不会感到奇怪,他写道(同上,332),“值得注意的事实是,两部伟大的著作,两部或许是科学头脑所能做出的最天才的创造,现在正受到攻击:《新工具》受到现代符号逻辑学家的攻击;《原理》受到相对论物理学的攻击”。他最后的结论是:“当现代派被长期遗忘之后,亚里士多德和牛顿将会重新受到尊重;他们的学说将重新获得应用”(同上),从这些事例中我们可以发现,一场科学革命的深度与保守主义的猖狂进攻的猛烈程度以及它给科学思想所带来的根本变化的程度是成正比的。

   

广义相对论

  爱因斯坦曾经说过,即使他没来到这个世界上,狭义相对论也会出现,因为“时机已经成熟”(英费尔德1950,46),但广义相对论则不然。他怀疑,如果他未建立广义相对论,“它是否会为人所知”。广义相对论被称作“第二次爱因斯坦革命”(同上)。这是一次极大的飞跃,正当许多物理学家开始接受狭义相对论时,它再一次把他们抛在后面。普朗克曾以极大的热情欢迎狭义相对论并成为最早的支持者之一,他曾对爱因斯坦说:“现在一切都要解决了,你为什么还要招惹其它另一些事呢?”爱因斯坦之所以这么做是因为他是一位天才,远远走在了同时代人的前面。他懂得狭义相对论是不完满的,未能解决加速度和引力问题。他后来谈到导致他思想豁然开朗的主要思想(他曾将其称为“一生中最令自己兴奋的思想”,见佩斯1982,178引用的爱因斯坦的回忆。)是1907年11月在伯尔尼专利局工作时产生的。这个思想是:“一个人在自由下落时,将感觉不到自己的重量。”他说,这一“最简单的思想”促使他天。始研究引力理论,但直到1915年,他才发表了比较完整的广义相对论理论,第二年他又发表了被一位传记作家称为“钦定版本”的广义相对论,这个理论的建立主要基于英费尔德所说的“三个主题”:引力,等效原理,几何学与物理学的关系。理论的核心则是新的引力场定律和引力场方程,有人说,麦克斯韦在电磁场上做过什么工作,爱因斯坦在引力场也做过什么工作。广义相对论引人注目的特征之一是将牛顿力学中的引力简化为四维时空中的弯曲。J.H一吉恩斯在《不列颠百科全书》1922年第12版的相对论条目中写道:“宇宙图景”的新情景不再是“三维空间中一片以太海洋的受迫振动”,而是“四维空间世界线上的一个纽结”。

  广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动,该现象指出,轨道上运动的行星在绕太阳运行时,每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置,而是稍稍有些前移。这一事实早在19世纪中叶就已发现,但经典的牛顿天体力学无法对摄动现象做出满意的解释。第二个预言是,光线在引力场中将发生偏转。按照这个说法,星光在经过太阳附近时,将受到太阳引力的影响而偏折。结果是恒星的机位会有一个变化。观测这一现象只有发生日全蚀时才能进行,否则太阳的强烈光线使地面上根本观测不到太阳附近的恒星光线(瑞士天文学家M.施瓦兹柴尔德对这个现象做了详细的定量描述)。第二个预言通常被称为谱线“红移”,即恒星辐射总是背离我们而去。这就是广义相对论提出的三项检验方法。但我们知道当时正是1915年,第一次世界大战的硝烟笼罩在各科学发达国家的上空。爱因斯坦正在柏林,不可能进行任何日蚀观测。

  但爱因斯坦没有停止工作,1917年,他在《普鲁士科学院院刊》上发表论文,题为《广义相对论宇宙观》。尽管其中的结论已被抛弃,但这篇论文开辟了理论物理学的一个新领域。爱因斯坦指出,“义相对论能为我们的宇宙结构……问题带来希望之光”。科学的宇宙学研究由此创立,它把宇宙从形而上学的一个分支转变为物理学和天文物理学的一部分(英费尔德1950,72;“论爱因斯坦和宇宙学”,见佩斯1982,&15)。

  英国无文学家A.爱丁顿在战时研究了爱因斯坦的著作(见第25章),并很快成为爱因斯坦思想的忠实信徒和热情宣传者。他后来写了大量著作,包括权威性的《引力相对论理论报告》(1918),学术著作《相对论的数学理论》(1923),两部通俗著作《空间,时间和引力》(1920)以及《物质世界的本质》(1928),此外还有大量的演讲,文章和小册子。P.A.M.狄拉克回忆说,他在布里斯托尔大学读书时,就是通过爱丁顿的著作才最初接触到相对论的。更为重要的是,第一次世界大战刚一结束,爱丁顿立即在1919年组织了一支英国日蚀观测队,去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。与预言相符观测结果立即震撼了全世界的科学家和公众。

  今天很难想像1919年世界科学界的无限兴奋之情。两支观测队分别出发,一个派往巴西的索布拉尔,另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。1919年秋,观测数据进行了整理和分析后,在11月6日召开的英国皇家天文学学会和皇家学会的联席会议上天文学家们宣布:“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生了偏折。”皇家天文学会的侧察部杂志和《皇家学会会刊》都对历史性的会议作了充分报道。著名科学家J.J.汤姆森是会议主席,他宣称:这是“自牛顿以来引力理论的一项最重要的成果”,是“人类思想的最伟大的成就”。第二天,1919年11月7日,历来严谨的英国《泰晤士报》赫然出现了醒目的标题:“科学中的革命”,两个副标题是“宇宙新理论”,“牛顿观念被推翻”。11月8日,《泰晤士报》又发表了另一篇论述革命的文章,标题为“科学革命”,“爱因斯坦挑战牛顿”,“杰出物理学家的观点”。文章告诉读者,“这件事成了下议院热烈讨论的话题”;卓越的物理学家,皇家学会会员,剑桥大学J.拉莫尔教授“受到围攻,要求对牛顿是否被击败,剑桥大学是否垮台做出答复”。荷兰的报纸也迅速刊登了这一消息。H.A.洛伦兹在11月9日的《鹿特丹报》上发表文章,《纽约时报》立即翻译转载。11月23日,M.玻恩也在《法兰克福大众报》上发表文章。12月14日,爱因斯坦的照片刊登在《柏林画报》周刊的封面上,照片下的文字说明宣称:爱因斯坦开创了“人类自然观的一场革命”;他的洞察力堪与哥白尼、开普勒和牛顿相比(佩斯1982,308)。在12月4日《自然》杂志的一篇文章中,E.昆宁翰指出:爱因斯坦的“思想是革命性的”。

  A.佩斯(1982,309)曾核查了自 1919年11月9日开始《纽约时报》索引中有关爱因斯坦和相对论的文章标题或传奇故事。“爱因斯坦理论的胜利”与“十二智者书”连接在一起(其中谈到爱因斯坦警告出版商的话“全世界不会有再多的人懂得它”)。该报不仅刊登传奇故事,而且还发表了社论,相关文章持续见报,直至当年12月佩斯发现,从那以后直到爱因斯坦去世,《纽约时报》没有一年不刊登有关爱因斯坦的文章,爱因斯坦成了一位传奇人物。当爱因斯坦1921年去伦敦时,霍尔丹勋爵在皇家科学院的一次演讲中,把爱因斯坦引见给了大家。爱因斯坦住在霍尔丹的别墅里,当爱因斯坦来到他家时,霍尔丹的女儿见到这位著名的客人后,竟“激动得昏了过去”(佩斯1982,312)。霍尔丹在皇家科学院介绍爱因斯坦时,谈到在这次演讲之前,爱因斯坦“已经到西敏寺大教堂瞻仰了牛顿的墓地”。

  自那时起直至现在,科学家和非科学家,历史学家和哲学家撰写的著作都把(广义和狭义)相对论与“革命”紧紧地联系在一起了。1912年,霍尔丹在他的著作《相对论时代》(第4章)中谈到这个问题时写道:“爱因斯坦开创了我们关于物理学观念的革命”。对于哲学家K.波普尔(惠特罗1967,25)来说,爱因斯坦使“物理学革命化”。物理学家M.玻恩(1962,2)和S.伯吉亚(1979,82)的表述分别是:爱因斯坦的“革命时空观”和“爱因斯坦革命”。玻恩(1965,2)还说:“IM年的狭义相对论”是标志物理学“古典时期的终结和新纪元的开始”的一件大事。S.温伯格(1979,22)认为,爱因斯坦最伟大的成就是,“他第一次把时间和空间纳入了物理学的体系,从而脱离了形而上学的束缚”。按照数学家A.玻莱尔(1960,3)的说法,爱因斯坦“不仅带给我们新的物理学理论,而且教给了我们认识世界的新方法”。因此,“凡是学习过他的理论的人,不可能再按他们过去的思维方式进行思考了”。西班牙哲学家J.0.伽塞特在他的著作中没有明确使用革命一词,但他却宣称:爱因斯坦的“相对论是当今最重要的智慧成果”。因此,爱因斯坦相对论在开创物理学革命的同时,也引起了一场哲学革命。

  事实表明,广义相对论比狭义相对论更能满足本书第3章提出的科学革命的检验标准。但是,广义相对论的发展史比起狭义相对论来更显得艰难曲折。很长一个时期,只有天文学家(而且只是那些研究宇宙学的天文学家)对广义相对论感兴趣,物理学家则不然,S.温伯格(1981,20)指出:“在最基本的层次上研究物质的物理学的全部现代理论,在很大程度上依靠两大支柱”,一是“狭义相对论”,一是“量子力学”。塞格尔(1976,93)在回顾2O年代和30年代物理学家们的活动时,也特别指出:“与狭义相对论相对应的广义相对论,目前尚不是物理学家们感兴趣的前沿课题”。这也就是说,广义相对论与狭义相对论不同,它对于当时主要的研究课题如物质理论和辐射理论并不是必须的。例如,在我30年代末攻读物理学研究生时,几乎所有的课程如原子物理学,量子力学甚至一些基础课和专业基础课都涉及到狭义相对论,但只有少数数学家(在G.D.伯克霍夫的激发下)研究广义相对论。另外,广义相对论暗示,建立得最为成功的理论物理学的一个分支——牛顿万有引力理论——犯了一个根本性的错误或说它并不完整,而且广义相对论还引进了“四维时空的弯曲”这一奇特的概念来解释引力。我们应当懂得,伟大的1919年日蚀实验只是定性地说明了光线传播将受引力场的影响,更精确的日蚀实验则是以后的事了。但是,在爱因斯坦最初提出的三项检验方法之外,再找到新的方法可能又要过去数十年。温伯格曾指出,只有在“爱因斯坦建立他的理论40年之后”(温伯格1981,21),才能构想出并完成新的更精确的实验,证实广义相对论。

  第二次世界大战结束后的几十年间,世界发生了很大的变化,在实验室进行精确的验证实验已经成为现实。于是,人们对引力的本质,引力与自然界的其它几种基本力(电磁力,强相互作用,弱相互作用)的关系问题产生了新的兴趣。庞大的物理学和天文学“工业”日益兴起,集中研究广义相对论及其在宇宙学和宇宙论研究中的应用。其他的物理学分支也是如此。结果正如S.温伯格所预言的,人们一项重要的共识是,为了“弄懂超短距离的万有引力”,还需要“另一次伟大的飞跃”(1981,24),另一次革命,“建立更加普遍适用的原理”,而目前我们对此还没有任何概念。一句话,广义相对论今天已成为科学家乐此不疲的研究课题,热情之高或许是前所未有的。

  

量子论的创立:普朗克和爱因斯坦

  量子论在许多重要的方面与相对论有所不同。几乎每一个人都听说过相对论和他的创立者A.爱因斯坦,但只有科学家和少数非科学家(他们不是学过科学,就是对科学感兴趣。)知道量子论。然而,几乎每一个涉及到物理学某一方面的人(不仅是物理学家,也包括化学家,天文学家,生物化学家,分子生物学家,冶金学家等)都会在他们各自的工作中经常性地应用量子论及其成果。在这方面,广义相对论远远不能望其项背。量子论不仅广泛渗透到许多学科中,而且也和相对论一样,使我们的科学思想和科学哲学发生了根本变革。相对论和量子论的革命性很早就被人们认识到,但两者都长时间处在理论革命阶段。

  量子论的发展经历了三个主要阶段:古典量子论(普朗克,爱因斯坦,玻尔,索未菲,康普顿),量子力学(德布罗意,薛定谔,海森伯,约尔丹,玻恩)以及最新的相对论量子力学或量子场论,前两个阶段均被视为革命。事实上,物理学家们感到很难找到足够有力的言词表述量子革命的深度和广度。W.维斯考普夫(1973,441)认为,“M.普朗克发现量子这一壮举,…创立了一门最富成果的学科,也是自然科学最具革命性的发展”。他补充说,在普朗克做出发现后的三十年间,“我们关于物质特性和行为的知识发生了广泛而深远的变革”,历史上很少有哪个时期能与之相比。P.戴维斯(1980,9)写道:“本世纪初,关于物质的量子论的出现导致科学和哲学发生了一场革命”。他指出,“耐人寻味的是,历史上几次最伟大的科学革命在很大程度上都不被一般人所注意”,他认为这是由于“革命所蕴含的摧枯拉朽之力几乎超出了人们的想像——一甚至超过了科学革命本身。”(p.11)

  量子论通常被视为创立于1900年,这一年,普朗克发表了他的“作用量子”的概念。普朗克不像爱因斯坦五年后所做的那样,他没有涉及光或辐射相互作用的过程。他探讨的仅仅是容器壁上振动粒子的能量交换和黑体辐射问题。他通过研究发现,能量的交换是以跳跃的方式进行的,大小与能量值hv有关,这里的h是普朗克首次引入的自然界的普遍恒量。正如T.S.库恩所指出的,普朗克在1900年仅仅作了这样的假定:能够以频率v振动的振荡体(有形体,而非以太振动)的总能量可能是由一组与它们的频率成正比的单元能量子的集合。与后来的光量子概念相比,这个假定是非常克制的。而光量子概念则指出,光是有一个个具有确定性质的分立实体组成的,每一个实体(即光量子)具有的能量为hv。

  我们很容易理解普朗克为什么没有,哪怕是设想进一步做出更为实质性的假设:光是由分立的粒子或能量小球“组成的”。首先,这样的假设对他的黑体辐射公式来说并不必要;其次,也是更重要的,它与19世纪建立的最为完善的物理学分支之———光学有着不可调和的矛盾和冲突。由麦克斯韦,赫兹以及其他人建立起来的光学理论表明,光(和各种电磁辐射)是一种波动现象,在空间传播过程中始终振荡着,显然这与所谓的分立粒子的概念是绝对不相容的。事实上,当爱因斯坦五年后公布他的光量子假说时,它本身就包含着概念上的困难。因为按照这个假说,光量子的能量取决于光的频率,光的频率又是通过测定波长换算的,而测定波长必须使用“干涉”技术,而这恰恰是几十年前波动光学理论赖以建立的实验基础。

  普朗克后来谈到他大胆建立能量子概念时说,这是“孤注一掷的行动”(佩斯1982,370)。按照佩斯的说法,他的推理“是疯狂的”,但这种“疯狂却是神圣的”,“只有最伟大的划时代的人物才能把这种神圣的疯狂引人科学”。这种精神使他做出“第一次伟大的观念上的突破”,把我们这个时代的物理学与全部经典物理学区分开来;这种精神把一个非常保守的思想家“改造成一个有些犹豫不决的革命者”。尽管普朗克通常被描绘成一个违背自己意愿,被迫迈出通向量子论关键性一步的物理学家,但他在许多场合下却流露出对爱因斯坦和他自己工作所体现出的革命性的由衷称赞。他对爱因斯坦相对论极尽赞美之辞(见霍尔顿1981,14),他在一次谈话中说:“这种新的思维方式……远远高于理论科学研究,甚至知识论研究所取得的任何成就”。对普朗克来说,“相对论引发的一场物理学观念的革命,在深度与广度上只有哥白尼体系引发的天文学革命可与之相比”。普朗克在诺贝尔奖授奖仪式上所作的讲演中说,“要么作用量子是一个虚构的量,辐射定律的全部推导也是虚构的,不过是空洞而毫无意义的算术游戏;要么辐射定律的推导是以正确的物理概念为基础”。他解释说,如果是后者,那么作用量子将“在物理学中起根本性的作用”。原因是,它“是一种崭新的,前所未闻的事物,它要求从根本上修改我们自从牛顿和莱布尼兹在一切因果关系的连续性基础上,创立了微积分以来的全部物理学概念”。在这篇演讲中,谨慎的普朗克在谈自己的工作时,没有明确使用“革命”术语。爱因斯坦充分认识到普朗克在开创全新的物理学过程中的地位和贡献。1918年,爱因斯坦推荐普朗克作为诺贝尔奖候选人,以表彰他“奠定了量子论的基础,丰富了全部物理学,这在近年来表现得尤为明显”(佩斯 1982,371)。

  M.玻恩在皇家学院为普朗克写的悼词中,描述了1900至1905年整个知识界的疾风暴雨之势。玻恩“毫不怀疑”普朗克有关“作用量子的发现”,是“堪与伽利略和牛顿,法拉第和麦克斯韦开创的科学革命相媲美”的一件大事。他在早些时候曾写道,“量子理论可以追溯到1900)年,那一年,普朗克宣布了他的能量子或量子这一革命性概念”(196,l)。他宣称,这件大事“对科学的发展是决定性的”,因此,“它通常被视为经典物理学和现代或量子物理学的分水岭”。但玻恩(1948,169;171)提醒我们说,不要轻率地接受所谓“普遍承认”的观点,即“普朗克做出伟大发现的1900年,标志着物理学新纪元的真正到来”,因为“在新世纪的最初几年,几乎什么事情也没有发生过”。玻恩又说,“当时正是我作学生的时候,我记得在课堂上很少提及普朗克的观点。即使偶尔提到了,也是作为一个理所当然应当被抛弃的‘昙花一现的假说’。”玻恩特别强调爱因斯坦的两篇论文(分别写于1905和1907)的重要性。可是,尽管玻恩宣称1900年后“普朗克已转入别的研究领域”,但他“绝没有忘掉他的量子”。1906年普朗克所写的一篇关于热辐射的论文表现了这一点,这篇论文“巧妙地展示了导致量子假说的一个步骤,给人以极深刻的印象”(玻恩1948,171)。

  爱因斯坦在开创相对论革命的年代里,还对量子论做出了根本性的贡献,这充分说明了爱因斯坦的伟大之处。在1904年一篇关于统计物理学的论文中,爱因斯坦首次提到量子论。1906年,他再次以统计力学为主题进行了研究,建立了今天所谓的“固态量子论”。更为重要的是,正是他在1905年3月撰写的论文标志从普朗克潜在的革命思想到真正的科学革命的转变,尽管还只是处在理论革命阶段。1905年论文包含两个根本性的假设:一个是,当光或“纯”辐射在空间传播过程中,它被构想成由分立的和单个的粒子或小球(量子)组成;另一个是,物质在辐射或吸收光(或任何形式的电磁辐射)的过程中,也是以同样的量子形式进行的。这些假说不仅同普朗克1900年的假说相去甚远,构成一场彻底的转变,而且也与当时普遍接受的物理学理论有着根本性的冲突。佩斯(同上)认为,这项工作已成为“爱因斯坦对物理学最具革命性的贡献”;它“推翻了关于光和物质相互作用的全部现存观念”。我们已经看到,爱因斯坦本人特别把他的这项发现描述成“革命的”。

  爱因斯坦1905年3月的论文题为“关于光的产生和转化的一个启发性观点”。“heuristic”一词在物理学中很少使用,它主要是在哲学和教育学中使用,意思是某种假定(或说法)对发现和解释有一定的帮助,但不必把它当真。按理说,爱因斯坦应该在1907年那篇相对论的论文和《狭义和广义相对论浅说》(1917,英译本1920)中再次使用这个词汇,但他没有这样做。他之所以在论述光学的论文中引进这个词,原因是他提出了一个可能并不存在的粒子性概念解释光的大部分已知现象。光的波动学说是19世纪物理学取得的最伟大的成就之一,并且被光的干涉实验所证实。克莱因援引别人的话说,爱因斯坦(克莱因1975,118)显然是在提议“物理学家们放弃光的电磁波理论”,而这是“麦克斯韦的电磁场理论和全部19世纪物理学取得的最伟大的胜利”,除此之外,爱因斯坦的假说没有任何实际意义。因此,爱因斯坦提出的只是临时性的假说。

  描述一种波动所用的基本参量是速度、波长和频率。在爱因斯坦粒子假说的能量子hv概念中,频率v 常常通过波动方程导出,而其中波长参数则运用“干涉”技术测定。但在光量子概念中,对于波动理论极其重要的参量波长对于粒子或光量子却没有明显的物理意义。连续的或波动的特性与分立的或粒子的特性之间的对立是如此明显,以至于爱因斯坦不得不在他的论文中写上这样的话:“假设我们的见解是符合实际的”。普朗克始终认为,光和其它形式电磁辐射是由波动构成的,因而是无限可分的:分立的能量元或量子只是连续波与物质化互作用产生的一种效应,例如在光的吸收扣辐射过程中所表现出的,但却不是光波的基本特征。其他物理学家也长期持这种看法。按照爱因斯坦1905年的假设,光本身正是由分立元或量子构成的,也就是说,光(和任何形式的电磁辐射)必定具有一种“细胞”状的结构。在爱因斯坦的概念中,量子是光本身的基个特征,而不是以在光和物质相互作用过程中才表现出来。尽管科学家和科学史家今大一般都称“爱因斯坦的光量子理论”。但光子的概念是很晚才建立的,而且它另外还有动量的性质。而且,爱因斯坦直到临终以前(如在去世前一周的一次采访中)仍然坚持说,它“不是一个理论”,因为它不能为光学现象提供个圆满的解释。

  尽管爱因斯坦的论文是假说性的,启发性的,不完整的和理论上的,但其中确实有一节是极为重要的、确定的,可以通过直接实验加以验证。这部分是爱因斯坦对光电效应的讨论光电效应现象是赫兹于1887年发现的.它的许多特性是P.勒纳德于1902年观察到的。在光电效应现象中,入射光照在金属表面上会引发电子辐射。实验表明、入射光必须超过某个频率以后,才能打出电子;实验还表明,不同金属的“临界”频率是不同的。爱因斯坦指出,假设光是由分立的量子构成,那么“最简单的设想是”,一个“光量子把它的全部能量给予了单个电子”。如果光(或辐射〕是单色的,频多为v ,则每个光量子的能量为hv。这个能量要做两件事:克服金属对电子的束缚力而作“功”(P);给辐射电子一定的功能(E);电子离开金属表面时拥有的能量用公式表示就是:

  E+ P= hv

  或

  E=hv-P.

  爱因斯坦公式解释了光电效应的一些规律。一个规律是,辐射电子的动能E与光的亮度或强度无关,而只取决于它的频率。(爱因斯坦的解释是,光强是光子数目的量度,表明辐射电子的数目,而非能量)。公式还揭示了辐射电子的能量E与入射光频率v 之间的定量关系。另一个规律是,每一种金属在光电辐射过程中,都有一个确定的最小频率。爱因斯坦公式对此的解释是:光电效应只有当频率足够大,使得hv 大于P时才会发生。

  爱因斯坦的公式还预言:E直接根据v 的变化而变化;如果根据实验给出动能与频率的关系图,那么直线的斜率就是普朗克常数h。不久后,J、J.汤姆森的学生A.L.休斯以及其他一些人各自进行了验证性实验,结果证明了爱因斯坦公式的正确性。但真正的判决性的实验是R.A.密立根做出的;这些实验不仅确证了爱因斯坦公式,而且得到了一个新的,很精确的普朗克常数h(见惠顿1983)。

  密立根关于这些实验的论文(1916)是相当奇特的。尽管他承认“在每一个场合”,爱因斯坦的“光电效应公式”均能够“精确地预言实验的观测结果”,但他又称,爱因斯坦赖以推导出这个公式的“半微粒理论,目前似乎完全站不住脚”。他在当年又一次重复了他的立场,指出爱因斯坦的“电磁光细胞假说”是“大胆的”,实际上“也是粗糙的”。在《论电子》(1917)一书中,密立根写道,爱因斯坦公式是“一个和支持他的假说一样大胆的预言”,但爱因斯坦这个激进的预言完全没有“逻辑基础”。密立根说,结果发现“爱因斯坦的这个公式”竟然能够‘精确地预言”密立根和其他人“通过实验获得的事实”,这是多么令人惊奇!在他的书里,严然是一个革命的敌人的密立根,并没有实事求是地告诉他的读者,他本人进行这些实验的目的是推翻爱因斯坦公式,也包括公式赖以建立的光量子假说。1949年,密立根承认在他的一生中曾花了十年时间“检验爱因斯坦1905年的公式”。他写道,“结果和我所有的预期相反,在1915年我不得不宣布它无异议地被实验证实,尽管它似乎不合常理。”

  密立根(1948,344)清楚地表达了他反对爱因斯坦光量子概念的理由:它们“似乎完全违背了我们关于光的干涉现象的全部知识”,以及波动理论的实验基础。1911年;爱因斯坦本人感到,他必须公开“声明光量子概念的权宜性特征”,因为它“似乎无法与已经得到完全证实的波动理论协调一致”。佩斯发现,爱因斯坦的谨慎“几乎被误解为他的犹豫不决”,这一事实可以解释许多令人不解的现象。例如,爱因斯坦的拥护者冯·劳厄1907年在写给爱因斯坦的信中说,他听说爱因斯坦“放弃了他的光量子假说”后很高兴。冯·劳厄并非唯一产生误解的人。1912年索末菲说,爱因斯坦不再坚持“他(1905)提出的大胆的观点了”。而密立根在1913年宣称,“我相信”爱因斯坦“大约在两年前,…已放弃了”他的光量子概念。1916年,密立根又一次宣称,尽管实验证实了爱因斯坦公式,但它所依据的“物理学理论”被证明是“完全站不住脚的,因此我相信,爱因斯坦本人也不再坚持它了”。但深入研究过爱因斯坦论文和信件的佩斯指出,“没有任何证据表明他在某个时候放弃过他的1905年所做的任何宣言”。R.斯图威尔(1975,75-77)于1975年以令人信服的证据宣布,爱因斯坦从未对他的光量子假说有过任何动摇,事实上,他本人对此“越来越深信不疑”。

  直至1918年,卢瑟福(见佩斯1982,386)还说,“能量与频率之间的这种明显联系,物理学至今还不能做出解释。”佩斯在研究这段插曲时指出,“甚至在光电效应预言被证实和接受之后,除了爱因斯坦本人外,几乎没有任何人在光量子方面做过任何工作”。作为证据,佩斯引证了1922年爱因斯坦获诺贝尔奖金时的贺词。爱因斯坦不是因为他的相对论,也不是他的光量子理论,而是“因对理论物理学所做的贡献,特别是因发现了光电效应定律而获奖。”因此,我们只能得出这样的结论,爱因斯坦的革命性贡献当时只是停留在理论革命阶段,并未得到实际上的支持。

  密立根企图否定爱因斯坦新观念这件事,不能简单地以此认为当时的物理学界普遍存在着反对爱因斯坦开创性观点的潮流。对爱因斯坦理论观点的一般态度是不予理睬,而不是积极论战。作为一个真正伟大的科学家,密立根确实是一个例外。1913年,一份推荐爱因斯坦当选普鲁士科学院院土的正式文件,反映了当时物理学界的一般态度。在这份文件上签名的是四位伟大的科学家和爱因斯坦的支持者,他们是M.普朗克,W.能斯特,H.鲁本斯,和E.华伯。这份发表于1962年文件(见佩斯1982,382)高度评价了爱因斯坦的杰出贡献,它甚至宣称:“在大大丰富现代物理学的每一个重大研究领域中,爱因斯坦几乎对每一个重大问题都做出了杰出贡献。”然后,他们感到应该原谅爱因斯坦“有时……也会在他的思索中失去目标”,例如“他的光量子假说”,在谈到原谅这一过失时,他们补充说:“即使在最精密的科学中,没有一点冒险精神,也是不可能引进全新的思想的。”即使荷马也有弄错的时候。

  

量子论和光谱:玻尔原子模型

  前面谈到的并非量子论发展的唯一线索。1912年,在曼彻斯特卢瑟福实验室工作的一位年轻的丹麦人提出了一个全新的、革命性的原子模型。N.玻尔最初接触的是卢瑟福的原子模型,它如同一个高度缩小的太阳系,中央原子核周围是“轨道行星”一样的电子。玻尔模型的革命性在于,新的“原子模型”能够解释一定频率的光的辐射和吸收。他采用了普朗克的辐射理论,即能量“明显可分的辐射”是存在的。然后他指出,“普朗克关于原子系统行为的理论之普遍适用性,是爱因斯坦最早指出的,“并得到了其他物理学家的发展。众所周知的事实是,玻尔假设:处在稳定轨道上的电子既不发生辐射也不吸收能量,但当它从一个稳定轨道“跃迁”到另一能量较低的轨道时,原子就会辐射出一个光量子;反之,当电子吸收一个光量于时,它将“跃迁到能量较高的轨道上。玻尔指出,以此为基础,他能够推导出几个已知的光谱学定律。这就是著名的、革命性的“古典”量子论的起源。

  很难判断被尔当初是如何看待自己理论的革命性的。从1913年到1924年,他肯定在尝试尽可能使他的理论包容更多的经典概念,以使其以“符合伟大传统”的形态出现。然而,玻尔在谈到他最初的理论时,只是称其为原子“模型”,这使人想起了爱因斯坦在1905年他的光量子论文中使用的特定的用语“启发性”。到了20年代初,几乎没有任何人怀疑玻尔理论的革命性,绝大多数哲学家都意识到了这一点。玻尔理论后来的发展包括,从单电子原子(氢)扩展为双电子原子(氦);引进椭圆轨道的概念。许多物理学家对这一伟大理论的发展做出了贡献,除玻尔外,另一位重要的人物是A.索未菲。同所有革命性的科学思想一样,玻尔的量子论也没有立即得到科学界的普遍接受,尽管他与实验发现的规律在数值上符合得更好。或许这种推迟的原因并非由于玻尔原子模型和光谱量子论本质的革命性,而是由于第一次世界大战的影响。大战后,几乎每一个著名的科学家都对量于论发展的重要结果产生了浓厚的兴趣。

  玻尔理论本质上是与爱因斯坦的理论联系在一起的,因为二者都假定电子与光子相互作用的方式是一对一的。在表述光电效应时,爱因斯坦考虑了光子具有足够的能量引起吸能电子辐射并脱离物质表面的情况,而这种情况在玻尔理论中是一种极端条件间离子化);当光子能量较小时,电子不会脱离原子,仅仅“跃迁”到更高的轨道。玻尔理论中令人难以置信的困难是所谓分立态与定态概念,也就是轨道的概念。而且,正如爱因斯坦一样,玻尔也提出了一个直接同麦克斯韦物理学基本原理相矛盾的假设。麦克斯韦认为,在电场(原子核周围的正电场)中运动的带电体(电子)必然发生辐射。按照所有已被接受的物理学原理,一个轨道电子必然会因为辐射的缘故不断地减少它的能量,那么它的运动轨道也就会不断地降低直至最终落入原子核内。但玻尔假定,一个电子能够在稳定的轨道上绕原子核旋转,而不会释放能量而发生辐射,这就是影响这一理论被接受的主要障碍。M.V.劳厄就是反对者之一,他怀疑玻尔理论的主要理由是其直接违反麦克斯韦物理学。

  那些在3O年代开始学习物理学的人如我本人,一定会回忆起当时的情景。那时,量子论课程(以及许多教科书)的特点之一就是先进行一番历史回顾,然后才开始正题。在历史回顾中,学生们可以一步步地了解到古典辐射理论(包括能量均分原理)的失败以及(普朗克和爱因斯坦开创的)量子论发展的各个阶段。然后,讨论光谱学原理和玻尔理论对这些原理的阐释,接着是索末菲将玻尔理论中的圆轨道发展成椭圆轨道。这一阶段往往特别强调密立根,弗兰克和赫兹的实验的历史意义。最后,学生们会逐步学到电子的自旋,量子数的概念以及伟大的泡利不相容原理。现在看来,之所以对量子论被接受的原因进行历史考察,是因为授课的教授们和教科书的作者们感到有必要让学生们了解前辈科学家们的经历,他们是如何转变的,是如何被迫接受一个全新的观念与尚不完善的物理学基础的。这就是量子论革命性质的一个标志。

  深入研究玻尔1913年至1923年发表的著述可以发现,尽管他运用了普朗克常数并涉及爱因斯坦的光电效应理论,但他并没有明确宣布赞同光量子理论。这就是说,他的工作主要是研究电子轨道(也就是能级)发生变化时光的吸收和辐射问题,而不涉及光的本性和光的传播。在其原始论文(1913)中,玻尔承认了他引进了一个“与经典电动力学原理不相容的量,即普朗克常数”(见霍尔顿和库恩1969;米勒1984)。现在看来,玻尔理论似乎是经典力学用于确定稳定态的量子化概念以及不连续假设的奇异结合。玻尔(1963,8)显然明白,他的“原子模型”尚不完善,是不完整的初级形式,因为它的“基本思想与经典电动力学理论那些久经考验的,备受赞美的原理相冲突”。正如 M.克莱因所发现的,1910年至1913年间,像M.普朗克和H.A.洛伦兹这样的科学家对爱因斯坦的光量子理论提出的最尖锐的批评也只限于“光量子说完全不能解释光的干涉和衍射现象”(1970)。玻尔本人在1913年的一次演说中说,原子释放的是纯辐射而不是光量子。从1913年到大约1920年,玻尔一直尝试着把经典的光的波动理论与原子辐射理论协调起来,最终建立了他所谓的“对应原理”。但A.索未菲1922年在他的颇有影响的论文《原子结构和光谱线》中,对应原理唯一使他惊奇的是,“保留了那么多的波动理论,甚至在绝对是量子特性的光谱过程中也是如此”(p.254)。索未菲最后说,“现代物理学目前正面临着不可调和的矛盾。”(p.56)玻尔本人甚至提议抛弃他所说的“所谓的光量子假说”。对这个激动人心的年代进行探讨不仅看到在企图建立一个与原子模型有关的,令人满意的光谱学量子论过程中产生了多么大的混乱,而且还表明将革命的新观念同经典物理学结合起来是多么困难。索末菲(1922,254)指出,现代物理学必须勇敢地承认新与旧之间的矛盾,应当“坦率地承认它们的非相容性”,W.泡利对这个观点极为赞同。

  玻尔理论符合科学革命的全部检验标准。例如,1929年卢瑟福在一封发表于《自然科学》杂志的信中宣称,“玻尔教授大胆地运用量子论解释光谱的产生”,构成了一场革命,他说玻尔的理论是“普朗克假说的直接发展,对物理学具有深刻的革命意义”,1969年,J.考克罗夫特爵士指出,玻尔把“经典力学和量子论结合起来描述电子轨道的运动”是一次伟大的发展,它“促使原子理论革命化”。同笛卡尔革命一样,玻尔革命并没有持续多久。正如当年笛卡尔的工作后来得到了扬弃和发展,玻尔理论的某些基本内容合并到另一场革命,量子力学革命中去。在量子革命过程中,玻尔革命可以被视为第一阶段。

  

通向量子力学:伟大的量子革命

  1926年,爱因斯坦的光量子概念获得了“光子”的称谓。光子一词是美国物理化学家G.N.刘易斯建立的,但他用来描述与光电子略有不同的概念。尽管刘易斯原来的概念早已被抛弃了,但光子却迅速成为物理学中的一个标准词汇(见斯图威尔1975,325)。可是,20年代中期的光子概念与爱因斯坦原来的光量子不同,它还包括某种特殊的性质,其中最重要的就是动量,这一点爱因斯坦最初并未考虑,但他确实在 1916年引进了动量( P=hv/c)特性;这个概念甚至早在1909年就已出现在J.斯塔克的一篇论文中(见佩斯1982,409)。光子可能具有动量的思想是P.德拜和A.H.康普顿于1923年提出的。事实上,康普顿还做出了现代物理学的一项最轰动的发现,即今天以他的名字命名的康普顿效应。康普顿依据无可辩驳的实验事实证明:“辐射量子带有方向性的动量和能量”(斯图威尔leqs,232)。L.斯图威尔回顾了这项工作的历史,他指出康普顿的动机与十年前的密立根不同,不是检验爱因斯坦的预言。斯图威尔还发现,A.索未菲在lop年10月9日写给康普顿的贺信中,首次使用了“康普顿效应”这一术语。索未菲还透露,康普顿的结果是头一年夏天他与爱因斯坦“讨论的主要问题”。

  尽管康普顿的结果最初也引起了一些争论,但人们(如海森伯)很快就认识到,康普顿效应不仅是辐射量子论的转折点,而且是全部物理学的转折点。康普顿很早就意识到自己工作的革命性。1923年,康普顿在美国科学促进协会所作的演讲(这篇演讲于1924年发表于《富兰克林研究所杂志》上)中坦称,他的发现“使我们关于电磁波传播过程的概念,发生了革命性的变化。”然而,当他在《国家科学院院刊》(9:350-362)上发表的另一篇文章中却说:“目前的衍射量子概念绝没有冲击”经典波动理论。爱因斯坦终于看到了自己的观念得到了证实,他宣布,现在有两种不同的光本性理论:波动性和粒子性,“二者都是不可缺少的,而且人们必须承认,它们没有任何逻辑联系,尽管二十年来,理论物理学家作了巨大的努力(试图找到某种联系)。”

  大约在同一时期,L.德布罗意在康普顿成就的鼓舞和启发下,提出了物质波的概念。在1923年发表的论文中,他引用了“康普顿的最新结果”,以及光电效应和玻尔理论作为他确信波粒二象性的理由,他宣布,爱因斯坦的光量子概念是“绝对普适的”。爱因斯坦,玻尔以及康普顿的工作启发他接受了“光量子的客观实在性”。

  德布罗意没有从物理意义上阐述光的波粒二象性,但他坚信这种二象性是自然界的普遍特性,即使普通物质(如电子)也是同时具有粒子性和波动性,这一革命性的概念是德布罗意在他的博士论文中( 1924年11月25日提交)首次建立的,而后,爱因斯坦对它作了进一步的发展。值得指出的是,正是爱因斯坦的工作引起了薛定谔对物质波的重视(见惠顿1983)。美国科学家戴维逊和革末以及英国的G.P.汤姆森(J.J.汤姆森之子)所作的实验证实了德布罗意的假说。而更为重要的是,它是新量子力学的前奏,而量子力学是与薛定谔和海森伯的名字联系在一起的(见克莱因1964;雅莫尔1966;拉曼和福曼1969;斯图威尔1975,以及米勒1984)。这一新的科学革命(特别是在 M.玻恩引进了几率波的概念之后)的伟大意义在于,量子力学在20世纪后半叶成为物理学和自然科学的核心内容。

  科学史上有这样一个众所周知的事实,从20年代开始,爱因斯坦拒绝接受量子力学,认为它不过是对自然界的“权宜”性说明,从而使得爱因斯坦与整个物理学界产生了分歧。爱因斯坦反对的主要观点是,新物理学引进几率思想作为它的基础缺乏经典的因果性和确定性,以及由此导致的描述自然界的不完备性(这似乎是完全对他本人而言)。尽管如此,爱因斯坦认识到量子力学是物理学发展的一大进步,虽然它是一个权宜性的假说。他向诺贝尔评奖委员会推荐量子力学的共同创建者薛定谔和海森伯为候选人(见佩斯1982,515)。耐人寻味的是,爱因斯坦本人曾对量子力学的统计学基础做出了重要贡献。

  量子力学革命,或第二次量子革命的历史,以及它从潜在的革命性到理论革命到科学革命阶段的迅速转变,很自然成了本书一章的研究主题。量子力学对物理学发展的革命意义在过去的半个世纪中表现得已经很明显。这些发展对科学和思维方式的重要性,近几十年几乎任何一本科学哲学著作都对它作了深入阐述(见玻恩1949;戴维斯1980;费困曼1965;雅莫尔1974和苏帕尔1977)。

 

古典量子论的最后堡垒

  在本章结束之前,我们介绍一个严肃的插曲,它能够说明爱因斯坦光量子概念的真正革命性质。1924年,也就是康普顿宣布康普顿效应的发现一年之后,玻尔(同H.A.克拉摩和J.C.斯拉特一道)发表了一篇论文,旨在反对光子概念。玻尔在他的原子理论中采用了量子概念,而这一原子理论很快得到了普遍接受并使物理学的这一学科发生了革命性的变化。当时,量子论中还存在着许多无法解释的困难问题,直到几年后建立了量子力学,这些问题才得到解决。但玻尔理论同普朗克最初的量子论一样,本身并没有涉及到“自由辐射场”,也就是光或其它电子辐射在空间的量子化问题。爱因斯坦1905年的论文发表后的二十年间,玻尔和许多物理学家一样,他们虽然接受了量子论,但只承认光在辐射和吸收时的量子化,而不是光本身的量子化。他们必须记住,大量实验(包括干涉实验和衍射实验)以似乎无懈可击的证据证明了光的连续波动传播。

  玻尔-克拉摩-斯拉特假说是玻尔最后一次坚持他反对用量子论对光作一般性描述的立场。他坚信,他自己的“对应原理”能在辐射和吸收量子论和已经广为认可的电磁波传播理论之间的鸿沟上架起一座桥梁。在1919年及其以后的几年中,他甚至表达过这样的愿望:如果对维护“我们的经典辐射理论”有必要的话,他将不惜迈出最为极端的一步——放弃能量守恒原理(见斯图威尔1975, 222)。

  1922年12月11日,他在诺贝尔奖颁奖仪式上作演讲时,再次提到了这个问题。当时他解释说:“近年来,爱因斯坦理论的预言已经得到了……精确的实验证实。”但他又立刻补充说:“尽管具有启发性意义”,但爱因斯坦的“光量子假说”与所谓的干涉现象“完全不能相容”,因此,不可能在辐射本质意义上解释光。“这成了1924年的玻尔-克拉摩-斯拉特论文的主题,论文的主要目的是:探索辐射特性的原因,“但并不涉及任何与光在自由空间传播定律相背离的光的电磁波理论”,而只研究“虚辐射场与发光原子相互作用这一特例”。这篇论文中,作者声明:在单次原子相互作用过程中,他们将“抛弃…能量与动量守恒原理的一个直接运用”,他们认为,守恒原理仅在宏观统计水平上是有效的,对单个原子并不适用。在此前两年,索未菲曾说过:抛弃能量守恒原理可能是医治光的波粒二象性疾病“最好的药方”(佩斯1982,419)。几年后,海森伯(1929)在评述这段历史时指出,“玻尔-克拉摩-斯拉特理论代表了古典量子论危机的顶点”(佩斯1982,419);按照佩斯的说法,它是“古典量子论的最后一座堡垒”。

  斯拉特后来在致B.L.F.D.瓦尔登的信中说,“能量和动量统计守恒的思想”是由“玻尔和克拉磨上升为理论的,这和我更好的见解完全相反”(斯图威尔1975,292)。斯拉特指出,玻尔和克拉摩有充分的理由说明“在当时的条件下,没有任何现象需要假定空间中光微粒(或量子)的存在。”斯拉特“对抛弃量子论获得的益处同放弃能量守恒和因果律造成的损失作了比较,终于被所获得力学机制的简单性所征服”。

  否定这一理论的意见“非常之多”(斯图威尔&7)。然而,真正的答案并没有在理论讨论中出现,而是来自于直接的实验。关于实验结果,我们不妨引用赫胥黎曾经说过的话:“一个漂亮的假说被一个丑陋的事实扼杀了。”实验毋庸置疑地证明,能量和动量守恒定律即使在单一原子层次上也是有效的。这一判决性实验采用的正是康普顿效应技术。第一批实验结果是柏林的W.玻特和H.盖革获得的,而后,A.H.康普顿和A.W.西蒙得到了更为精确的结果。1925年4月21日,玻尔一听到这个消息,立即写到:“目前最迫切的事情是,给我们革命性的努力以尽可能体面的葬礼”(见斯图威尔 1975,301;佩斯 1982,421)。同年 7月,他在《物理学杂志》上发表文章,两次提到了革命。他写到,“我们必须为这样的事实作好准备:经典电动力学理论所需要的推广,要求对那些迄今为止一直描述自然的概念进行革命性的变革”。这段插曲和玻尔对他的议论,也许正显示了量子论的巨大威力,它是那样伟大以致于使人们不自觉地使用革命的语言。

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附录(二) - 来自《论美国的民主(下卷)》

在讨论答复王室讲话的方案期间1848年1月27日于众议院的发言各位先生:我不想继续进行早已开始的专题讨论。我认为,当我们要在这里讨论监狱法时,会以更加有益的方式继续这一专题讨论。我现在登上这个讲坛的目的,是要讲些具有普遍意义的问题。今天讨论的第4节自然要使议会把注意力放在全部的对内政策上,特别是放在我的尊贵朋友米约先生已经提醒大家注意和要求修改的对内政策上。我今天来到议会,就是为的参加这一部分对内政策的讨论。各位先生,我不知道我说的对不对,但我总觉得目前的形势,目前的舆论,目前法国的精神状态,都有使人不安……去看看 

靖康耻 - 来自《赫逊河畔谈中国历史》

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序言 - 来自《岳村政治》

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(英文本序)  反对共产主义和一般社会主义的流行的论调之一,即是说这个思想已经是这样旧了,然而它从来不曾实现过。古希腊的思想家常常有理想国家的计划;稍后,初期的基督教徒组织了共产的团体;又过了数百年,在宗教改革运动的时期,便有大的共产主义结社发生。后来在英法两国大革命之际,这同样的理想又复活起来;最后近世法国1848年的革命爆发了,这个革命受到社会主义的理想的鼓舞甚大。因此便有人对我们说:“但是你们看你们的计划的实现期还远得很呢!你们有没有想到,你们对于人类的本性和欲求的了解有着根本的错误吗?”  骤……去看看 

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