楊振寧：愛(ài)因斯坦的機(jī)遇與眼光

來(lái)源：中科院物理所

1905 年通常稱為阿爾伯特?愛(ài)因斯坦的“奇跡年” （Annus Mirabilis）。在那一年，愛(ài)因斯坦引發(fā)了人類關(guān)于物理世界的基本概念 （時(shí)間、空間、能量、光和物質(zhì)） 的三大革命。一個(gè) 26 歲、默默無(wú)聞的專利局職員如何能引起如此深遠(yuǎn)的觀念變革，因而打開(kāi)了通往現(xiàn)代科技時(shí)代之門？當(dāng)然沒(méi)有人能夠絕對(duì)完滿地回答這個(gè)問(wèn)題?？墒牵覀円苍S可以分析他成為這一歷史性人物的一些必要因素。

首先，愛(ài)因斯坦極其幸運(yùn)：他生逢其時(shí)，當(dāng)物理學(xué)界面臨著重重危機(jī)時(shí)，他的創(chuàng)造力正處于巔峰。換句話說(shuō)，他有機(jī)會(huì)改寫(xiě)物理學(xué)的進(jìn)程，這也許是自從牛頓時(shí)代以來(lái)獨(dú)一無(wú)二的機(jī)遇。這種機(jī)遇少之又少。E.T。 貝爾 （Bell） 的《數(shù)學(xué)精英》（Man of Mathematics， New York： Dover Publications， 1937） 引用了拉格朗日 （J。 L。 Lagrange， 1736-1813） 的話：

雖然牛頓確實(shí)是杰出的天才，但是我們必須承認(rèn)他也是最幸運(yùn)的人：人類只有一次機(jī)會(huì)去建立世界的體系。

這里，拉格朗日引用的是牛頓的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（Principia Mathematica） 中第三卷即最后一卷前言中的話：

現(xiàn)在我要演示世界體系的框架。

‘Newton’， William Blake， 1795-1805

拉格朗日顯然非常嫉妒牛頓的機(jī)遇?？墒菒?ài)因斯坦對(duì)牛頓的公開(kāi)評(píng)價(jià)給我們不一樣的感覺(jué)：

幸運(yùn)的牛頓，幸福的科學(xué)童年……他既融合實(shí)驗(yàn)者、理論家、機(jī)械師為一體，又是闡釋的藝術(shù)家。他屹立在我們面前，堅(jiān)強(qiáng)、自信、獨(dú)一無(wú)二。

愛(ài)因斯坦有機(jī)會(huì)修正 200 多年前牛頓所創(chuàng)建的體系。可是這個(gè)機(jī)會(huì)當(dāng)然也對(duì)同時(shí)代的科學(xué)家們開(kāi)放。的確，自從 1881 年邁克爾遜―莫雷 （Michelson-Morley） 首次實(shí)驗(yàn)以及 1887 年第二次實(shí)驗(yàn)以來(lái)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)力學(xué)一直是許多人在鉆研的熱門課題。令人驚奇的是，當(dāng)愛(ài)因斯坦仍在蘇黎世念書(shū)時(shí)，他已經(jīng)對(duì)這個(gè)題目發(fā)生了濃厚的興趣。1899 年他曾寫(xiě)信給他后來(lái)的太太米列娃 （Mileva Mari?）：

我還了赫姆霍茲的書(shū)，現(xiàn)正在非常仔細(xì)地重讀赫茲的電力傳播工作，因?yàn)槲乙郧皼](méi)能明白赫姆霍茲關(guān)于電動(dòng)力學(xué)中最小作用量原理的論述。我越來(lái)越相信今天所了解的運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)與實(shí)際并不相符，而且可能有更簡(jiǎn)單的理解方式。（引自：Albert Einstein / Mileva Mari?， The Love Letters， eds。 Renn & Schulmann， translated into English by S。 Smith， Princeton University Press， 1992。）

電流的磁效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)其實(shí)就是相對(duì)論效應(yīng)的體現(xiàn)，《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》也正是愛(ài)因斯坦發(fā)表的第一篇關(guān)于狹義相對(duì)論的論文的題目

他追尋此更簡(jiǎn)單的理解方式，六年以后引導(dǎo)出了狹義相對(duì)論。

當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家對(duì)這個(gè)科目也極感興趣。龐加萊 （L。 H。 Poincaré，1854-1912） 是當(dāng)時(shí)兩位最偉大的數(shù)學(xué)家之一，他也正在鉆研同一個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，相對(duì)性 （relativity） 這一名詞的發(fā)明者并不是愛(ài)因斯坦，而是龐加萊。龐加萊在 1905 年的前一年的演講《新世紀(jì)的物理學(xué)》（載：Physics for a New Century， AIP Publication on History， vol 5， 1986） 中有這樣一段：

根據(jù)相對(duì)性原則，物理現(xiàn)象的規(guī)律應(yīng)該是同樣的，無(wú)論是對(duì)于固定不動(dòng)的觀察者，或是對(duì)于做勻速運(yùn)動(dòng)的觀察者。這樣我們不能，也不可能，辨別我們是否正處于這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

這一段不僅介紹了相對(duì)性這個(gè)概念，而且顯示出了異常的哲學(xué)洞察力。然而，龐加萊沒(méi)有完全理解這段話在物理上的意義：同一演講的后幾段證明他沒(méi)有抓住同時(shí)性的相對(duì)性（relativity of simultaneity）這個(gè)關(guān)鍵性、革命性的思想。

愛(ài)因斯坦也不是首位寫(xiě)下偉大的轉(zhuǎn)換公式的人：

之前，洛倫茲 （H.A.Lorentz， 1853-1928） 曾寫(xiě)出這個(gè)公式，所以當(dāng)時(shí)這個(gè)公式以洛倫茲命名，現(xiàn)在仍然是這樣?？墒锹鍌惼澮矝](méi)能抓住同時(shí)性的相對(duì)性這個(gè)革命性思想。1915 年他寫(xiě)道：

我失敗的主要原因是我死守一個(gè)觀念：只有變量 t 才能作為真正的時(shí)間，而我的當(dāng)?shù)貢r(shí)間 t’ 僅能作為輔助的數(shù)學(xué)量。（轉(zhuǎn)引自：Abraham Pais， Subtle is the Lord： The Science and the Life of Albert Einstein。 Oxford： Oxford University Press， 1982， p。 167）

這就是說(shuō)，洛倫茲有數(shù)學(xué)，但沒(méi)有物理學(xué)；龐加萊有哲學(xué)，但也沒(méi)有物理學(xué)。正是 26 歲的愛(ài)因斯坦敢于質(zhì)疑人類關(guān)于時(shí)間的原始觀念，堅(jiān)持同時(shí)性是相對(duì)的，才能從而打開(kāi)了通向微觀世界的新物理之門。

幾乎今天所有的物理學(xué)家都同意是愛(ài)因斯坦創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。這對(duì)龐加萊和洛倫茲是否公平？要討論這個(gè)問(wèn)題，讓我們先引用懷特海 （A.N。 Whitehead， 1861―1947） 的話：

科學(xué)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(gè)重要的理論都被它的發(fā)現(xiàn)者之前的人說(shuō)過(guò)。 （見(jiàn)：The Organization of Thought， Westport CT： Greenwood Press， 1974， p.127）

洛倫茲和龐加萊都沒(méi)有抓住那個(gè)時(shí)代的機(jī)遇。他們致力于當(dāng)時(shí)最重要的問(wèn)題之一，即運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)力學(xué)?？墒撬麄兌煎e(cuò)失其重點(diǎn)，因?yàn)樗麄兯朗刂f觀念，正如洛倫茲自己后來(lái)所說(shuō)的一樣。愛(ài)因斯坦沒(méi)有錯(cuò)失重點(diǎn)是因?yàn)樗麑?duì)于時(shí)空有更自由的眼光。

要有自由的眼光 （free perception），必須能夠同時(shí)近觀和遠(yuǎn)看同一課題。遠(yuǎn)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?？墒侵挥羞h(yuǎn)距離眼光還不夠，必須與近距離的探索相結(jié)合。正是這種能自由調(diào)節(jié)、評(píng)價(jià)與比較遠(yuǎn)近觀察的結(jié)果的能力形成了自由的眼光。按照這一比喻，我們可以說(shuō)洛倫茲失敗了是因?yàn)樗挥薪嚯x眼光，而龐加萊失敗了是因?yàn)樗挥羞h(yuǎn)距離眼光。

中國(guó)偉大的美學(xué)家朱光潛 （1897-1986） 強(qiáng)調(diào)過(guò)“心理距離”在藝術(shù)和文學(xué)創(chuàng)作上的重要性。我認(rèn)為他的觀念與上述的遠(yuǎn)距離眼光是一致的，只是在不同的學(xué)術(shù)領(lǐng)域而已。在最權(quán)威的愛(ài)因斯坦的科學(xué)傳記 Subtle is the Lord （即前文所引 A。 Pais 的著作） 中，作者選擇這樣一個(gè)詞來(lái)描寫(xiě)愛(ài)因斯坦的性格：孤持 （apartness），并且在第三章開(kāi)始時(shí)引述道：

與其他人保持距離；單獨(dú)地、孤立地、獨(dú)自地。（《牛津英文詞典》）

的確，孤持、距離、自由眼光是互相聯(lián)系的特征，是所有科學(xué)、藝術(shù)與文學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)中一個(gè)必要因素。

光電效應(yīng)

1905 年愛(ài)因斯坦另一個(gè)具有歷史意義的成果是他于 3 月間寫(xiě)的論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》（On A Heuristic Point of View Concerning the Generation and Conversion of Light ）。這篇文章首次提出了光是帶分立能量 hν 的量子。常數(shù) h 由普朗克于 1900 年在其大膽的關(guān)于黑體輻射的理論研究中提出。然而，在接下來(lái)的幾年里，普朗克變得膽怯，開(kāi)始退縮。1905 年愛(ài)因斯坦不僅沒(méi)有退縮，還勇敢地提出關(guān)于光量子的“啟發(fā)性觀點(diǎn)” 。這一大膽的觀點(diǎn)當(dāng)時(shí)完全沒(méi)有受到人們的贊賞，從以下的幾句話就可以看出這一點(diǎn)：八年后，當(dāng)普朗克、能斯特 （W。 H.Nernst）、魯本斯 （Heinrich Rubens）、瓦爾堡 （O。 H.Warburg） 提名愛(ài)因斯坦為普魯士科學(xué)院院士時(shí)，推薦書(shū)上說(shuō)：

總之，我們可以說(shuō)幾乎沒(méi)有一個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的重要問(wèn)題是愛(ài)因斯坦沒(méi)有做過(guò)巨大貢獻(xiàn)的。當(dāng)然他有時(shí)在創(chuàng)新思維中會(huì)錯(cuò)過(guò)目標(biāo)，例如，他對(duì)光―量子的假設(shè)?？墒俏覀儾粦?yīng)該過(guò)分批評(píng)他，因?yàn)榧词乖谧顪?zhǔn)確的科學(xué)里，要提出真正新的觀點(diǎn)而不冒任何風(fēng)險(xiǎn)是不可能的。 （參見(jiàn)前引 A。 Pais 的著作，p.382）

這封推薦書(shū)寫(xiě)于 1913 年，其中被嘲笑的光―量子假 設(shè) （hypothesis of light-quanta） 指的就是上述愛(ài)因斯坦于 1905 年大膽提出的想法?？墒菒?ài)因斯坦不理這些嘲笑，繼續(xù)把他的想法向前推進(jìn)，于 1916 年至 1917 年確定了光量子的動(dòng)量，進(jìn)而發(fā)展為 1924 年對(duì)康普頓效應(yīng) （Compton effect） 的劃時(shí)代的認(rèn)識(shí)。

光量子這一革命性之觀點(diǎn)產(chǎn)生的歷史可以總結(jié)為：

1905 年 愛(ài)因斯坦關(guān)于 E = hν 的論文

1916 年 愛(ài)因斯坦關(guān)于 P = E/c 的論文

1924 年 康普頓效應(yīng)

在那些年里，在 1924 年康普頓效應(yīng)確立之前，愛(ài)因斯坦完全孤立，因?yàn)樗麑?duì)光量子的深邃眼光不被物理學(xué)界所接受。

在 1905 年至 1924 年之間，愛(ài)因斯坦的研究興趣主要在廣義相對(duì)論。作為科學(xué)革命，廣義相對(duì)論在人類歷史上是獨(dú)一無(wú)二的。其設(shè)想宏偉、美妙、廣邃，催生了令人敬畏的宇宙學(xué)，而且它是一個(gè)人獨(dú)自孕育并完成的，這一切讓我想起《舊約》里的創(chuàng)世篇 （不知愛(ài)因斯坦本人是否曾想起這個(gè)比較）。

當(dāng)然，我們很自然也會(huì)想起其他的科學(xué)革命，例如牛頓的巨著、狹義相對(duì)論、量子力學(xué)。不同之處：牛頓的工作確實(shí)是宏偉、美妙、廣邃的。對(duì)。可是在他之前有伽利略 （Galileo）、開(kāi)普勒 （Kepler），還有更早的數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家們的成果。他也不是當(dāng)時(shí)唯一在尋求萬(wàn)有引力定律的人。狹義相對(duì)論和量子力學(xué)也都是影響深遠(yuǎn)的革命?？墒撬鼈兪钱?dāng)時(shí)許多人研究的熱門課題，都不是由一個(gè)人所創(chuàng)建的。

關(guān)于廣義相對(duì)論，愛(ài)因斯坦沒(méi)有抓住什么機(jī)遇，而是創(chuàng)造了這個(gè)機(jī)遇。他獨(dú)自一人通過(guò)深邃的眼光，宏偉的設(shè)想，經(jīng)過(guò)七八年孤獨(dú)的奮斗，建立起一個(gè)難以想象的美妙體系。這是一次純粹的創(chuàng)造。

廣義相對(duì)論認(rèn)為引力來(lái)自時(shí)空的彎曲

廣義相對(duì)論代表引力場(chǎng)的幾何化。自然而然它使愛(ài)因斯坦接著提出電磁場(chǎng)的幾何化。從而又產(chǎn)生了將所有自然力幾何化的想法，即統(tǒng)一場(chǎng)論。此發(fā)展成為他后半生的研究重點(diǎn)。例如，1949 年至 1950 年在普林斯頓高等研究中心他最后的研討會(huì)上，他嘗試著把電磁場(chǎng) Fμν 合并成不對(duì)稱的度量 gμν 。他這個(gè)嘗試和他先前在同一方向所做出的努力一樣，都沒(méi)能成功。

由于沒(méi)有成功，也由于自 20 世紀(jì) 20 年代初，愛(ài)因斯坦將其注意力幾乎全部放在這項(xiàng)研究上而忽略了像固體物理和核子物理這些新發(fā)展的領(lǐng)域，他經(jīng)常遭受批評(píng)，甚至被嘲笑。他對(duì)于統(tǒng)一場(chǎng)論的投入被描述為著魔 （obsession）。這種批評(píng)的一個(gè)例子是拉比 （I。 I。 Rabi， 1898―1988） 于 1979 年在普林斯頓舉行的愛(ài)因斯坦百年紀(jì)念上所講的話：

當(dāng)你想起愛(ài)因斯坦于 1903 年或 1902 年至 1917 年的工作時(shí)，那是極其多彩的，非常有創(chuàng)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(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，特別是各種形式的微分幾何的時(shí)期以后，他就改變了。

他改變了他的想法。他的那種對(duì)物理學(xué)的偉大創(chuàng)意也隨之改變了。

拉比是否正確呢？愛(ài)因斯坦有沒(méi)有改變呢？

答案是：愛(ài)因斯坦的確改變了。改變的證據(jù)可以在他 1933 年的斯賓塞演講 （Herbert Spencer Lecture）《關(guān)于理論物理學(xué)的方法》（On the Method of Theoretical Physics， New Nork： Oxford University Press， 1933） 中找到：

理論物理的公理基礎(chǔ)不可能從經(jīng)驗(yàn)中提取，而是必須自由地創(chuàng)造出來(lái)……經(jīng)驗(yàn)可能提示適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)觀念，可是它們絕對(duì)不能從經(jīng)驗(yàn)中演繹而出……

但是創(chuàng)造源泉屬于數(shù)學(xué)。因此，在某種意義上，我認(rèn)為單純的思考可以抓住現(xiàn)實(shí)，正如古人夢(mèng)想的一樣。

雖然你可以同意或反對(duì)這些非常簡(jiǎn)要的論點(diǎn)，但是你必須同意它們強(qiáng)有力地描述了愛(ài)因斯坦在 1933 年關(guān)于如何做基礎(chǔ)理論物理的想法，而且此想法相對(duì)于他早年的想法有極大的變化。

愛(ài)因斯坦自己對(duì)這一變化非常清楚。在他 70 歲出版的《自述》（Autobiographical Notes） 里，我們看到：

……我作為一個(gè)學(xué)生并不懂得獲取物理學(xué)基本原理的深?yuàn)W知識(shí)的方法是與最復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法緊密相連的。在許多年獨(dú)立的科學(xué)工作以后，我才漸漸明白了這一點(diǎn)。

很明顯，在這一段里，“獨(dú)立的科學(xué)工作”指的是他于 1908 年至 1915 年期間創(chuàng)建廣義相對(duì)論的長(zhǎng)期奮斗。長(zhǎng)期奮斗改變了他。是否朝更好的方向改變了呢？拉比說(shuō)：不是，他的新眼光變成徒勞無(wú)益的走火入魔。我們說(shuō)：他的新眼光改寫(xiě)了基礎(chǔ)物理日后的發(fā)展進(jìn)程。愛(ài)因斯坦逝世幾十年來(lái)，他的追求已經(jīng)滲透了理論物理基礎(chǔ)研究的靈魂，這是他的勇敢、獨(dú)立、倔強(qiáng)和深邃眼光的永久證明。

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