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20世纪科学审美的一场较量:爱因斯坦的诺奖为何拿得这么难?|杨振宁作序

尽管爱因斯坦及其相对论是公认的20世纪最伟大的物理学家和最重要、最具颠覆性的理论之一,但获得诺贝尔奖前,因一些瑞典“权威”科学家极力反对广义相对论而使爱因斯坦的获奖波折前所未有的多。这是为什么?著名科学史家杨建邺教授在其获奖科普著作《物理学之美》中认为,其中非常关键的一个原因是:在19—20世纪之交科学革命的过程中,科学的审美判断发生了巨大的、革命性的变革,是这一变革使科学家之间发生的争议差不多到了水火不容的地步。

本文经授权节选自《物理学之美》(北京大学出版社,2019年)。该书分析了不同时代物理学家对物理学之美的观点,探讨他们如何利用自己的审美判断来建构物理理论,以及他们的困惑和成功。

撰文 | 杨建邺

在20世纪所有700人(次)的获诺贝尔奖当中,恐怕爱因斯坦获奖时引起的麻烦最多,而获奖原因更是奇怪得独此一家。很早就不断有人提名他为获奖的候选人,但由于种种几乎不可置信的理由却一直没有成功。1922年,他终于获得了补发的1921年诺贝尔物理学奖。

1909年10月,德国著名化学家奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald,1853—1932)首先提名爱因斯坦为1910年诺贝尔物理学奖候选人,原因是狭义相对论的伟大贡献。以后他又于1912年、1913年再度提名爱因斯坦。那时反对相对论的势力很强,评奖委员会没有把奖给爱因斯坦情有可原。1912年,当德国物理学家普林斯海姆(Peter Pringsheim,1881—1964)推荐爱因斯坦因相对论为获奖候选人,当时他写了一句很有分量的话:“我相信诺贝尔奖委员会很少有机会为一件具有类似意义的工作而颁奖。”

从后来物理学的发展来看,普林斯海姆的话非常准确。但令人遗憾和惊讶的是,诺贝尔奖委员会却千真万确地没有因20世纪最伟大的理论——相对论而颁奖给爱因斯坦。无论怎么说,这恐怕也是诺贝尔奖颁奖史上的极大缺憾。

1919年11月,英国皇家学会会长J. J. 汤姆逊(J. J. Thomson, 1856—1940,1906年获诺贝尔物理学奖)就郑重宣称:“(爱因斯坦的引力理论)是牛顿时代以来最重要的进展,是人类思想上最高的成就之一。”当时科学界最有权威的人士之一的荷兰物理学家洛伦兹(1903年获诺贝尔物理学奖),在1919年9月22日写信给埃伦菲斯特说:“(日食观测的结果)是所曾得到过的对一种理论的最光辉的证实之一,而且也很适于铺设通往诺贝尔奖的道路。”甚至连一开始劝爱因斯坦“不要搞什么广义相对论,即使搞出来了也没有人信”的普朗克,也在1919年1月19日因广义相对论的成就提名爱因斯坦为候选人,理由是他迈出了超越牛顿的第一步。1921年有更多的人因广义相对论而提名爱因斯坦,但诺贝尔奖委员会因为还有不少人反对相对论而犹豫不决,结果弄得1921年竟没有颁发物理学奖。那么多最有权威的科学家的推荐,委员会都能置之不顾,由此可以想见诺贝尔委员会里反对爱因斯坦获奖的势力多么强大。

在1919年以前,无论是狭义还是广义相对论,每年都会突然冒出一些反对意见或证实其有误的实验,而提出这些反对意见和实验结果的人,又多不是等闲之辈,有的还是非常著名的科学家(或哲学家),因而引起诺贝尔奖委员会有些犹豫也不是完全不可理解的事情。但是到了1919年英国日食远征考察队以确凿的观测证明了爱因斯坦的新引力定律后,委员会的犹豫就颇让人费解了。1919年,许多著名的科学家继续提名爱因斯坦,其中包括瓦尔堡(Emil Warberg,1846—1931)、劳厄、普朗克等人,原因是广义相对论;瑞典的物理化学家阿伦尼乌斯(S. A. Arrhenius,1859—1927)因布朗运动提名爱因斯坦为候选人。但委员会最后提出的报告中却认为,“如果爱因斯坦因为统计物理学……而不是因为他的其他主要论文而获奖,那是会使学术界感到奇怪的”。意思是说爱因斯坦的统计力学论文的质量没有他的相对论和量子物理学方面研究的质量高;但是对于广义相对论,却又建议等到1919年5月29日的日食观测的结果出来以后再说。由于结果在1919年9月6日才能正式公布(爱因斯坦的广义相对论被证实),结果1919年的物理学奖“因为发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用光谱线的分裂现象”而授给了德国的斯塔克(J. Stark,1874—1957)。

1920年有更多的科学家提名爱因斯坦因广义相对论而获奖,因为1919年已经由观测日食证实了广义相对论的一个预言。玻尔也第一次开始提名爱因斯坦,他特别提到相对论是“第一位的和最重要的”,还说:“在这里,我们面临着物理学研究发展中最有决定性意义的进步。”

委员会让阿伦尼乌斯(一位物理化学家!)写一篇关于广义相对论的评价报告。阿伦尼乌斯那时还一直揣摩和跟随德国科学家对爱因斯坦的意见。当德国的诺贝尔获奖者勒纳德(P.Lenard,1862—1947)和斯塔克在大力反对爱因斯坦和相对论时,他也极力反对爱因斯坦因为相对论获奖。他在报告中指出:红移实验尚未被实验证实;1919年日食考察的结果有许多人提出了批评、质疑;而近日点效应,阿伦尼乌斯不幸错误地附合了德国科学家革尔克(Ernst Gehrcke,1878—1960)的意见。革尔克于1916年曾提出,水星近日点的运动早就由德国物理学家格伯(Paul Gerber,1854—1909)解决了。其实,爱因斯坦在1917年就正确地分析过,格伯的理论基础以及革尔克的意见是建立在相互矛盾的假说之上。结果1920年诺贝尔物理学奖在哈瑟伯格(Bernhard Hasselberg,1850—1894)的坚持下,授予了瑞士裔的法国一位冶金学家纪尧姆,原因是“发现镍钢合金的反常性以及它在精密物理学中的重要性”。几乎所有的物理学家包括纪尧姆自己对这一决定都大吃一惊,只有法国和瑞士人高兴。

1921年,普朗克在一封简短而有力的信中,再次提名爱因斯坦因为广义相对论的贡献为获奖候选人,还有许多著名科学家如爱丁顿、赖曼(T. Lyman,1874—1954)等等,都提名爱因斯坦。瑞典乌普萨拉大学的奥席恩(Carl Oseen,1879—1944)提名爱因斯坦因光电效应获奖。

委员会让乌普萨拉大学的眼科医学教授古尔斯特兰德(A. Gullstrand, 1862—1930,1911年获生理学和医学奖)写一份关于广义相对论的评价报告,让阿伦尼乌斯写一份关于光电效应的评价报告。古尔斯特兰德根本不懂物理学,更不用说相对论了,但是他偏要钻到物理学评选委员会来,而且自不量力地要决定物理学的评奖!古尔斯特兰德在瑞典很有权威,他以他的全部权威反对爱因斯坦获奖,他曾私下对人说:绝对不能让爱因斯坦获奖,哪怕全世界支持他!

结果可想而知:他这个纯外行居然严厉地批评相对论,说它们根本没有被实验严格证实。这真是应了中国一句民间谚语:“乔太爷乱点鸳鸯谱。”还有一位瑞典皇家科学院院士、物理学奖评委会成员哈瑟伯格,当他听说有可能因为相对论而授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖,他在病床上提出抗议,反对因相对论而授奖给爱因斯坦,他写道:“将猜想放在授奖的考虑之列,是根本不可取的。”

瑞典科学家如此坚决反对爱因斯坦获奖有比较复杂的原因,但是其中非常关键的一点是由于在19—20世纪之交科学革命的过程中,科学的审美判断发生了巨大的、革命性的变革,科学家之间发生的争议差不多到了水火不容的地步。老一派的科学家抓住实验是检验一切理论的根本标准,不容动摇;而新成长起来一派年轻理论物理学家已经发现,判断真理的标准发生了变化,有了新的标准,不能死死抓住实验标准而断然否定物理学理论中的美学标准。在两种本应该相互融合、相互参照的标准讨论中,却被老一派物理学家以非常极端的、断然否定的态度,变得彼此不能相容,变成你死我活的斗争。这实在是一种不幸。在爱因斯坦是否应该获奖这件事情上,就反映了这一场激烈而又有些荒唐的斗争,几乎成了一场生死较量,所以才出现了“绝对不能让爱因斯坦获奖,哪怕全世界支持他”这样荒唐的决心和声明。

瑞典科学界在20世纪早期过分注重实验物理学,而将理论轻视为纯粹的猜想。哈瑟伯格在瑞典很有权威,他一直坚持认为精确测量“是使我们能够深入了解物理定律的根本和主要条件,是走向新发现的唯一道路,是科学进步的不二法门。”这正是霍尔顿(G. Holton)所说的“实验主义”哲学。这种哲学在1900年前后在物理学界十分流行,但是到了20世纪20年代前后,多数国家物理学界有了不同的看法,并且选择了不同的研究方式,但是瑞典物理学界(尤其是当权的乌普萨拉学派)的眼光仍然十分狭隘。哈瑟伯格和古尔斯特兰德他们甚至认为爱因斯坦的相对论是一种“病态”物理,侵蚀以前人们所持的正确的信念,与西方文明的古典希腊传统的真、善、美观念完全相反。他们认为爱因斯坦没有做过任何实验,他的理论不是由实验归纳出来的;他修改基本假设,将不同的物理领域归纳成为一个统一的理论。这对他们这些实验物理学家来说简直是形而上学的工作,不是科学的一部分,而是科学中的达达主义(dadaism)*的表现。[1]

阿伦尼乌斯是斯德哥尔摩大学的教授,以前因为他的电离理论受过乌普萨拉大学的压制,因此并不满意哈瑟伯格和古尔斯特兰德那种过分偏爱实验的狭隘态度,但是他对于爱因斯坦获奖仍然持不支持的态度。他的歪道理是:1918年普朗克刚刚因为量子论获奖,再紧接着因量子论颁奖给爱因斯坦,不妥;如果真要因光电效应颁奖,就应该给予实验物理学家。他还建议,1921年干脆不颁发物理学奖。结果,1921年真的没颁奖给物理学,而其他4项奖照常颁发(当时还没有经济奖)。这也是诺贝尔奖史上的一次非常奇特的行为。

1922年,推荐信又陆续寄到了委员会,推荐爱因斯坦的著名科学家越来越多。法国物理学家布里渊甚至在信上写道:“试想:如果诺贝尔获奖者的名单上没有爱因斯坦的名字,那50年代以后人们的意见将会是怎样。”这时,形势已经不再是爱因斯坦盼望得诺贝尔奖,而是诺贝尔委员会非得以某种授奖原因把诺贝尔奖授予爱因斯坦了。因为,爱因斯坦在科学界的名声如日中天。有些人认为,如果爱因斯坦不先得奖,再无法考虑其他候选人;有些人还说,爱因斯坦的威望已经比诺贝尔奖还要高。

普朗克建议,1921年的物理学奖补发给爱因斯坦,1922年的给玻尔。物理学评奖委员会委员奥席恩(C.W.Oseen,1879—1944)再一次提出,爱因斯坦可以因为光电效应中的爱因斯坦光电方程获得诺贝尔物理学奖。

物理学评委会又让古尔斯特兰德写关于相对论的报告,其结果可想而知;但幸亏委员会这次让理论物理学家奥席恩(而不是物理化学家阿伦尼乌斯!)来写光电效应的报告。

最后,评委会决定绕过相对论这个“争论太多”的障碍,直接以光电效应定律的贡献把1921年空缺下来的物理学奖授予爱因斯坦,而将1922年的授予玻尔。

在大势所趋的形势下,爱因斯坦终于在1922年得到了1921年的诺贝尔奖,诺贝尔奖委员会虽然留下了种种遗憾和可供指责的地方,但是他们终于把诺贝尔奖授给了最应该得到它的人。也许让爱因斯坦感到好笑的是,授奖通知时上面特别指出:他在获奖演说时仅限于正式的授奖理由,而不得提到相对论。

这样,爱因斯坦获奖的事情总算解决了,但是物理学审美判断仍然没有放在桌面上来彻底讨论,说明评委会对此态度仍然十分暧昧。但是,随着科学革命的深入和成功,科学家们对科学理论中的审美判断有了根本性的转变,认识到在远离人们经验领域的宇观物理学和微观物理学里,少了审美判断几乎是寸步难行,审美判断和实验检验逐渐成为发现真理、探索真理途中不可或缺的两种相辅相成的科学方法。

1923年7月,爱因斯坦去瑞典哥德堡做诺贝尔演讲时,* [2]阿伦尼乌斯暗示说:

人们肯定会因相对论演讲而感谢您。

7月11日,爱因斯坦在约2000名听众面前作了题为《相对论的基本思想和问题》的报告。瑞典国王古斯塔夫五世也在座聆听。

此后,一直被瑞典评委会认为在科学真理判断上的“叛逆”和“荒唐”的年轻科学家德布罗意(L.V.de Broglie,1892—1987)、海森伯、狄拉克、泡利(W.E.Pauli,1900—1958)……都先后获得了诺贝尔物理学奖。

可以说,在爱因斯坦获奖过程的这场大较量中,不仅相对论获得了最终的认可,而且理论物理学的重要研究方法——“美是探求理论物理学重要结果中的一个指导原则”,也由此获得了重大的胜利。所以爱因斯坦获得诺贝尔奖这一事件是一个分水岭,在科学美学历史发展的进程中有着非同一般的意义。

注释

[1] * 1915年第一次世界大战期间,以中立国瑞士的苏黎世为中心,云集了一批来自各国的先锋派青年艺术家。他们在一次聚会中要为其团体起一个名字,极其偶然地,他们找到了“达达”(dada)这个词。于是他们很兴奋地把这个词用作了他们团体的名字。“达达”这个词的原意是指儿童摇动了木马,在法浯中还有嗜好、迷恋的意思,因此,“达达”表达的是一种玩世不恭的象征意义。达达主义作为一种艺术思潮,反对所有传统的艺术和20世纪以来的试验艺术。他们认为是理智和逻辑导致了世界大战的灾难,要拯救人类,必须摧毁导致这场战争的资本主义价值体系。达达主义又分苏黎世达达、巴黎达达、纽约达达、德国达达。艺术家杜桑是巴黎达达和纽约达达的代表。 

[2] *1922年年底,爱因斯坦因为去日本讲学,没有出席当年的诺贝尔奖颁奖典礼。

《物理学之美》序言

对科学的美和妙要有鉴赏力

杨振宁

1997年1月17日,我在香港中华科学与社会协进会与香港中文大学主办的演讲会上发表演讲《科学工作有没有风格?》。后来,在收入《曙光集》的时候,把此演讲的标题写作了“美与物理学”。

在那次演讲中,我谈到,物理学自实验、唯象理论到理论架构,是自表面向深层的发展。表面有表面的结构,有表面的美。进一步的唯象理论研究显示出了深一层的美。再进一步的研究,就显示出了极深层的理论架构的美。

牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的狭义相对论方程、狄拉克方程、海森伯方程,以及其他五六个方程是物理学理论架构的骨干。它们提炼了几个世纪的实验工作、唯象理论的精髓,达到了科学研究的最高境界。它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构,可以说它们是造物者的诗篇。

我以为,年轻朋友们应该对科学的这些不同层次的美拥有鉴赏力。常常有年轻朋友问我,他应该研究物理,还是研究数学。我的回答是,这要看你对哪一个领域里的美和妙有更高的判断能力和更大的喜爱。爱因斯坦在1949年谈到他为什么选择物理学,他说:“在数学领域里,我的直觉不够,不能辨认哪些是真正重要的研究,哪些只是不重要的题目。而在物理学里,我很快学到怎样找到基本问题来下工夫。”

因此,对年轻朋友来说,要对自己的喜好与判断能力(也就是科学鉴赏力),有正确的自我估价。从这个角度来看,本书邀请读者“共享科学的情与趣,共赏科学的妙与美”,是很有意义的。



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