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爱因斯坦:我们为什么研究物理学?

撰文 | Sunnylabh、A.Einstein

翻译 | Nothing

审校 | Nuor

阿尔伯特·爱因斯坦被认为是科学界最著名的天才。他最著名的理论是相对论光电效应,其中光电效应为他赢得了1921年的诺贝尔物理学奖,但与此同时,爱因斯坦几乎没有做过任何实验。事实上,他的大部分发现都是基于一些奇异但又令人着迷的思想实验。

阿尔伯特·爱因斯坦在1922年访问巴黎

那么问题来了:爱因斯坦做研究的原则到底是什么呢?是什么让他有可能解开宇宙中一些最重要的谜题?在这篇文章中,我将阐明爱因斯坦对于科学思维和想象力的一些想法。

这篇文章中的陈述和评论是由阿尔伯特·爱因斯坦本人在柏林物理学会举行的马克斯·普朗克六十岁生日庆祝会上发表的,文本收录在《我的世界观》(Mein Weltbild, Amsterdam: Querido Verlag,1934)中。

马克思·普朗克(1858-1947年)多年来一直是柏林大学的理论物理学教授。他对物理学最杰出的贡献是量子理论。普朗克在1900年提出了黑体辐射理论,这一理论是整个现代量子物理学的发展的基础。因此,普朗克被认为是量子力学的奠基人之一。

紧随普朗克之后,爱因斯坦在这个年轻的领域做出了开创性工作,其中最重要的是他的光量子或者说光子理论(1905年)和比热理论(1907年)。爱因斯坦对量子理论的早期贡献还包括他的启发性猜想,他认为光的行为和聚集在一起的光子的行为相同;他还对物质中粒子的机械能的量子结构进行探索。正是他比任何人都更深刻地认识到量子概念在其它分支中的基础性和普遍性。

爱因斯坦在演讲开始时将科学比作一座神殿,并将科学家与那些为仅仅为科学殿堂的发展提供了智力产物的人进行了比较。然后,他对马克斯·普朗克进行了评价,认为他是一定会被留在科学殿堂里的人之一——他在很大程度上推动着科学的发展

“在科学的神殿里有许多房屋,里面住着形形色色的人,而促使他们到那里去的原因也各不相同。许多人之所以喜欢科学,是因为科学会带给他们智力强于常人的快感,科学是他们特殊的娱乐方式,他们在科学中寻找生动的体验和对自己野心的满足;神殿里还有很多其他人,他们出于纯粹功利的目的把他们的脑力产物奉献在科学的祭坛上。如果上帝派出一位天使将这两类的人都赶出神殿,那么这里的人将大大减少。

但是,仍然还有一些人会留在里面,这些人中既有历史人物也有现在的人物。我们的普朗克就是其中之一,这也正是我们爱戴他的原因。我很清楚,我们刚才在想象中随意地赶走了许多杰出人物,他们为科学神殿的建立做出过许多甚至是主要的贡献。天使有时也很难决定驱逐哪些人,但是有一点我可以肯定,如果只留下刚才我们提到的两类人,科学神殿就绝不会存在,剩下的只是一些荒草。对这些人来说,只要时机合适,他们可以从事任何行业。他们会成为工程师、官员还是商人完全取决于环境的影响。”

爱因斯坦解释了为什么有些人总会被留在科学神殿里,而从来不会被上帝的天使驱逐。然后,他阐述了一个重要的哲学观点,到底是什么导致人们沉迷于科学发现的世界以及艺术中的美感和印象,即沉浸于客观感知和思维的世界

“现在让我们再看看那些得到天使青睐的人。

他们中的大多数人都有点古怪、沉默寡言、孤僻,尽管有这些共同点,但他们本质上非常不同。是什么把他们带到科学殿堂里来的?这是一个难以回答的问题,因为不存在统一的答案。

首先,我相信叔本华的观点,引导人们走向艺术和科学的最强烈动机之一是:逃离日常生活中痛苦的粗鄙和令人无望的沉闷,摆脱自己不断变化的欲望的束缚。性情温和的人渴望逃离个人生活,进入客观感知和思维的世界。这一愿望就像城市居民想逃离喧闹、拥挤的城市环境,进入高山中的宁静的环境一样。在那里,眼睛得以在安静清洁的空气中自由地观察,沉迷于那似乎为永恒而设计的环境中。”

爱因斯坦解释了当人们试图去描绘所生活的世界和宇宙时个人特质的重要性,无论是画家、科学家还是哲学家——每个人都试图创造自己对宇宙的理解。

在所有这些有趣的想法背后,我们可能会想到一些非常重要的问题:物理学家的世界图景在所有人的图景中占据什么位置?物理学家的科学想象力如何受到约束?为了形成一个精妙而完整的理论,科学头脑需要考虑哪些事情?

“除了这个消极的动机,还有了一个积极的动机。

人类试图以最适合自己的方式为自己描绘一幅简单易懂的世界图景。然后,他试图用自己的宇宙来代替经验世界,然后降伏它。这就是画家,诗人、哲学家和自然科学家所做的事情,他们只是各自有各自的风格。每个人都将这个宇宙及其构造作为自己情感的支点,以便通过这种方式找到在他有限的经验范围内没有的安宁。

理论物理学家的世界图景在所有这些可能的图景中占据了什么位置?它要求在描述关系时尽可能达到最高的精度,这种要求只有通过数学的语言才能做到这一点。另一方面,物理学家必须严格限制自己描述的主题:他必须满足于描述我们经验范围内最简单的事件。所有更为复杂的事件都超出了人类智力所能做到的极限,无法以理论物理学家所要求的微妙的准确性和逻辑的完美性来重建。物理学家需要以丧失部分完整性为代价来打达到最高纯粹性、清晰性和确定性。

但是,当人们小心翼翼地忽略世界的复杂性时,深入了解大自然如此微小的一部分有什么吸引力呢?这样一些小心翼翼地努力产生的结果是否担得起宇宙理论之名?”

爱因斯坦,在1952-1955年

爱因斯坦描述了形成完整的、易理解的和完全不同的构建科学原理和物理理论的主要方法——演绎法。他进一步解释说,这些原则和定律不能由逻辑方法形成,而只能由基于对个人经验的直觉作用形成。这种方法确实为单一理论和对同一现象的多种理解提供了多种解释。然而,总有一个(原理或理论)比其他的更出色。

“我相信这个名字是合适的。因为理论物理结构所依据的一般规律声称对任何自然现象都有效。有了它们,就应该有可能通过纯粹的演绎,对包括生命在内的每一个自然过程进行描述,如果这个演绎过程超出人类智力的能力不远的话。因此,物理学家放弃其宇宙的完整性不是原则性问题。

物理学家的终极目标是找到普适的基本定律,这样就可以通过演绎法建立起完整的世界体系。要想找到这些基本定律,严密的逻辑方法是行不通的。只有通过建立在经验之上的直觉,才能得到这些定律。这种方法的不确定性让人们可以假定存在许多合理的理论物理体系。但科学发展的过程一再表明,在同一时期的许多方案中,总有一个方案明显优于其他的方案。

真正深入研究这一问题的人都会相信,真实世界的现象直接决定了哪个理论是最优的,尽管事实上,现象与其理论原则并不存在逻辑上的对应关系。这就是莱布尼茨所说的“前定和谐”(Pre-established harmony)。物理学家经常指责认识论者没有对这一事实给予足够的重视。”

爱因斯坦在演讲结束时提到了一些关于马克斯·普朗克的友好评价,以及他对科学的贡献,特别是对物理学的贡献,这些贡献在科学意义上是至关重要的。在谈到普朗克时,爱因斯坦提到:他(普朗克)在探索和解决一些最重大的科学问题方面发挥了重要作用,希望他在量子理论与电动力学理论相结合的尝试中取得成功。

“普朗克无穷无尽的耐心和毅力的源泉是渴望看到这种前定和谐,正如我们所看到的,普朗克致力于我们科学中最普遍的问题,拒绝让自己转向更容易达到的目标上去。

我经常听到同事们试图将他的这种态度归因于非凡的意志力和纪律,在我看来,这是错误的。使人能够从事这种工作的心态类似于宗教崇拜者或恋人的心态:每天的努力并非出于刻意或计划,而是发自内心。我们敬爱的普朗克,他坐在那里,笑着看我玩弄第欧根尼的灯笼(古希腊哲学家曾在白天提着灯笼寻找“诚实”的人)。

简单的语言不能诠释我们对他的热爱。愿对科学的热爱继续照亮他未来的道路,引导他解决当今物理学中最重要的问题,祝他可以将量子理论和电动力学、力学统一在同一个逻辑体系里。”

阿尔伯特·爱因斯坦在柏林获得德国物理学会颁发的马克斯·普朗克奖章。

本文经授权转载自微信公众号“中科院物理所”。

原文链接:https://www.cantorsparadise.com/einsteins-scientific-imagination-and-principles-of-research-959acd8958e8



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