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争鸣:爱因斯坦的卓识,还是爱因斯坦的错误?丨展卷

著有多部物理教科书的美国佛蒙特大学物理系兼职教授汉斯·C·欧翰年(Hans C. Ohanian)在《爱因斯坦的错误》一书中,用一种无所畏惧、事无巨细的态度,考察了爱因斯坦的科学历程,他以一手德文文献等丰富的材料对爱因斯坦进行了多重批评。《新科学家》认为,这本书让爱因斯坦的研究学者也深受教益。然而也有物理学者对此书观点做了直率的批评。下文即为争鸣之一。也欢迎各位朋友留下您的见解。

(新星出版社,2022年5月;潘涛译、范岱年校)

 

撰文 | 韩锋(新疆师范大学物理学教授(退休))

在所有的科学家中,我最钦佩的是爱因斯坦(没有之一)。这倒不仅仅是因为他的狭义与广义相对论,因其思想的精湛和形式的优美著称于世,成为人类迄今为止最高的智慧结晶,而更主要的是,他在人生和社会问题上所表现出来的通透和深刻。他是一个有高度社会责任感的理想科学家。

当然,为尊者讳也绝不是科学的态度。爱因斯坦是人不是神,是人就会犯错误。实事求是地说,正因为有错误才会有真理的发现,个人崇拜是没有道理的。爱因斯坦本人尤其反对和厌恶个人崇拜,他说:“谁要是把自己标榜为真理和知识领域里的裁判官,他就会被神的笑声所覆灭。”

十年前,有一本《你错了,爱因斯坦先生!》,名字很雷人,我赶紧邮购了一本,先睹为快。原来,作者是仿效伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,让五位著名科学家爱因斯坦、牛顿、海森堡、费曼和作者自己(化身哈勒尔教授),就量子力学的原理和解释展开对话。目的是想用这样一种方式把量子力学介绍给读者,使得一般民众也能够了解这个理论的基本特征。众所周知,那一场持续了很长时间的爱因斯坦与玻尔的世纪大论战,最终还是以爱因斯坦的失败而告终(尽管爱因斯坦一直并不认输)。爱因斯坦由于其机械唯物论的世界观,终于不敌量子力学的哥本哈根诠释,在对量子力学的认识上,爱因斯坦确实错了。

现在的这本《爱因斯坦的错误》,有一个副标题:“天才的人性弱点”。作者是普林斯顿大学的物理学博士汉斯·C·欧翰年,译者是北京大学哲学博士潘涛老师。著名科学史家范岱年先生校阅,清华的刘兵教授作序,承蒙译者惠赠,我花了几天认真地拜读了它。实际上,书中所说的某些“错误”,其实并不是错误,而是对科学思想、科学方法的不同观点所致。比如,关于概念是不是思维的“自由创造”,作者认为:自然律植根于实验,它不是人的自由意志作出的规定。他批评对想象力和好奇心的推崇,认为它们是神秘主义。作者不理解近代物理学中先提出公设,再用实验去证实它,并推出一系列可以与实验符合的推论的这一整套科学的方法,而机械地强调先要有实验,看似唯物,实则形而上学。很明显,作者在认识水平上,远不及爱因斯坦,明显地低了一个层次。

被作者认为是爱因斯坦的重大错误的,竟然是:他在提出相对论的基本原理时,竟然没有考虑迈克尔逊-莫雷实验。作者批评道:“他要是不知道,就应该知道;他要是知道,就应该明白。”(第117页)这真有点霸道!至少是吹毛求疵。爱因斯坦不需要借助某个实验来建立他的理论,这本身并没有什么错。这反倒更说明,一个理论如果是正确的,无论通过哪个途径,都可以达到真理。建立一个理论,并不需要太多的实验根据。如果它是对的,任何实验都可以证实它;如果它是错的,不需要太多的实验,任何一个实验都可以证伪它。

爱因斯坦的光电效应光量子解释是一个杰作,简单而明快,精致而优美。如果说相对论是一部大作,那么他就是一首小诗。虽然包括量子理论之父的普朗克、发现光电效应的勒纳德、实验验证了爱因斯坦解释的密立根,以及德高望重的洛伦兹等几乎所有著名的物理学家都不同意爱因斯坦,但最后还是爱因斯坦获得了他应得的承认。爱因斯坦因这一成果获得诺奖,使得爱因斯坦不但名正言顺地获奖,而且也使强烈反对相对论的人找不到什么借口反对,诺奖委员会可谓煞费苦心,用心良苦。本书作者把爱因斯坦的成功归之于“运气”,偶尔的运气是可能的,一再地好运气总是降临到一个人的头上,那就不能认为是运气的问题了。

作者当然知道,质能关系 E=mc2 已经成为爱因斯坦的标志性成果,已经是世界上最著名的方程之一,所以对之进行了集中地贬损。他说人们对 E=mc2 的推崇是“炒作和胡言”,“爱因斯坦根本不是 E=mc2 的发现者”,它在此之前几年就已经被洛伦兹在处理电磁质量问题时使用过,“这个方程在核裂变的发现和原子弹的发展中只起着微不足道的作用” ,与核物理的研究“没什么关系——尽管他们偶尔使用 E=mc2,但要是没有 E=mc2,他们也能做得很好。”(第168页)这样的话语真不应该出自一个科学工作者之口。

问题的要害在于,他说爱因斯坦在对 E=mc2 的论证中有“隐藏的错误”,这是怎么回事?原来,作者认为,爱因斯坦把在慢动体中的情况,外推到快动体了,这是一种“毫无根据的外推”。这种外推是一种错误吗?当然不是。理论的外推是假说,而不是证明。这种外推是否正确,需要由实验来检验判断。由此也可看出,作者的科学素养确实很成问题。E=mc2最终由冯·劳厄和克莱因给出了严格的证明,作者也承认“爱因斯坦关于这个方程应该适用于每一个物体和各种能量的猜想最终证明是正确的,具有重大的意义。”他把这归因于“直觉引导他找到了正确的方程。”作者极高地评价了爱因斯坦的直觉,他说:“爱因斯坦的深刻直觉使他能够从有缺陷的观念得出所需要的基石,以完成最伟大的艺术品。”(第256页)

至于一些概念或者方程,在爱因斯坦把它们组织成为一个严整的理论结构之前,类似的形式曾经被别人应用过,这都不足为奇,而且也不构成优先权的问题。比如:相对性原理和光速不变原理,在彭加勒的《科学与假设》中都讨论过,洛伦兹变换是洛伦兹导出来的,长度收缩一直被称为裴兹杰惹收缩,就连爱因斯坦著名的引力场方程也是大数学家希尔伯特几乎同时从变分法推出来了,然而正如希尔伯特所说:“哥廷根街上的每个男孩,都比爱因斯坦更了解四维几何,然而,尽管如此,爱因斯坦还是做了这项工作,而不是那些数学家。”(第254页) 历史承认爱因斯坦的功绩,也不否定此前其他人的贡献,有人在这中间大作文章,真要怀疑他们的用心了。

被爱因斯坦认为是“我一生中最幸运的想法”的重力与加速度不可分辨性或者说等效性,本书作者却认为“没有什么特别的独到之处”,因为在儒勒·凡尔纳的科幻小说中曾经有过这个桥段。这个思想“也没有什么原创性”,因为人工重力可由加速度产生,这已经用在从牛奶分离奶油的离心机中。我们惊叹于爱因斯坦这个想法的高妙,作者却想方设法地寻找例证贬低它,这种心态真的很奇怪,让人无法理解。

作者详细地叙述了爱因斯坦与妻子米列娃和表姐埃尔莎(他后来的妻子)之间的关系,批评了爱因斯坦在家庭中的不负责任和在婚姻中的不忠诚。确实如此,爱因斯坦在个人生活中的不检点,一直受人诟病。据统计,他先后曾经与14个女性有过暧昧关系,其中有他柏林期间的女友、晚年的秘书、普林斯顿的图书管理员、演员,还有一个高度疑似苏联间谍的女人——不过没有得到任何有价值的情报信息。在伯尔尼的爱因斯坦博物馆里,关于“Einstein’personality(爱因斯坦的个性)”图片解说的标题,竟然是“Einstein—a lady’s man?”(“招女人的男人”) 所以说,说爱因斯坦在这方面有着“人性的弱点”,也并不为过。在我有一次课堂上讲到爱因斯坦时,就有一个女生说:“爱因斯坦是个花花公子。”

说到爱因斯坦的错误,当然不能不说到爱因斯坦自己所说的他一生中最大的错误,那就是在引力场方程中人为地加入了一个代表斥力的宇宙项,以符合他所构想的静态宇宙模型。不过,这一次可能又让爱因斯坦给“蒙”对了,本书作者几乎肯定这个宇宙项就代表了现今一直在寻找中的“暗能量”(它导致了宇宙的加速膨胀)。至于是否真是这样,学术界尚有争论,并未得到完全肯定。

当日全食时的天文观测证实了爱因斯坦关于星光在引力场中的偏转数据时,引起了全球公众极大的振奋,爱因斯坦的名字成了一个家喻户晓的字眼。作者将此归于新闻媒体的炒作。或许有这样的因素,但这绝不是如现今某些不良媒体的拙劣吹捧。当时一战刚刚结束,人们正需要一剂兴奋剂以舒缓已经疲惫不堪的精神,天时地利人和,早就了爱因斯坦的轰动效应。

作者罗列了当时的“反相对论公司”等一大批反对相对论的人和事。我们不奇怪他们形形色色反相对论的动机,倒是为他们——如作者所说,在对相对论概念的理解上确实“超出了他(们)的能力”而深感同情。作者似乎很遗憾像洛伦兹和彭加勒这样伟大的科学家的观点被置若罔闻,他们坚持认为长度收缩和时间延缓这样的效应一定有一个物理机制,是某种电荷排列的变化所导致的量杆“真”缩短和钟表“真”变慢。作者讲了一件轶事很有意思:在1911年的第一次索尔维会议上,彭加勒问爱因斯坦:“你在物理中使用的是什么力学?” 爱因斯坦回答说:“没有力学。”这使彭加勒无语。事实上,包括作者在内的这些人,确实没有真正搞懂相对论,总想要解释“如何使时钟进行时间延缓?如何使量杆进行长度收缩?”爱因斯坦的回答没有错,相对论的观测效应不是动力学效应 。可遗憾的是,作者却不理解这一点,认为彭加勒的问题很对,这也只能让爱因斯坦无语。

无疑,爱因斯坦晚年花了30年的时间所致力的、企图将电和引力统一在一个理论中的“统一场论”,是他此生最大的失败。但这谈不上是什么“错误”或者“悲剧”,更不是作者所说的有如“垃圾(junk)”一样毫无价值的东西。在爱因斯坦之前,数学的无冕之王希尔伯特,天才的外尔,以及数学家卡鲁查与物理学家克莱因,著名的物理学家和天文学家爱丁顿等人,这些人物都绝不是无能之辈,为了这个目标也都曾竭尽全力,但最后也都铩羽而归。爱因斯坦是想把电磁场和引力场结合起来,成为一个新的统一场,希望新的场方程的解能够解释所有带电粒子和不带电粒子的结构。这个理论一旦成功,那将是人类有史以来最伟大的成就!现在人们尝试着在倒过来做:先把电磁相互作用与弱相互作用统一起来,在杨—米尔斯规范场理论的基础上,弱电相互作用理论已经大功告成。接下来就是要把弱电相互作用与强相互作用统一起来,成为一个“大统一”理论,这个理想现在还未达到,不过看来很有希望。至于能不能再把引力相互作用也统一进来,那就很难说了。

现在回过头来去看,电磁力和万有引力是很不相同的。当初爱因斯坦的失败可能并不完全是因为当时还没有发现强作用力和弱作用力,而很有可能是因为:本质上量子形态的电磁作用或许就是不可能几何化的。现在,人们是不是又走向了另一个极端?本质上几何形态的万有引力恐怕是不可能量子化的,很有可能此路根本就不通。或许,试图用一个方程、一种力解释世界上的一切,那样的理论实际上就是不存在的,试图解释一切的理论实际上什么也解释不了。霍金也有类似的想法,他说:“也许不可能用一个单独的基本表达式将这个理论(指一种完整的统一的理论)描述出来。相反地,在不同的情形下,我们必须使用基本理论的不同影像。这和描绘地球表面很相似,人们不能用一张单独的地图,在不同区域必须用不同的地图来代表。这就变革了我们科学定律的统一观。” “在物理学中对不同的情形需要使用不同的表述,但是两种不同表述在它们都适用的情形下要相互一致。整族不同的表述可以被认为是完整的统一理论,尽管它不是依照单独的假设集合表达的理论。”(《时间简史》:前言,第2、164页)

本书的一大亮点在于,在阐述创建相对论和爱因斯坦的其他科学工作时,详细披露了这些过程的大量细节。可以看到,爱因斯坦创造性发现的每一步走得都不容易,反复捉摸,一再出错,筚路蓝缕,摸索前行。这是一个痛苦的历程,绝不是天才灵光一现的产物。要想取得成功,就要敢于独立思考,就不能畏惧困难和失败,爱因斯坦获得今天这样的崇高声誉,自有它的道理在。

本书作者说,爱因斯坦“是一位拙劣的战术家,但却是一位卓越的战略家。”(第380页)这话有一定道理,但不全对。正如刘兵教授在“序言”中所说的:“科学的探索是曲折的,科学家们在探索的过程中,自然也不会总是一帆风顺,犯下各种‘错误’在所难免。”按照作者的标准,在任何一场“战役”中都没有犯过错误的战术家是不存在的。如杨振宁在2005年第22届国际科学史大会的报告“爱因斯坦:机遇与眼光”中所说:“洛伦兹有数学,但没有物理学;彭加勒有哲学,但也没有物理学。”爱因斯坦有物理学,也有哲学和数学,尤其是有敏锐的物理思想,能够从远处把握住关键,又能从近处进行严格的数学处理,所以他成功了。

不用细思,我们就能看到,爱因斯坦的科学思想和科学方法,已经多么深地渗透进了我们的精神生活之中,从粒子到宇宙,爱因斯坦的理论影响无处不在。尤其是他的那些关于社会生活,关于教育,关于战争与和平的名言警句,广泛地影响着人们思考问题的方式。这是一笔巨大的精神财富,我们一定要把它继承下来,发扬光大,成为指导我们继续前行的指路明灯。

 



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