理論物理學(xué)的原理

首先，請允許我對你們表示我最誠摯的謝意，謝謝你們給了我這么大的榮譽?，F(xiàn)在我成為你們科學(xué)院的一員，以后我就不再為職業(yè)發(fā)展操心了，而且還可以全身心地投入到科學(xué)研究中，這些都令我非常激動。希望我的努力工作能給你們帶來一些結(jié)果，不過，我的努力和感激之情是百分之百的。

下面，我將借此機會講一點我在這個領(lǐng)域的感受，即理論物理學(xué)對實驗物理學(xué)的作用。幾天前，一位數(shù)學(xué)領(lǐng)域的朋友半開玩笑地對我說：“數(shù)學(xué)家可以做的事非常多，但需要的時間比較長。你想要立竿見影，那恐怕是絕對不可能的?！崩碚撐锢韺W(xué)家的狀況與數(shù)學(xué)家的狀況非常相像。實驗物理學(xué)家可以馬上完成的，理論物理學(xué)家不行。那么，為什么會出現(xiàn)這種適應(yīng)能力的延后呢？

通常，理論學(xué)家都是運用基礎(chǔ)的、普遍的假設(shè)或原理來給出結(jié)論和解決問題的。他們的工作分為兩個部分。第一步，發(fā)現(xiàn)原理，然后再根據(jù)這些原理導(dǎo)出結(jié)論。第二步，在學(xué)生時代，他已經(jīng)經(jīng)過了嚴格的訓(xùn)練，并且儲備了一定的理論基礎(chǔ)。因此，只要他在某領(lǐng)域或某種復(fù)雜的現(xiàn)象中，解決了第一步的原理問題，那么只要這個人勤奮和聰明，就很容易實現(xiàn)第二步。不過，不同的理論學(xué)家所進行的第一步工作，性質(zhì)可能會有質(zhì)的不同，即發(fā)現(xiàn)一些可作為推理的原理各有不同的方法。要完成這一步，其實并沒有什么現(xiàn)成的方法可以借鑒和學(xué)習(xí)。作為科學(xué)家，必須具備這樣的能力，即從繁雜的經(jīng)驗和事實中找到一些普遍規(guī)律，并用精確的公式把這些規(guī)律表示出來，這樣才能最終發(fā)現(xiàn)自然界的普遍原理。

一旦找到這種通用的公式，那么一個接著一個的推理就會順理成章。這些推理可能會出現(xiàn)一些預(yù)料不到的結(jié)果，還可能會遠遠超出原理的適用范圍，但只要這些作為起點的原理還沒有得出，那么極個別的經(jīng)驗和事實一點用處也沒有。也就是說，單憑經(jīng)驗，然后抽象一些孤立無援的普遍定律，是不能有什么成果的。只要沒有推導(dǎo)出作為起點的基礎(chǔ)原理，那么他憑經(jīng)驗進行的個別研究是不起作用的。

目前，關(guān)于低溫下的熱輻射和分子運動定律等理論，正處于這樣的起點。15年前，理論物理學(xué)界普遍認為，物質(zhì)的電、光和熱的性質(zhì)完全可以靠伽利略理論、牛頓力學(xué)，以及麥克斯韋的電磁場理論來解釋。后來，普朗克提出了量子假說。這一原理與古典物理學(xué)原理不相容，使得熱輻射定律的計算方法發(fā)生了改變。接著，他用這種量子假說解釋了速率足夠低而加速度足夠大的極小物體的運動情況，至此，古典物理學(xué)就被他推翻了。所以，就目前的物理學(xué)情況來看，伽利略和牛頓提出的那些運動定律只能算是極限定律。盡管理論物理學(xué)家們付出了艱辛的努力，但是能完全代替古典力學(xué)的原理還沒被找到，因為要使這些原理完全符合普朗克的熱輻射定律和量子假說還真不容易。雖然分子運動論解釋了很多關(guān)于熱的事實，但這種運動的基本定律目前的研究狀況，還是與牛頓以前的天文學(xué)家研究行星運動情況時的處境差不多。

我講了這么多，只為了說明一種情況，那就是還沒有適當(dāng)?shù)脑韥硖幚硭鼈兊睦碚摗．?dāng)然，也可以出現(xiàn)另外一種情況，那就是雖然提出的原理也導(dǎo)出了一些結(jié)論，但完全可能超出我們目前的經(jīng)驗所能觸及的范圍。如果這樣，那么要斷定這些原理與事實是否相符，可能還需要很多年的實驗研究來驗證。大家在相對論中可以見到這樣的情況。

在相對論中，有對空間和時間兩個基本概念的分析。通過分析，我們理解了當(dāng)物體運動而產(chǎn)生的光學(xué)問題在極限空間中呈現(xiàn)光速不變原理，所以那種靜態(tài)的光以太理論是不能被人信服的。不過，我們可以得出這樣的結(jié)論：在地球上進行的運動實驗，對地球自身的任何移動都是不適用的。這樣的移動，必須用相對性原理來解釋：當(dāng)坐標(biāo)系發(fā)生移動，即從原來的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到一個相對于它做勻速平移運動的新坐標(biāo)系中，它們的形式是自然規(guī)律所不能改變的。這個理論已經(jīng)得到了實驗的驗證，而且在很多有關(guān)聯(lián)的事實理論中越來越簡單化了。

當(dāng)然，從理論方面分析，這個理論也不是十全十美的。因為，這種相對性原理只限于勻速運動。勻速運動很難從物理學(xué)的觀點得出一個絕對性的意義。如果上述觀點正確，那么就會有人問：難道非勻速運動就不能運用這種理論嗎？因此，一旦人們應(yīng)用這種擴充理論的方法，我們就必須推出一種更準確的相對論，由此就會得出包括動力學(xué)在內(nèi)的廣義引力論。而就目前的情況來看，我們還沒有能力找到事實來檢驗這種假設(shè)原理的正確性。

歸納物理學(xué)和演繹物理學(xué)互相提出了問題。解決這些問題，就需要大家團結(jié)起來，全力以赴地去探索和研究。這種探究是永恒的。愿我們的努力能很快取得成果！

探索的動機

科學(xué)的范圍非常廣，可以容納各式各樣的人。至于他們?yōu)槭裁匆竭@里來，動機各不相同。很多人愛好科學(xué)是因為科學(xué)讓他們的智力得到發(fā)展，獲得難以理解的快樂。對這些人來說，通過科學(xué)研究，他們找到了快樂的源泉。在這里，他們可以找到生機勃勃的雄心和奮發(fā)向上的斗志，從而得到滿足。而還有很多人的動機不純，他們之所以選擇科學(xué)研究，完全是為了滿足功利心。為此，他們甘愿把自己的腦力成果祭祀在這里。假如上帝派一個天使來這里，讓上述這兩類的人都離開，那么人數(shù)馬上就會減少很多。不過，有一些人是不會離開的，無論是古人還是現(xiàn)代人。普朗克就是能留下的人之一，這也就是他值得我們尊敬和愛戴的原因。

我當(dāng)然清楚，剛才假設(shè)被驅(qū)逐的那些人，有許多是優(yōu)秀而卓越的人才，他們?yōu)榭茖W(xué)的發(fā)展付出了艱辛的努力，為建設(shè)科學(xué)廟堂起過巨大的作用，正是因為如此，天使在執(zhí)行任務(wù)時，也會很為難。反過來，我可以斷定：如果只有剛才被驅(qū)逐的那兩類人，那么科學(xué)廟堂是絕對搭建不起來的，就像蔓草和藤蘿根本不可能構(gòu)成森林一樣。為什么這么說呢？因為這兩類人對職業(yè)是沒有選擇的，人類活動范圍內(nèi)，只要有讓他們干活的機會，他們都會去干，到最后究竟成為工程師、大官、商人，還是科學(xué)家，與選擇毫無關(guān)系，環(huán)境決定他們的命運。

下面讓我們一起來談?wù)勀切┍惶焓沽粝碌娜恕＿@些人一般性格乖僻，平時不怎么愛講話，多數(shù)喜歡孤獨，除此之外，他們還是各有各的特點；那些被趕走的兩類人，則基本上是完全一樣的。他們究竟是被科學(xué)的什么東西吸引的呢？這不是一句兩句話能說清楚的。叔本華曾說，很多人非常向往藝術(shù)和科學(xué)，是因為他們想逃避日常生活，他們覺得日常生活粗俗而沉悶，使他們厭惡而絕望，他們希望擺脫反復(fù)無常的欲望。一個有修養(yǎng)的人，總是不滿足自己的生活，希望解脫，希望來到由客觀和思維組成的世界里。這就好比城市里的人渴望到幽靜的高山上去生活一樣，因為，喧囂擁擠的城市生活讓他們身心疲憊，他們只有在高山幽谷中才能享受到清新、純潔的空氣，可以隨便遐想，陶醉在無比的寧靜之中。

以上這種動機確實比較消極，不過還有另外一種積極向上的動機。人們總是認為現(xiàn)實世界太復(fù)雜，希望找到一種最恰當(dāng)、最簡易、最能讓人理解的方式重新描繪世界。因此，這些人就嘗試著用自己心中那種認為是有序的方式來代替已有的經(jīng)驗世界。這些人有：畫家、詩人、哲學(xué)家和自然科學(xué)家。他們每個人心中都有一幅未來世界的藍圖，他們以此為個人感情的支點，開始描繪世界圖像，借此找尋那種久已失去的寧靜和穩(wěn)定。

那么，理論物理學(xué)家構(gòu)造的世界圖像是什么樣子的呢？地位如何呢？這就要求他們在描述時盡可能做到標(biāo)準、精確，也就是說，只有數(shù)學(xué)語言才能完成這項工作。除此之外，還要求物理學(xué)家不能偏離主題，就是在描繪時必須僅限于已有世界里最簡單的東西。這就要求像理論物理學(xué)家那樣做到精密和有邏輯性，以此完成對復(fù)雜事件的描述。當(dāng)然了，這要在人類的一般智力力所能及的范圍內(nèi)。既然要做到高度的準確、純粹、明晰，那么就需要犧牲完整性。如果人們感到畏縮和害怕，從而拋棄了那些不可捉摸和比較復(fù)雜的東西，那么還有什么能吸引我們?nèi)フJ識自然界呢？而對這種極其渺小的東西的研究，算得上宇宙理論嗎？

我認為，完全可以這么看。因為，既然是理論物理學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的普遍定律，那么就應(yīng)該適合于任何自然現(xiàn)象。借助這些規(guī)律，運用單純簡單的演繹方法，去描述各種自然過程（包括生命的奧秘）就變得簡單起來。也就是說，在人類的智慧和能力范圍內(nèi)，由這個過程得出這些結(jié)果還是不難的。因此，假如物理學(xué)家研究的范圍缺少世界體系的完整性，那也不要認為他們就是犯了什么原則性錯誤。

既然物理學(xué)家把能推導(dǎo)出普遍的基本定律作為自己的最高使命，那么建立起世界體系內(nèi)的單純演繹法也就成為可能了。具體怎樣得出這些定律，要想尋找一個固定的、并且是邏輯很強的道路，那是不大可能的。凡是有經(jīng)驗，并能對經(jīng)驗有很深的理解力的物理學(xué)家，都完全可以憑直覺得出這些定律。既然存在不確定性，那么我們可以采用假定的方法：我們可以先假設(shè)本來就有很多已經(jīng)成立的理論物理體系，通過這種方法再去證明它們。物理學(xué)這些年的發(fā)展向我們證明了一個問題，特定的時期，所有可想象到的定律，總有一個是最好的。凡是在這方面有見識的人都知道，決定理論體系的唯一事實就是現(xiàn)實世界，當(dāng)然現(xiàn)實與理論原理之間可能不存在一定的邏輯關(guān)系，但以上的觀點，我們必須承認。這就是萊布尼茨曾經(jīng)提出的“先定和諧原理”。物理學(xué)家與認識論學(xué)者之間對這個事實的看法是不同的，前者認為后者不夠重視這種事實。幾年前，馬赫與普朗克就曾就這種事實進行了一場大論戰(zhàn)。

“先定和諧”讓人產(chǎn)生無窮的毅力和耐心，普朗克就是其中之一。他對這門科學(xué)的最普遍問題孜孜不倦地研究著，而對那些很容易達到，并且使人身心愉快的目標(biāo)，一點也不看重。有的同行并不這么看，他們認為普朗克的這種做事風(fēng)格是因為他本身的意志力和修養(yǎng)所決定的，我認為他們都錯了。我認為，一個人甘愿為自己的事業(yè)付出這么多，就像那些信奉宗教的人或正在戀愛中的人一樣，是不自覺的。他們每天都會一如既往地努力著，而不需要進行什么深思熟慮，或特別為此做計劃，這完全是一種激情?，F(xiàn)在，普朗克先生就坐在這里，他正在聽我講對他的看法，我估計他在暗自發(fā)笑，認為我像一個孩子一樣，正提著狄奧根尼的燈籠在胡鬧。其實，我們對他的敬仰和愛戴，根本不需要我多說什么，一切已經(jīng)很明了了。讓我們一起為他祝福，祝他在未來的科學(xué)道路上更加順利，愿他能為我們今天的物理學(xué)解決更多的問題。當(dāng)然，很多問題本身就是他自己提出來的，而且已經(jīng)付出了多年艱辛的努力了。祝愿他能把量子論同電動力學(xué)和力學(xué)完整地統(tǒng)一起來，以便使這些理論更加實用和簡易。

1. 這是愛因斯坦1914年就職普魯士科學(xué)院院士時的講話。
2. 這是一篇演講稿，1918年4月，為了慶祝麥克斯·普朗克六十歲生日，愛因斯坦在柏林物理學(xué)會發(fā)表了上述講話。普朗克（1858年-1947年），德國物理學(xué)家。
3. 原名阿圖爾·叔本華，德國哲學(xué)家，生于1788年，卒于1860年。
4. 萊布尼茨認為：所有“單子”之間都存在著一種實現(xiàn)已經(jīng)被永遠定格的和諧，特別是心與物之間更是這樣。
5. 狄奧根尼：生平不詳，古希臘哲學(xué)家，據(jù)說，他曾在白晝提著燈籠到處尋找誠實的人。