第十章 近代物理学的理论

    物理学理论的意义。外行人看到科学理论多么短命而备受冲击。在经过一些年代的繁荣兴旺之后，他们看到这些理论相继被抛弃了；他们看到废墟堆积在废墟之上；他们预见今天风靡一时的理论不久也会遭到同样的命运，因此他们得出结论说，这些理论是完全无用的。这就是他们所谓的科学破产。

    他们的怀疑论是肤浅的；他们根本没有考虑科学理论的目的和作用；否则他们就会明白，这些废墟可能还对某些东西有好处。

    菲涅耳曾把光归因于以太的运动，似乎没有什么理论比菲涅耳理论更牢固了。可是如今，人们却偏爱麦克斯韦理论。这意味着菲涅耳的工作是徒劳的吗？不，因为菲涅耳的目的不在于弄清楚，以太是否实际上存在，或者它是否由原子构成，这些原子实际上是否在这个或那个向指运动；他的目标是预言光学现象。

    而且，菲涅耳理论在今天以及在麦克斯韦之前，总是容许做到这一点。微分方程总是为真；它们总是能够用同样的步骤来积分，而且这个积分的结果总是保持它们的值。

    请人们不要说，我们这样做是把物理学理论仅仅划归为实用处方的角色；这些方程表示某些关系，如果方程依然为真，那正是因为这些关系保存着它们的实在。它们现在像那时一样告诉我们，在一些事物和另一些事物之间存在着如此这般的关系；只不过这种东西我们以前称为运动；现在我们却称其为电流。但是，这些名称仅仅是代替实在的客体的图像，自然界永远将实在的客体向我们隐藏着。这些实在的客体之间的真关系是我们能够得到的唯一实在，而唯一的条件是，在这些客体之间与在我们被迫用来代替它们的图像之间存在着相同的关系。如果我们知道这些关系，那么我们若认为用一种图像代替另一种图像是方便的，又有什么要紧的呢。

    假定某些周期现象（例如电振荡）实际上是由于某些原子的振动，这些原子的行为像摆一样，的确在这个向指或那个向指运动着，这既不可靠，也没有什么趣味。但是，在电振荡、摆运动和一切周期现象之间存在着密切的关系，而这种关系又对应于深刻的实在；这种关系，这种类似，或恰当地讲这种平行性，扩展到细节；它是更为普遍的原理即能量原理和最小作用原理的结果；这是我们能够确认的东西；这就是在一切装束下将总是依然如故的真理，我们可能认为这样打扮它是有用处的。

    人们已提出许多色散理论；起初是不完善的，只包含一小部分真理。后来，亥姆霍兹的理论出现了；接着人们以各种方式修正它，连亥姆霍兹本人也在麦克斯韦原理的基础上设想出另一种理论。但是，值得注意的是，亥姆霍兹之后的所有科学家，从表面上大相径庭的出发点开始，都达到同一方程。我敢说，这些理论同时都为真，不仅因为它们使我们预见相同的现象，而且也因为它们预先表述了真关系，即吸收关系和反常色散关系。在这些理论的前提中，真实的东西就是对所有作者共同的东西；这就是一些事物之间的某种关系的断定，至于事物的名称则随作者而异。

    气体运动论也引起了许多非议，如果我们自称在其中看到了绝对真理，那就不可能答复了。但是，这一切非议并没有排除它曾经是有用的，尤其是它向我们揭示了真关系，即气体压力和渗透压的关系，要是没有它，这种关系还在深藏着。因此，在这个涵义上，可以说它为真。

    当物理学家在对他来说同样可贵的两个理论之间发现矛盾时，他有时说：“我们不必为此烦恼，虽然我们看不见链条的中间环节，但是让我们牢牢地握住它的两端。”如果必须把外行人理解的涵义赋予物理学理论的话，那么使神学家感到窘迫的这个论据恐怕是可笑的。在遇到矛盾的情况下，至少必须认为其中一个理论当时是假的。倘若在它们中只寻找应该寻找的东西，情况就不同了。也许它们二者都表达了真关系，也许矛盾仅仅处在我们用以覆盖实在的图像之中。

    对于那些感到我们过多限制了科学家可以进入的领域的人，我要回答：我们禁止你们而你们却感到遗憾的这些问题不仅是无法解决的，而且它们是虚幻的、毫无意义的。

    有些哲学家妄称，整个物理学都可以用原子的相互碰撞来说明。假若他只是意指，在物理现象之间与在为数众多的小球的相互碰撞之间存在着同一关系，那就再好不过了，这是可证实的，且也许为真。但是，他还意指更多的东西；我们以为我们是理解这一点的，因为我们以为我们知道碰撞本身是什么；为什么呢？只因为我们常常看台球游戏。我们能认为上帝凝视他的造化时，与我们注视台球比赛时有同样的感觉吗？如果我们不想把这个稀奇古怪的涵义赋予他的断语，如果我们也不需要我刚才说明的且是健全的限制性涵义，那么它便一无所有。

    因此，这一类假设只有隐喻的涵义。与诗人不禁用隐喻一样，科学家也不应该禁用这类假设；但是，他们应该知道，它们是有价值的。它们对于心智的某种满足而言可能是有用的，倘若它们只是中性假设，它们就不是有害的。

    这些思考向我们说明，为什么某些应该被抛弃的、最终被实验宣告不适用的理论突然死灰复燃并重获新生。正是因为它们表达了真关系；而且还因为，由于各种各样的理由，当我们感到有必要用另一种语言陈述同一关系时，它们并没有停止如此表达。因此，它们保持了一种潜在的生命。

    仅仅在15年前，难道有比库仑（Coulomb）流体更可笑的、更幼稚得过时了的东西吗？可是现在，它们又以电子的名义重新出现了。这些永久带电分子与库仑电分子的区别何在呢？的确，在电子中，电是由微小的、十分微小的物质承载着；换句话说，它们具有质量（可是这一点现在有争议）；但是，库仑并没有否认他的流体有质量，或者，即使他否认了，那也只是勉强的。断言对于电子的信念不会再遭到挫折也许是急躁的；注意到这个未曾料到的复活，没有人不感到奇怪。

    但是，最显著的例子是卡诺（Carnot）原理。卡诺是从错误的假设出发建立这个原理的。当人们看到，热并非不可毁灭，但可以转化为功，于是便完全抛弃了卡诺的观念；其后，克劳修斯重新研究它们，才使它们最后获胜。卡诺原理在它的原始形式下除了表达出真关系外，还表达了其他不精确的关系，即过时的观念的残余；但是，后者的存在并没有改变其他东西的实在性。克劳修斯只是像人们砍掉枯枝一样地抛弃了那些过时的观念。

    其结果是热力学的第二个基本定律。在那里总是有相同的关系；虽然这些关系至少在表观上不再继续存在于同样的客体之间。这足以使该原理保留它的价值。甚至卡诺的推理也并未因此而消灭；它们被用于受错误沽染的资料中；但是，它们的形式（也就是说本质的东西）依然是正确的。

    我刚才讲过的话同时也阐明了像最小作用原理或能量守恒原理这样的普遍原理的作用。

    这些原理具有极高的价值；它们是在许多物理定律的阐述中寻求共同点时得到的；因此，它们仿佛代表着无数观察的精髓。

    不过，正是从它们的普遍性中产生了一个结果，即它们不再能够被证实，我在第八章对此已引起注意。由于我们未能给出能量的一般定义，因此能量守恒原理仅仅意指存在着依然是常数的某种东西。好了，不管未来的实验给予我们关于这个世界的新概念是什么，我们总能预先保证，将存在保持不变的某种东西，人们可以称之为能量。

    这是说该原理没有意义而且消失在同义反复中了吗？根本不是；它意味着，我们称之为能量的各种东西被真实的亲缘关系结合起来；它断定在它们之间存在着实在的关系。但是，如果这个原理有意义，它就可能为假；也许我们没有权利无限地推广它的应用，可是在该术语的严格意义上，它预先肯定可以检验；然则我们将如何知道它什么时候会获得我们能够合理地赋予它的一切外延呢？只有当它不再对我们有用，即不再使我们正确地预见新现象之时。在这样的情况下，我们将确信所肯定的关系不再是实在的；否则，它就可能是富有成效的；实验即使不直接与该原理的新外延相矛盾，但也可以宣布它不适用。

    物理学和机械论。大多数理论家对于从力学或动力学中借用的说明都有一种经常的偏爱。有些人只要能够用按照某些定律相互吸引的分子的运动说明一切现象，他们就会心满意足。另一些人更苛求禁止；他们想禁止超距引力；他们的分子沿直线路径运动，这些分子只有在受到碰撞时才能从直线路径偏离。还有人像赫兹那样也取消了力，但却假定它们的分子服从几何连接物，例如这些连接物类似于我们的联动装置的连接物；他们这样试图把动力学还原为一种运动学。

    一句话，大家都想把自然界弯曲成某种形式，在这种形式之外，他们的心智是不会感到满意的。对此，自然界将是充分柔顺的吗？

    我们在第十二章提出麦克斯韦理论时，将考察这个问题。每当能量原理和最小作用原理被满足的时候，我们将不仅看到总是存在一种可能的力学说明，而且也看到总是有无限多的说明。借助于众所周知的柯尼希（König）关于联动装置的定理，可以证明，我们能够通过仿效赫兹的连接物，或者用有心力，以无限的方式说明一切。毫无疑问，同样可以顺利地证明，一切总是能够用简单的碰撞来说明。

    为此，我们当然不需要以我们感觉到的、我们直接观察其运动的通常的物质为满足。或者我们将假定，这种普通物质是由原子构成的，我们无法知道原子的内部运动，唯有整体位移始终能为我们的感官感受。或者我们将设想某些微妙的流体，叫它们以太也好，叫其他名字也好，它们在物理学理论中总是起着如此巨大的作用。

    人们往往更进一步，把以太看做是唯一的原始物质，甚或看做是唯一真实的物质。比较稳健的人则把普通物质视为凝聚的以太，这是不足为奇的；但是，另外的人则进而减小它的重要性，简直把它看做是以太奇点的几何轨迹。例如，在开耳芬勋爵（Lord Kelvin）看来，我们称之为物质的东西，只不过是以太被涡旋运动所激发的点的轨迹；在黎曼看来，物质是以太不断消灭的点的轨迹；在最近的其他创造者维歇特（Wiechert）或拉摩（Larmor）看来，物质是以太在其中经历一种扭转的点的轨迹，这种扭转具有十分特殊的性质。如果我们试图采取这些观点之一，我要扪心自问，我们依据什么权利在这是真实的物质的借口之下，把在通常的物质即只不过是虚假的物质中观察到的力学性质推广到以太呢。

    当人们察觉到热并非是不可毁灭的时候，便抛弃了古老的流体、热质、电等等。但是，也是因为另外的理由抛弃了它们。在使它们物质化的过程中，可以说强调了它们的个性，即在它们中间辟开了一道深渊。待到我们比较强烈地感觉到自然界的统一性，觉察到把自然界的各个部分连接在一起的密切关系时，这个深渊必然会被填平。古代的物理学家在增加流体时不仅不必要地创造了实体，而且他们也割裂了实在的联系。

    就一种理论而言，它不肯定假关系还是不充分的，它还必须不隐藏真关系。

    我们的以太实际上存在吗？我们知道我们的以太信念的起源。如果光从遥远的恒星抵达我们，那么在它离开恒星但还没有射到地球上需要几年时间；因此，它必须寄托在某个地方，也就是说，必须由某种实物支持者承载着。

    同样的观念也可以用更数学化的、更抽象的形式来表述。我们查明的东西都是实物分子所经历的变化；例如，我们看到，我们的照相底片感受到一些现象的结果，这些现象的活动场所实际上是几年前恒星的白炽物质。可是，在通常的力学中，所研究的系统的状态只依赖于紧挨着的先前时刻的状态；因此，该系统满足微分方程。相反地，假使我们不相信以太，那么实物宇宙的状态就不仅应该取决于紧挨着的先前的状态，而且也应该取决于以往许多状态；该系统将满足有限差分方程。正是为了避免与力学普遍定律的这种背离，我们才发明了以太。

    这还只不过是迫使我们用以太充满星际虚空，而不是使它渗透到实物媒质本身之内去。斐索（Fizeau）实验则更进一步。通过在空气或运动的水中传播的光线的干涉，该实验似乎向我们表明，存在着两种相互渗透且一种相对于另一种改变位置的不同的媒质。

    我们似乎用手指接触到以太。

    可是，还可以构想出使我们更密切地接触到以太的实验。假定牛顿的作用与反作用相等原理唯有用于物质时不再为真，并假定我们已确立了这一点。那么，施加在所有实物分子上的全部力的几何和就不再是零了。因此，如果我们不希望改变整个力学，那就必须引入以太，以便使物质表观上经受的这种作用与物质对于某种东西的反作用相平衡。

    或者再假定，我们发现，光现象和电现象受地球运动的影响。我们可能被导致得出结论说，这些现象不仅可以向我们揭示物体的相对运动，而且这似乎是它们的绝对运动。另一方面，以太也许是必要的，以便这些所谓的绝对运动不是物体相对于空虚空间的位移，而是物体相对于某种具体东西的位移。

    我们究竟能达到这一点吗？我没有这种希望，我将马上说出其中的缘由来，可是这种希望并不是荒诞不经的，因为其他人也曾有过它。

    例如，如果洛伦兹（Lorentz）理论————我将在第十三章进一步详细地谈论它————为真，那么牛顿原理就不可能仅仅应用于物质... -->>
本章未完，点击下一页继续阅读