物理学的基本概念及其最近的变化

虽然我们的世界作为感性知觉的对象只给我们展示着现象之间不清楚的相互关系，而我们的行动在我们看来都是自由的，也就是不服从任何客观规律的，但我们还是感到需要把事件解释为必然的，完全服从（因果性）规律的。这种需要无疑是在文化发展过程中所获得的理性经验的产物。另一方面，原始人根据同自己的意志活动的类比，企图把所有发生的事件都归因于某种看不见的精灵的意志的表现。因此，关于对自然界作严格因果解释的假设并不是起源于人类精神。它是人类理智长期适应的结果。

相信自然现象必然遵守因果规律，归根到底仅仅是以有限的成就为基础的，这些成就是作为人类理智为确立自然现象之间的相互关系所作的努力的结果而获得的。因而，这种信心没有绝对的性质。直到现在，许多人倾向于不同意自然规律（不管它们是怎样的）都是颠扑不破的假设。认为我们的意志的表现取决于一连串事件的严格的序列，并且不相信我们的行为是什么联系也没有的，这对我们来说是不容易的。“人能做他所想做的，但不能要他所想要的。”⁽²⁾这句名言对于骄傲的人类来说是一剂苦药。谁还会否认，近百年来，人们不仅吞下了这剂苦药，而且还感到完全习惯了呢？虽然我们相信，实际生活不可能没有自由意志的幻想，但是从哲学心理方面并没有给因果性必然出现的学说带来多少严重的危险。尤其是，关于内分泌和催眠状态对心理反应的作用的知识，关于某些毒物的影响，使得那些企图从这方面攻击因果性原理的反对论调都销声匿迹了。

今天，对这个颠扑不破的因果性的信仰，恰恰受到了物理学的那些代表人物的威胁，而这种信仰，曾经在他们前面，作为首要的和能力无限的向导指示着他们的道路。⁽³⁾这种趋势理应得到一切有思想的人的密切注意，为了了解这种趋势，我们应当对物理学的基本概念直至目前的发展，作一个概括的考查。

科学力求理解感性知觉材料之间的关系，也就是用概念来建立一种逻辑结构，使这些关系作为逻辑结果而纳入这样的逻辑结构。对构造全部结构的概念和规则的选择是自由的。只有结果才是选择的根据。那就是说，选择应当造成感性经验材料之间的正确关系。

最初，物理学的发展从科学以前的思想那里借用了数、空间、时间、物体等概念，并且以为这些概念已经够用了。首先产生了关于物体之间的空间关系而不考虑在时间上变化的理论，这就是欧几里得几何。古代希腊人的不朽功绩在于建立了概念的第一个逻辑体系，说明了某些自然客体的行为。在欧几里得几何以后，接着产生了关于物体的空间位置随时间变化的理论，这就是古典力学，古典力学的原理是由伽利略和牛顿奠定的。欧几里得几何就是它的基础。这个理论的建立，首先是为了说明天体运动。它的主要原理可以概括如下：质点在它同其余所有质点有足够距离的时候，作等速直线运动。如果其他物体处于足够近的地方，那么质点就以加速度运动，它对其余物体的位置完全决定着这种加速度。决定这个加速度的大小就关系到相互作用的自然力的专门假说。关于万有引力的假说就是这样的假说之一。它的完整的数学表述是由牛顿提出的。

这种严格的因果性纲领得到了扩大，不只可以解释狭义的力学现象。物体中发生的和不直接属于力学现象的其他现象，也被成功地解释为比较小的物质的运动和平衡。聚集状态和温度的变化以及化学变化就是这样解释的。把所有过程都归结为力学的企图，必然导致原子论。只要以适当的方式推广关于作用力性质的假说，好像所有现象就可以认为是严格服从因果性的，并且是属于力学的。

古代希腊的伟大的唯物论者已经说明了这个纲领，他们相信，实在仅仅是由质点组成的，除了按牛顿定律发生的运动以外，质点没有任何别的变化。

遵循这个纲领，获得了出色的成就。天体力学、技术力学、热的理论、晶体理论，甚至化学都在这个基础上蓬勃地繁荣起来了，在它们的历程中在原则上没有碰到过任何特殊的困难。初看起来，电磁理论和光学同这个公式并不矛盾，而且是属于这个范畴的。今天不变的基体（电子、质子）的存在，是已经确认的事实。

现在，我们确实知道，牛顿的基本概念和假说，只是某种近似的真理。在研究电和光的规律时，第一次产生了建立新的基本概念的必要性。在十九世纪前半期，光的波动性质已经很明显了，它仍然同假想的物体——光以太联系在一起。可是我们对光的本性的知识愈准确，要把那些可以不矛盾地说明它们的力学本性说成是光以太就愈困难。按照已经提出的假设，以太是物质实体的一个变种，同物理学的其余“摸得着的有重物质”很少有共同之处。结果是，由牛顿建造起来的宏伟大厦失去了它原有的结构上的统一。

此后不久，法拉第和麦克斯韦的研究，揭示了电和光之间的密切联系，并且弄清楚了有一个基本概念还是经不住事实的反对。（即时传递的）超距作用力的概念就是这样的概念。新的基本概念即“场”的概念占了它的地位。现在，一个带电物体已经不可能对另一个带电物体直接发生作用。它由场围着，场在时间和空间上的变化服从自己的特殊定律。这个场甚至能脱离物体。在讲到场时，指的是空间的能量状态，在数学上是用连续函数描述的，并且同物质的基本粒子一样，在物理学上是实在的。不久就发现，这个基本概念应当是超结构的，那就是说，电子和质子应当被认为仅仅是场的本质上不同的点。从电磁场定律推出力学的企图，导致电磁力学的建立。

这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础，同时在逻辑的一贯性上明显地超过牛顿的物理学。因此，相对论不过是场论的下一个发展阶段。相对论指出，事件的同时性没有绝对的性质，欧几里得几何不能准确地实现。物体相互排列的定律原来是引力场的本性，引力场的规律性被发现了。

这样，场论就动摇了时间、空间和物质等基本概念。但是，大厦的一个支柱是毫不动摇的：这就是因果性的假说。自然界的规律是这样的，根据世界在某一时刻的状态，应当无歧义地得出它在过去和未来的其他一切状态。

但是，现在对这样理解的因果性原理发生了严重的怀疑。这些怀疑并不取决于学者们对新的轰动一时的消息的追求。那些表面上同严格的因果性理论相矛盾的事实，才是引起怀疑的推动力。显然，最终被判定为物理实在的场，不一定能说明那些同辐射和原子结构有关的单个事实。正是在这里，我们碰到了问题的错综复杂，新的一代的物理学家正表现出巨大的理智力量在斗争着。⁽⁴⁾

大家知道，用紫外光，尤其是用伦琴射线，比用红光或黄光，能引起能量大得多的基元化学过程。但是，重要的不是辐射的强度，而是它的颜色或频率。实验已经证明，吸收物体在基元的吸收行动中所得到的能量，仅仅取决于入射辐射的频率。场论不能说明这一事实。按照场论，能量的局部集中，应当仅仅取决于辐射的强度，而绝不取决于辐射的频率。根据场论，不能理解为什么一定颜色的辐射总是只能发射或吸收确定的分量（就能量而言）。

电子绕原子核旋转（这是自然界里经常遇到的现象的一个例子）也呈现出某种类似的现象。这些现象对应于完全确定的能量值，如果用迄今已被公认的力学理论来观察这些现象，那是绝对无法理解的。已经证明，物质结构同这些具有分立能量值的状态有关。可以高度准确地计算这些结构和条件的理论已经建立起来了，这些理论就在这种结构和条件下得到改变。可是，这些理论的特征是要牺牲严格的因果性；它们在本质上是一种统计性理论。

其次应当说明我们对统计性理论的理解。统计性定律在旧物理学中也起过重要作用。如果在容器中有处于很低的压力下的气体，它通过很小的孔同真空连接起来，那么有时，比如隔10秒钟，气体分子会从容器转入外部空间。因此，分子在一秒钟内离开容器的几率就等于1/10。这是统计的论断。可是，直到最近还没有谁怀疑过，气体分子相互之间以及气体分子同容器壁之间碰撞的准确的定律，是这种规律性的基础。为了准确地预言分子什么时候离开空虚的容器，我们在原则上应当承认所有这些定律，并且能在数学上描述所有分子在某一时刻的运动状态。在这种情况下，统计性定律只是把严格的因果性定律和被考察体系原来的实在状态的不完备知识或不准确估计组合起来的结果。

按照现代理论，自然规律的基础不是因果性的，相反，本质上具有统计性质。比如，如果我有几个处在状态A的原子，那么它们能随着光的发射自发地跃迁到状态B。这个原子在给定的时刻实际完成这种跃迁是有确定的几率的。即使在这些理论中，原子的状态可以高度准确地描述出来（对此我表示怀疑），我还是不能依据自然规律来预言，这个或那个原子实际上是在什么时候跃迁到状态B的。这意味着原则上拒绝因果性。人们断言，一切自然规律“在原则上”都是统计性的，只是由于我们观察操作不完善，我们才受骗去信仰严格的因果性。⁽⁵⁾

在放弃了严格的因果性以后，合理的科学也能存在，这种情况本身就很有趣。此外，不能否认，放弃严格的因果性在理论物理学领域里获得了重要成就。但是，我应当承认，我的科学本能反对放弃严格的因果性。可是毕竟不得不承认，我们并不想理解这种对我们的前辈来说似乎是自明的严格因果性的要求。

我不能不提到具有决定意义和永久性质的最新成就之一。辐射的特性已经说过了，它导致把辐射同气体相比较，辐射的微粒子在光线方向运动，并带有仅仅取决于辐射的颜色即频率的能量。同样，不久以前产生的物质的波动理论，却把波场同运动着的粒子相对照。这种类比的结果得到了这样一种粒子流，它的特性同光线和伦琴射线的干涉现象中所观察到的特性是一致的。这种观点已得到了实验上的证实。已经证明，阴极射线束，即一种运动着的带电粒子的全体，在通过分子晶格以后会偏斜，就像伦琴射线或光线通过衍射栅以后会偏斜一样。在这里我们碰到的是物质的新特性，这种特性不能用那些至今还流行的因果性的理论来解释。

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(1) 这是爱因斯坦于1928年春天在瑞士达伏斯（Davos）养病时为同时在那里疗养的青年所作的演讲。讲稿原文未刊印过，英译本发表在美国《圣路易邮报》（St. Louis Post-Dispatch）1928年12月9日的增刊上。这里转译自《爱因斯坦科学著作集》俄文版，第4卷，1967年，103—108页。——编译者

(2) 这是叔本华的话，爱因斯坦经常引用。——编译者

(3) 这一句，俄译同英译出入很大，甚至有两处意思完全相反。这里根据R．W．克拉克《爱因斯坦传》（R．W．Clark: Einstein, the Life and Times，纽约，世界出版公司，1971年版）所引的片断英译文译出。——编译者

(4) 这一句是根据R．W．克拉克《爱因斯坦传》中所引的片断英译文译出的。——编译者

(5) 这一句是根据R．W．克拉克《爱因斯坦传》中所引的片断英译文译出的。——编译者