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麦克斯韦对物理实在观念发展的影响

时间:2022-02-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:由此可知,我们关于物理实在的观念绝不会是最终的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。在麦克斯韦以后,他们则认为,物理实在是由连续的场来代表的,它服从偏微分方程,不能对它作机械论的解释。理论物理学最近的和最成功的创造,即量子力学,根本不同于我们为简明起见称为牛顿的和麦克斯韦的这两个纲领。
麦克斯韦对物理实在观念发展的影响_爱因斯坦文集

相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础。但是,既然感官知觉只是间接地提供关于这个外在世界或“物理实在”的信息,我们就只能用思辨的方法来把握它。由此可知,我们关于物理实在的观念绝不会是最终的。为了以逻辑上最完善的方式来正确地处理所知觉到的事实,我们必须经常准备改变这些观念——也就是说,准备改变物理学的公理基础。事实上,看一下物理学的发展就可以明白,它在历史进程中已经经历了影响深远的变化。

自从牛顿奠定理论物理学的基础以来,物理学的公理基础——换句话说,就是我们关于实在的结构的概念——的最伟大的变革,是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的。我们试图在下面同时看看物理学的早期和后期的发展,以便使这一点更加清楚。

按照牛顿的体系,物理实在是由空间、时间、质点和力(质点的相互作用)等概念来表征的。在牛顿的观点中,各种物理事件都被看作是质点在空间中受一些不变的定律支配着的运动。就实在是能够改变的这方面来说,当我们讲到实在中所发生的变化的,质点是我们表示实在的唯一形式,是实在的唯一代表。可感觉到的物体显然是质点概念的根源;人们把质点设想为一种类似于可动物体的东西,但剥夺了这些物体的广延性、形状、空间方位等特征,以及一切“内部”性质,而只留下惯性、移动以及力的概念。物体曾在心理上引导我们形成“质点”概念,而现在它本身却必须被看作是由许多质点组成的质点系。应当注意,这种理论纲领本质上是原子论的和机械论的。一切事件都要用纯粹机械的方式来解释——也就是说,完全要被解释为一些按照牛顿运动定律的质点运动。

这个体系的最不能令人满意的地方(除了最近又一次被提出的“绝对空间”概念所引起的困难以外),在于它对光的描述,牛顿为了适应他的体系,也设想光是由质点所组成的。那么当光被吸收的时候,组成光的质点会变成什么呢?这问题甚至在当时就已经是一个亟待解决的问题了。而且,为了分别地表示有重物质和光,就必须假定有两种完全不同的质点,在讨论中把两种完全不同的质点引进来,无论如何是不能令人满意的。后来又加上了电的微粒,成为第三种质点,而且它又具有完全不同的特征。此外,决定事件的相互作用力,必须完全以任意的方式加以假定,这也是一个根本的弱点。尽管如此,这种实在概念还是取得了许多成就,可是人们为什么又会感到不得不舍弃它呢?

牛顿为了把他的体系完全用数学形式表达出来,他必须发明微商概念,并以全微分方程的形式来表述运动定律——这也许是个人在思维中所曾作出的最伟大的进展。为了这个目的,偏微分方程还不是必需的,牛顿并没有系统地用过它们;但是它们对于表述可变形物体的力学却是必需的;这同下面这样的事实有关:在这些问题中,物体被假定是怎样由质点所组成的这一问题,在开始时并不重要。

因此,偏微分方程进入理论物理学时是婢女,但是逐渐变成了主妇。这是在十九世纪开始的,那时,光的波动论在观察到的事实的压力下已经确立起来了。空虚空间里的光被解释为以太的振动,当然,要把以太看成是质点的凝聚体,这在当时似乎是无聊的。在这里,偏微分方程第一次作为物理学的基元实在的自然表示而出现。因此,在理论物理学的一个特殊部门里,连续的场同质点一起看来好像都是物理实在的代表。这种二元论至今仍然存在,它必然会使每一个思想有条不紊的人感到不安。

即使物理实在的观念已经不再是纯粹原子论的了,可是它在当时仍然是纯粹机械论的;人们仍然试图把一切事件都解释为惯性物体的运动;确实似乎也想不出别的方法来考察事物了。然后,发生了这样一次伟大的变革,它是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远连在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。他指出,当时已知的全部光和电磁现象,都可以用他的著名的两组微分方程来表示,在这些方程里,电场和磁场表现为倚变数。麦克斯韦确实曾试图用一种机械模型的理智构造去解释或者证明这些方程。

但是他同时运用了几种这样的结构,而并不认真地采用其中任何一种,所以唯有这些方程看来才是根本的东西,在这里,场强度是终极的实体,它不能简化为别的任何东西。到世纪交替时,电磁场概念作为一种终极实体已经被普遍接受,而且严肃的思想家已经不再相信有理由或者有可能对麦克斯韦方程作机械论的解释了。相反,不久,他们事实上曾试图借助于麦克斯韦理论,根据场论路线来解释质点及其惯性,但是这种企图没有完全成功。

撇开麦克斯韦的一生工作在物理学的各个重要部门中所产生的各个重要结果不谈,而集中注意于他在我们关于物理实在的本性的概念中所造成的变革,我们可以说:在麦克斯韦以前,人们以为,物理实在——就它应当代表自然界中的事件而论——是质点,质点的变化完全是由那些服从全微分方程的运动所组成的。在麦克斯韦以后,他们则认为,物理实在是由连续的场来代表的,它服从偏微分方程,不能对它作机械论的解释。实在概念的这一变革,是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革;但同时必须承认,这个纲领还远没有完全实现。以后发展起来的一些成功的物理学体系,倒该说都是这两个纲领的折中,正因为是折中,所以这些体系都带有一种暂时的、逻辑上不完备的特征,尽管它们在某些细节上也许已经达到了巨大的进步。

这些体系中首先要提到的是洛伦兹的电子论,在这个理论中,场和电微粒一起表现为对理解实在有同等价值的元素。随后出现了狭义相对论和广义相对论,它们虽然完全是以那些同场论有关的观念为依据的,但是到目前为止,还不能避免独立地引进质点和全微分方程。

理论物理学最近的和最成功的创造,即量子力学,根本不同于我们为简明起见称为牛顿的和麦克斯韦的这两个纲领。因为量子力学定律中出现的各种量,并不要求描述物理实在本身,而只是描述我们所考查的物理实在出现的几率。照我的见解,我们应当把这种理论的逻辑上最完备的说明归功于狄拉克。他正确地指出,比如要给光子以这样一种理论上的描述,说它会提出足够的信息,使人们能决定光子是否会通过一面斜放在它的通路上的偏振镜,这大概是困难的。

我仍然倾向于这样的看法:物理学家不会长期满足于对实在的这种间接的描述,即使这种理论终于能以令人满意的方式适应广义相对性的假设。我确信,今后我们必将回过头来力求实现可以恰当地称为麦克斯韦纲领的那个纲领——即用那些满足偏微分方程而不带有点的场来描述物理实在。

 

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(1) 这是爱因斯坦于1931年为纪念麦克斯韦诞辰一百周年而写的文章,最初发表在《詹姆斯·克拉克·麦克斯韦纪念集》(James Clerk Maxwell: A Commemoration Volume),剑桥大学出版社,1931年,66—73页。该书有中译本,系1936年由商务印书馆出版,译者周梦麐,书名《马克士威》。这里译自《思想和见解》,266—270页。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,英国物理学家,生于1831年11月13日,卒于1879年11月5日。——编译者

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