牛顿.爱因斯坦与玻尔间的对话

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物理与工程 Vo l. 18 No. 4 2008

牛顿、爱因斯坦与玻尔间的对话

刘源俊

(东吴大学理学院物理学系, 台湾台北 11102)

(收稿日期:2008-06-06)

摘 要 本文尝试模仿伽里略对话录的形式, 让牛顿、爱因斯坦与玻尔三位物理史上的巨人超

越时空进行对话, 藉以澄清物理的基础哲学. 对话的主要内容环绕相对论、以太说、量

子论等.

关键词 理; 时空; 绝对与相对; 以太; 二象性; 哥本哈根诠释; 物理实在 对话人

牛顿(Isaac Newton, 英1642 1727) 爱因斯坦(A lbert Einstein, 德1879 美1955)

玻尔(Niels Bo hr, 丹麦1885 1962) 时间:2005年12月1日地点:地球开场白

玻:今年欣逢纪念爱因斯坦发表5篇重要物理论文100周年, 国际物理学界定为 世界物理年 (Wor ld Year of Phy sics 2005) , 获得热烈反应. 特邀两位物理史上的巨人, 一同公开讨论物理的基础(fo undations o f physics) .

爱:至感荣幸!

牛:1987年那年适逢本人发表 自然哲学的数学原理 300周年, 英国特出邮票纪念, 剑桥大学由H aw king 教授主办一纪念研讨会.

玻:诗人Pope 有言: 天生牛顿, 于是长夜得明. ( God said, Let New ton be! A nd all w as lig ht. ) 请牛顿先开始. 因听众学力尚有不足, 说理、用语请尽量浅显. 说 理

牛:天道宁简不浮赘(Natur e is pleased w ith simplicity,

and

affects

not

the pom p

of

and

superfluo us causes. ) ; 同果宜归于同因( to the same natural effects w e must, as far as possible, assig n the same causes. ) ; 经验推得普适德(T he qualities of bodies, w hich are fo und to belong to all bodies w ithin the reach of our ex periments, ar e to be esteem ed the univ ersal qualities of all bo dies w hatso ev er. ) ; 知归纳则近道矣(In ex perimental philoso phy w e are to loo k upo n pro positions inferred by g eneral induction fr om phenom ena as accurately or very nearly true, ) . 以上简述本人的物理哲学.

时间是绝对的(A bsolute, natur e,

flow s

equably

w ithout

tr ue, r elation

and to

mathematical time, of itself, and fr om its ow n anything ex ternal. ) , 空间也是绝对的(Absolute space, in its o wn nature, without relation to anything ex ternal, remains alw ays similar and im mov able. ) , 运动则有绝对运动(absolute motion) 与相对运动(relative m otio n) 之别.

爱:你说绝对时间与绝对空间, 是假说么? 牛:我不做假说的(I frame no hypotheses, hypotheses,

w hether have

no w hether of

metaphysical

qualities

or or

physical, mechanical

occult place in

ex perimental

philosophy. ) . 我的陈述都由经验得来, 这就是所谓归纳法. 至于时间与空间的性质, 其实不必多费唇舌, 大家都很明白(I do no t define tim e, space, place and mo tion, as being w ell know n to all. ).

教授,

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爱:且慢, 这里面有问题. 首先, 任何理论都是人的发明(T he axiom atic basis of theoretical physics canno t be ex tr acted from ex perience but must be freely inv ented, ) , 都必须从假设出发; 不同的假设自然推出不同的结论, 交由实验检证. 再说, 你一开始就界定时间与空间的性质, 不就是做了假设吗? 你安知是对的?

牛:我可不敢说理论是人的 发明 (inventio n) ! 我提出的运动三律及万有重力律都是 发现 (discov ery ). 我自认像是一个在沙滩上玩耍的孩子, 发现了一些漂亮的石子或贝壳, 而真理之大海仍然茫茫(I seem to have been only like a boy playing o n the sea -shore, and div erting myself in now and then finding a smoo ther pebble or a prettier shell than ordinary, w hilst the g reat ocean of truth lay all undiscov er ed before me. ).

爱:你提到的 真理 (tr uth) , 意义不明! 我说过, 我们必须区分经验里的 实事 、算学里的 陈述 、科学里的 理论 与宗教里的 教义 (It is difficult even to attach a precise meaning to the term scientific truth. T hus the m eaning of the w o rd truth v ar ies accor ding to w hether w e deal w ith a fact of exper ience,

a mathematical

proposition, o r a scientific theory. relig ious truth co nveys nothing clear to me at all. ) ! 我还是要强调, 虽然你不敢用 发明 这一词, 但其实你的所有理论都是你的发明. 再说, 讲 理 就好了, 何必曰 真 .

玻:我赞成爱因斯坦. 物理学家的任务是实事求是, 就象(phenom ena) 发理(theo ries) , 无从言 真 . 理论都是从假设出发的. 爱因斯坦既然提到这点, 请说说看你的假设. 说 相对论

爱:为了解释M ichelson 与Mo rley 的实验, 我必须假设真空中的光速在任一惯性系里恒定.

牛:这岂不违反常识? 行进火车中枪弹的速度, 从地面上测量, 自是不同的. 光在以太(aether eal medium ) 中行进, 如果以太也在行走, 照理说光速会改变.

玻:你说到以太, 以太是什么东西?

有弹性. 在我的观念里, 光由微粒(corpuscles) 组成, 各种物质里的以太密度不同, 对光微粒有不同影响, 因而各种物质里的光速不同.

爱:我必须指出, 以太是你的假想, 且是多余而制造问题的假想(T he intr oduction o f a L icht ther w ill pro ve to be superfluous ) ! 你一开始不是还说 天道宁简不浮赘 ? 我从电动力学(electrody namics) 深思过这一问题:如果釜底抽薪, 去除以太假设后, 一切迎刃而解!

牛:去除以太, 光如何行进?

爱:M axw ell 说, 电场改变形成磁场, 磁场改变形成电场; 两者互相牵动, 就造成电磁波(electr omagnetic w aves). 这波的速度恒定, 就是光速. 光是电磁波, 它的传递毋需介质.

牛:姑且听之. 你从光速恒定的假设出发, 可以得到哪些结论呢?

爱:首先是, 两事件的同时性(simultaneity ) 只能相对于所在的惯性系(inertial system ) 而定义 此即 相对论 (theo ry of relativity ) 名词的由来. 换言之, 我改变了牛顿 绝对时间 的假设. 玻:你既假设光速不因惯性系迁变(transfor matio n) 而有所迁易, 而你当然也假设了所有自然律(law s of nature ) 的不迁易性(inv ariance) , 所以你的理论, 其精义实为 绝对性 , 称之为 相对论 不甚妥当.

爱:同意. 但是大家已经习用 相对论 这一名词, 难以更改. 我比较担心的是, 许多人文社会学者不明就里, 把 相对论 这一词到处沿用.

牛:还有哪些重要的结论?

爱:运动系统里的韵律(rhythm) 变慢(tim e dilatio n) ; 运动系统里的长度缩短(leng th contraction) ; 运动物体的质量增大(m ass increm ent) ; 等等 .

牛:有实验支持吗?

爱:相对论的效应要在速度接近光速时才会明显. 因为我们无法使运动系统的速度接近光速, 所以前两个结论只有间接事证(ev idences) , 但第三个结论则在高能物理实验里有明确的事证. 说 二象性

玻:请问爱因斯坦. 你是在1905年6月首次, 3量子的

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说法. 在相对论中你视光为电磁波, 在量子论中你又视光为微粒. 到底你认为光是什么东西? 爱:这真教人迷惑! 我自己一直搞不通. 1909年我研究黑体辐射的能量起伏问题时, 认为光应兼有波与粒两种性质. 但是为什么光有时表现波性, 有时表现粒性呢? 后来de Brog lie 进一步说物质也有时表现粒性, 有时表现波性; 更是教人迷惑! 其中必有奥妙.

牛:我早就发觉其中有蹊跷. 所以当我说光是微粒时, 我也想到以太里可能有波动.

爱:不要再提以太了! 我刚才讲过, 以太说 没必要, 而且制造问题.

玻:谈到光与物质的duality 问题, 我们还是要先理清物理的本质. 物理学家 就象说理 , 所以我们只宜说 光与物质可显现波或粒的现象, 或说 光与物质有波性与粒性, 而不可说 光与物质是波或是粒. duality 一般在中文里译为 二元性 , 用到物理里就不合适了, 应译为 二象性 才好. 我认为波与粒的二种现象都只是片面, 二者相辅相成(com plementary ).

爱:真是众说纷纭! 让我们归纳一下各家的说法. 我曾想过光或物质 是波亦是粒 , de Brog lie 认为 是粒但有波, 波为引导(pilot w aves) , Schr dinger 则认为 有波(w ave functio n) 无粒 . 至于另外几位就更玄了. Born 提出 粒的机率波诠释 (statistical interpretatio n) , H eisenberg 提出 粒非粒, 波非波 的说法(uncertainty principle) , 你却又提出 波粒相成说 (com plementarity principle).

玻:大家看法如此分歧, 可见这一问题的深度. 这里隐含了两个层次的问题, 一个是语言上的(例如波与粒的定义不明) , 另一个是物理实在(physical r eality) 的问题(到底有没有客观的物理实在? ). 我是认为没有客观的物理实在, 任何现象都是观测主体(the o bser ver) 与被观测客体(the observed) 间交涉(interactio n) 的结果. 说 实在

爱:我绝不能同意 没有客观物理实在 这句话(I (believe ) in complete law and o rder in a w o rld w hich objectively ex ists, ) . 我的相对论是(上. 时、空是基底(substratum ) , 光与物质在其中运动. 反之, 光与物质的能量与动量分布又影响到了时空的弯曲(cur vature of space -time) .

牛:我也认为有客观物理实在. 其实那也就是Go d! 虽然我并不相信人格的God (personal Go d) , 但信God 无所不在, 他就是客观的实在, 客观的秩序(Supreme God ex ists necessarily. H e is omnipresent

not

vir tually

only,

but

also

substantially . ) .

玻:那也不过是你们的信念! 爱因斯坦, 你真认为时、空是客观存在的么?

爱:当然, 只不过并非牛顿所设想的一维绝对时间与三维绝对空间, 而是四维时空连续体(four -dimensional continuum ). 牛顿踵武Euclid 形学(Euclidian geometry ) , 我则采用Riem ann 形学(Riemannian geometry) .

玻:爱因斯坦, 你不是说物理是人的发明吗? 时、空不过是你的假设、假借, 那你又为什么一定要对 时、空的客观实在 固执成见?

爱:我承认那是我的信念, 我择善而固执. 此外, 我决不能接受机率波及统计诠释这些说法. 天道非无常(Gott w r f elt nicht . God does not cast dice. ) ; 天道微而不鄙(Raf f inier t ist d er H err Gott , aber boshaf t ist er nicht . God is subtle, but he is no t malicious. ).

玻:任何人如果对量子力学不感到震惊, 是因为他没懂! (Anyone w ho is not shocked by Quantum M echanics has not understo od it. )

我从量子物理(quantum physics) 的发展, 归纳出一些核心观念:(1) 实验本身(仪器及现象) 必须用牛顿以来大家熟知的古典物理(classical physics) 语言来描述; (2) 观测者必然参与(observer -participancy ) 知即测(T o know is to measur e. ) , 测即扰(To measur e is to distur b) , 测量的效果是一种 投射 ; (3) 相辅相成原理(complementarity pr inciple ) ;

(4)

机运观

(statistical interpretation) ; (5) 整体观(holistic view ). 这些观念除了第一项外, 截然不同于古典物理, 一般称为 哥本哈根诠释 (Copenhagen interpretation). 我们两人为此曾在1927年及1930年两度于Solvay Conferences 中当面辩论过, 又在1935年交手笔战, 我知道你不能接受!

:的一致性

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(co nsistency ) , 但无法同意其完备性(com pleteness).

玻:要怎样的理论才完备呢?

爱:有些人, 例如Bohm, 还在致力建构 隐变量理论 (theory of hidden variables ) , 希望作为量子物理的更基础理论.

玻:必须要告诉你, 1982年以后Aspect 等人所做的一系列 双光子系统的不可分隔性(non -separability of a double -photon system) 实验已经清楚左证Bell 不等式(Bell inequalities) ; 换言之, 即使有隐变量理论, 这些隐变量必有 越地性 (no n -locality). 所以你所设想的时空只不过是幻象而已!

爱:匪夷所思!

玻:我还要告诉你, 所谓 波粒二象性的迷惑 在量子场论(quantum field theory ) 中, 通过场的算符化(quantization o f field) 等手段, 已经获得解决.

爱:乐见其成. 量子场论里有哪些重要推论? 玻:例如说, 真空会在很短的时间里突然生出一对电子与正电子, 然后又复合; 这叫做真空极化(vacuum polarization) . 换言之, 真空不空.

爱:那么能量就不会守恒啰?

玻:根据不确知原理(uncertainty principle) , 测量时间愈短, 能量愈不确定. 我们普通以为真空里空无一物, 是长时间测量得到的结果.

(上接第23页)

牛:我刚刚听你们讲量子物理, 不知所云, 实在插不上话. 但是听到这里, 却又引起我的兴趣了. 玻尔说一切实验必须用古典物理来描述, 使我感到欣慰. 他又说到真空里是有东西的, 这跟我所说的以太似乎可以扯上关系.

玻:有点道理. W hittaker 就主张, 既然真空里各种纷乱杂陈, 真空 (v acuum ) 之名, 显然名不符实; 不如重新拾回 以太 (aether) 的老名.

爱:今天谈了许多, 大家都有需要回去重新整理一下思想, 是否可就此打住? 结语

玻:好. 我们三人的对话, 在形式上有点像Galilei 两本经典名著(D ialogues Concerning the Tw o

Chief

Wor ld

Sy stems,

Dialogues

Concer ning Tw o N ew S ciences ) 中Salviati 与Sag redo 、Simplicio 三人间的对话, 当然我们的程度深得多. Jauch 有一本通俗书Ar e Quanta R eal ? 也是邀这三人对话的, 可做参考.

最后藉我常引的Schiller 谈儒学的诗句(出自Sp r uch des Conf uz ius ) 作一结束:惟坚毅致远, 惟充实致明, 而大理寓隐.

N ur B eharr ung f hr t z um Ziel, N ur d ie F lle f hr t z ur K larheit, Und im abgr und w ohnt die W ahrheit.

F=

4 0

d -+

2

充电量为4 0a , 但由于q 的影响, 电源对它的总q . 或者, 可以理解为充电量为q +q = 4 0a -d 由于q 的斥力作用, 使得电源对它的充电变得困难, 于是导体球上不能获得U =4 0a 那么多的电量. 总的说来, 这第4例与上面3个例子类似, 它相当于一个带有一定电量的绝缘导体球与q 的相互感应问题.

同样, 像电荷q 和q 只有对球外空间才有意义. q 和导体球间的相互作用力就是q 分别与q 和q 之间的作用力之和, 按库仑定律, 这个作用大小为

4 0d

=-4 0

d -a +d

参 考 文 献

[1] 张玉峰. 用电像法研究带电导体球与点电荷作用的场强. 洛

阳大学学报, 2005, (6) :108~109

[2] 张三慧. 大学物理学 第3册 电磁学. 北京:清华大学出版

社, 1999. 93~107

[3] 郭硕鸿. 电动力学 第二版. 北京:高等教育出版社, 1995[4] 腾香, 杨玉强, 方明. 两带电导体球间作用力的深入讨论. 渤

海大学学报(自然科学版) , 2004, 25(4) :322~323