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 增强点儿话题的多样性：爱因斯坦和他的科学追求 |
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TTFan
头衔: 海归上校
声望: 讲师
加入时间: 2005/04/07
文章: 649
海归分: 70737
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作者：TTFan 在 海归商务 发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com
序
最近开始上海归网，觉得内容不错，气氛也融洽。遂生做点儿贡献的念头。于是把最近闲来无事弄出来的这点儿东西贴出来，目的有三：答谢、抛砖，和对今年重要而不为众人所知的一个意义的纪念。
2005年被定为“世界物理年”，以纪念 “神奇的1905年”. 那一年, 二十五岁的爱因斯坦接连发表了关于光的量子效应，布朗运动，和狭义相对论的三篇论文,他们都在物理学科发展史上占有举足轻重的地位,并对现代物理的发展产生着深远的影响。2005年，世界各地将在不同时期举办各种纪念活动来悼念爱因斯坦, 缅怀他的伟大成就，并借此广为宣传物理科学以及物理与人类日常生活的息息相关。我编译此文，意不在介绍爱因斯坦的具体科研工作.而是要试图从几个侧面展示他的科学追求,人生理想, 以及他的思想人格在他一生中的体现。如果读者想要更多地了解2005世界物理年,可以访问以下两个网站：www.physics2005.org,www.wyp2005.org，www.einsteinyear.org。
一。爱因斯坦的童年
在爱因斯坦四五岁的时候，有一天, 他的父亲把一个指南针拿给他看。看着指南针被一种神秘的力量牵引，爱因斯坦恍然间意识到自然现象的背后原来还隐藏着不为人知的奥秘当他晚年回忆起这个经历时，他坦言道,这个顿悟令他当即”
不寒而栗，手脚冰凉。“?就这样,对指南针的认识成为爱因斯坦人生中的第一个重要的的转折点.
小小的指南针,不但成为爱因斯坦对科学的兴趣的起点, 并指引着他走向科学探索之路.
不久以后，爱因斯坦又发现了另一个试金石。十二岁的时候，他的叔叔给了他一本关于欧基里德几何的小册子。当时的爱因斯坦与别的孩子不同.每当看到士兵们伴着军乐队走过时，其他的孩子敬畏景仰,欢喜若狂, 而爱因斯坦却会厌恶地走开。只有在这本小册子里，他才找到了心目中真正的权威。日后,爱因斯坦曾半玩笑半庄重地把它称作“神圣的几何小册子”。尽管它描述的是数学对象，爱因斯坦却可以直觉地把它延伸到“可以被看到、被摸到和被感觉到的地步。”此前，爱因斯坦已经接触过代数的基本概念。他的叔叔雅可布曾启发他说，“代数是一门有趣的学问。打个比方, 我们要寻找一个不知名的小动物，我们把它称做‘X’.当我们找到它后，我们把它装到带子里，再给它一个恰当的名字。”在这个不同寻常的捉迷游戏中，这个孩子练就了能迫使隐藏的动物现形的神奇本领，并体会到了用不同的方法寻找未知的巨大快乐。
二。爱因斯坦的科研方法
爱因斯坦非常注重来自感官的感受. 能够引发他思考的往往来自于视觉，而不是言辞或抽象的概念。他曾经这样形容思考带给他的震颤：一个令人兴奋的想法能够让我的头发站立。他的很多科学研究也是以思想实验的形式进行的，这些思想实验把实践转变成对思想的论证。他在后期与量子理论的论战就是以这个方式进行的。十六岁的时候，爱因斯坦曾想象自己追随在一束光的后面.如果他能跟上光的速度，跟它并行，那光“看”起来会是什么样的呢?如果真的是那样，他就应当能够看到在通常意义上看不到的东西。如果光是一种波，当他追上它时，波动看起来会仿佛停止吗？对一个极度渴望“看”到东西的人来说，去看到不可及的境界无疑是个终极挑战，有着无比的刺激。
当然，这其中困难的地方是那片极其抽象的想象的空间。他的“视觉”必须超越自己，而这恰恰就是数学的切入点。数学能扩大他所能“看到”的范围—好比腿脚不够快, 逻辑来帮忙。光, 永远不会停，波, 永远在波动.因此我们永远赶不上光，光速是人类无法达到的速度的极限。爱因斯坦就是以这种方式不断的向更深的地方探索。在这个过程中，尽管爱因斯坦极力想看到图像，但他不得不放弃仅用图像来思考的方式，而是采用数学符号，使用代数。
从根本上来说，爱因斯坦象牛顿一样依赖于几何来“看”，而不是仅靠代数符号来做推倒，尽管这种方法非常强大。为了将自己的理论更直观的呈现在大众的面前,他写了解释性的简化本. 以使自己的理论至少在逻辑的层面上更容易为大众所理解。为了解释爱因斯坦的理论，明考斯基用图像来代表时空的四维，空间的三维和时间的一维。例如，对一个静止的观测者来说，一个高速运动的物体看起来长度缩短了。这个现象可以在图示中表达为移动物体向时间轴的倾斜。但是, 我们的眼睛并不能真正地看到这些，因为这种图示超出了三维空间，它是四维空间图像的影子，而绝不是通常意义上的“图像”。爱因斯坦诙谐地写到，“当非数学家们听到‘四维空间’时, 会被一种神秘的震颤抓住, 这类似于被玄学激起的感觉。其实不然, 说我们生活于一个四维时空连续体中, 是一个再普通`再贴切不过的说法了。“对爱因斯坦而言，这就是我们所在的活生生的世界。而我们却必须努力来明白”生活“于这样一个世界中到底是怎么一回事。
三。动力的源泉
对爱因斯坦来说，科学家们的探索的动力是纯粹的。它来自于一种类似于宗教情感的对终级真理的渴望，也来自于躲避世俗纷扰的强烈愿望。对他们来说，“窥见宇宙的先天和谐”
所带来的快感是对他们的最大奖励。爱因斯坦自小就早熟地意识到“那些为大部份人一生所不懈追求的希望和目标的空虚性”。他曾尝试着去信仰犹太教，但他发现只有数学才能带给他真正意义上的快乐和自由.，于是, 他很快放弃了信仰犹太教,对所有其它权威的不信任也越来越强。在他看来，“那些仅仅主观的唯心的” 的东西不过是些陷阱，充斥着由“愿望、希望和原始欲望组成的瘴气”。超越这个陷阱之上的是另外一个巨大的世界，这个世界“不依赖于人类而存在。它在我们的面前象一个巨大的、永久的迷团。但是, 这个迷团的至少一部份是可以被人类观察和思考的。对这个世界的思索就象是一道自由之光。我很快就注意到很多我崇敬的人都从献身于这个思索中找到了内心的自由。”
1918年，在庆祝物理学家、老朋友普朗克六十岁生日的讲话中，爱因斯坦以这样的一个比喻诙谐的表达了在科学探索的道路上锲而不舍的科学家们的与众不同.：“上帝的天使们
把那些以科学为智力的竞技体育来满足自己的雄心和愿望的人，或那些将兴趣指向实用目的而待在
科学庙宇下的人“驱逐了出去。普朗克是留下来的很少几个人之一。他们这些人往往”
有些古怪，寡言，和不合群”。是什么把他们带到了这个庙宇？爱因斯坦承认自己赞同叔本华的观点,即“驱使人类从事科学和艺术工作的最强大的动因之一是人类需要摆脱日常生活与之俱来的残酷和枯燥，摆脱个人摇摆不定的欲望的桎梏。”爱因斯坦同时补充到，除了这个消极的动机外，科学研究还有一个积极的动机。那就是”以最最适合自己的方式描绘出一副简单而可以理解的世界图像，然后用这种世界体系来取代经验的世界。“他还说，”欣赏先天和谐的愿望是探索者们毅力的源泉“，科学家的心态”如虔诚的宗教崇拜者或热恋的情人--每天的努力不是来自于刻意的目的或仪式，而是直接来自于内心深处。”
四。爱因斯坦与量子理论
爱因斯坦既是量子理论的奠基人之一，又是它最著名的反对者。虽然是普朗克
在1990年第一次提出了量子的概念，但是爱因斯坦在1905年从根本上推广了这个概念，他还最早注意到了物质的波粒二象性。1925-1926年的”新量子力学“让爱因斯坦深感不安, 他的余生都在与这个理论斗争。爱因斯坦第一个指出了量子理论和相对论的不相容性，并试图通过各种思想实验来指出它的缺陷。
爱因斯坦最喜欢的哲学家是斯宾诺萨--那个同时被犹太人和基督徒诅咒的异教徒。斯宾诺萨的不合群和带有固执的坚定深深的打动着爱因斯坦。斯宾诺萨认为万物都是上帝存在的一种表现状态.无论是表现于物质还是意识，宇宙的一切一切都是简单一致的，是没有任何偶然性的。爱因斯坦把斯宾诺萨的这个完美决定论当作对自己持有的物理与决定论必须保持一致的信念的认定。爱因斯坦一生坚持实在论，而量子理论的哥本哈根解释具有明显的实证论倾向。爱因斯坦怀疑量子理论是否是人类对自然所能作的最完整的描述。他尤为怀疑海森堡的测不准原理。根据这个原理，我们不可能同时准确地既知道粒子的位置又知道量子的速度。爱因斯坦以“上帝不扔筛子”这个玩笑来说明物理学的根本原理不会留下任何随即性。他和量子理论的奠基人之一，哥本哈根学派的代表人波尔，进行了一次跨越多年的对话。在这个对话中，爱因斯坦不断地想出各种思想实验来证明量子理论的不完整性，而波尔又无一例外地指出这些实验的漏洞。正是通过对爱因斯坦的批评意见的的分析和反驳，波尔等人进一步完善了他们对量子理论的解释。
为什么爱因斯坦不能接受量子理论呢？爱因斯坦的科学哲学观也许可以被概括为：宇宙具有“先天的和谐”，而这一和谐性是可被人类的智力所理解的。这个终级信念指导了爱因斯坦一生的科研工作，并使他取得了巨大的成就。接受当时的量子理论，就意味着从根本上否定他的科学哲学观。这是爱因斯坦无法接受的。除了对当时的量子力学发难之外，爱因斯坦本人一直试图在新的理论基础上重建完备的量子理论。爱因斯坦花了他人生的最后四十年来寻找一个统一场论来统一引力场、电磁场和量子力场。如果成功，这将是人类思维力量的最高成就。尽管他的种种尝试一一失败了,但在这个过程中，他是极为耐心的.他在那个希望不断破灭的实验的荒田中默默的耕耘了整整四十年。
直至今天，量子理论仍然是极为悔涩难懂的，所有力图使它直观化的尝试都会导致深深的误解。尽管量子理论在爱因斯坦之后得到了极大的发展和完善，但爱因斯坦对量子理论提出的批判对这一完善的过程有着不可磨灭的推动作用.遗憾的是, 爱因斯坦的一些核心批判，至今还没有得到完美的诠释。爱因斯坦所追求的统一场论仍然是最激动人心的物理科学的顶峰课题，激励着过去几十年和至少未来几代物理学家们去不懈的求索。
五。自省
根据一个古老的传说，在现在的宇宙前，还曾有36个宇宙相继存在过。由于某种神秘的原因，它们都没能存留下来。到底发生了什么？是它们无法运行还是过于丑陋？是它们被失望的造物者销毁了,还是归于自生自灭？是造物主调整几个基本的物理常数，还是天使们建议了不同的物理定律？爱因斯坦用了整整一生的时间来揣摩上帝创造第37个宇宙时的想法。
进入物理规律的领地意味着摒弃探索者的“仅仅主观个人”的”渺小, 和在我们熟悉的经验世界中冲斥的个体区别。在爱因斯坦的前半生，他觉得追求真理的过程是幸福的和自由的。但在他的生命接近尾声时，历史的沉重加上他渐强的责任感消弱了这种幸福的感觉。那时的他感叹道如果他仅仅是一个管子工而不是一个职业物理学家就好了。
“你也许会认为,当我回顾我的一生时,我会感到适然和满足。但事实并非如此。我不敢深信我的任何一个概念能够站得住脚，我也不敢肯定我的大致方向是正确的。”
-- 爱因斯坦 致一个朋友，1949年
在1931年的夏天，爱因斯坦与一位客人在他的假期住所附近驾船迎风而驶。他们的谈话“在深不可测的上帝，宇宙，人类，和一些较轻松的话题上徘徊。” 这个朋友后来回忆道：爱因斯坦突然“扬起头，仰望清澈的天空，说道，‘我们什么都不知道。我们所有的知识都只不过是学童般的一知半解。’我问他，‘你认为我们能够最终揭开宇宙的奥秘吗？’‘也许比现在所知多一些吧，’他耸了一下肩答道，‘但事物真正的本质，我们永远不会知道，永远。’ “
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 增强点儿话题的多样性：爱因斯坦和他的科学追求 -- TTFan - (4650 Byte) 2005-4-29 周五, 02:48 (1717 reads) - 谢谢你的帖子，我顶！ -- 海蓝 - (26 Byte) 2005-4-29 周五, 08:57 (373 reads)
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