愛(ài)因斯坦奇跡年:改變物理學(xué)面貌的五篇論文
定 價(jià):33 元
叢書(shū)名:愛(ài)因斯坦書(shū)系
- 作者:[美] 約翰·施塔赫爾 編;范岱年,許良英 譯
- 出版時(shí)間:2016/6/1
- ISBN:9787542861467
- 出 版 社:上?萍冀逃霭嫔
- 中圖法分類(lèi):O4-53
- 頁(yè)碼:212
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開(kāi)本:16開(kāi)
愛(ài)因斯坦是人類(lèi)歷史上偉大的物理學(xué)家之一。1905年,他26歲,大學(xué)畢業(yè)已經(jīng)5年,在瑞士專(zhuān)利局工作。當(dāng)時(shí)他已結(jié)婚,有一個(gè)男孩,家累不輕。然而,他卻利用業(yè)余時(shí)間,在一年之中發(fā)表了5篇?jiǎng)潟r(shí)代的物理學(xué)論文,創(chuàng)造了科學(xué)史上的一大奇跡。
本書(shū)由美國(guó)波士頓大學(xué)愛(ài)因斯坦研究中心主任施塔赫爾主編并詳撰導(dǎo)言。書(shū)中匯編了上述5篇經(jīng)典性論文,包括愛(ài)因斯坦的博士論文,論布朗運(yùn)動(dòng)的論文,兩篇奠定狹義相對(duì)論的論文,以及關(guān)于量子假說(shuō)的論文,并對(duì)每篇論文作出背景說(shuō)明、加上編者注,卷首則冠以當(dāng)代數(shù)學(xué)、理論物理學(xué)名家羅杰?彭羅斯撰寫(xiě)的序言。因此,本書(shū)對(duì)于了解愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初的原始思想及其如何改變物理學(xué)的面貌,不僅有很高的文獻(xiàn)價(jià)值,而且還有更為深刻的啟迪作用。
適讀人群 :對(duì)科普讀物、愛(ài)因斯坦、相對(duì)論有興趣的讀者 1905年是“愛(ài)因斯坦奇跡年”——這一年中,26歲的愛(ài)因斯坦發(fā)表了5篇?jiǎng)潟r(shí)代的科學(xué)論文。了解愛(ài)因斯坦創(chuàng)造的奇跡,當(dāng)然有各種不同的入口和路徑。美國(guó)波士頓大學(xué)物理學(xué)教授和愛(ài)因斯坦研究中心主任約翰·施塔赫爾編了這本《愛(ài)因斯坦奇跡年――改變物理學(xué)面貌的五篇論文》,也是希望開(kāi)辟一條好的路徑。他把愛(ài)因斯坦在1905年寫(xiě)的5篇文章集中到一起,加上序和導(dǎo)言,希望讀者知道愛(ài)因斯坦在1905年到底寫(xiě)了一些什么,以至于形成天大的奇跡。但是,愛(ài)因斯坦的論文又有多少人看得懂?就是理科大學(xué)生也未必能夠看懂,更不用說(shuō)一般的讀者了。約翰·施塔赫爾的聰明之處就在于,在書(shū)的開(kāi)始請(qǐng)來(lái)英國(guó)理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家羅杰·彭羅斯寫(xiě)了一個(gè)“序”,對(duì)愛(ài)因斯坦奇跡年作了簡(jiǎn)短而又清晰的剖析,然后施塔赫爾本人又寫(xiě)了總的導(dǎo)言,還在愛(ài)因斯坦的每一篇文章前面對(duì)該文的背景作了說(shuō)明。這樣,使得這本了解愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初的原始思想及其如何改變物理學(xué)面貌的書(shū),“不僅有很高的文獻(xiàn)價(jià)值,而且還有更為深刻的啟迪作用”。
在20世紀(jì),我們極其幸運(yùn)地目睹了我們世界的物理圖像的兩次重大革命。第一次革命推翻了我們的空間觀和時(shí)間觀,把兩者結(jié)合為我們現(xiàn)在稱(chēng)之為時(shí)空的東西,人們發(fā)現(xiàn)這種時(shí)空以一種微妙的方式彎曲著,從而引起人們?cè)缇褪煜さ、無(wú)處不在而又神秘的引力現(xiàn)象。第二次革命完全改變了我們理解物質(zhì)和輻射本性的方式,給了我們一種實(shí)在的圖像,其中粒子的行為像是波,而波的行為像是粒子,我們通常的物理學(xué)描述變得具有本質(zhì)上的不確定性,而獨(dú)立客體可以同時(shí)在幾個(gè)地方呈現(xiàn)其自身。我們用“相對(duì)論”一詞概括第一次革命,而用“量子論”概括第二次革命。兩者現(xiàn)在都已通過(guò)觀測(cè)得到確認(rèn),其達(dá)到的精確度在科學(xué)史上乃是空前的。
我認(rèn)為,公正地說(shuō),在我們對(duì)物理世界的理解方面,以前只有三次革命可以真正與它們相比。關(guān)于那三次革命中的第一次,我們必須回到古希臘時(shí)代,當(dāng)時(shí)引進(jìn)了歐幾里得幾何學(xué)的觀念以及從剛體和靜止構(gòu)形得來(lái)的某種觀點(diǎn)。此外,在我們洞察自然界時(shí)開(kāi)始重視數(shù)學(xué)推理的關(guān)鍵性作用。關(guān)于那三次革命中的第二次,我們必須跳到17世紀(jì),當(dāng)時(shí)伽利略(Galileo)和牛頓(I. Newton)告訴我們,有質(zhì)體的運(yùn)動(dòng)如何可以通過(guò)其組分粒子間的力和這些力引起的加速度來(lái)理解。19世紀(jì)給我們帶來(lái)了第三次革命,當(dāng)時(shí)法拉第(M. Faraday)和麥克斯韋(J. C. Maxwell)告訴我們,僅僅粒子是不夠的,我們還必須考慮彌漫在空間中的連續(xù)的場(chǎng),這些場(chǎng)同粒子一樣實(shí)在。這些場(chǎng)結(jié)合為一種無(wú)所不在的、稱(chēng)之為電磁場(chǎng)的單一實(shí)體,而光的行為可以用其自身傳播的振蕩作出美妙的解釋。
現(xiàn)在回到我們眼前的這個(gè)世紀(jì),特別令人驚奇的是一位物理學(xué)家——阿爾伯特?愛(ài)因斯坦(Albert Einstein)——對(duì)自然界的運(yùn)作有如此非凡的洞察力,他在1905年這一年中,就為20世紀(jì)的這兩次革命奠定了基礎(chǔ)。不僅如此,在同一年內(nèi),愛(ài)因斯坦通過(guò)他的論測(cè)定分子大小的博士論文和他對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)本性的分析,還為其他兩個(gè)領(lǐng)域提供了具有根本性的新見(jiàn)識(shí)。僅僅是后一種分析就使得愛(ài)因斯坦在歷史上占有一席之地。確實(shí),他關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的工作[同斯莫盧霍夫斯基(Smoluchowski)作出的獨(dú)立而又平行的工作一道]為重要的統(tǒng)計(jì)理解奠定了基礎(chǔ),這在許多其他領(lǐng)域都有巨大的意義。
本書(shū)把愛(ài)因斯坦在那個(gè)非凡之年發(fā)表的五篇論文收集在一起。開(kāi)頭是一篇論及分子大小的論文(論文1),接著是一篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文(論文2)。然后是兩篇狹義相對(duì)論的論文:第一篇發(fā)動(dòng)了“相對(duì)論”革命,現(xiàn)在這對(duì)物理學(xué)家是非常熟悉的了(而且也為一般公眾所了解),在這場(chǎng)革命中廢除了絕對(duì)時(shí)間的概念(論文3);第二篇是一篇短文,其中推導(dǎo)出了愛(ài)因斯坦的著名公式“E=mc 2”(論文4)。最后,是(惟一)一篇愛(ài)因斯坦自己實(shí)際上稱(chēng)其為“革命性的”論文,它論證在某種意義上,我們必須回到(牛頓的)光由粒子組成的想法——而此時(shí)我們正好剛習(xí)慣于光僅僅由電磁波組成的想法(論文5)。正是從這個(gè)表觀的佯謬出發(fā),產(chǎn)生了量子力學(xué)的一個(gè)重要組成部分。施塔赫爾(John Stachel)為本書(shū)寫(xiě)了引人入勝而又十分明晰的導(dǎo)言,它和這五篇愛(ài)因斯坦的經(jīng)典論文結(jié)合在一起,把愛(ài)因斯坦的成就納入適當(dāng)?shù)臍v史背景之中。
我在前面已經(jīng)提到20世紀(jì)對(duì)物理學(xué)理解的兩次非凡革命。但必須指出的是,愛(ài)因斯坦1905年的那些論文雖很重要,但它們并沒(méi)有為這兩次革命發(fā)出最初的子彈;這些特別的論文也沒(méi)有確定它們的新體系的最終性質(zhì)。
愛(ài)因斯坦1905年兩篇關(guān)于相對(duì)論的論文所提出的我們關(guān)于空間和時(shí)間的圖像的革命,只涉及我們今天所說(shuō)的狹義相對(duì)論。廣義相對(duì)論的全面闡述(其中引力用彎曲時(shí)空幾何學(xué)來(lái)解釋?zhuān)┲钡绞暌院蟛湃〉贸晒。即使是狹義相對(duì)論,愛(ài)因斯坦在1905年以驚人的洞察所提出的理論,也不完全是由他原創(chuàng)的,這一理論有更早的思想[特別是洛倫茲(H. A. Lorentz)和龐加萊(J. H. Poincaré)的思想]為基礎(chǔ)。此外,愛(ài)因斯坦1905年的觀點(diǎn)還缺乏一種更進(jìn)一步的重要見(jiàn)識(shí)——關(guān)于時(shí)空的見(jiàn)識(shí)——這是閔可夫斯基(Hermann Minkowski)三年以后提出來(lái)的。閔可夫斯基的四維時(shí)空觀很快被愛(ài)因斯坦采納,并成為愛(ài)因斯坦后來(lái)取得的最高成就——廣義相對(duì)論的關(guān)鍵性墊腳石之一。
至于量子力學(xué)這一革命,最初的子彈是普朗克(Max Planck)1900年的非凡論文,其中引入了E=hν這個(gè)著名的關(guān)系式,肯定輻射的能量以分立的小束產(chǎn)生,并與輻射的頻率成正比。但是用當(dāng)時(shí)通常的物理學(xué)很難理解普朗克的思想,而只有愛(ài)因斯坦(在稍后)似乎認(rèn)識(shí)到這些試探性的建議具有根本性的重要意義。量子論本身也花了多年時(shí)間才找到它的適當(dāng)表述——而這時(shí),統(tǒng)一的思想不是來(lái)自愛(ài)因斯坦,而是來(lái)自許多別的物理學(xué)家,最著名的是玻爾(Bohr)、海森伯(Heisenberg)、薛定諤(Schr[o][??]dinger)、狄拉克(Dirac)和費(fèi)恩曼(Feynman)。
愛(ài)因斯坦同量子物理學(xué)的關(guān)系有若干值得注意的方面,它們幾近自相矛盾。在這些表觀的矛盾中,最早或許最引人注目的是如下事實(shí):愛(ài)因斯坦最初關(guān)于量子現(xiàn)象的革命性論文(論文5)和關(guān)于相對(duì)論的革命性論文(論文3),似乎是從關(guān)于麥克斯韋電磁理論對(duì)光的解釋中所處的地位的互相矛盾的立場(chǎng)出發(fā)的。在論文5中,愛(ài)因斯坦明確拒絕麥克斯韋方程組足以說(shuō)明光的行為(作為電磁場(chǎng)中的波)的觀點(diǎn),而且他提出一個(gè)模型,其中光的行為猶如小的粒子。然而,在(后一篇)論文3中,他創(chuàng)立了狹義相對(duì)論,其出發(fā)點(diǎn)是麥克斯韋的理論確實(shí)代表了基本的真理,愛(ài)因斯坦建構(gòu)的相對(duì)論特別設(shè)計(jì)得使麥克斯韋方程組保持完整無(wú)損。在論文5中,愛(ài)因斯坦提出一種與麥克斯韋理論相沖突的光的“粒子”觀,但甚至在論文的開(kāi)端,他依然評(píng)論后者的光的(波動(dòng))理論說(shuō),它“很可能永遠(yuǎn)不會(huì)被別的理論所取代”。當(dāng)人們考慮到作為一位物理學(xué)家的愛(ài)因斯坦的不可思議的力量來(lái)自他對(duì)自然界運(yùn)作的直接的物理洞察時(shí),這種表觀的矛盾就更加令人驚訝了。人們很可以設(shè)想某個(gè)水平較低的人物“試用”一個(gè)模型,然后又用另一個(gè)模型(正如今天的物理學(xué)家常做的那樣),而對(duì)這兩種擬議觀點(diǎn)間的矛盾并不真正關(guān)心,因?yàn)樗麑?duì)兩種觀點(diǎn)均無(wú)特殊的堅(jiān)定信念。但對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō),事情就完全不同了。他對(duì)自然界在其他物理學(xué)家不易理解的層次上“實(shí)際如何”有很清晰和深刻的想法。確實(shí),他領(lǐng)悟自然界實(shí)在的能力是他的一項(xiàng)特長(zhǎng)。在我看來(lái),實(shí)際上很難設(shè)想對(duì)于他在同一年發(fā)表的兩篇論文中所依據(jù)的對(duì)自然界的假設(shè)性觀點(diǎn),他會(huì)認(rèn)為是彼此矛盾的。恰好相反,他必定認(rèn)為(結(jié)果也正是如此),在“更深的層次”上,在麥克斯韋波動(dòng)理論的精確性——甚至“真實(shí)性”——和他在論文5中提出的另一種“量子”粒子觀之間并沒(méi)有真正的矛盾。
人們會(huì)想起——大約300年前——牛頓冥思苦想的基本上相同的問(wèn)題,在那里他提出一個(gè)將波動(dòng)觀和粒子觀混雜的奇怪觀點(diǎn),以便說(shuō)明光的行為相互沖突的方面。在牛頓的場(chǎng)合,如果人們采取牛頓希望保留相對(duì)性原理的(合理的)觀點(diǎn),那就有可能理解他為什么頑固地堅(jiān)持粒子的圖像。但只有當(dāng)所說(shuō)的相對(duì)性原理是伽利略(和牛頓)的,這個(gè)論據(jù)才能成立。在愛(ài)因斯坦的場(chǎng)合,這樣一個(gè)論據(jù)不再成立,理由是他明確提出了不同于伽利略的相對(duì)性原理,而根據(jù)這種相對(duì)性原理,麥克斯韋的波動(dòng)理論可以完整地繼續(xù)存在。因此有必要作更深入的考察,找到愛(ài)因斯坦非常相信下述觀點(diǎn)的深刻理由,即雖然麥克斯韋的光的波動(dòng)圖像在某種意義上是“真實(shí)的”——這在1905年已充分確立了,然而需要把它改變成某種不同的東西,它在某些方面,回到了三個(gè)世紀(jì)以前牛頓的“波—!彪s交圖像。
引導(dǎo)愛(ài)因斯坦的重要影響之一,似乎是他認(rèn)識(shí)到組成有質(zhì)體的粒子的分立性同麥克斯韋場(chǎng)的連續(xù)性之間的沖突。愛(ài)因斯坦1905年的論文具體宣示了他心中牢記著的這種沖突。在論文1和論文2中,他直接關(guān)注演示流體分子和其他小粒子的本性,即物質(zhì)的“原子”性確實(shí)是十分顯著的。在這些論文中,他顯示他本人是精通所需物理、統(tǒng)計(jì)技巧的大師。在論文5中,他運(yùn)用這種非凡的專(zhuān)長(zhǎng),以同樣的方式處理電磁場(chǎng),從而說(shuō)明了僅用麥克斯韋關(guān)于光的觀點(diǎn)不能獲得的效應(yīng)。確實(shí),愛(ài)因斯坦弄明白了,經(jīng)典方法的問(wèn)題是,連續(xù)場(chǎng)和分立粒子共存,彼此相互作用的圖像實(shí)際上沒(méi)有物理意義。因此,他首先向今天的量子論觀點(diǎn)邁出了重要的一步,即粒子確實(shí)必須有波的屬性,而場(chǎng)必須有粒子的屬性。對(duì)量子圖像作適當(dāng)?shù)目疾欤W雍筒▽?shí)際上原來(lái)是同一種東西。
問(wèn)題在于經(jīng)常引起另一種表觀的悖論:為什么在理解量子現(xiàn)象方面愛(ài)因斯坦起初與同時(shí)代人相比處于如此領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)地位,而在量子論的隨后發(fā)展中他卻落后于他們?確實(shí),當(dāng)量子論采取在20世紀(jì)20年代最終出現(xiàn)的形式時(shí),愛(ài)因斯坦甚至從未接受過(guò)這種量子論。許多人可能認(rèn)為,愛(ài)因斯坦是受他“過(guò)時(shí)的”實(shí)在論的觀點(diǎn)阻礙,而尤其如玻爾之所以能向前推進(jìn)則恰恰是因?yàn)樗裾J(rèn)在分子、原子和基本粒子這樣的量子水平上這類(lèi)東西真正作為“物理實(shí)在”而存在?墒牵芮宄,愛(ài)因斯坦在1905年能夠作出這些根本性的進(jìn)展,主要取決于堅(jiān)信在分子和亞分子層次上物理實(shí)體的實(shí)際實(shí)在性。這些重要傾向在本書(shū)的五篇論文中顯得特別明顯。
是否真如玻爾的追隨者認(rèn)為的那樣,在任何重要的意義上愛(ài)因斯坦都犯了深刻的“錯(cuò)誤”?我不認(rèn)為如此。我自己就堅(jiān)決地站在愛(ài)因斯坦一邊,相信亞微觀粒子的實(shí)在性,相信今天的量子力學(xué)基本上是不完備的。我也主張,關(guān)于這種實(shí)在性的本質(zhì)的一些關(guān)鍵性見(jiàn)識(shí)尚有待發(fā)現(xiàn),這只有通過(guò)深刻分析量子論的基本原理和愛(ài)因斯坦自己的廣義相對(duì)論的基本原理間的表觀沖突才能最終顯現(xiàn)。在我看來(lái),只有掌握了這些見(jiàn)識(shí),并加以適當(dāng)運(yùn)用,支配微觀世界的量子論定律同支配宏觀世界的廣義相對(duì)論定律之間帶有根本性的緊張關(guān)系才能得以解決。怎樣才能成功地實(shí)現(xiàn)這種解決?只有時(shí)間,而且,我相信,一場(chǎng)新的革命將會(huì)作出回答——或許是另一個(gè)奇跡年!
羅杰·彭羅斯
1997年12月
約翰·施塔赫爾,美國(guó)物理學(xué)家、科學(xué)哲學(xué)家。1958年獲史蒂文斯理工學(xué)院物理學(xué)博士學(xué)位,1964年至退休任波士頓大學(xué)物理學(xué)教授兼愛(ài)因斯坦研究中心主任,《阿爾伯特?愛(ài)因斯坦文集》的主編。
中文版說(shuō)明
序言 羅杰·彭羅斯
百年紀(jì)念版導(dǎo)言 約翰·施塔赫爾
英文版出版者前言
導(dǎo)言
第一篇 愛(ài)因斯坦論測(cè)定分子大小的博士論文
論文1 分子大小的新測(cè)定
第二篇 愛(ài)因斯坦論布朗運(yùn)動(dòng)
論文2 熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運(yùn)動(dòng)
第三篇 愛(ài)因斯坦論相對(duì)論
論文3 論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)
論文4 物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎?
第四篇 愛(ài)因斯坦關(guān)于量子假說(shuō)的早期工作
論文5 關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)
譯后記