牛顿、爱因斯坦与玻尔间的对话

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 sics2005),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 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,tr ue,and mathematical time,of itself,and fr om its ow n natur e,flow s equably w ithout r elation to 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, and hypotheses,w hether metaphysical or physical,w hether of occult qualities or mechanical have no 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.).

作者简介 刘源俊,教授,东吴大学理学院物理学系,E-mail:ytliu@tmu .tw.

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?

牛:以太是传递光的介质,透明、无质、无阻而有弹性.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月首次提出狭义相对论,但同年3月你先提出光量子的