智识的阶跃，物理学的进化 | 纪念爱因斯坦诞辰140周年

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编者按

2019年3月14日，是爱因斯坦诞辰140周年纪念日。在爱因斯坦去世（1955年4月18日）后的半个多世纪里，有许多人和许多著作从各种角度解读爱因斯坦其人及其思想。在此，我们也想提请广大读者注意关于爱因斯坦的两个有趣的社会学现象：大多数未经过物理专业训练的民间物理学爱好者的宏大理想是推翻爱因斯坦的相对论而非物理学的其他理论，证明爱因斯坦是错的对于他们来说是无比重要和轻而易举的；大多数接受过基础物理教育的优秀学子进入物理学往往是基于其对相对论的或深或浅的理解和初尝而萌发的巨大兴味，而在迈入物理学的大门之后，他们则绝少继续对相对论进行深入挖掘和拓展，而是四散在物理学的广阔疆域驰骋纵横——可以找到许多此类例子，比如创立矩阵力学的海森堡和发展了量子电动力学的费曼。即便这两个现象不是惯常的看待爱因斯坦及其成就的视角，它们也为我们认识爱因斯坦的伟大提供了参照。无论是将爱因斯坦奉为神明或将其贬为一文不名，都足以使我们走近爱因斯坦，但同时又造成我们对其思想的疏离——也许这是所有伟大人物的幸与不幸。

《物理学的进化》这本出自爱因斯坦之手的小书，也许能稍微消解一点这种疏离，使我们对于这位伟大人物关于物理学的深刻认识有所知解。面对广大的物理学爱好者，也许我们应该像拉普拉斯称扬欧拉那样提说爱因斯坦：读读爱因斯坦，他是我们所有人的老师。

《物理学的进化》

 [美]阿尔伯特·爱因斯坦  [波]利奥波德·英费尔德 著 

张卜天 译

正如《纽约时报》前任科学编辑瓦尔德马·肯普佛特（Waldemar Kaempffert）所说，这本书证明，最能清晰简洁地利用其理论的仍然是爱因斯坦本人。这里节选书中一部分爱因斯坦关于科学的讨论，以飨读者。

撰文 | 爱因斯坦、英费尔德

翻译 | 张卜天

责编 | 于同旭

爱因斯坦谈科学是什么？

科学的哲学背景

科学研究成果往往会迫使人们改变对有限科学领域以外的问题的哲学看法。科学的目的是什么？一个试图描述自然的理论应该满足什么条件呢？这些问题虽然超越了物理学的界限，但与物理学密切相关，因为正是科学提供了素材，使这些问题得以产生。哲学概括必须以科学成果为基础。而哲学概括一旦形成并且被广泛接受，又常常会指出诸多可能道路中的某一条路，从而影响科学思想的进一步发展。等到业已接受的观点被成功地推翻，又会出现意想不到的全新发展，从这些发展中又会产生新的哲学观点。若不能从物理学史上引用一些例子来加以说明，这些话听起来一定是模糊不清和不得要领的。

现在我们就来谈谈最早的哲学家是如何设想科学的目的的。这些思想极大地影响了物理学的发展，直到近100年前才因为新的事实和理论证据而被抛弃，而这些新的事实和理论证据又成了新的科学背景。

从希腊哲学到现代物理学的整个历史中，一直有人尝试把看起来复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。这正是整个自然哲学的基本原则。它甚至表现在原子论者的著作中。2300年前，德谟克利特（Democritus）写道：

甜是约定的，苦是约定的，热是约定的，冷是约定的，颜色也是约定的。但实际上只有原子和虚空。也就是说，我们通常以为感官的对象是实在的，但其实并非如此。只有原子和虚空才是实在的。

在古代哲学中，这种观念只不过是别出心裁的想象罢了。将陆续发生的事件联系在一起的自然定律，希腊人是不知道的。事实上，从伽利略开始，科学才把理论与实验联系在一起。我们已经追溯了导向运动定律的初始线索。在200年的科学研究中，力和物质始终是理解自然的所有努力中的基本概念。我们想到其中一个概念就必定会想到另一个概念，因为物质通过作用于其他物质而证明自己是力的来源。

让我们考虑最简单的例子：两个粒子，彼此之间有力作用着。最容易设想的力是引力和斥力。在这两种情况中，力矢量都在质点的连线上。为了满足简单性，我们只能设想粒子相互之间吸引或排斥，因为关于作用力方向的任何其他假设都会导致复杂得多的图像。关于力矢量的长度，我们也能作出同样简单的假设吗？即使想避免过于特殊的假设，我们也仍然可以说：任何两个已知粒子之间的力就像万有引力一样，只与它们之间的距离有关。这看起来已经足够简单了。我们还可以把力设想得更为复杂，比如不仅与距离有关，而且与两个粒子的速度有关。倘若把物质和力当成基本概念，我们几乎无法设想还有什么假设能比力沿着粒子的连线作用并且只与距离有关更简单。但仅凭这种力能否描述所有物理现象呢？

力学在其各个分支中所取得的伟大成就，在天文学发展中的惊人成功，以及力学观念在那些非力学的、明显不同的问题中的应用，所有这些都使我们相信，可以通过固定不变的对象之间简单的力来解释所有自然现象。在伽利略之后的两个世纪里，这样一种努力有意无意地表现在几乎所有科学创造中。大约在19世纪中叶，亥姆霍兹（Helmholtz）明确表达了这一点：

因此我们发现，物理科学的问题在于把自然现象归结为强度只依赖于距离的不变的引力和斥力。要想完全理解自然，就得解决这个问题。

因此，按照亥姆霍兹的说法，科学发展的路线是已经决定了的，它严格遵循着这样一条固定的路径：

一旦把自然现象完全归结为简单的力，并且证明自然现象只能这样来归结，科学的使命就完成了。

在20世纪的物理学家看来，这种观点是单调而幼稚的。想到伟大的研究工作可能很快就会结束，一幅绝对可靠但却单调乏味的宇宙图景被一劳永逸地建立起来，他一定会感到恐惧。

即使这些信条能把对所有事件的描述归结为简单的力，也还有一个问题没有解决，那就是力与距离是什么关系。对于不同的现象来说，这种关系可能是不同的。从哲学的观点来看，必须为不同的事件引入许多种不同类型的力，这肯定不能让人满意。尽管如此，亥姆霍兹清晰表述的这种所谓力学观在当时起了重要作用。物质运动论的发展就是直接受到力学观影响的最伟大的成就之一。

爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）与英费尔德（Leopold Infeld，1898–1968）

物理学与实在

科学并不是一堆定律，或者不相关事实的目录，而是人类心灵的创造，有着自由发明的观念和概念。物理理论试图形成一幅实在图景，并且建立它与感官印象世界的联系。因此，我们的这些心灵构造是否正当，仅仅取决于我们的理论是否以及以何种方式形成了这样一种联系。

我们看到，物理学的进展已经创造了新的实在。但这条创造之链可以追溯到物理学的起点之前很远。最原始的概念之一是物体。一棵树、一匹马乃至任何物体的概念都是经验基础上的创造，虽然与物理现象的世界相比，产生它们的印象还很原始。猫捉弄老鼠，也是在用思想创造它自己的原始实在。猫以类似的方式对付所有遇到的老鼠，这表明它形成了概念和理论，把它们作为自己感觉印象世界中的准则。

“三棵树”与“两棵树”有些不同。而“两棵树”又不同于“两块石头”。纯粹的数2、3、4……的概念产生于物体，又不受物体约束，它们是思想心灵的创造，描述的是现实世界。

凭借心理上对时间的主观感觉，我们对印象进行整理，说一个事件先于另一个事件。但通过钟把每一个时刻与一个数联系起来，把时间看成一个一维连续区，已经是一项发明。欧几里得几何和非欧几何的概念以及空间被视为三维连续区也都是发明。

物理学实际上是从发明质量、力和惯性系开始的。所有这些概念都是自由发明，由它们引出了力学观。19世纪初的物理学家会认为，我们实际的外部世界是由粒子和其间只与距离有关的简单作用力构成的。他会尽可能长地保持自己的信念，认为凭借这些关于实在的基本概念，他定能成功地解释一切自然事件。与磁针偏转和以太结构有关的困难都促使我们创造出一种更为精妙的实在。电磁场的重大发明出现了。对于整理和理解事件而言，重要的不是物体的行为，而是介于物体之间的场的行为。要想充分认识到这一点，需要大胆的科学想象力。

后来的发展既摧毁了旧概念，又创造了新概念。绝对时间和惯性坐标系被相对论抛弃了。所有事件的背景不再是一维的时间连续区和三维的空间连续区，而是具有新的变换性质的四维时－空连续区，这又是一项自由发明。我们不再需要惯性坐标系，任何一个坐标系对于描述自然事件都同样适用。

量子理论同样为实在创造了新的本质特征：不连续性取代了连续性；出现的不再是支配个体的定律，而是几率的定律。

现代物理学创造的实在与昔日的实在相距甚远，但每一物理理论的目的仍然相同。

我们试图凭借物理理论找到一条道路，穿过观测事实的迷宫，整理和厘清我们的感官印象世界。我们希望观测到的事实能从我们的实在概念中逻辑地推出来。倘若不相信我们的理论构造能够把握实在，不相信我们世界的内在和谐，就不会有科学。这种信念是而且永远是一切科学创造的根本动机。在我们的所有努力中，在新旧观点每一次戏剧性的斗争中，我们都看到了寻求理解的永恒渴望以及对我们世界和谐性的坚定信念。理解上的障碍越多，这种渴望和信念就越强。

译后记

张卜天

《物理学的进化》是由著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和利奥波德·英费尔德合作出版的科普经典读物，介绍了物理学从伽利略、牛顿时代的经典理论到现代场论、相对论和量子理论的发展演化历程，引导读者思考其背后涉及的哲学思想和观念的变化。它面向普通公众，避免使用任何数学公式，对物理学基本观念的解释非常清晰和生动，堪称爱因斯坦最优秀的科普著作。虽然由于出版较早，书中没有谈及物理学的一些最新发展，而且包含着爱因斯坦本人的一些思辨和猜测，但正如英费尔德所说：“本书只讨论物理学的重要观念，它们本质上没有变化，所以无需对书中内容作出修改。”

爱因斯坦之所以答应合作编写此书，部分原因是为了在经济上帮助英费尔德。英费尔德是一个从波兰逃出来的犹太物理学家，曾在剑桥与物理学家马克斯·玻恩合作过一段时间，然后到了普林斯顿，协助爱因斯坦研究物理学。爱因斯坦试图帮助英费尔德在普林斯顿高等研究院找到一个永久性职位，但没有成功。英费尔德因此想到或许可以与爱因斯坦合作出版一本物理学史的大众读物，并认为肯定能取得成功，版税与爱因斯坦平分即可。当他找到爱因斯坦吞吞吐吐地表明了自己的想法之后，爱因斯坦说：“这主意不错，很不错呢！”“我们来干吧。”事实证明，英费尔德的想法是完全正确的。该书最初由剑桥大学出版社在1938年出版，并获得了大众的广泛好评。据《爱因斯坦传》的作者沃尔特·艾萨克森说，《物理学的进化》到现在已经印刷了44版。

1945年，商务印书馆即出版了刘佛年先生译述的《物理学的进化》繁体竖排中译本。1962年，上海科技出版社又出版了周肇威先生翻译的中译本，后来该译本由湖南教育出版社在1998年再版。在主编《世界科普经典译丛》的时候，《物理学的进化》是我最先想到必须收入的名著之一，是几乎每一位物理爱好者的必读书。我读本科时，阅读这本书给我带来了极深的印象和极大的享受。不知为什么，周肇威先生的中译本已经绝版十多年，市面上早已买不到，而且译文中也包含着一些小错误*和语词啰嗦的地方。故此，我参考周肇威先生的旧译，满怀对此书的感激和崇敬之情重新翻译了此书，希望能使更多读者欣赏到物理学的奥妙和乐趣。

*编注：此处仅以老译本在该书目录中的两处误译举例：

1 The kinetic theory of matter，原译“物质动力论”，应为“物质运动论”；

2 Field and matter原译“场与实物”，应为“场与物质”。

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