牛顿、爱因斯坦与玻尔间的对话

恒宇

牛顿、爱因斯坦与玻尔间的对话# Q( k9 r' l% L; O  U
刘源俊
' i& i2 p6 Q, w东吴大学理学院物理学系，台湾台北 l1102
1 T3 N# I- i. T9 C( x3 Y9 ?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．
+ B: `# B) a( @) W% N( t2 m1 A. I: Q对话人
. n. Z2 z4 L3 c/ Q5 x. i, [& p牛顿(Isaac Newton 英国，1642— 1727)
! d# z/ Z9 B4 u, t# F爱因斯坦 （Albert Einstein 德国1879-美国1955)0 m: q6 h& ]. a0 ]" l
玻尔(Niels Bohr 丹麦 1885-1962)
7 x  K0 Q( |' b+ Y- W时间：200512月1日$ x4 t; `) H! n/ r' e
地点：地球$ u( r$ ^" \! X' E
开场白
5 e( b3 ^) m  A, V+ c3 o. A0 ]  q  }, S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”(World Year of Physics 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(foundations of physics)．
" z, F6 \9 P! j爱：至感荣幸!& l7 ^2 F, P4 W+ y
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Hawking教授主办一纪念研讨会．
4 r2 j6 u7 g( ^# g& `玻：诗人Pope有言：“天生牛顿，于是长夜得明．”(“God said，Let Newton be!And all was light．”)请牛顿先开始．因听众学力尚有不足，说理、用语请尽量浅显．+ N# Z/ I; B6 i; J
说“理”
- a' c% j; c+ ]* A% h& e8 v" a8 S牛：天道宁简不浮赘(Nature is pleased with simplicity，and affects not the pomp of superfluouscauses．)；同果宜归于同因(⋯to the same natural effects we m ust，as far as possible， as sign the same causes．)；经验推得普适德(The qualities of bodies，⋯ which are found to belong to all bodies within the reach of our experim ents，are to be esteemed the universal qualities of all bodies whatsoever．)；知归纳则近道矣(In experimental philosophy we arc to look upon propositions inferred by general induction from phenomena as accurately or very nearly true，⋯)．以上简述本人的物理哲学．
; @: M6 V9 q( B- z0 r" ^5 Z时间是绝对的(Absolute，true，and mathematical time，of itself，and from its own nature，flows equably without relation to anything externa1．)，空间也是绝对的(Absolute space，in its own nature，without relation to anything external，remains always similar and immovable．)，运动则有绝对运动(absolute motion)与相对运动(relative motion)之别．9 C2 ^7 o  |6 t3 W) j5 e! w
爱：你说绝对时间与绝对空间，是假说么?
4 c/ J0 D' j4 P7 |8 s$ d3 P6 D牛：我不做假说的(I frame no hypotheses，⋯and hypotheses，w hether m etaphysical or physical， whether of occult qualities or mechanical have no place in experimental 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 not define time， space，place and motion，as being well known to al1．)6 S2 u, C7 V3 X4 Y( y- h- b7 }- B
爱：且慢，这里面有问题．首先，任何理论都是人的发明(The axiomatic basis of theoretical physics cannot be extracted from experience but must be freely invented，⋯)，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?
% z3 c  Z6 C6 J% ~4 V( |牛：我可不敢说理论是人的“发明”(invention)!我提出的运动三律及万有重力律都是“发现”(discovery)．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 on the sea shore，and diverting myself in now and then finding a sm oother pebble or a prettier shell than ordinary，whilst the great Ocean of truth lay all undiscovered before me．)．
$ U' R* r5 r, F% _: N; H; S爱：你提到的“真理”(truth)，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．’Thus the meaning of the word ‘truth’varies according to whether we deal with a fact of experience，a mathematical proposition，or a scientific theory． ‘religious truth’conveys nothing clear to me at al1．)!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”．. Q, j, |" h! h, s- x7 ^0 U
玻：我赞成爱因斯坦．物理学家的任务是实事求是，就象(phenomena)发理(theories)，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．7 k- z+ F6 H4 m  K: \
说“相对论”
1 T" \! G( B, j2 s; @8 P* ^爱：为了解释Michelson与Morley的实验，我必须假设真空中的光速在任一惯性系里恒定．
8 K0 R, _" {" L! L3 X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(aethereal medium)中行进，如果以太也在行走，照理说光速会改变．/ T! W& d: i% G, g4 L, {
玻：你说到以太，以太是什么东西?
( I& |3 D* L- r- y6 s5 u) A7 Y* o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．+ I* B2 i% W0 |
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(The introduction of a
6 y  p, C) w' j* ]1 Y* NLichtgither will prove to be superfluous⋯)!你一开始不是还说“天道宁简不浮赘”?我从电动力学(electrodynamics)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!
# M0 Y$ k9 q3 l8 X- I/ \0 d* X" f牛：去除以太，光如何行进?
7 y' s% H% q' c  }爱：Maxwell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(electromagnetic waves)．这波的速度恒定，就是光速．光是电磁波，它的传递毋需介质．
$ g6 V9 l7 B  U3 S  _牛：姑且听之．你从光速恒定的假设出发，可以得到哪 结论呢?
' Z4 x0 n, {2 E  a6 G% D# n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”(theory of relativity)名词的由来．换言之，我改变了牛顿“绝对时问”的假设．
& K+ `; K8 J) t2 `& T5 U2 w玻：你既假设光速不因惯性系迁变(transformation)而有所迁易，而你当然也假设了所有自然
& e3 f5 @( S* `/ b- Q律(1aws of nature)的不迁易性(invariance)，所以你的理论，其精义实为“绝对性”，称之为“相对论”不甚妥当．$ ?/ C- U# X( o
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．7 @: S0 J9 J5 Q# w
牛：还有哪些重要的结论?
$ ~# [- H, t3 C: i6 E爱：运动系统里的韵律(rhythm)变慢(time dilation)；运动系统里的长度缩短(1ength contraction)；运动物体的质量增大(mass increment)；等等⋯．. m, N" h; x" L
牛：有实验支持吗?8 _6 O: Q& Q! g* ~
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(evidences)，但第三个结论则在高能物理实验里有明确的事2 z; {0 T6 s1 g3 x
说“二象性”
0 S( u& L$ h+ [% H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?$ w4 p; Z" M" I+ x% I
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 Broglie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．
! H2 N% C% b4 w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．
# r6 d8 K# l7 T% B$ M$ k* j: R. o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．5 ~& w3 g5 n1 x9 f+ ~8 k: Z
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(complementary)．
& R+ ]) N8 {1 d& e1 x0 L2 y' a- g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 Broglie认为“是粒但有波，波为引导(pilot waves)”，Schrodinger则认为“有波(wave function)无粒”．至于另外几位就更玄了．Born提出“粒的机率波诠释”(statistical interpretation)，Heisenberg提“粒非粒，波非波”的说法(uncertainty principie)，你却又提出“波粒相成说”(complementarity principle)．% n0 _& ?, t: i6 _7 O3 @  R
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 reality)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 observer)与被观测客体(the observed)间交涉(interaction)的结果．3 y  F; R( m. K4 z3 a8 X
说“实在”
6 k7 O& A9 q2 g; Q8 w爱：我绝不能同意“没有客观物理实在”这句话(I(believe) in complete law and order in a world which objectively exists，)．我的相对论是建立在“有客观物理实在”的信念(conviction)之上．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(curvature of space time)．1 i# n& y: c: }' [9 O& F5 p
牛：我也认为有客观物理实在．其实那也就是God!虽然我并不相信人格的God (personal God)，但信God无所不在，他就是客观的实在，客观的秩序(Supreme God exists necessarily．He is omnipresent not virtually only， but also substantially⋯ ．)．+ J# L8 m5 {% e' j6 b" o
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?; f) ]1 D/ j  U- S0 m8 d8 Q* V
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几何(Euclidian geometry)，我则采用Riemann几何(Riemannian geom etry)．
$ h2 o, F7 x2 s# F& [" r& _' h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?
, z7 @) A5 N6 O) k, \! E5 d! O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 wiir It nicht．一God does not cast dice．)；天道微而不鄙(Raffiniert ist der Herr Gott，aber bosha ft ist er nickt． ——God is subtle，but he is not m alicious．)．  N& k+ I8 m- o; H  {& d/ N! ~3 T7 O
玻：任何人如果对量子力学不感到震惊，是因为他没懂!(Anyone who is not shocked by Quantum Mechanics has not understood 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)一-知即测(To know is to measure．)，测即扰(TO measure is to disturb)，测量的效果是一种“投射”；(3)相辅相成原理(complementarity principle)；(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!
9 f/ T. k$ n& a' s$ `& V# M9 p爱：我是同意你们这套说法的一致性(consistency)，但无法同意其完备性(completeness)．
) W  K& \- u  f) \, p玻：要怎样的理论才完备呢?9 N+ K2 _5 u5 ?* E1 R8 F7 u0 H+ p
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．
1 F- j0 ~# G( O) t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(nonseparability of a double—photon system)”实验已经清楚佐证Bell不等式(Bell inequalities)；换言之，即使有隐变量理论，这些隐变量必有“非局域性”(non—locality)．所以你所设想的时空只不过是幻象而已!
+ ^, P" `9 F( E% S7 l0 l爱：匪夷所思!  {4 b1 t5 y3 B. V; |
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 of field)等手段，已经获得解决．. U# F( e& u6 g, h1 W
爱：乐见其成．量子场论里有哪 重要推论?
0 a1 O9 I9 V4 c( b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．  a" C; Q! x2 s. A
爱：那么能量就不会守恒啰?: I( {  C6 B" Y! C; h1 d$ U. e  V% }
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．5 Q7 t5 f$ D# N' J& o( _3 q
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．4 J$ H) X9 B) m( H6 i9 E
玻：有点道理．Whittaker就主张，既然真空里各种纷乱杂陈，“真空”(vacuum)之名，显然名不符实；不如重新拾回“以太”(aether)的老名．
- n3 w4 a) ~# ~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?- ]* Q, U0 c  P3 w/ `/ F1 W
结语
* }8 A* F# I5 i. A/ a7 M玻：好．我们三人的对话，在形式上有点像伽利略两本经典名著(Dialogues Concerning the Two Chief World Systems，Dialogues Concerning Two New Sciences)中Salviati与Sagredo、Simplicio 三人间的对话，当然我们的程度深得多．Jauch有一本通俗书 Are Quanta Real?也是邀这三人对话的，可做参考．: J9 u) P" L& @$ H6 T/ o
最后藉我常引的Schiller谈儒学的诗句(出自Spruch des Confuzius)作一结束：6 ^  t& P( _6 m2 ]' p  W
惟坚毅致远，惟充实致明，而大理寓隐．0 Z8 u0 P  L- f; t$ x
Nur Beharrung fiihrt zum Ziel，! g  p2 ?4 ?) N$ d' d/ ^$ e7 Q
Nur die Fiille fiihrt zur Klarheit，
* H$ t* R2 f& C4 Q4 tUnd im abgrund wohnt die Wahrheit．