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第二章 爱因斯坦之前的物理学观念（第1页）

第二章　爱因斯坦之前的物理学观念

自然哲学观

在任何时期，流行的自然哲学观都对同时期的物理学发展有深远的影响。纵观整个历史，建立自然哲学观的依据有两种。一种被称为“科学的”，即试图将观察到的事实关联起来，并从中获取有用的信息；而另一种则被称为“哲学的”，在特定历史条件下以能获得认可的方式解释自然现象。以天体运动的理论为例，来说明这两种依据之间的差别。在十六世纪，哥白尼的日心说理论可以解释实际的星体位置变化，但由于这种观点与当时地球在宇宙中心静止的哲学观相冲突，而不被承认是“哲学正确的”。

在科学发展的历史上，哲学观本身也随着一些革命性的科学发现而改变。科学观的发展有两个最重要的时期。在中世纪，人们用理解人类和动物行为的方式来理解自然现象，以生物的行为来解释诸如天体、抛体等物体的运动。这种观点被称为有机观。而十七世纪开始，伽利略和牛顿在力学上做出了一系列影响广泛的研究，促成了物理学史上第一次重大的革命，自然的机械观得以形成。在这种观点中，杠杆、滑轮等简单的机器被用来解释自然现象。这种观点获得了巨大的成功，因此机械论成为所有自然科学，甚至是所有科学的范本。1870年左右，机械论的盛行达到顶峰，但在此之后，物理学新领域不断发现的新现象使这一哲学观开始逐步瓦解。1905年，以爱因斯坦第一篇相对论论文的发表为标志，第二次科学大革命拉开了帷幕。正如牛顿促进了物理学从有机观向机械观的转变，爱因斯坦也促使机械观转变为自然的数学描述。

为了更好地理解爱因斯坦的工作以及人们对其理论的矛盾态度，我们有必要先了解自然哲学观的变革所带来的巨大情感波动和政治、宗教、社会等领域受到的冲击。罗马教会将哥白尼和伽利略的研究视为“异端邪说”，是因为他们的理论与当时的哲学观不相容；同样道理，很多哲学家和物理学家也不承认爱因斯坦的相对论，因为相对论不能以机械论的方式来理解。在以上两个例子中，新理论受到非难的原因都不在于其不能解释观察结果，而在于其不能融入传统的科学哲学观中。

当然，在很多情况下，这种对某一特定科学观的偏执和坚持会阻碍新规律的发现，但是从历史发展上看，也不能武断地认为这种保守的态度完全不利于科学的进步。一种特定的科学观念可以将不同的科学分支统一起来。在有机科学观中，生命体和无生命的自然界之间没有真正的差别，它们都遵从于同样的规律。机械科学观也是如此，其对生命现象也是以机械论的方式描述的。此外，由于特定的科学观应该能够用于所有现象的解释，所以它不得不具有简单的形式，以几条简单的原则就能推导出所有的实验证据。

一般人在学校中接受的科学教育都是以机械观为主的，我们对机械观太熟悉了，甚至觉得它平淡无奇。不过，当一个理论被大家接受并习惯之时，它的闪光之处也早已被人遗忘。我们假设自己生活在机械论刚兴起的年代，这样才能理解其伟大的意义和革命性的影响。通过这种假设我们不难发现，当时机械科学观给人们带来的困惑和矛盾，正如我们现在对爱因斯坦理论的感受。

中世纪的有机物理

我们在观察一个人的行为时，有时可以理解，有时又理解不了。例如，如果我们只看到某人突然狂奔起来，会摸不着头脑，但是如果得知前面有人在撒钱时，则完全能够理解这个行为。若一个人动机不明，他的行为则会难以捉摸。动物亦然。一只野兔在奔跑，可能是因为后面有条狗在追逐它。任何运动的目的都是为了到达比初始点更有利的位置。

根据对象本质的不同，不同有机体的行为可以用不同的动机来解释，“有机科学”也同样被用于解释非生命体的运动之中。以下落的石头和升起的火焰为例，类比于善于挖洞的老鼠和在悬崖边筑巢的老鹰，石头本就应该在地球上，而火焰的位置在天空中某个绕地球旋转的球体上。每个物体都有它最自然的状态，当这一状态被改变时，它的本能将会驱使其以最快的方式回到原来的状态中。因此，当石头被抛向空中时，它将会尽快回到离地心最近的位置，如同被天敌追赶的老鼠在逃脱威胁后会立即回到自己的洞里。当然，有时候石头并不会下落，这是由于一个“无法抗拒的力”在对它起作用。根据古代的哲学家的说法：“医生的天职是治疗，但是障碍可能使他无法实现这个目标。”这是有机论中的一个最粗糙的推论。

当然，也有些运动显然没有任何目的性。例如，天体的运动没有明确的目标，而是单纯重复同样的路径。那么，人们认为天体被某个更高等的自然精神力量控制了，而维持永恒不变的运动正是这种精神力量的本能，就如同趋利避害是低等有机体的本能一样。

这种有机的观念以古希腊哲学家亚里士多德的思想为基础。尽管这一观念本质上相当愚昧，但在中世纪时期这种类似的哲学观基础出现在很多哲学家的教义中。这些哲学家包括被基督教教会奉为圣人并有“神学界之王”之称的中世纪经院哲学的哲学家和神学家托马斯·阿奎纳（1225—1274）、犹太思想家和哲学家摩西·迈蒙尼德（1135—1204）以及伊斯兰的阿威洛依（1126—1198）。

物理和哲学

毫无疑问，伽利略是推进物理学由有机论转向机械论的关键人物。他认为，哥白尼的日心说理论不仅仅是一时为了解释天文现象而做的假设，而是事实真相，揭示了真正的规律。他胆敢质疑权威的中世纪物理体系根基。

伽利略首先从物体的匀速直线运动这一最简单的形式出发，接着考虑了具有恒定加速度的直线运动，即物体的速度在相等的时间内增加量相同。接下来，基于这些简单运动形式的研究，他试图解释更复杂的运动。伽利略发现所有的自由落体运动和抛物运动都具有一个共同点，即它们向下的加速度都是恒定的。这类运动的速度可拆为两部分：保持大小和方向都不改变的初始速度（惯性运动），和垂直向下的加速度（重力作用）。

几十年后，艾萨克·牛顿爵士将伽利略发现的运动规律推广到复杂的天体运动中，并将其发展为描述一切运动的普适规律。以地球绕太阳的公转为例，牛顿将行星的圆周运动也拆分为两部分：（1）惯性运动，初始速度的大小和方向保持不变；（2）由于地球和太阳之间的引力作用，地球具有恒定的加速度，其方向沿着地日之间的连线指向太阳，其大小与地日距离的平方成反比。根据这些规律，牛顿提出了大名鼎鼎的牛顿运动定律（Lawsofmotion）和万有引力定律（TheUniversalLawofGravitation）：

牛顿第一运动定律：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。（惯性定律，LawofIia）

牛顿第二运动定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。（力的定律，LawofForce）

牛顿第三运动定律：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

万有引力定律：任意两个质点之间有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

这些定律的成功之处无须赘述，其构成了物理学、天文学和力学的理论基础。

牛顿及同时代的科学家们也早已提出了解释光现象的光学理论。由于上述力学定律无论在天体运动的描述还是日常生活中物体运动的描述上，都获得了成功，所以光学理论也都以力学定律为前提，认为光由符合牛顿运动定律的粒子组成。同样对于其他物理学领域的各种物理过程，例如电磁现象、热现象和化学反应等，人们也将其抽象为力学模型，并用牛顿运动定律解释这些现象。牛顿运动定律在实证经验上的成功使它很快便成为检验理论“物理合理性”的试金石。除了牛顿运动定律以外，其他能够计算和阐明物理现象的理论仅仅被看作“可行的”，而不是“物理的”。在牛顿的力学体系建立后不久，中世纪的有机自然哲学体系便被这种新的体系所取代。

然而，牛顿力学的成功却显然归功于它的实用性，而不是它在哲学上的合理性。惯性定律刚刚被提出时，以中世纪哲学的观点来看，它相当荒谬而不可理解。为什么不用被外力推动，物体就可以永远沿直线运动下去呢？这无疑与人们的经验相悖。但是，这种“可笑”的定律最终战胜了一切异议而被接受，这得益于它在数学上的简明性，以及在其基础之上建立的力学体系的巨大成功。最终，物理学体系被颠覆，牛顿运动定律成为唯一的“哲学的真实”。机械论时期的哲学家们，尤其在十八世纪末，提出各种论点来证明，惯性定律是绝不荒诞的，它的合理性是显而易见的，甚至是唯一符合哲学论的对真实的解释。

由于牛顿力学体系的历史根源，哲学家们抵触爱因斯坦的理论。除了理论学家，一些实验物理学家们也同样难以接受爱因斯坦的理论。他们在大学中接受了传统机械观哲学教育的洗礼，将其奉为信条，因此即使在物理实验中获得了超出牛顿运动定律可解释范畴的实验结果，也不能意识到其背后颠覆性的新科学理论，而仍然一味信奉着牛顿的理论体系。

牛顿力学中的相对性原理

牛顿运动定律中尚存着关键性的问题待解决。惯性定律说明任何物体要保持匀速直线的运动状态直到外力迫使其改变运动状态为止。那么究竟什么才是“匀速直线运动”呢？在日常生活中，匀速直线运动似乎很容易定义，例如，当台球在桌面上沿着一条平行于球桌边缘的直线滚动时，它就在做直线运动。但是若考虑到球桌本身置于地球上，而地球不仅在自转，还绕太阳公转，那么在地球之外观察台球的运动时，最终合成的运动状态将会变得很复杂而不是简单的直线运动。在这个意义上，只有和球桌同在一个房间里的人才能观察到桌上的球是沿直线运动的。

鉴于此，牛顿定义了“绝对运动”（“Absolutemotion”），即“物体从一个绝对位置到另一个绝对位置的运动”，并称“‘绝对运动’既不能被创生，也不能被改变，而是物体由于被施加了力的作用而发生的运动”。在这个定义下，如果我们能观测到球在没有任何外力作用下沿着平行于桌子边缘的直线做匀速运动，那么这个房间则被认为在“绝对空间”（“Abso-lutespace”）中静止。这个“静止”房间的参考系则被定义为惯性系（Iialsystem），因为在这个参考系里，惯性定律成立。假设有第二个房间，它随着旋转木马一起转动。相对于“静止”房间，新的房间在做圆周运动，因此这个房间里的小球不可能在没有外力作用的情况下保持匀速直线运动。那么根据上面的定义，旋转木马上的房间就不是一个惯性系。

若是小球在匀速直线运动的火车车厢中，那会怎样呢？这种情况下，火车上的小球仍然可以在没有外力的情况下做匀速直线运动。实际上，在“静止”房间中做匀速直线运动的物体，被火车上的观测者所观测时，也同样做匀速直线运动。因此，只要像火车车厢这样的“运动系”相对于“静止”房间做匀速直线运动，惯性定律在“运动系”中就仍然成立。

当外力作用于小球时，小球开始加速。在“静止系”和“运动系”上观测到小球的加速度是相同的。因此，牛顿第二定律，即只决定物体加速度（而非初始速度）的力的定律，在两个参考系中都是等价的。我们只通过测量粒子（小球）的运动，无法得知当前参考系的运动速度；反过来，我们只要知道了小球在当前参考系下某一时刻的运动，通过牛顿第二定律，便能够预测其在未来任何一个时刻的速度，这也与小球所在的参考系本身的运动无关。综上所述，相对一个已知的惯性系做匀速直线运动的所有参考系都是惯性系，而牛顿运动定律并不能说明什么是严格意义上的真正的惯性系。

在大多数情况下为简单起见，忽略掉微弱的自转和公转运动，地球可以被近似认为是惯性系，因此地球上物体的运动满足牛顿运动定律。同样地，任何相对于地球做匀速直线运动的物体，例如火车、轮船、电梯等，也可以被看作惯性系。这很符合人们的日常经验：在没有颠簸、转弯的火车或者轮船上，人们可以像在地面上一样进行各种球类运动。

因此，对于力学规律而言，一切惯性系都是等价的，这一定律被称为力学相对性原理（Relativityprineisticphysics），它是牛顿运动定律的推论，它的描述对象为相对运动，而不是牛顿运动定律中的绝对运动。上面为相对性原理的正面表述，其反面表述为：不可能借助惯性参考系中的力学实验来确定该参考系匀速直线运动的速度。

相对性原理本是在牛顿理论体系中提出的，是牛顿力学体系的基本特征。然而，把相对性原理推广到一切物理学则是爱因斯坦的伟大贡献。他认为相对性原理比牛顿运动定律更适合成为描述所有物理现象的理论基石，因为相对性原理在牛顿运动定律失效的情况下仍然成立。

以太：力学的假设

从各种光学现象（光的反射、折射等）出发而建立的光学理论主要包括两大相互对立的体系：牛顿提出的光的微粒说（Corpusculartheory），以及和牛顿同时代的荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯（1629—1695）提出的光的波动说（Wavetheory）。在微粒说中，光被看作一束满足牛顿运动定律的粒子流；而在波动说中，光是一种在某介质中传播的振动，类似于在空气中传播的声波。1850年，在精于光学和电磁学实验的法国科学家阿拉戈（1786—1853）及以发明傅科摆闻名的法国物理学家傅科（1819—1868）等人的研究努力下，光的波动说占据了主流的地位。然而在此之后，出生于苏格兰爱丁堡的物理学家、数学家麦克斯韦（1831—1879）开创了电动力学，预言光的本性为电磁波，光是由电场和磁场的振动产生的。他的理论计算和德国物理学家海因里希·赫兹（1857—1894）的实验工作一同促成了光的电磁波理论的普及。

振动的传播需要介质，波是介质中振动状态的传播。例如，声音是由空气中分子的振动来传播的，在真空中声音无法传播；地震波的传播依赖于地球内部或表层物质的振动；水波则是由表面的水分子运动而传播的。然而，即使太空中没有任何物质作为介质，遥远星星发出的光却仍然能够到达地球。基于根深蒂固的力学思想，人们认为必然存在某种介质在太空中承载光的传播，这一介质被称为以太（Ether）。

若是认为光的传播和声音类似，则我们需要回答两个问题。当飞机或者抛体在空气中运动时，由于空气的摩擦，它们受到了一定的阻力，其中一部分空气也黏着于物体上被拖拽而随之运动。那么这两个问题是：能否通过以太来探测物体的运动，比如地球绕着太阳的运动？以太会不会像空气一样，阻碍其中物体的运动？是否也会有拖拽作用？

回答以上的问题需要研究光在以太中传播的性质，因为只有通过光的传播才能证明以太的存在。假如光的传播就像池塘平静的水面上的一串涟漪，那么光波的速度相对于以太是恒定的。然而观察者所观察的光线传播速度可能会大于或小于光线本身在以太中的传播速度，这取决于观察者是向着光源运动还是远离光源运动。因此，若是以太和地球之间没有粘滞作用，地球在绕太阳公转的时候也不会影响保持静止的以太，那么地球相对于以太的速度就可以通过在地球上测量沿不同方向传播的光速来确定。