爱因斯坦是投机主义者吗？——从一篇论文看爱因斯坦对于光的思考

长歌－废墟

　　　　　爱因斯坦是投机主义者吗？　　　　　　　　　　
       　　　　　　　 ——从一篇论文看爱因斯坦对于光的思考
　　爱因斯坦在1905年连续发表了五篇令世界物理学界震惊的论文，可以说这五篇论文开创了现代物理学的新纪元。在这五篇论文中最引人注目的自然是创立了狭义相对论的《论动体的电动力学》与提出光量子假说的《关于光的产生与转化的一个启发性观点》。令人费解的是这两篇论文所依据的理论基础是完全不同，甚至是对立的：
　　《论动体的电动力学》可以看成是对Ｍaxwell电磁理论的一种改进与继承，其中关于光的观点是非常正统的波动论；《关于光的产生与转化的一个启发性观点》则基于1900年Planck提出的量子论，其中光的观点也更加的接近与波动论完全对立的Newton的粒子论。在这个结论的基础上，有相当多的人认为爱因斯坦至少在哲学上是个投机主义者，为了获得更多的线索不断的改变自己在物理和哲学上的观点。而爱因斯坦作为早期量子论的重要奠基者之一，在量子力学建立以后又强烈的反对量子力学的“正统”诠释更加的加重了他是投机分子的可能性；更加糟糕的是爱因斯坦本人很少将相对论和量子论联系起来，在他的论文中要么只讲相对论，要么只讲量子论，而将两者联系起来的论文少之又少，使得他在物理学和哲学上投机的嫌疑进一步加深。作者原本也倾向于之一观点，但是读过爱因斯坦一篇少有的将相对论和量子论相联系的论文以后，完全改变了原本的观点：爱因斯坦在光的本性这个问题上绝对不是投机分子，他在1905年同时发表相对论与量子论的论文是符合逻辑的结果，是他对光的本性这个问题上思考的正常延伸。
　　爱因斯坦于1909年9月21日在萨尔茨堡德国自然研究者与医生协会第81次会议上做了题为《论我们关于辐射的本性和组成观点的发展》（《爱因斯坦全集》（第二卷）湖南科学技术出版社，2002年12月第一版）的报告，正是这一报告中爱因斯坦少有的既讲了相对论的创立基础又对量子论的创立进行了充分分析。下面作者将试图对这一报告进行归纳和分析以找出其中爱因斯坦关于光的本性问题的内在逻辑性：
第一部分：总体论述关于光的本性理论所面临的困难
　　在报告的一开始爱因斯坦对光的本性到那时为止所面临的困难做了一个概括：一方面，光的衍射和干涉现象表明光可以作为一种波动，而光在真空中的传播需要一种传播的介质，因此，物理学家提出一种光以太作为光的传播介质；另一方面，一大类关于辐射的事实（主要是光电效应，黑体辐射等）说明光的某些基本属性用Newton的发射论（其实就是粒子说）更为简单。因此爱因斯坦认为：“理论物理学发展的随后一个阶段，将给我们带来这样一种光学理论，它可以认为是光的波动论和发射论的某种融合。”
第二部分：阐述相对论建立的基础以及相对论在光的本性问题上的观点
　　在阐述相对论基础之前，爱因斯坦首先简要的说明了作为光的主流理论的Ｍaxwell电磁理论的主要成就：第一，引入以太和物质的电磁状态也就是以太各部分的形变和速度来代替原本用来解释光的力学力学量［１］。第二，电磁理论的建立，大大简化了理论光学的基础，减少了理论中的随意性假说。
　　随后爱因斯坦重点说明了Maxwell理论还存在的主要问题：光在这个理论中被设想为一种介质也就是以太的状态总合，由此引出了一个问题：以太这一种介质是否同物质一起运动。为了检验这个问题，Fizeau设计一个水拖拽光的实验，实验的结果表明光以太是部分随着物质运动的；但是另一些实验表明光在空间的分布是各向同性的，因而以太是相对光学仪器静止的。进一步的，为了解释这一矛盾Lorenz提出了一个以静止以太为基础的理论，并在这个理论中解释了几乎所有的实验结果——除了Ｍichelson－Morley干涉实验——该实验与Lorenz理论的矛盾迫使Lorenz不得不提出一个特别的假说：一切物体，当它们相对于以太运动时，就会以一定方式改变形状。爱因斯坦认为为了解释实验而提出一个新的理论，而当新的实验与理论相矛盾的时候又提出一个特别的假说来解释这一矛盾，这显然是不能另人满意的，而相对论就是建立在这一矛盾的基础上。
　　首先，Michelson实验揭示了相对于任何没有加速运动的坐标系，一切现象都严格遵守同样的定律，也就是爱因斯坦所说的“相对性原理”。成功解释了很多实验的Lorenz理论要求以太相对于实验仪器静止，进一步，相对性原理要求如果以太相对于一个坐标系静止，那么对于另一个匀速运动的坐标系也必须静止——而这个显然是不能接受的。于是，爱因斯坦得出一个重要结论：人们必须抛弃以太假说才可能得到一个令人满意的理论，因而光没有了传播介质，从而光必须是一个真正独立的实体，如同Newton所认为的那样。　　
　　在接下来的报告中，爱因斯坦在这个结论的基础上，简要的阐述了建立相对论的主要思想，由于与本文关系不大，所以不多加介绍。在阐述了狭义相对论的主要思想以后，他重点提到了相对论的一个推论：“任何能量的吸收或者发射均引起被考察物体的质量的增加或者减少。”（E=mc[sup]2[/sup]）。这样相对论不把光理解为某个媒质状态的序列（经典波是没有质量的）并且和微粒说一样承认从发光体到吸收体之间存在着惯性质量的传递。换句话说，爱因斯坦认为相对论在光的传播形式这个问题上更接近微粒说而不是波动说，因而在这个基本点上相对论与光量子假说是一致的。
　　紧接着，爱因斯坦通过考虑光的结构，特别是光在空间中的能量分布的问题（在这一点上相对论完全与经典理论一致而没有做任何改变）转向了量子论部分。
第三部分：光量子理论建立的基础与由此得出的结论
　　在这一部分爱因斯坦首先考虑了光的波动理论与光电效应之间存在的矛盾，并且通过对光电效应的分析得出辐射（也包括光）的基元过程看来是有方向性的。然后他基本上遵循着1900年Planck关于黑体辐射公式的原始论文的思路推导了Planck黑体辐射公式，并重点指出，在这一推导过程中必须用到E=hv这个假设，而这个假设正是光量子假说的起源。
　　接下来爱因斯坦提出，既然实验与该公式符合程度很好，那么不管推导它的基础看上去如何的荒谬，我们可以看看在这个公式基础上能够得到什么样的结论。爱因斯坦巧妙的通过考虑一个理想气体与辐射共存的空腔这个体系，指出为了使这个体系获得热平衡（现实实验该体系就是一个热平衡体系），那么辐射不能被看作是不随时间变化的，我们必须考虑辐射的涨落。爱因斯坦在Planck公式的基础上推导了涨落公式。该公式分成两项，他指出波动理论只能解释其中的一项，而第二项必须用光量子假说来解释（直观的说该项具有Planck常数h，而这是经典波动理论所不可能具有的，也无法解释的。）因此，这表明无论是波动理论必须和光量子假说结合才能解释光的结构问题。
第四部分：结论
　　爱因斯坦由此认为在当时最自然的观点是：“光的电磁场的出现总是同奇点相联系，每一个这样的奇点都被一个力场围绕着，这种力场在本质上具有平面波的特性……，最终，根据Planck公式，波动结构和量子结构都应当适合辐射，而不应当被认为是彼此不相融的。”
　　通过对这篇论文的归纳，只要简单分析一下，我们就能够发现，使用Maxwell理论为基础建立狭义相对论和采用量子假说建立量子论对爱因斯坦来说是一件事情的两面，是非常自然的事情：相对论的建立是抛弃的光以太假说，使得光不存在传播介质，而相对论发现的能量与质量等价性原理进一步证实了光存在质量；因此，相对论就是确认了光必须是一种与普通物质一样的实体，而不是一种传播介质在空间和时间上的状态的表现，这是与光量子假说在根本上的一致而与经典波动理论有着本质的不同。另一方面，相对论没有对光的结构问题提出任何的线索而光量子假说正是关于光的结构问题的理论。也即是：
　　　　　　相对论→光的物质性
　　　　量子假说→光的物质结构　　
　　进一步的分析我们很容易理解，为什么爱因斯坦会强烈反对量子力学的哥本哈根诠释：在爱因斯坦的设想中，与奇点相联系的是一种具有波的性质的实在的力场也就是说即使是波也是一种真实的有动量、能量的物质，只不过是具有某些波的特性而已，绝不是后来哥本哈根所认为的一种数学上的，不具有真实物质性的“概率波”。这一点正是哥本哈根诠释与爱因斯坦的观点的根本不同，虽然诸如A&#8226ais等物理学家认为量子力学正是爱因斯坦所认为的量子论与波动论的“融合”，但是我认为由于在波的问题上的根本不同，量子力学根本不是爱因斯坦所期盼的“融合”，或许也根本谈不上所谓的“融合”［２］，因此爱因斯坦对量子力学持根本的反对态度也就毫不奇怪了。
　　总之，无论是爱因斯坦前期同时赞成表面上基础互相对立的相对论与量子论，还是后期对量子力学强烈的反对，实际上都是爱因斯坦的以一致的逻辑思考的结果，是同一问题的两个方面。自然爱因斯坦也就谈不上在物理或者哲学上投机了。
　　以此文庆祝自己得到了《爱因斯坦全集》，也纪念我家的小狗——宝宝，在它陪伴我的十年里它给了我很多很多的快乐。
注［１］：出于对Newton力学巨大成就的钦佩，在很长时间内，物理学家习惯于将一切物理现象归结为Newton力学来解释，对Maxwell电磁理论也不例外。
注［２］：关于量子力学是否是波动论与量子论的“融合”，N•Bohr有着非常清晰的认识，他把自己的观点认为是“互补性”而不采用“融合”一类的词汇，想来也是有着自己的考虑。

aπολλωv

醉哥快现身加威

醉乡常客

我得先研读一阵

长歌－废墟

楼上两个别说废话，我都等你们一天了，就等你们的意见呢

icansee

不妨先说说，历史上有哪些科学家您认为像是投机主义者？

苏鲁支

愤青介入（停云兄请注意了）：
投机又怎么了？数理界，甚至整个学术界，不都是看哪个问题还没攻克又比较重大，然后选择攻克这个问题的么？这当然是投机。可见投机相当重要。譬如陈景润，譬如纳什，都是投机的好手。言下之意，拿投机这件事来非难爱因斯坦的人超级无聊，不仅无聊。而且不明事理。支持长歌兄为之正名（虽然觉得没必要花这么大力气），毕竟这个过程也有助于消化 。物理我完全不懂，只能说说这个，呵呵
再说说观点自相矛盾的问题。引用居友的话：最多矛盾的人，最有天才。了事～～

长歌－废墟

引用第4楼icansee于2007-07-10 14:11发表的 :
不妨先说说，历史上有哪些科学家您认为像是投机主义者？

我还真没想出来历史上哪个科学家像投机主义者,这篇文章甚至主要目的也不是为了"正名",就是手痒写好了以后发出来请大家提提意见主要目的就是苏兄说的,有助消化而已

hufucopy

关于光的本性的问题可以参考:

http://qmlab.bjut.edu.cn/qmbbs/T ... oardID=4&id=201

aπολλωv

爱因斯坦所在的是个科学大发现年代
作为科学神殿里的教皇
科学态度对于爱因斯坦是第一影响力
对于光的本性的两种理论都有严密的科学实验、理论支持
换句话说，那个时代科学家所拥有的科学视野的局限性，决定了爱因斯坦的选择必然陷入科学态度、身份地位的困境
而对于西方哲学所固有的传统，以及科学的哲学意义上的解读也深入意识之中的大师，爱因斯坦如此也在情理之中
爱因斯坦曾经对于自己引入的宇宙常数完全抛弃，放到今天却可能解决现代宇宙理论膨涨失控的问题，作为更高级更值得“投机”的理论上，爱因斯坦的选择却很实在

再说“投机”是一种利益取向的解读，不太适合放于科学大师上，爱因斯坦也没有投机的理由，如果真有投机的念头，爱因斯坦肯定会说：上帝也许可能掷骰子

  

aπολλωv

光既不是波又不是粒子。前面已经说过那个经过相互作用碰撞的亮点它才是光，它在瞬间并没有发生运动，又怎么能说光具有粒子性呢？不是光具有粒子性，而是光中透明性气体物质的微观粒子具有粒子性，所以光既不属于波又不属于粒子。所谓光的运动现象都是粒子运动，因为粒子是无所不在的，所以粒子在运动过程中必然要遇到其它粒子相互作用碰撞。所有的光的现象都是反映粒子碰撞时伴生的一种状态，目前对光的描述都是对粒子碰撞时状态的描述。

就像镜花水月一样，光是虚幻的它不单独存在，离开了作用的物体它什么都没有。但常常是经过光的照射或反射的影子的里面隐藏着大量的粒子，被人们忽视掉了没有引起足够的重视。它们属于真实性的又一种情况，本真和末真的真实性也是存在一系列过程的。自然中存在着的一切都是真实可靠的，没有假的或错误的。

光是各种不同形态物质在相互作用碰撞转化时的不同反映。所谓的光又是指亮，而没有把光里面的粒子当作物质性来对待，只是考虑折射率等，不是光线会弯曲。

感而遂通天下之故，诚无伪。影子不是虚幻的，即影中有物，如果认为是虚幻的，那么就说明还没有完全认识清楚。人们都承认光是一种物质，那么影子就是反映了光中物质存在的又一种状况。例如照片就是了底片感光，即接受光中物质进行不同程度和有区别的相互作用后时的反映结果。光令人眩目夺彩心醉神迷，又令人充满惑乱不解。幽明暗指光中粒子，只看见光的光明一面，其实光中的粒子是暗的看不见的。

各种有色颜色是由透明色转化成的，它也是一种物质形态而且是最基本的颜色。在宇宙中的星体具有各种不同形态或颜色中的物质，都是必须以通过基本的透明色的气体物质为基本状态来完成相互转化整个过程的。

hufu兄，这段看的有点唯物的唯心味道啊

长歌－废墟

引用第8楼aπολλωv于2007-07-11 21:27发表的 :
再说“投机”是一种利益取向的解读，不太适合放于科学大师上，爱因斯坦也没有投机的理由，如果真有投机的念头，爱因斯坦肯定会说：上帝也许可能掷骰子

hooker兄说的甚是，如果他真要投机，恐怕的确会说“上帝也许可能掷骰子”断不会在科学界大部分人已经接受了哥本哈根诠释的时候，还坚持“上帝不会掷骰子”。

cdscs

不知可不可以类推，既然投机已不是贬义词，投机主义是不是也可看成是中性的？即使投机主义是贬义，那么作者文章互相矛盾的观点，也不一定就表现为投机主义。
作者的观点会因时因地而变，这是很自然的，只有不是因高压或是不纯的动机（对爱而言，这个可能性不大），使其观点改变，作者观点的改变都不应视为投机主义，这种观点可能修正了以前的错误，当然也可能倒退。

醉乡常客

个人认为，自然科学的研究对象的复杂程度对于智力只发挥得出1/4左右的，本来就不怎么灵光的人来说，确实太过复杂了。

工程科学中，为解释而解释的现象非常常见。

在数学、物理这两个基础科学中，这种现象也不是太少。

科学研究与哲学信仰当然有一些联系，但这个相关性不会太大。科学上的观点发展、哲学上的观点转变，不宜与投机挂钩。

随着认识、思考、实验数据等的逐步丰富，科学家改变看法不是什么丢脸的事情，难道要视而不见、一根筋才是哲学上不投机？

长歌兄没有指出是哪些人说的“爱因斯坦至少在哲学上是个投机主义者”，当然，我这个哲学方面的智障人士肯定无力反驳，我只是提出我的看法。

“融合”一词很是妥贴。粒子和波本来就不是两根铁轨，而是Λ的两股，向上发展就要融合。爱因斯坦最后小半辈子不都是在设法融合一些东西吗？

resonance

大师也未必能把这个问题搞清楚，这是很正常的。
把一个科学家想象成用不出错是可笑的。

光的问题我们从来就没真正搞清楚过。

“不一定因为我们没搞懂我们就不发文章。我们要谨慎，免得新语丝来找你麻烦。但是也不应当束手束脚。文章该发还是得发。”

P.S.
就我的浅见，相对论和电动力学似乎不一定的要形成什么内在的关联吧
不过我的专业是在学的是不怎么样，高手多多指教

长歌－废墟

引用第13楼resonance于2007-07-17 23:38发表的 :
大师也未必能把这个问题搞清楚，这是很正常的。
把一个科学家想象成用不出错是可笑的。

光的问题我们从来就没真正搞清楚过。

.......

就我认为，电动力学与相对论的建立之间关系确实不是很大。相对论主要是由光的传播问题而引出来，当然宏观上光的问题当然是电动力学的范围，但两者的关系我也就是如此吧。更进一步，我认为相对论是一种“力学观”与“电磁观”的较量，换句话说，当年爱因斯坦面临的是相信Newton的力学观点（因而这种观点试图把所有东西解释为力学的——虽然这个观点不属于Newton本人）还是相信Maxwell的场观点（如果是这样，场本身是实体，自然也就不需要传播的介质），这其中值得注意的是，在电磁观极盛时期，人们试图把质量的起源归结于电磁能量，得出了Ｅ＝mc^2，虽然其中含义有点不一样，但确实是有趣的：）