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吳以義：科學何以成為科學：愛因斯坦品讀牛頓

點擊：  作者：吳以義    來源：《科學春秋》  發布時間:2016-11-17 20:36:59

 

  

?左：牛頓（Isaac Newton），右：愛因斯坦（Albert Einstein）

 

    【導言】終其一生，愛因斯坦一直注視著牛頓。這是一種精神上的繼承，一種哲學的沉思。愛氏想要問的，是什么最終讓科學變成了科學。作為人類對自然的世代相襲的叩問，破舊立新是科學的發展最顯著的特色；而愛氏要問的卻是，什么是這一發展過程中貫穿始終卓然不變的要素，而正是這些要素，定義了科學，并且成為構造現代文明的一個不可或缺的方面。

 

       下文是吳以義先生為所著牛頓傳2013年再版寫的前言。從事具體科學研究的人，對科學發展感興趣的人，都可以由此產生更深入的哲理性的思考。

 

 

?新版封面。來源：復旦大學出版社

 

      科學當然不是一蹴而就地出現在歷史上的。究竟什么時候科學成為科學，說實在的無法也不必作排他性的認定。本書說科學自牛頓起成為科學，意在強調科學的幾項基本特征至此充分展現；其中比較有意思的有三：作為對象的自然界，理性的權威地位，以及對科學的探索本質的認識。而對此的討論，對牛頓的評價，則當以來自“一個在科學上同牛頓相匹敵的人”為上選。[1]愛因斯坦對牛頓贊譽有加，惺惺相惜，自然值得特別的留意，而其論述也常在這三個方面。讓我們做稍微細致些的考察。

 

      科學把我們的感官所反映的自然界確立為自己的研究對象，這一觀念由來已久。亞里士多德[2]就明確地說，“既然我們是在尋求感覺物體的本原，既然感覺是可觸的意思，而可觸又是感官觸及的東西，”研究的對象就是這些東西。所謂研究這些東西，就是要揭發它們之間的因果聯系。他后來又說：“顯然，我們應須求取原因的知識，因為我們只能在認明一事物的基本原因后才能說知道了這事物。…… 從這些事實說來，我們將謂萬物的唯一原因就只是物質，……” [3]愛因斯坦強調說，“牛頓的概念體系中邏輯上的完備性就在于：一個體系中各個物體的加速度的唯一原因就是這些物體本身。” [4]

 

      但是，嚴格界定科學研究的對象，把除了感官所提供的經驗事實以外的一切全部摒棄在科學之外，并沒有把牛頓的研究局限在一種狹小的視野之中。近150年在科學和技術高度發達的同時，對自然的研究也日益專門化。科學家看見的，是他所專注的一個或幾個極其專門的問題，而且常常是和現實經濟或政治利益緊密相關的問題，這和牛頓的時代很不一樣。牛頓面對的，始終是整個自然。從星辰的運動到潮汐，從原子的吸引到丹藥，從光的本質到視覺，牛頓的研究在愛因斯坦眼里，是和自然的直接的無障礙的溝通：[5]

 

      對于他，自然界是一本打開的書，一本他讀起來毫不費力的書。他用來使經驗材料變得有秩序的概念，仿佛是從經驗本身，從他那些像擺弄玩具似的而又親切地加以詳盡描述的美麗的實驗中，自動地涌溢出來一樣。 他把實驗家、理論家、工匠和講解能手兼于一身。

 

      對于愛因斯坦來說，科學所面對的就是這樣的作為一體的自然：[6]

 

      我想知道上帝是怎么創造世界的。我對這一或那一個現象無甚興趣，對這一或那一種元素的光譜無甚興趣，我想要知道的是上帝的想法，余皆細枝末節。

 

 

?愛因斯坦、牛頓的漫畫。來源：中國科學院物理研究所

 

      當牛頓和愛因斯坦面對整個自然時，他們當然不是只注視一個或幾個孤立的現象或客體，科學所要求的，不是對現象或客體的孤立的描述，不是感官所提供的直接感受，而是對存在于現象之間的因果關系的確認。因果關系是科學地理解自然的本質特征，也是科學所孜孜追求的終極目標。愛因斯坦認為，正是牛頓，最終完成了亞里士多德的這一要求：“我們必須明白，在牛頓以前，并沒有一個關于物理因果性的完整體系，能夠表示經驗世界的任何深刻特征。”“在牛頓以前，還沒有什么實際的結果來支持那種認為物理因果關系有完整鏈條的信念。” [7]愛因斯坦簡要地歸納了牛頓建立這種因果關系的工作：[8]

 

      牛頓設想，作用在一個物體上的力是由一切離該物體足夠近的物體的位置所決定的，這種思想無疑是受了行星運動定律的啟發。只有在這種觀念建立起來以后，才能得到關于運動的完整的因果概念。大家都知道，牛頓怎樣從開普勒的行星運動定律出發解決了引力問題，并且由此發現了作用在星球上的推動力和引力在本質上是相同的。…… 以這里所簡要說明的基礎為根據，牛頓成功地解釋了行星、衛星和彗星的運動，直至其最微末的細節，同樣也解釋了潮汐和地球的進動，—— 這是無比輝煌的演繹成就。

 

      他后來又補充說，[9]科學家卻一心一意相信普遍的因果關系。在他看來，未來同過去一樣，它的每一個細節都是必然的和確定的。

 

      進一步，愛因斯坦認為，從紛繁的現象中整理出因果規律，“不能單從經驗中得出，而只能從理智的發明同觀察到的事實兩者的比較中得出。”[10] 這就是理性的作用。正是理性，這種人類獨有的分析能力，可以對自然材料加工，可以揭示自然現象的聯系。這一人類特有的智力活動，就是科學。而這一活動的實現，有賴于兩個基本的假定：一是自然界的規律確實是存在的，自然變化確為因果律所統帥；二是這種規律是可以認識的，自然現象對于人來說，或多或少，或遲或早，在本質上是可以理解的。

 

      這是自然科學之所以可能的先驗的認識論基礎。愛因斯坦認為，這是唯一的不可理解的命題：[11]

 

      借助于思維，我們的全部感覺經驗就能夠整理出秩序來，這是一個使我們嘆服的事實，但卻是一個我們永遠無法理解的事實。可以說，“世界的永久秘密就在于它的可理解性。”要是沒有這種可理解性，關于實在的外部世界的假設就會是毫無意義的，……

 

      所以，在這個意義上，愛因斯坦把這種對可理解性的先驗的信心比作一種宗教：[12]

 

      你很難在造詣較深的科學家中間找到一個沒有自己宗教感情的人。但是這種宗教感情同普通人的不一樣。 …… 他的宗教感情所采取的形式是對自然規律的和諧所感到的狂喜和驚奇，因為這種和諧顯示出這樣一種高超的理性，同它相比，人類一切有系統的思想和行動都只是它的一種微不足道的反映。

 

      愛氏回憶說，在十二歲的時候他第一次讀到歐氏幾何關于三角形三條高交于一點的證明。“它們本身雖然并不是顯而易見的，但是可以很可靠地加以證明，以致任何懷疑似乎都不可能。這種明晰性和可靠性給我造成了一種難以形容的印象。” [13]他以后的工作就是建立在這樣一種對理性的“宗教感情”之上：[14]

相信世界是一個有秩序的和可認識的實體，這是一切科學工作的基礎，也是一種宗教情感。我的宗教感情就是對這種秩序的謙恭的贊賞，這一秩序在現實的一鱗半爪中顯現，而這一小塊現實和我們微不足道的理性正旗鼓相當。[15]

 

 

?少年時期的愛因斯坦。來源：faculty.randolphcollege.edu

 

      所以，求得自然現象的因果解釋，是科學的終極目的，而在這一追求中，理性貫穿始終。愛因斯坦對牛頓及其工作所懷有的，正是這種“謙恭的贊賞”：[16]

想起他就要想起他的工作。…… 牛頓第一個成功地找到了一個可以用公式清楚表達的基礎；從這個基礎出發，他能用數學的思維，邏輯地、定量地演繹出范圍很廣的現象，并且能同經驗相符合。……由此，目標就達到了，天體力學這門科學也就誕生了，這門科學已無數次地為牛頓自己和他以后的人所證實。

 

      在愛因斯坦看來，理論為實踐所證實，是理性發展的必然。如果理性不能把我們引向正確的結果，那倒是理性所不能理解的了：[17]

 

      科學……鼓勵人們根據因果關系來思考和觀察事物。在一切比較高級的科學工作的背后，必定有一種關于世界的合理性或者可理解性的信念，這有點像宗教的感情。同深摯的感情結合在一起的，是對經驗世界顯示出來的深邃的理性的堅定信仰，這就是我的上帝。

 

      至此我們談到了自然界，以及人對自然的認識。既然這種認識本質上是自然現象之間的關系，而不是單一和孤立的現象，理性所追求的這種因果關系當然就不能為感官所直接把握，就必須通過人特有的智力活動認識；這種活動為理性所指導，為理性所貫穿。而在理性的帶領下對因果關系的認識，基于一種對自然和自然規律的敬畏和對人的認識能力的信心，常表現為一種從不知到知，從知之甚少到較多的過程。這一過程為科學的成果所標志，但是這一進程的本質卻并非這些成果而是它們的不斷更新。開普勒在討論行星運動時曾用 being 和 becoming來強調靜止的狀態和變化的過程，在這兒或可以作一不恰當的附注。 [18]如果留意科學的本質是這樣一種過程，我們就不會為牛頓學術生涯中的表觀不一致而困惑，事實上，他在天文學上的和煉金術和年代學方面的工作同樣都是理解自然的努力。

 

      由此可見，科學活動必然是一種探索。這種不斷完善的過程的起點，常在對于理論的弱點和不足的深刻認識。科學理論從來不是自我封閉的。在理論成功的同時，認識到其中的弱點，恰恰為理性的下一步的追求指明方向，這就使得科學成為一種連續的，指向明確的，世代相襲的社會活動。愛因斯坦認為，牛頓理論的弱點在于絕對時空的概念，這一概念是虛幻的；[19] 在于假定力的超距作用，這一假定和我們日常生活的經驗不合；還在于認定引力質量和慣性質量相等，牛頓對此沒有作任何物理的解釋，而《原理》定義質量的妙處恰恰在于其可操作性。不難看出，愛因斯坦所注意的，正是相對論的出發點，正是他所力圖解決的問題。理論就是這樣成長。作為牛頓事業的直接繼承人，愛因斯坦比任何人都更加親切地感受到牛頓的偉大：[20]

 

      牛頓的基本原理從邏輯的觀點看來是如此完善，以至于檢驗這些原理的動力只能來自經驗事實的要求。…… 我必須強調指出，牛頓自己比他以后許多博學的科學家都更明白他的思想結構中固有的弱點。這一事實時常引起我對他的深摯的敬意，……

 

 

?牛頓所著《自然哲學的數學原理》封面

 

      值得留意的是，愛氏的敬意來自牛頓對自身理論的弱點的認識和思考。牛頓關于以太的考慮，在愛因斯坦看來，這才是一種“挑戰”：[21]

 

      去了解牛頓想的什么，以及他為什么要干某些事，那是最重要的。…… 比如，牛頓是怎樣并且為什么提出他的以太概念的？盡管牛頓的引力理論得到了成功，他對引力概念還是不滿意。…… 牛頓所最強烈反對的是一種能夠自己在空虛空間中傳遞的力的概念。牛頓希望用以太來把超距作用歸結為接觸力。…… 這里有一個牛頓思想過程的最有趣的說法 ……

 

      因此，盡管牛頓的以太概念后來被證明不成功，但是，如果注意到科學發展的本質模式是探索，我們就不會在個別成果、個別概念上糾纏：[22]

 

      本來理智每一活動的目標，就是要把奇跡轉變為理智所已掌握的東西。如果在這種情況下，奇跡確實可以轉變，那么我們對牛頓的才智，就只會更加欽佩。

 

      惺惺相惜。在愛因斯坦看來，正是牛頓，規范了“西方的思想。”牛頓所樹立的，是以后科學研究乃至一切學術研究的“規矩”和“典范”：[23]

 

      我們覺得有必要在這樣的時刻來紀念這位杰出的天才，在他以前和以后，還沒有人能像他那樣地決定西方的思想、研究和實踐的方向。他不僅作為某些關鍵性方法的發明者來說是杰出的，而且在善于運用他那時的經驗材料上也是獨特的，同時還對數學和物理學的詳細的證明方法有驚人的創造才能。由于這些理由，他應當受到我們的最誠摯的尊敬。

 

      不須解釋，如果以科學的最終目標即自然界中的因果關系，科學的最高原則即理性的批判精神，以及科學的發展形態即嘗試和實驗的探索模式來衡量，牛頓的工作確實標志了一個時代。在牛頓誕生將近三百年的時候，愛因斯坦再次提到牛頓，深沉的眷戀溢于言表：[24]

 

      牛頓的時代早已被淡忘了，他那一代人的充滿疑慮的努力和痛苦已經從我們的記憶中漸漸消失；只有少數幾個偉大的思想家和藝術家的作品留了下來，給我們和我們的后代以歡愉和高尚。

 

      但是，這種“歡愉和高尚”并不會自發自動地向受眾轉移。愛因斯坦八十年前的擔憂，現在聽起來竟像是近乎先知式的警告了：[25]

 

      我所以要說這些話，是因為在我們這個時代里，為知識而尊重知識的精神，已不再像文藝復興時代的那幾個世紀時那樣的強烈了。

 

      的確，科學革命時代上承文藝復興的余緒，下開啟蒙運動的先河。文藝復興的一個標志是人的興趣極大地轉向自然。在此之前，人們為了追尋上帝而訴諸自然，自然對于人而言，是上帝智慧的展示。當牛頓的工作為世人所知曉，科學革命臻于完成的時候，情形丕變，人們為了追尋自然而訴諸上帝。在長達一個半世紀的探索中，上帝退居原動者和最后因，而理性作為這一探索的主線，始終貫穿。當理性成為人類活動的最初動因和最后判定者時，科學就成為了科學。

 

      作者簡介：

 

 

      吳以義：華東師范大學哲學碩士（1981年），師從張瑞琨先生，最初偏重于量子力學史。1984年起師從普林斯頓大學Charles Gillispie教授，1989年完成博士學位。隨即在賓夕法尼亞大學科學史和科學社會學系任席文先生博士后研究助理。之后在紐約市立大學，China Institute，復旦大學等處教書。

 

      注釋：

 

      1、 I.B. Cohen 語，見“An Interview with Einstein,”Scientific American, 193 (1955) 71, 中譯見許良英等譯，《愛因斯坦文集》，第一卷（下文引語均在第一卷，不另出注），北京：商務，1977，623頁。

      2、參見《論生成和消滅》，329b7-8，徐開來譯，苗力田主編《全集》，北京：中國人民大學出版社，1991，第1卷，441頁。

       3、《形而上學》, 983a25-26,吳壽彭譯, 北京: 商務, 2009, 7頁。

       4、“牛頓力學及其對理論物理學發展的影響，”原文在 Naturwissenschaften,15 (1927) 273-6, 中譯見上引《文集》222頁，下一段引文中224-5頁。

      5、 “牛頓的《光學》序，”上引《文集》287頁。

      6、轉引自 Silvio Bergia, “Einstein and the birth of special relativity,” in Einstein: A Centenary Volume, A.P. French ed., Cambridge: Harvard University Press, 1979, p.67.

       7、愛因斯坦，上引《文集》，222頁。

       8、同上，224-5頁。

       9、“科學的宗教精神，” 上引《文集》，283頁。

       10、“約翰內斯開普勒,” 上引《文集》，276頁。

      11、 “物理學和實在，” 上引《文集》，343頁。

       12、 “科學的宗教精神，”上引《文集》，283頁。

       13、 “自述，” 上引《文集》，4頁。

       14、 “論科學，”Cosmic religion : with other opinions and aphorisms, New York: Covici-Friede, 1931, p.98, 中譯參見上引《文集》，284頁，譯文有改動。

      15、這兒“現實的一鱗半爪”原文是 a small patch of reality, “微不足道的理性”原文是 feeble intelligence. 因為這是一段箴言，很難從上下文再作推敲，譯文也不易傳神。案愛氏此處的意思，蓋在強調人類認識之于宇宙的渺小。和這段文字約略同時，愛氏還在另外一個場合談到過類似的主題，見 Forum and Century, 84 (1930) 194: 我自己只滿足于生命永恒的神秘，滿足于察覺現存世界的神奇的結構，窺見它的一鱗半爪，并且以誠摯努力去領悟在自然界中顯示出來的那個理性的一部分，即使只是其極小的一部分，我也就心滿意足了。中譯參見《紀念愛因斯坦譯文集》， 趙中立等譯， 上海：上海科技， 1979， 50 頁。兩處對照閱讀，或較容易理解愛氏原意。

       16、 “愛薩克牛頓,” The Manchester Guardian, Dec. 25, 1942, 中譯見上引《文集》，401-4頁。

       17、 “關于科學的真理，” 上引《文集》，244頁。譯文稍有改動。

      18、開普勒原話是說光在行星和太陽之間的作用，這兒戲用其意，故云“不恰當，”但古人（《左襄二十八》）也有“賦詩斷章，余取所求”之說，此或不為太過。原文見氏著 Astronomia nova, tran. William Donahue, Cambridge: Cambridge University Press, 1992, p.382.

      19、愛因斯坦的傳記作者，普林斯頓高等研究院教授 A.Pais對“虛幻的”一詞作下列注釋：重要的是要留意愛因斯坦用“虛幻的”一詞指人的心靈的自由發明, 見 Reviews of Modern Physics, 51(1979) 907.

      20、“牛頓力學及其對理論物理學發展的影響，” 上引《文集》，226頁。

       21、“同科恩的談話，”原文在 Scientific American, 193 (1955) 68-73, 上引《文集》有節譯，引文在622-3頁。

      22、上引《文集》，402頁。

      23、上引《文集》，222頁。譯文稍有改動。

      24、 “牛頓《光學》序，” 上引《文集》，287頁。譯文稍有改動。

      25、上引《文集》，404頁。譯文稍有改動。