爱因斯坦的科学人文精神探析_周守仁

第5卷第3期2005年09月 江苏科技大学学报(社会科学版)JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology(SocialScienceEdition) Vol15No13Sep.2005 文章编号:1673-0453(2005)03-0001-07爱因斯坦的科学人文精神探析周守仁(四川省社会科学院,四川成都610041)摘 要:科学精神与人文精神在爱因斯坦身上结合得比较完美。爱因斯坦科学人文精神的核心内容是他的理性与非理性的自然整合,求真与求美的高度统一。关键词:爱因斯坦;科学人文精神;狭义相对论;广义相对论中图分类号:B49 文献标识码:A 在物理学领域做出划时代伟大贡献的阿尔伯特#爱因斯坦(AlbertEinstein,1879-1955)离开我们50年了,从EMY(即爱因斯坦奇迹年Einstein.sMiraculousYear)到WYP(即今年世界物理学年WorldYearofPhysics)也整整100年了。爱因斯坦光辉的一生始终是在崎岖的道路上不停地向科学顶峰奋力攀登的一生。他的科学人文精神是在难能可贵的科学创造中凝集成的思想情感精华,也是人类文明宝库中的璀璨明珠。笔者认为,在新世纪,我们应通过深入学习狭义相对论、广义相对论和爱因斯坦其他的科研成就以及他的思想言行,认真发掘、研究他的科学人文精神。爱因斯坦的科学人文精神是我们永世享用不尽的思想启示和理论珍品。一、爱因斯坦科学人文精神的核心内容爱因斯坦的科学人文精神有着极其丰富的内容,也包含十分复杂的脉络。笔者在这里对其核心内容的阐述,也只是个人的一些粗浅体会。(一)理性与非理性的自然整合爱因斯坦崇尚自然界的统一性,信仰理性论。他认为,应该到数学的简单性中去寻求真理的唯一可靠源泉。他提出,/逻辑上简单的东西,当然不一定就是物理上真实的东西。但是,物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西0[1](P380),即物理真实在基础上具有统一性。自然界的统一性可以解读成自然规律的和谐性,而和谐性又显示出人类只能对其高超理性有微不足道的反映,也就是说,人类理性只是大自然高超理性的一个微小组成部分。具有人类理性的科学家们自然会仰视大自然的高超理性,并因其无比高超而感到/狂喜和惊奇0。如果不对大自然的理性实质产生依赖之情、崇敬之情、狂爱之情,那末/科学将退化为毫无生气的经验0[1](P525~526)。由此可见,爱因斯坦的理性观和非理性观是自然地整合在一起的。他曾谈到,对大自然高超理性的情感/是科学研究的最强有力,最高尚的动机0[1](P525~526)。人们很难在造诣较深的科学家中间找到一个没有这种情感的人。笔者觉得,爱因斯坦的自然理性与人类理性统一的观点、理性与非理性自然整合的观点是其科学人文精神中最为闪光的核心内容。这对那种把科学精神与人文精神割裂或对立的看法将是有力的一击。笔者认为,人类有创造性,大自然更有无止境的创造性;人类有理性,大自然更是理性的基础和来源,是所有高超理性存在和发展的最大母体。人类没有权力、也没有理由去声称理性只是人类思维的独有特征。当然,这要在对理性的本质给予恰切诠释的基础上才能顺理成章。我们可以沿着爱因斯坦的思考路线,根据前沿科学和前沿科学哲学所提供的启示,更进一步地阐析理性的实质。所谓理性,广收稿日期:2005-05-13作者简介:周守仁(1934-),男,吉林长春人,四川省社会科学院研究员、成都市自然辩证法研究会理事长,主要从事科技哲学研究。义地说即自然理性,是指物质自身内在的必然运动和内在的自随机运动以各种形式相互整合的过程和结果[2]所显示的可认识性与可理解性。笔者假定,即使是人类在其有限存在时期所无法认识、无法理解的大自然的那些隐藏的奥秘,仍然可能具有可认识性与可理解性。这就是以自然的可认识性、可理解性来界定自然理性。至于非理性,是不能与自然理性对等的。我们说理性与非理性要辩证地统一,这只是对人类而言。正如我们没有权力、没有理由独占理性一样,我们也没有权力、没有理由把非理性强加给自然界。换句话说,情感是因自然理性而崇高、壮美和炽烈,但自然理性却不会因情感而高下、消长和盛衰。所以,把非理性过分夸大将导致人们对自己情绪依赖的绝对崇拜。爱因斯坦的科学理性光芒四射,非理性情韵也丰厚华美,其理性与非理性的自然整合更创造了科学奇迹。爱因斯坦曾明确宣称,/我信任直觉0[3](P70),/我相信直觉和灵感0[1](P284)。我们可以把他的这种自信看做是对其直觉和灵感存在与力量的确信,而不是对这二者必有成功把握的确信。因为任何人的直觉和灵感都不可能是每试不爽的。笔者把直觉、灵感做了如下理解:所谓直觉,就是人的理性揣度与非理性(情感、意欲、偏好等)投射在极短时间内高度浓缩整合形成的对某事物特定印象的直观过程。所谓灵感,就是思考网络中突然生成的高幅智力结点,它呈现出富有创造性冲动的智力跃进[2]。这样,就可以把直觉、灵感看成是理性与非理性的特殊的自然整合。爱因斯坦具有非凡的专家型的直觉和灵感。可举一例说明。1906年,5物理学纪事6杂志上发表了德国物理学家考夫曼关于他的实验测量结果5与洛伦兹-爱因斯坦的基本假说不相符6的论文。这对刚刚问世的狭义相对论无疑是个挑战。爱因斯坦当时虽然承认考夫曼提供的事实,但并不想放弃自己的假说,因为他的直觉告诉他,自己经过10年沉思而得出的结论是和谐的,符合世界的统一性。又经过了10年,法国物理学家居耶和拉旺希揭示了考夫曼的实验装置是有毛病的。于是,有人因此而称赞年轻的爱因斯坦对科学真理有/极强的直觉0[4](P99~100)。爱因斯坦的直觉和灵感是他在科学探索道路上不懈努力培育的。我们无法学习到他的天才直觉和灵感,但每个人都在不同程度、不同形式上有自己的直觉和灵感,这可以通过自身长期的科研实践或其他工作实践加以培育。当然,要切记,尽管直觉和灵感是创新思维的主要形式,但它的结果必须经过尔后的科研实践加以验证。(二)求真与求美高度统一的探索动因爱因斯坦的科学人文精神具有辩证的完整性特性,这主要表现在求真与求美高度统一的探索动因上。他的探索动因显示了真与美结合的魅力,而这种结合魅力在相对论理论中至少由基本假定的对称性、公式表述的简洁性和关系组合的奇异性等三个方面构成。1.相对论中基本假定的对称性对称性是现代物理学理论中居于主导地位的一个重要的基本概念,同时它也是美学领域中标志事物美的一个基本特征。20世纪一位杰出的科学家H#魏尔(ClausHu-goHermannWeyl,1885-1955)认为,/制约着大自然的数学规律是自然界中的对称性的根源,而创造性艺术家心灵中对数学观念的直观的领会,则是艺术中的对称性的根源0[5](P88)。因此,就探索对称性而言,求真与求美的统一有其自然的、必然的基础。与拜伦、雪莱齐名的英国诗人济慈曾写道:/美就是真,真就是美,这是一切你知道的,这是一切你应该知道的0[6]。济慈的诗句至今仍有着深刻的启迪意义。对称性的基本含义是变换的不变性,扩而言之,是可变性中的稳定性,个性中的共性,相对性中的绝对性[5](P4)。均衡性、统一性、和谐性等都包含基本的对称性特征。在狭义相对论中,爱因斯坦提出两个基本假设。第一个是相对性原理,可表述为:一切物理定律在所有惯性系中,其形式保持不变。显然,这是一种在由一个惯性系到另一个惯性系的变换过程中仍使一切物理规律的形式保持不变的对称性。第二个是光速不变原理,可表述为:光在真空中总是以确定的速度传播,光速各向同性,光速同频率、同光源的运动状态无关,并且和观察者所处的惯性系无关。在这里,光速在真空中具有转动对称性以及上面几个/无关0所表明的变换不变性。在狭义相对论中,除了上面两个基本假设之外,还有一个具有对称性质的假设,这就是关于空间和时间均匀性的假设。这种均匀性假设告诉我们,所有在空间和时间中的点都是等价的,也即意味着对两个特定事件的空间间隔与时间间隔的测量结果与2江苏科技大学学报(社会科学版)2005年该间隔在参考系中何时、何处发生无关。在狭义相对论中,爱因斯坦主张,应以一种新的相对论动力学的对称性群来代替原来与牛顿经典力学相适应的伽利略群。这个群就是非齐次洛伦兹群(即彭加勒群)。它是一个有10个参数的李群,这个群的元素和惯性系之间存在着1)1对应关系[7](P339)。这些元素决定了从一个惯性系到另一个惯性系的坐标变换,它表明物理的动力学方程在彭加勒群下是不变的。由上述可知,狭义相对论基本假定中充满了丰富的对称性内容。下面分析一下广义相对论中基本假定的对称性。等效原理是广义相对论最重要的基本原理。爱因斯坦原来意义下的等效原理是指自由下落升降机的惯性力和引力互相抵消,即引力与惯性力实际上是等效的。当这种引力和惯性力(即参考系的加速运动)的等效性仅限于力学规律时,被称做弱等效原理。弱等效原理只是惯性质量与引力质量严格相等的一个推论。这里等效性是一种对应互换的不变性,即对应对称性。当进一步假定任何物理实验,包括力学的、电磁的和其它的实验都不可能判断观察者所在的参考系是引力场中的惯性系或不受引力的加速系(即不能区分引力或惯性力的效果)时,这就是一个更为深刻、更强的假设,它被称做强等效原理。可把强等效原理表述为:在任何引力场中任一时空点,人们总能建立一个自由下落的局域参考系,使得在所讨论的那一点附近的充分小的邻域内,这一参考系中狭义相对论所确立的物理规律全部有效[8](P75)。人们由此把狭义相对论所确立的物理规律全部有效的参考系定义为惯性系,它是没有引力存在的参考系(原来认为惯性系是自身没有加速度的参考系,这是无法确切定义的,因为在自然界中找不到第一个最基本的无加速参考系。而在此处,引力场不能在局部惯性坐标系里产生任何效应,故认为惯性系是没有引力存在的参考系)。这个惯性系是至少局域地能实现的参考系,即在引力场中自由运动的参考系。另一方面,全空间的引力场是不均匀的,因此无法找到一个参考系使它的惯性力处处与引力抵消。所以,在不均匀引力场中自由下落的参考系中,只有一点上的惯性力与引力完全相消[9](P46~47)。这样看来,等效原理只在无限小区域有效。于是,上面提到的具有对应对称性的等效性,也只是在无限小区域内的对称性。基于等效原理的广义协变原理是爱因斯坦提出的,所有物理定律在所有时空坐标系(不仅在惯性系)中都呈现相同形式的原理性要求。广义协变原理表明,所有物理定律(方程)在一般坐标变换xyxc下保持自己的形式不变。但是,广义协变本身并没有物理内容,它只有通过等效原理才能获得物理意义。广义协变原理并不像伽利略原理或狭义相对性原理那样是一个不变性原理,而是关于引力效应的一个表述,即一个物理方程。如果在没有引力时是正确的,那么由于它的广义协变,在有引力场时也是正确的。更详细地讲,如果我们使一个物理方程广义协变,就会加入新的成分,即度规张量和仿射联络。但我们并不要求这些量最后消失掉,因而我们并不对原来的方程施加任何限制,相反,我们反而利用度规张量和仿射联络的出现代表引力场[8](P103)。因此,基于等效原理的广义协变原理通过一定的数学计算(张量计算)表现出广义相对论的广义对称性特征)))动力学对称性特征,而不是像洛伦兹变换那种时空间隔对称性。这种动力学对称性采取一个不变性原理的形式,但它的实际内容局限于对一特定点的场的相互作用加上一个限制。与其类似的还有制约电磁场相互作用的局部规范不变性,制约P介子场相互作用的手征对称性[8](P103。广义协变原理只能用在比引力中典型的空~时距离小得多的尺度上,因为只有在这样的小尺度里,我们才能够保证根据等效原理构造一个没有引力效应的坐标系[8](P104)。2.相对论中公式表述的简洁性在这里涉及的简洁性是指数学美的特征,也可以说是逻辑概括简洁性在数学上的一种体现。爱因斯坦所主张的逻辑简单性原则是对理论体系内在结构的一种要求。这种简单性主要是指理论体系所包含的彼此独立的假设或公理最少。笔者觉得,应该把简单性原则的内容再扩充一下使其更为丰富,那就是对公式表述的逻辑概括简洁性要求。笔者把这种要求归纳为以下几个方面:第一,基本性要求。理论物理学家在其探索研究中所遇到的一个最基本的东西就是事件,每一事件是由四个数规定的,其中三个坐标是确定事件在空间的位置的,另一个则是事件发生的时间。所有可能的事件的流形是一个四维连续统,对此,称其为时空。每一事件对应于时空中的一个点,粒子的轨迹乃是沿着时空中的某一条曲线排布的一个事件序列,人们把这样的曲线叫做世界线[10](P250)。3第3期 周守仁:爱因斯坦的科学人文精神探析