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理論物理學的原理普魯士科學院就職演講

本文首次發表於《普魯士皇家科學院會議報告》(Sitzungsberichte der Koniglich Preusischen Akademie der Wissenschaften),1914年,第二部,739~742頁。

非常尊敬的各位同事:

首先,我必須由衷地感謝你們給我提供了一個像我這類人所能得到的最大幫助。你們通過推選我進入你們的科學院,使我能夠全身心地投身於科學研究,不再煩心和擔憂實際的職業生活。即使當我的努力沒有達到你們的高度期許時,也懇請你們繼續相信我的感激之情和我的勤奮。

請允許我對我的工作領域,也就是理論物理學對於實驗物理學的關係做一些一般性的評論。前幾天我的一位數學家朋友半開玩笑地對我說:「數學家能做許多事情,但肯定不是人們此刻想讓他做的事情。」當實驗物理學家找理論物理學家徵求建議時,通常會遇到非常相似的情形。究竟是什麼原因導致這種適應力尤為欠缺呢?

理論家的方法涉及使用作為基礎的普遍前提,即所謂的「原理」,從中可以推斷出結論。於是,他的活動分為兩部分:首先,他必須發現原理;其次,他要從這些原理中推出結論。對於第二項任務,他在學校已經受到了極好的訓練。因此,如果他的任務中的第一項已經在某個領域或者在一個復合的相關現象中得以解決,那麼只要他足夠勤奮和聰穎,就一定會成功。可是這些任務的第一項,即確立原理,用它來充當演繹的基礎,卻有著完全不同的性質。這裡並沒有可以學習和系統應用的方法以便達到目標。研究人員必須在錯綜複雜的經驗事實中察覺到能用精密的公式來表示的普遍特徵,借此探索自然的普遍原理。

一旦成功地形成這種表述,結論便一個接著一個出現,它們經常揭示出意想不到的關係,遠遠超出了得出這些原理的實在的範圍。但是,如果這些用來作為演繹出發點的原理沒有得出,那麼個別的經驗事實對於理論家而言則是毫無用處的;事實上,如果僅僅依靠從個別經驗中確立的一般規律,他什麼都做不了。相反,在他揭示出這些作為演繹推理基礎的原理之前,面對經驗研究的個別結果,他仍舊處於無助狀態。

目前低溫下的熱輻射和分子運動定律學說就處於這種地位。大約在15年前,沒有人懷疑,只要把伽利略—牛頓力學應用到分子運動上,同時根據麥克斯韋的電磁場理論,就有可能正確描述物質的電、光和熱的屬性。之後普朗克發現,若要建立與經驗相吻合的熱輻射定律,必須使用一種與經典物理學不兼容的計算方法。通過這種計算方法,普朗克將所謂的量子假說引入物理學,之後被實驗完美地證實。當他將這種量子假說應用到質量足夠小、速度足夠低、加速度足夠大的物體上時,今天由伽利略和牛頓建立的運動定律只能被認為是極限定律。儘管理論家做了最艱苦的努力,但迄今為止未能推導出能夠取代力學原理,並滿足普朗克的熱輻射定律和量子假說的原理來。儘管毫無疑問,但我們必須承認,熱是由分子運動引起的。關於這種運動的基本定律,我們如今所處的地位類似於牛頓之前的天文學家關於行星運動所處的地位。

我剛剛涉及了一類事實,其理論處理缺少相應的原理。但可能發生另外一種情況,即用公式明確表示的原理所導出的結論完全或者幾乎完全處於目前我們經驗所能及的真實範圍之外。那樣的話就需要多年的實驗研究來確認這些理論原理是否與實在相符。在相對論中就有這樣的例子。

對時間和空間基本概念的分析讓我們明白,從運動物體的光學所得出的真空中光速不變原理,並沒有強迫我們承認靜態的光以太理論。相反,考慮到在地球上進行實驗絕不能揭示出任何相對於地球的平行運動,它卻有可能得出一個普遍理論。在這樣做時,使用了相對性原理。相對性原理指出:當人們從原來的(被認可的)坐標系轉向一個對它做勻速平移運動的新坐標系時,自然規律不改變它們的形式。這個理論已經從經驗中得到了相當多的證實,並使已經聯繫在一起的一類事實的理論表述得以簡化。

然而,從理論的觀點來看,這個理論並不能完全令人滿意,因為剛才所講的相對性原理偏愛勻速運動。從物理學的角度來看,不能賦予勻速運動絕對的意義,如果這是正確的,那麼問題就很明顯,這種陳述是否應該擴展到非勻速運動上去。事實證明,如果人們以這種擴展了的意義來使用相對性原理,那麼就可以對相對論進行非常明確的擴展。人們因此得出了包括動力學在內的廣義的引力理論。然而目前,我們還缺乏一系列事實材料,能夠用來檢驗我們提出的潛在的原理是否合理。

我們已經發現,歸納物理學向演繹物理學提出問題,演繹物理學也向歸納物理學提出了問題,而回答這些問題要求我們全力以赴。但願通過團結努力,能夠取得決定性的進展!