爱因斯坦的科学贡献及其哲学意义

第 14卷第 3期 2005年 7月 � � 云南民族大学学报 (自然科学版 ) Jou rnal o f Yunnan Nationa lities Un iversity( Na tura l Sc iences Edition) Vo .l 14, No. 3 Ju.l 2005 爱因斯坦的科学贡献及其哲学意义* 祁映宏 (北京科技大学 科学技术与文明研究中心,中国 北京 100083) 摘 � 要 � 对爱因斯坦的生平,特别是爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利局期间的情况进行分析, 总结出至少有三个原因使爱因 斯坦能在科学探索过程中取得丰硕的成果.其次重点对爱因斯坦科学成就、科学方法等方面进行回顾和综述, 评述相对论及 其哲学意义, 指出相对论对于物理学的发展和现代人类思维逻辑方式都产生了重大而深远的影响. 关键词 � 爱因斯坦; 科学成就; 科学方法;哲学意义; 周年 【中图分类号】N09 【文献标识码】A 【文章编号】1672� 8513( 2005) 03- 0203- 04 E inste in� s Contribution in Science and its Ph ilosoph ica l S ignification Q IY ing�hong (R esearch Center for Science- Techno logy and C iv ilization, Un iversity of Sc ience and Techno logy Be ijing, Beijing 100083, Ch ina) Abstract: F irstly, w e briefly introduce E inste in� s life, espec ia lly h is years in the Sw iss Patent O ffice at Berne, and draw at least three factors accoun ting for E instein� s great achievements in sc ience. Second, rev iew and summarize h is sc ientific accomp lishment and methods, appra ise the theory of Re la tiv ity and its ph ilosoph ic sign ifi� cance, .i e. , its important and far- reaching influence to the progress o fmodern physics asw e ll as the methods o f hum an log ica l though.t Key words: E inste in; accomplishm ents; method; ph ilosoph ica l sign ificance; anniversary 1� 爱因斯坦生平简介 1879年 3月 14日, 爱因斯坦生于德国乌尔姆 一个犹太人家庭.小时候的爱因斯坦并没有表现出 过人的天赋,一直到 3岁才开始说话. �他是个爱幻 想的孩子, 不喜欢运动和游戏, 讲话很吃力. � [ 1 ]童 年是人生的重要阶段, 思想和许多品质在这个时期 萌发、形成. 爱因斯坦的家庭气氛是比较开明和自由 的,他童年就受到了科学和哲学的启蒙训练. [ 2 ] 12 岁时爱因斯坦对几何学非常痴迷, 几乎到了爱不释 手的地步,并很快读完了几何课本,并想办法用自己 的方法证明定理.特别是爱因斯坦对书里的定理证 明的清晰性、严谨性和可靠性产生了浓厚的兴趣,直 接播下了科学研究的种子, 决定了他一生科学思想 的基本方向. 由于阅读伯恩斯坦的《自然科学通俗 读本》等相关科学著作, 爱因斯坦慢慢开始反省宗 教的一些问题, 怀疑《圣经》告诉给人们的说法, 清 理自己在童年时的宗教信仰, 逐步形成了科学的世 界观和人生观. 他 13岁时, 曾经拜读康德的《纯粹 理性批判》,这一读书经历有助爱因斯坦思考宇宙、 哲学和自然现象中的逻辑问题.爱因斯坦还在 15岁 时开始 �追光�设想,把自己想象成一个追赶光线的 人, 这一奇思妙想对以后爱因斯坦提出狭义相对论 已经产生了重大而深远的影响. 15岁时, 由于对学 校的娱乐活动十分冷漠, 再加上对德国当时兵役制 度的反感,自己开出不适合兵役证明.他为自己准备 了 �因神经系统状况不佳 �休学证明, 学校则以其自 由主义思想令其退学,这样在毕业前一年他离开了 学校.他在辗转意大利和瑞士的高校入学考试中曾 因外语、生物等课的成绩不佳而落榜. 1896年, 爱因斯坦进入苏黎世联邦工业大学学 习. 从 1896年 10月到 1900年 8月,一直在该校物 203 * 收稿日期: 2004- 12- 16 作者简介: 祁映宏 ( 1962~ ) 男 (汉族 ),甘肃静宁人 ,副教授, 博士研究生,主要从事物理学史、冶金史和矿业史研究. 理和数学系学习。由于爱因斯坦熟悉讲授的内容, 他很少去听物理学和数学的主要课程, 而把注意力 用在攻读麦克斯韦、基尔霍夫、玻尔茨曼和赫兹的著 作上. 四年的大学生活,爱因斯坦形成了自己的世界 观,探讨了哲学认识论,掌握了批判的武器, 学习了 许多物理大师的著作, 对当时的物理学重大问题有 着清醒的认识和强烈的兴趣,并努力钻研了电动力 学、液体分子运动论等物理学前沿领域,为以后的科 学探索活动打下了坚实的基础. 1902年 6月,爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利局获 得了三级技术鉴定员的工作.这是他一生中最灿烂 辉煌的时期,于 1905年创造了科学奇迹.在伯尔尼 时至少有三个原因使爱因斯坦能在科学探索过程中 取得丰硕的成果.第一,虽然伯尔尼远离学术中心, 但安宁自由的生活和研究环境,使爱因斯坦在这里 从事没有先例的创造性的工作.第二,爱因斯坦在专 利局的工作对他的划时代的科学研究工作有很大的 促进使用. 他曾说过: �鉴定专利权的工作, 对于我 来说是一件幸事.它迫使你从物理学上多方面思考, 以便为鉴定提供依据. � [ 2 ]第三, 爱因斯坦的工作还 得益于和 �奥林匹亚科学院�其他成员的交流和讨 论,尤其得益于好友贝索的意见. 爱因斯坦曾说过, 在全欧洲也找不到比贝索更好的 �新思想的共振器 了 �.爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文结尾中 写道: �最后, 我要声明,在研究这些所讨论的问题 时,我曾得到我的朋友和同事贝索的热诚帮助,要感 谢他一些有价值的建议. � �此外, 实践性的职业对 于像我这样的人来说简直是一种拯救: 因为学院式 的环境迫使青年人不断提供科学作品, 只有坚定的 性格才能在这种情况下不流于浅薄. � [ 2] 爱因斯坦 1905年获苏黎世大学博士学位; 1909 年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授; 1911年任布拉格德语大学理论物理学教授; 1912年 任苏黎世联邦工业大学教授; 1914- 1933年任德国 威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授; 1920年 兼任荷兰莱顿大学特邀教授.第一次世界大战中,他 参加了反战活动. 1933年希特勒执政后, 爱因斯坦 受到迫害,被迫离开德国, 辗转到美国任普林斯顿高 级研究院教授. 1940年加入美国国籍. 1939年他上 书罗斯福总统,建议研制原子弹, 以防德国占先.当 得知美国在日本投掷原子弹, 他对此强烈不满. 战 后,他为开展反对核战争的和平运动和反对美国国 内法西斯主义的抬头,进行了不懈的斗争. 1955年 4 月 18日因病在普林斯顿逝世. 2� 科学贡献 爱因斯坦是从业余研究而开始其科学生涯的. 他在物理学领域的重要研究成果是令人不可思议 的,不仅改变了自然科学研究的 �范式� ( paradigm ), 而且使人类认识自然的科学方法得到不少充实. 1905 年, 26岁的爱因斯坦从小开始积聚的科学能量像火 山爆发般地喷射了出来, 震撼了科学界.他利用业余 时间撰写的 6篇论文,在以下四个方面取得了划时代 的成就,奠定了他作为 20世纪科学巨匠的地位. 2�1� 光量子理论 1905年 3月, 爱因斯坦在德国莱比锡的《物理 学杂志》上发表了《关于光的产生和转化的一个启 发性观点》,在这篇论文中, 他把普朗克教授于 1900 年提出的量子概念推广到了光辐射的发射和吸收 上, 建立了光的量子理论,这一理论在科学史上第一 次将光的粒子性和波动性通过数学表达式联系在一 起, 即 E = h�.将光的粒子性和波动性统一起来, 成 功地解释了困惑人们已久的、经典物理学无法解释 的 �光电效应 �, 并因此而荣获了 1921年的诺贝尔 物理学奖. 2�2� 布朗运动的理论研究 爱因斯坦对分子物理研究的重要的成就, 是在 1905年完成的两篇文章,一是向苏黎世大学提交的 博士论文 �分子大小的新测定法�,二是发表在莱比 锡《物理学杂志》上的论文 �热的分子运动论所要求 的静液体中悬浮粒子的运动 �, 其重要意义在于成 功地解释了布朗运动,使原子论取得了最后胜利.这 一理论使人们认识到热是一种能量, 它是由分子无 规则运动引起的.分子是客观存在的,并不是一种为 了便于研究所做的假设.所以,爱因斯坦的研究取得 了原子论的最后胜利,使得像奥斯特瓦尔和马赫这 样的极端的反原子论者, 也不得不从此以后 �改信 原子学说 �了. [ 3 ] 3年后, 佩兰据此做出实验测定, 证实了爱因斯坦的理论预测. 2�3� 狭义相对论 1905年 6月, 爱因斯坦在《物理学杂志》上发表 了长达 30多页的论文《论运动物体的电动力学》 中, 完整地提出了狭义相对论.即:①相对性原理:物 理学定律在所有惯性系中的描述形式是相同的, 即 所有的惯性系是等价的,不存在特殊的惯性系.②光 速不变原理:在所有惯性系内,真空中的光速具有相 同的定值.狭义相对论是爱因斯坦总结了他青年时 代多年的探索结果,以完整的形式提出了等速运动 204 云南民族大学学报 (自然科学版 ) � � � � � � � � � � � � � � 第 14卷 下的相对性理论, 提出了四维时空 (三维空间和一 维时间 )的新概念,引起了物理学理论基础的变革, 具有开创科学新时代的意义.作为相对论的一个推 论,他又提出了质 (m )能 (E )相当关系式 E =m c2, 在理论上为原子能的应用开辟了道路. 2�4� 广义相对论和引力场方程 爱因斯坦在建立了狭义相对论后,发现狭义相 对论还有着根本性缺陷, 开始思考为什么只有惯性 系有特殊的地位, 惯性系究竟是什么? 爱因斯坦提 出了作为广义相对论的两个基本假设: ①广义相对 性原理;②等效原理. 这一理论是自然科学和数学结 合的完美典范. 1907年, 爱因斯坦提出有必要把相 对性理论从等速运动推广到加速运动, 其基础就是 惯性质量同引力质量的相当性. 从 1912年开始,他 与格罗斯曼 (M. Grossmann)合作, 用张量分析和曲 面几何作为数学工具, 提出了《广义相对论纲要和 引力理论》( 1913年 ) ,最后于 1915年发表《关于广 义相对论》和《引力的场方程》, 提出了广义相对论 引力场方程的完整形式,建立了广义相对论.水星近 日点运动、光线在引力场中的偏移、强引力场中的 �慢钟�效应都证明了广义相对论的理论预言. 随 后,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究整个宇宙 的时空结构. 1917年发表的论文《根据广义相对论 对宇宙学所作的考查》, 以科学论据推论宇宙在空 间上是有限无界的, 这是宇宙观的一次革命. 1924 年与印度物理学家玻色提出单原子气体的量子统计 理论,即玻色 - 爱因斯坦统计. 1925年至 1955年 间,爱因斯坦几乎全力以赴地去探索统一场论.他力 图把广义相对论再加以推广,使它不仅包括引力场, 也包括电磁场,即寻求一种统一场理论,遗憾的是他 始终没有成功. 从 70年代开始,科学家继续爱因斯 坦的工作,统一场论的思想以新的形式重新显示出 生命力,取得了长足的进展. 3� 科学研究的方法 科学方法论是关于方法的理论, 本质上是一个 哲学问题或命题.随着人类对自然奥秘的不断探索, 随着科学知识和科学理论的不断丰富, 方法也就伴 随着科学探索逐渐形成.科学方法离不开科学探索, 探索自然之谜也靠一定的科学方法, 在某种意义上 说,科学方法比起具体的科学知识还显得重要. 所 以,方法一旦形成,又具有远远超出某种科学范畴的 普遍意义,成为可以广泛应用的重要工具.对科学有 重大革命性贡献的科学家, 一定是有方法论的重大 突破,这已被历史反复证明. 从亚里士多得到近代科 学的奠基者伽利略和牛顿, 最后到现代科学巨匠爱 因斯坦.在某种意义上讲,科学的发展史实际就是科 学方法不断创新的历史. 爱因斯坦的科学方法主要表现在两个方面. 第 一, 准确地把握物理概念和经验的关系.现代物理学 不可能从日常生活经验中得来, 必须通过自由想象 创造出来.我们知道,伽利略和牛顿时代科学的发展 主要是从经验的资料中利用数学方法来归纳和演绎 科学定律.爱因斯坦明确指出: �适用于科学幼年时 代的归纳法为主的方法, 正在让位于探索性的演绎 法. �之所以如此,主要原因是当今物理理论离开我 们熟悉的宏观世界越来越远, 在这些领域里想要像 经典物理那样,靠经验来归纳出理论,已经越来越不 可能.尤其是在微观领域里, 经验资料本身都与测量 的手段、环境、方法有关,在这种情形下,如果不是全 部, 至少绝大部分的理论物理工作者,用归纳法是行 不通的.正是基于这种思考, 爱因斯坦提出了他的概 念方法论,也就是他在创建相对论时所持的唯理论 思想.第二,深刻理解数学和物理的关系.众所周知, 近代自然科学之所以如此深入人心, 给人类带来巨 大的物质文明和精神文明进步, 在很大程度上就是 数学在科学认识中的绝对地位所决定的.自从古希 腊的毕达哥拉斯学派强调事物之间的数量关系, 提 出以 �数�为万物始基的宇宙观,世界即数和数的关 系构成的和谐关系以来, 物理学家对数学在物理学 中起的作用,几乎保持类似宗教般的信仰.许多伟大 的物理学家如哥白尼、开普勒、麦克斯韦,都是在寻 求简单和谐中创建了伟大的科学理论. 而且,物理学 越发展就越是数学化,数学成了物理学的收敛中心. 杨振宁在谈及 20世纪的物理学和数学的关系时指 出: �理论物理学的正确方法,应当符合数学里的传 统. �� 可以用两片生长在一根茎上的叶子来形 象化的说明数学和物理学之间的关系.数学与物理 学是同命相连的, 它们的生命线交接在一起. � [ 4]如 图 1所示. 爱因斯坦之所以取得如此非凡的科学成就, 是 与他坚持自然科学的唯物主义思想, 坚信世界和谐 统一和物理学理论的统一性有一定关系.爱因斯坦 由于在早年深受几何学的影响, 把公理化方法作为 构建科学理论体系的基本方法, 在建立狭义相对论 和广义相对论体系时就采用公理化的手段. 毫不夸 张地说,爱因斯坦的科学思想、科学方法和科学成就 是人类的宝贵财富,他将永远给我们以深刻的启迪. 205 第 3期 � � � � � � � � � � � � � � � � 祁映宏:爱因斯坦的科学贡献及其哲学意义 正如著名的物理学家朗之万对爱因斯坦的评价:现 在是, 并且将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一 颗巨星. [ 3] 图 1� 数学和物理的交迭 综观爱因斯坦一生的学习和科学研究历程,我 们同样也会发现,独立思考和自学伴随着他的全部 人生历程.例如, 1902年, 爱因斯坦曾经和几个同学 一起发起成立学习小组, 并且把这个学习小组称为 �奥林匹亚科学院 �. 聚会的话题涉及斯宾诺莎的 《伦理学》、休谟的《人性论》、马赫的《力学史》、黎 曼的《几何学基础》等, 都是他们讨论的内容. 从爱 因斯坦的求学经历可以看到,如果没有家庭气氛的 开明和自由,童年的他就受不到科学和哲学的启蒙 训;没有和 �奥林匹亚科学院 �其他成员的交流和讨 论,特别是和好友贝索的民主与自由的交流,很难设 想爱因斯坦在 1905年会爆发出巨大的科学能量,成 为科学的巨匠. 4� 哲学意义 空间和时间的相对性和统一性, 是狭义相对论 的核心思想.在牛顿的绝对时空观里,空间和时间不 仅具有绝对的意义, 而且它们还是相互独立和互不 相干. 但是, 爱因斯坦创立的狭义相对论则从数学关 系上精确地揭示了空间和时间在本质上的统一性, 所谓孤立的空间和孤立的时间在自然界是根本不存 在的. 相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动 这些物理学的基本概念, 给出了科学而系统的时空 观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科 学体系.爱因斯坦创立相对论的过程给我们带来丰 富的方法论思想, 而相对论本身所具有的哲学意义 更具有方法论和认识论的意义. 从相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经 受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理. 相对论的重大意义在于引出了物理学的新思想和哲 学观念的变革,相对论的核心思想就是空间和时间 的相对性和统一性.相对论的时空观,从根本上否定 了绝对的时空观, 使从牛顿时代以来形成的绝对时 空观失去了统治地位. 从此, 建立了统一的、相对的 时空概念;再加上广义相对论否定了空虚空间的概 念, 认为时空依赖场而存在, 建立的是关于场的时空 理论,给出了科学而系统的时空观和物质观. 相对论理论是在大量科学经验的基础上发展而 来的,相对论的时空观, 可以说是哲学思想上的一种 升华.相对论的重大预言被后来一系列的实验事实 所检验证明,进一步说明了实践是检验真理的唯一 ,哲学是这样, 物理学也是这样. 相对论具有的哲学意义在于揭示了时间、空间、 物质及其运动之间的内在联系, 丰富并深化了时空 是物质存在形式的原理. 5� 结束语 100年前,爱因斯坦发表了伟大的相对论理论, 它和量子力学一起,构成了现代物理学以及当代高 技术的基础.爱因斯坦被美国《时代》杂志评为 �世 纪人物�. 该杂志解释爱因斯坦当选的理由是: 这个 世界在过去 100年内发生的变化,比任何一个世纪 都要大.原因首先不是来自政治或者经济, 而是技 术. 他提出的有关空间、时间和物质的理论帮助揭开 了原子和宇宙的秘密.爱因斯坦是人类思想史、也是 整个人类历史上一颗明亮的巨星, 他辉煌的科学成 就、深邃的哲学思想和高尚的道德情操,是人类宝贵 的精神财富.他的科学成就不仅推动了 20世纪的科 学革命,并对改变人类的物质生活和精神生活产生 了深远的影响. 谨以此文纪念相对论发表 100周年. 参考文献: [ 1] � [美 ] J.伯恩斯坦. 阿尔伯特� 爱因斯坦 [M ] .高耘田译. 北京:科学出版社, 1980. 11. 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