爱因斯坦是投机主义者吗？（感谢网上读书的长歌－废墟版主）

资料来源：http://www.readfree.net/viewarticle.php?id=4487085
感谢网上读书园地的作者长歌－废墟。见仁见智，寄托欢迎大家的讨论。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=mc2）。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。

接下来，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·Pais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。

[ 本帖最后由寄托天下于 2007-8-2 12:44 编辑 ]

掉到地上的食物  3秒内还能吃
掉到泥巴里的食物  3秒内还能吃
掉到煤堆里的食物  3秒内还能吃
掉到砒霜里的食物  3秒内还能吃
掉到氰化钾里的食物  3秒内还能吃
掉到马桶里面的食物任何時候都不能吃