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《物理学的进化》，阿尔伯特·爱因斯坦和利奥波德·因菲尔德著，周兆伟译，中信洞察城邦2019年3月出版，304页，48.00元。

这本由爱因斯坦和因弗内斯合著的书已经在我的书架上摆了半个多世纪了。因为我是学理论物理的，所以一看到爱因斯坦的书，自然就买了。当时还买了爱因斯坦的《狭义相对论和广义相对论简论》，也是给一般读者看的，俗称“科普书”。后者比前者更深入一点，给出了一些简单的公式。

物理学的演变，浅谈狭义理论和广义相对论

英格丽德，她与爱因斯坦合著了《物理学的进化》一书，我在胡宁的电动力学中读到过他的名字。他与玻恩(M. Born，量子力学的创始人之一)合作，研究如何修改麦克斯韦的电动力学方程来描述电子的经典结构，被称为玻恩-因费尔德模型或玻恩-因费尔德理论。这件事发生在1933年到1934年的剑桥卡文迪许。当时他和玻恩有一点误会和不快，但这次合作的结果让他在物理学界名声大噪。他在物理学上留下了自己的印记，1937-1938年在美国普林斯顿与爱因斯坦一起研究用广义相对论描述恒星运动的爱因斯坦-因菲尔德-霍夫曼方程，1950年从多伦多回到波兰后于1953年用因菲尔德-赫尔因式分解求解量子力学的薛定谔方程。他是二战后著名的《罗素-爱因斯坦宣言》的十一位签署人中唯一没有获得诺贝尔奖的人。在我的记忆中，我还依稀记得爱因斯坦和他合写这本书是为了帮他增加收入，就像霍金写《时间简史》之类的科普书是为了赚点钱一样。作为犹太人，他先是离开动荡的欧洲去了英国，然后在大战前夕离开欧洲去了北美。谋生不容易。但是，我说不清记忆中的这种印象是从哪里来的。大概是关吧。以下是他1938年在美国的照片，摘自维基百科。

利奥波德·英费尔德(1898-1968年)

我第一次读《物理学的进化》是在我读研究生的时候。1956年我进北大的时候，物理系分物理和气象两个专业。当时我们进军理科，学制改为五年，研究苏联。这些学科分为八个专业:光学、磁学、金属、理论、地球、电子学、无线电和半导体。我初三被分配专修理论物理，后来学制改为六年，修了很多原本属于理论物理研究生的课程。记得五六年级的时候胡宁老师给我们讲过量子场论和广义相对论，当时周老师也给我们讲过量子场论中的泛函分析课程。所以到了研究生阶段，我觉得自己把基本的、重要的理论物理都学会了。只有有新东西的学术论文才需要花时间认真读，一般的书读得很快。当时只用了一天的时间就看完了派恩斯写的一本非常专业的关于固体理论的书。那时，我完全不知道如何阅读《物理学的进化》这本书。恐怕只是匆匆一瞥。我觉得都是物理知识，物理没什么新鲜的。我就把它放下了，再也没有捡起来。

我记得杨振宁先生说过，有些书总是放在书架上，从不移动。然而，爱因斯坦的书是我将永远珍惜的东西。后来文革的时候，我去了陕南汉中。文化大革命突然结束后，我搬回了北京。从那以后，我搬了很多次家，等我退休搬回国，我也要减轻负担。特别是去汉中的时候，我以为自己和物理没什么关系，于是处理掉，扔掉了很多心爱的书。但是我舍不得爱因斯坦的书。我只是送了一本《相对论的意义》，我还有英文版的《相对论的意义》。眼前的图片是我去汉中后珍藏了半个多世纪的两本爱因斯坦的书。当然还有下面这张，现在已经成了我父亲的纪念。

相对论的意义

成为经典的书永远不会过时，每一代人都需要。于是经过几代人、五十七年的时间，中信出版集团精心编辑再版了这本书《物理学的演变》，以满足当代读者的迫切需求，这让我有机会再读一遍。

这不是前进或进步，而是进化。

如果你测量一个晶体的结构，或者研究它的磁性，你可以写一篇论文，在相关的专题会议上发表。会议的组织者将编辑并出版该文集，这被称为Proceeding，它通常被翻译为“progress”。某个特定领域，比如核物理，会请相关专家总结一段时间的发展，每隔一段时间会写专题综述，这叫进步，比如核物理方面的进步。一些重要而深远的发展包括思维观念的改变，如狭义相对论、广义相对论、量子力学等。这叫革命，也就是改变或者革命。杨振宁先生说这是20世纪物理学的三大革命。在整个历史发展过程中，物理学历次变革所包含的基本概念和思维方式的形态发展和演变，就是物理学的演变，即进化或演化。从时间和影响来看，进步仅限于最近一两年，进步涉及近几年十几年，重要的可以几十年，而演化涉及整个物理学史的三百多年。爱因斯坦和英费尔德写的《物理学的进化》本来是《物理学的进化》，讲的是三百多年来整个物理学的进化和演化。

看一本关于Proceeding的书，重点关注近期在这个领域有哪些新的发现和创造，从而获取新的知识。看一个特别的进展，重点关注一段时间内该领域的整体情况、前沿和热点，做到心中有数。而物理学的进化，进化论，对我们来说重要的不是新的知识或发展趋势，而是增强我们的观点、开阔我们的视野、把握历史脉络的经验和教训。所以，在读《物理学的进化》这本书的时候，我们要注意并记住，它不是进行或进步，而是进化。要把握好阅读的方法和视角。当然，行家看门道，外行看热闹，各取所需。只要他认真读书，就会有所收获。对于爱因斯坦和内场设定的读者，即虽然完全缺乏物理和数学的实用知识，但理解能力很强，对物理和哲学的概念很感兴趣，肯定会有很大的收获。

物理学的开端

当我们谈到物理学的演变时，我们必须从物理学的起源说起。物理什么时候开始？爱因斯坦和因菲尔德说从伽利略开始。这已经是常识了。然而，早在两千年前，亚里士多德就写了一本《物理学》。也许“物理学”这个名字最早是他用的。为什么不从亚里士多德开始呢？希腊人为什么不争取这个优先权？甚至我们有些人说早在墨经上就有光学了！爱因斯坦和内菲尔德早就为我们想到了这个问题，所以他们一开始就说:伽利略的发现和他所使用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开始。也就是说，物理学诞生的标志是伽利略的发现以及导致这一发现的推理方法。

人类为了生活在这个世界上，必须要有一些感觉器官来探测周围的环境，探测结果会在头脑中形成直觉。比如亚里士多德看到静止的物体不推就不会自己动，墨子注意到光的针孔成像，这些都属于我们的直觉。但直觉往往是不可靠的，一定要理性思考，形成正确的认识和理论。物理学不是感官现象的记录和罗列，也不是一套规则或规律的汇编，而是一套严密的思维和观念的逻辑体系。这种思维和思想的逻辑体系诞生于伽利略。爱因斯坦和内菲尔德详细描述了导致伽利略发现物体惯性的思维、假设和推理，最后由牛顿总结归纳成一个力学体系，这里不再赘述。爱因斯坦一生反复强调，没有理论基础的经验是不可信的，就是这个道理。经验只是一种直觉。重要的是基于直觉和经验的理性思考和想法。所以爱因斯坦和因菲尔德说，他们写这本书《物理学的进化》主要是为了描述思维和观念在探索客观世界知识中的作用。

按照物理学演化的历史顺序，他们描述了四个部分:力学观的兴起，力学观的衰落，场与相对论，量子。力学观是指从伽利略和牛顿开始形成的概念。它把世界看成是物质的运动和变化及其在时间上的相互作用空。在这里，英文中的“Mechanical”一词也被翻译为“机械的”，所以机械论观点实际上是把世界当作机械运动中的物质的观点。世界是物质的，是机械的，这种观点可能就是机械唯物主义的初衷。

其实在机械或者力学这个词里，并没有“力”的影子。不知道当初的翻译是怎么和“力”这个概念扯上关系的。由于牛顿力学的巨大成功，这种机械唯物主义的概念成为物理学观察世界的主导概念，以至于拉普拉斯说只要知道世界的初始条件，就可以推算出整个世界未来的运动发展和变化。因为按照牛顿力学的程序，一切都可以按部就班。所以，在我们的语境中，“机械”成了一个没有弹性的刻板代名词，“机械唯物主义”也成了一个固守陈规的贬义词。实际上，没有规则你就不能创造方圆，如果你不遵守规则，你就会被搞乱！但是，今天的物理学家不会说拉普拉斯那样的话。相对论的创始人

在物理学的整个演化过程中，光总是扮演着特殊的角色。曾经盛极一时的机械观，也就是物质粒子做机械运动的观点，或者说是机械唯物主义的哲学观，只是被光搅了下去。可以说，单是showstopper的机械观就是机械唯物主义的克星。爱因斯坦和英费尔德在第二章中详细解释了。最核心最关键的一点是，光是一种电磁波，贯穿空充满了波动，从而突破了空中物质粒子沿着一条轨迹运动的力学观点。世界不仅是运动的物质粒子，还有波动的电磁场。这是法拉第和麦克斯韦的视野。场观和力学观博弈的结果是力学观的衰落。

问题是机械观和场观不能完全协调，重点在光。力学观点有伽利略的相对论，电磁场有光速不变性。要想两者都保持，就必须修正我们的时间观空:它同时具有相对性。车上看是同时两件事，地上看不是同时。这最终导致时间和空作为一个整体是相互联系的，而不是相互独立的！这就是爱因斯坦和内菲尔德在第三章详细解释的狭义相对论。因此，光不仅是力学观点的终结者，也是相对论的始作俑者。接下来的问题是，爱因斯坦概括后的伽利略相对论是建立在惯性参考系基础上的，而这个基础并不可靠，所以我们无法独立判断一个参考系是不是惯性参考系。于是爱因斯坦决定放弃惯性参考系的特殊地位，考虑可以适用于任何参考系的理论。这就是第三章后面提到的广义相对论。为了考虑粒子在非惯性参考系中的运动，爱因斯坦利用了引力质量等于惯性质量的假设，从而将引力和惯性力都归结于空的弯曲。这进一步修正了我们对时间空的看法:时间空的本质与物质的分布和运动有关，而不是一个与物质运动无关的虚构的“空腔”。

广义相对论的可观测效应比狭义相对论精细得多。爱因斯坦和因菲尔德在他们的书中提到了光穿过太阳时的弯曲，水星近日点的进动，以及引力场中时钟的变慢。1916年爱因斯坦提出广义相对论时，除了水星近日点的岁差，其他效应都还有待观察和发现。之后这些细微的效应被一一发现和证实，就连1949年才被发现的小行星伊卡洛斯也测量了它的近日点岁差。但是时钟变慢是卫星定位系统需要考虑的问题。

除了以上三个效应，还有几个著名的广义相对论效应。是否存在引力波，即引力辐射，一直争论不休。在《物理学的进化》写成的同年，爱因斯坦、因菲尔德和霍夫曼还合作发表了一篇论文《引力观测和运动问题》，这篇论文被称为EIH文章。在这篇文章中，他们分析了引力辐射对“两个有质量的引力体的相对运动”的影响，但计算过于复杂，无法得到明确的结果。1943年，胡宁随保利去普林斯顿做博士后，保利请他研究这个问题。去胡宁的档案里找了一大堆EIH的计算草，用改进的模型和算法推导出双星系统的能量衰减因子，可以和观测对比。若干年后，泰勒和赫尔斯通过对双星的长期观测，终于获得了引力辐射的第一个证据。盲目的目光锐利，说话刻薄，从不轻易许诺，玻尔被誉为物理学的良心。他二十一岁读大学时的名著《相对论》，至今仍是经典。他在1956年再版这本书时加的补充说明中，特别提到胡宁的上述论文“研究了引力波发射引起的微小阻尼力”。

胡宁(1916-1997)

左边是胡宁，右边是保利。

爱因斯坦和因菲尔德在普林斯顿

德布罗意协会

第四章量子是物理学概念更大的变化，是光打破了游戏。上世纪初，普朗克根据黑体辐射光谱的分布提出了一个量子假说，假设辐射的能量是一个一个量子化的。这有点从法拉第和麦克斯韦的场论倒退到伽利略和牛顿的物质粒子观。所以普朗克一直想放弃这个量子化的假设，回归电磁场的场观。是爱因斯坦，在1905年，当他还在瑞士联邦专利局做专利审查员的时候，他在业余时间研究了这种辐射的量子化，并且把普朗克的假设向前推进了一大步。他进一步假设这种量子化的能量是有动量的，而且是像伽利略、牛顿那样的既有能量又有动量的粒子。爱因斯坦称之为光量子，并建议用光电效应来验证。爱因斯坦提出了这种光量子，后来被称为光子。有点像回到伽利略和牛顿的力学观。但历史没有回头，下一步是法国青年德布罗意走的。

普朗克

布罗意是一个贵族的儿子。他姓前的“德”，原文法文版为de，与德姓(原文von)前的“丰”相近，是贵族的标志。年轻的兰道被苏联派到西欧学习时，有一次在柏林大学听讲座，他大胆地问:“刚才那个演讲者是谁？”演讲者从座位上站起来，点点头说:“下一个冯·劳厄”，意思是高贵的劳厄。当然也有冒充贵族的，他们还在自己的姓前面加了个冯，就这么让着他。德国历史上小国多，所以贵族多。这大概就是为什么德国有那么多姓前带冯的人，他们自己和我们的翻译经常省略的原因。就像钱学森的老师冯卡门，常常只是叫他卡门。但是下一个冯·诺依曼，他不希望人们省略这个冯，只叫他诺依曼。布罗意原本想学历史和文学，但受哥哥影响才改学物理。看来他和很多贵族一样，还是个文艺范儿。文艺范的思维擅长比喻。这种比喻虽然被数学和逻辑所不齿，但在物理学中却常常大放异彩。

德布罗伊

在思维中，隐喻来自于联想。让德布罗意产生联想的是电子和光子。既然爱因斯坦的光电效应说明光作为电磁波还是有粒子的，那么电子作为粒子也应该有波动性。这种把光子和电子联系起来的比喻叫做德布罗意假说。德布罗意的假设成为波动力学的突破，不仅让德布罗意，也让薛定谔在物理学界声名鹊起。这个假说是电子和光子一样，同时具有粒子和波动的性质，后来被称为波粒二象性。所以不是从场观回到力学观，而是波粒观融合了场观和力学观。这种波粒观是物理学上的一种二元论。二元论总是不受欢迎，因为它不符合人们对基本和简洁的追求。爱因斯坦和内菲尔德在《物理学的进化》这本书里说，如果我们不相信我们这个世界的内在和谐，就不会有任何科学。波粒二象性的二元论本身就是一个没有内在和谐的矛盾。玻尔试图在这种波粒二象性的基础上建立一种新的哲学认识论，这不是真正解决问题，而是一种糊弄。能解决问题的是玻恩对量子力学中薛定谔波函数的统计解释。这就把我们带到了至今争论不休的量子力学核心问题。

施罗丁格

从确定性因果关系到统计因果关系

薛定谔来自维也纳大学，当时在苏黎世，参加德拜主持的一个研讨会。布罗意当时刚写完博士论文，200多页。我国著名理论物理学家王竹溪后来用法文看了这篇论文，说只有几页是真正有价值的。当时，朗之万把这篇论文寄给了爱因斯坦，爱因斯坦随即在他的一篇论文中引用了这篇论文。薛定谔读了爱因斯坦的论文，了解了德布罗意的工作。于是德拜请他做了一个演讲，介绍德布罗意在电子波动性方面的工作。薛定谔演讲结束后，德拜评论说，一个波动理论应该有一个波动方程。下次他们再聚的时候，薛定谔说，我发现了一个波动方程。这就是著名的薛定谔方程，它在量子力学中的地位相当于经典力学中的牛顿第二定律。

因为类比于光子，德布罗意把他心目中的电子波想象成类似光波的物质场波。薛定谔做的是模仿光的粒子到波的类似过程，用试凑法从粒子的运动方程猜测电子的波动方程。所以薛定谔心目中想象的电子波也是物质场波。他认为电子波动的幅度表明了物质分布的强度。但这个形象显然与现实不符，因为波很快就会扩散到整体空，电子就不是粒子了，而是一坨泥。它诞生于解决这一困境的哥廷根。

出生的

玻恩是哥廷根学派的希尔伯特的学生，他和助手海森堡、乔丹一起创立量子力学后，去了美国讲学。他刚从美国回来。他的同事弗兰克做电子-原子碰撞和散射的实验，整天和粒子打交道。所以他们脑子里没有波，只是粒子的影像。所以Born用薛定谔的波动方程来计算散射过程。他发现，如果把薛定谔波解释为粒子散射的概率振幅，就可以很好地解释实验结果。这是玻恩对薛定谔波函数的统计解释，概率是统计的。但由于统计概率的原因，粒子的位置和速度是不能一起测量的，即具有不确定性，所以没有确定的轨道。这不是伽利略牛顿力学观点中的粒子。

量子力学是整个物理学大厦的最底层基础。在这个基础上引入统计学，是物理学思维和概念的巨大变革。某种结果总是由某种原因决定的，这种确定性的因果关系一直是物理学家乃至所有科学家的信念和追求目标。玻恩的统计解释说，一定的原因会导致各种可能的结果，但是不同结果的概率不一样，原因和结果之间没有必然的联系！这不妨称之为统计因果关系。从确定性因果关系到统计因果关系，无疑是观念和信仰的大倒退。玻恩当然知道这种倒退的严重性，但他说没办法，事实如此，他只能接受。但是，很多伟大的物理学家都不接受，尤其是爱因斯坦。近三十年后，玻恩因这一统计解释获得了诺贝尔奖。爱因斯坦向他表示祝贺，并说这个迟到的奖项早就该给你了。玻恩回答说，是因为人们太难接受这种统计因果关系了。的确，爱因斯坦和因菲尔德在他们的书中说，现代物理学提出的解决方案是暂时的还是最终的，将由后人来评判。争论的焦点是统计数据是否包括人的因素，因为统计是要由人来做的。这样看来，物理学乃至整个科学都不是完全客观的，而是有主观因素的。如果这种主体性进一步发展，就会进入心灵和信仰的范畴。美国一所名校的教授写了一本专著《灵魂物理学》，离题甚远。回到正题，我们来说说爱因斯坦和内菲尔德的书中所讨论的物理学思维和概念的发展。

灵魂物理学

由于薛定谔方程的波不是物质的，也就是所谓波粒二象性中的波不是物质的，而是一种用来计算粒子统计概率的数学波，这种波和粒子不再冲突，而是统一在粒子中。作为物质，只有粒子没有波！只是这个粒子没有确定的轨道。不是经典的伽利略牛顿粒子，而是具有不确定性的量子力学粒子。总结起来就是说，三百多年来，物理思维和概念的演变和演化经历了从粒子到波场，从波场到粒子的过程，但后来的粒子是量子的，不确定的，所以不再是伽利略牛顿力学观的粒子；后来的波场是量子的，不是物质分布的场而是概率振幅的场，也不再是后来法拉第、麦克斯韦、爱因斯坦相对论场论的物质场。爱因斯坦和因菲尔德的这本书讲的是三百年来物理学思维和概念的演变和变化。

总结

爱因斯坦和内菲尔德在开篇就指出，物理学从经典力学观到场观再到量子概率观三百多年的演变，是建立在思维方式的转变上的，即从亚里士多德的经验思维到伽利略的推理思维。也就是说从经验到理论。所以爱因斯坦反复强调，没有理论的经验是不可信的。布罗意提出电子具有波动性，薛定谔猜想波动方程，玻恩认为波是概率振幅，海森堡意识到不确定性，等等。虽然这些都与实验相符，但仍需理论论证。尤其是玻恩的统计解释和由此产生的统计因果观太难接受，需要论证。这是关于希尔伯特和冯·诺依曼的。为了接受量子力学的概率，冯·诺依曼从逻辑上论证了这是希尔伯特空之间最恰当的物理学。但这是另一个理性思考的故事。爱因斯坦和内场在书中没有继续下去，我们就此打住，没有进一步的发展。

希尔伯特(毕加索画的)

冯·诺依曼

综上所述，读爱因斯坦和内菲尔德的《物理学的进化》，有两点值得强调。

首先，物理学，或者说一般意义上的科学，是客观外部世界在我们头脑中的反映，是人类头脑的创造。不要认为科学是完全客观的，它会随着我们认识的改变而改变。认为科学的就是客观的，这完全是一种习惯性的误解。

另外，我们头脑中的思维观念有惯性，习惯了，总想保持不变，以为固有的思维观念总是正确的。从牛顿的三维空+绝对时间到相对论的统一四维闵可夫斯基空，从广义相对论的直线闵可夫斯基空到曲线黎曼空，再到量子力学的无限维希尔伯特空，每一次爱因斯坦的名字在当时的欧洲妇孺皆知，因为相对论冲击和改变了传统的时间观空。

300多年来物理学思维观念的演变提醒我们，我们的思维应该随着被观察世界的变化而完全放松和灵活，我们的头脑不应该僵化和不灵活。