理论物理学的原理

首先，请允许我对你们表示我最诚挚的谢意，谢谢你们给了我这么大的荣誉。现在我成为你们科学院的一员，以后我就不再为职业发展操心了，而且还可以全身心地投入到科学研究中，这些都令我非常激动。希望我的努力工作能给你们带来一些结果，不过，我的努力和感激之情是百分之百的。

下面，我将借此机会讲一点我在这个领域的感受，即理论物理学对实验物理学的作用。几天前，一位数学领域的朋友半开玩笑地对我说：“数学家可以做的事非常多，但需要的时间比较长。你想要立竿见影，那恐怕是绝对不可能的。”理论物理学家的状况与数学家的状况非常相像。实验物理学家可以马上完成的，理论物理学家不行。那么，为什么会出现这种适应能力的延后呢？

通常，理论学家都是运用基础的、普遍的假设或原理来给出结论和解决问题的。他们的工作分为两个部分。第一步，发现原理，然后再根据这些原理导出结论。第二步，在学生时代，他已经经过了严格的训练，并且储备了一定的理论基础。因此，只要他在某领域或某种复杂的现象中，解决了第一步的原理问题，那么只要这个人勤奋和聪明，就很容易实现第二步。不过，不同的理论学家所进行的第一步工作，性质可能会有质的不同，即发现一些可作为推理的原理各有不同的方法。要完成这一步，其实并没有什么现成的方法可以借鉴和学习。作为科学家，必须具备这样的能力，即从繁杂的经验和事实中找到一些普遍规律，并用精确的公式把这些规律表示出来，这样才能最终发现自然界的普遍原理。

一旦找到这种通用的公式，那么一个接着一个的推理就会顺理成章。这些推理可能会出现一些预料不到的结果，还可能会远远超出原理的适用范围，但只要这些作为起点的原理还没有得出，那么极个别的经验和事实一点用处也没有。也就是说，单凭经验，然后抽象一些孤立无援的普遍定律，是不能有什么成果的。只要没有推导出作为起点的基础原理，那么他凭经验进行的个别研究是不起作用的。

目前，关于低温下的热辐射和分子运动定律等理论，正处于这样的起点。15年前，理论物理学界普遍认为，物质的电、光和热的性质完全可以靠伽利略理论、牛顿力学，以及麦克斯韦的电磁场理论来解释。后来，普朗克提出了量子假说。这一原理与古典物理学原理不相容，使得热辐射定律的计算方法发生了改变。接着，他用这种量子假说解释了速率足够低而加速度足够大的极小物体的运动情况，至此，古典物理学就被他推翻了。所以，就目前的物理学情况来看，伽利略和牛顿提出的那些运动定律只能算是极限定律。尽管理论物理学家们付出了艰辛的努力，但是能完全代替古典力学的原理还没被找到，因为要使这些原理完全符合普朗克的热辐射定律和量子假说还真不容易。虽然分子运动论解释了很多关于热的事实，但这种运动的基本定律目前的研究状况，还是与牛顿以前的天文学家研究行星运动情况时的处境差不多。

我讲了这么多，只为了说明一种情况，那就是还没有适当的原理来处理它们的理论。当然，也可以出现另外一种情况，那就是虽然提出的原理也导出了一些结论，但完全可能超出我们目前的经验所能触及的范围。如果这样，那么要断定这些原理与事实是否相符，可能还需要很多年的实验研究来验证。大家在相对论中可以见到这样的情况。

在相对论中，有对空间和时间两个基本概念的分析。通过分析，我们理解了当物体运动而产生的光学问题在极限空间中呈现光速不变原理，所以那种静态的光以太理论是不能被人信服的。不过，我们可以得出这样的结论：在地球上进行的运动实验，对地球自身的任何移动都是不适用的。这样的移动，必须用相对性原理来解释：当坐标系发生移动，即从原来的坐标系转移到一个相对于它做匀速平移运动的新坐标系中，它们的形式是自然规律所不能改变的。这个理论已经得到了实验的验证，而且在很多有关联的事实理论中越来越简单化了。

当然，从理论方面分析，这个理论也不是十全十美的。因为，这种相对性原理只限于匀速运动。匀速运动很难从物理学的观点得出一个绝对性的意义。如果上述观点正确，那么就会有人问：难道非匀速运动就不能运用这种理论吗？因此，一旦人们应用这种扩充理论的方法，我们就必须推出一种更准确的相对论，由此就会得出包括动力学在内的广义引力论。而就目前的情况来看，我们还没有能力找到事实来检验这种假设原理的正确性。

归纳物理学和演绎物理学互相提出了问题。解决这些问题，就需要大家团结起来，全力以赴地去探索和研究。这种探究是永恒的。愿我们的努力能很快取得成果！

探索的动机

科学的范围非常广，可以容纳各式各样的人。至于他们为什么要到这里来，动机各不相同。很多人爱好科学是因为科学让他们的智力得到发展，获得难以理解的快乐。对这些人来说，通过科学研究，他们找到了快乐的源泉。在这里，他们可以找到生机勃勃的雄心和奋发向上的斗志，从而得到满足。而还有很多人的动机不纯，他们之所以选择科学研究，完全是为了满足功利心。为此，他们甘愿把自己的脑力成果祭祀在这里。假如上帝派一个天使来这里，让上述这两类的人都离开，那么人数马上就会减少很多。不过，有一些人是不会离开的，无论是古人还是现代人。普朗克就是能留下的人之一，这也就是他值得我们尊敬和爱戴的原因。

我当然清楚，刚才假设被驱逐的那些人，有许多是优秀而卓越的人才，他们为科学的发展付出了艰辛的努力，为建设科学庙堂起过巨大的作用，正是因为如此，天使在执行任务时，也会很为难。反过来，我可以断定：如果只有刚才被驱逐的那两类人，那么科学庙堂是绝对搭建不起来的，就像蔓草和藤萝根本不可能构成森林一样。为什么这么说呢？因为这两类人对职业是没有选择的，人类活动范围内，只要有让他们干活的机会，他们都会去干，到最后究竟成为工程师、大官、商人，还是科学家，与选择毫无关系，环境决定他们的命运。

下面让我们一起来谈谈那些被天使留下的人。这些人一般性格乖僻，平时不怎么爱讲话，多数喜欢孤独，除此之外，他们还是各有各的特点；那些被赶走的两类人，则基本上是完全一样的。他们究竟是被科学的什么东西吸引的呢？这不是一句两句话能说清楚的。叔本华曾说，很多人非常向往艺术和科学，是因为他们想逃避日常生活，他们觉得日常生活粗俗而沉闷，使他们厌恶而绝望，他们希望摆脱反复无常的欲望。一个有修养的人，总是不满足自己的生活，希望解脱，希望来到由客观和思维组成的世界里。这就好比城市里的人渴望到幽静的高山上去生活一样，因为，喧嚣拥挤的城市生活让他们身心疲惫，他们只有在高山幽谷中才能享受到清新、纯洁的空气，可以随便遐想，陶醉在无比的宁静之中。

以上这种动机确实比较消极，不过还有另外一种积极向上的动机。人们总是认为现实世界太复杂，希望找到一种最恰当、最简易、最能让人理解的方式重新描绘世界。因此，这些人就尝试着用自己心中那种认为是有序的方式来代替已有的经验世界。这些人有：画家、诗人、哲学家和自然科学家。他们每个人心中都有一幅未来世界的蓝图，他们以此为个人感情的支点，开始描绘世界图像，借此找寻那种久已失去的宁静和稳定。

那么，理论物理学家构造的世界图像是什么样子的呢？地位如何呢？这就要求他们在描述时尽可能做到标准、精确，也就是说，只有数学语言才能完成这项工作。除此之外，还要求物理学家不能偏离主题，就是在描绘时必须仅限于已有世界里最简单的东西。这就要求像理论物理学家那样做到精密和有逻辑性，以此完成对复杂事件的描述。当然了，这要在人类的一般智力力所能及的范围内。既然要做到高度的准确、纯粹、明晰，那么就需要牺牲完整性。如果人们感到畏缩和害怕，从而抛弃了那些不可捉摸和比较复杂的东西，那么还有什么能吸引我们去认识自然界呢？而对这种极其渺小的东西的研究，算得上宇宙理论吗？

我认为，完全可以这么看。因为，既然是理论物理学结构基础的普遍定律，那么就应该适合于任何自然现象。借助这些规律，运用单纯简单的演绎方法，去描述各种自然过程（包括生命的奥秘）就变得简单起来。也就是说，在人类的智慧和能力范围内，由这个过程得出这些结果还是不难的。因此，假如物理学家研究的范围缺少世界体系的完整性，那也不要认为他们就是犯了什么原则性错误。

既然物理学家把能推导出普遍的基本定律作为自己的最高使命，那么建立起世界体系内的单纯演绎法也就成为可能了。具体怎样得出这些定律，要想寻找一个固定的、并且是逻辑很强的道路，那是不大可能的。凡是有经验，并能对经验有很深的理解力的物理学家，都完全可以凭直觉得出这些定律。既然存在不确定性，那么我们可以采用假定的方法：我们可以先假设本来就有很多已经成立的理论物理体系，通过这种方法再去证明它们。物理学这些年的发展向我们证明了一个问题，特定的时期，所有可想象到的定律，总有一个是最好的。凡是在这方面有见识的人都知道，决定理论体系的唯一事实就是现实世界，当然现实与理论原理之间可能不存在一定的逻辑关系，但以上的观点，我们必须承认。这就是莱布尼茨曾经提出的“先定和谐原理”。物理学家与认识论学者之间对这个事实的看法是不同的，前者认为后者不够重视这种事实。几年前，马赫与普朗克就曾就这种事实进行了一场大论战。

“先定和谐”让人产生无穷的毅力和耐心，普朗克就是其中之一。他对这门科学的最普遍问题孜孜不倦地研究着，而对那些很容易达到，并且使人身心愉快的目标，一点也不看重。有的同行并不这么看，他们认为普朗克的这种做事风格是因为他本身的意志力和修养所决定的，我认为他们都错了。我认为，一个人甘愿为自己的事业付出这么多，就像那些信奉宗教的人或正在恋爱中的人一样，是不自觉的。他们每天都会一如既往地努力着，而不需要进行什么深思熟虑，或特别为此做计划，这完全是一种激情。现在，普朗克先生就坐在这里，他正在听我讲对他的看法，我估计他在暗自发笑，认为我像一个孩子一样，正提着狄奥根尼的灯笼在胡闹。其实，我们对他的敬仰和爱戴，根本不需要我多说什么，一切已经很明了了。让我们一起为他祝福，祝他在未来的科学道路上更加顺利，愿他能为我们今天的物理学解决更多的问题。当然，很多问题本身就是他自己提出来的，而且已经付出了多年艰辛的努力了。祝愿他能把量子论同电动力学和力学完整地统一起来，以便使这些理论更加实用和简易。

1. 这是爱因斯坦1914年就职普鲁士科学院院士时的讲话。
2. 这是一篇演讲稿，1918年4月，为了庆祝麦克斯·普朗克六十岁生日，爱因斯坦在柏林物理学会发表了上述讲话。普朗克（1858年-1947年），德国物理学家。
3. 原名阿图尔·叔本华，德国哲学家，生于1788年，卒于1860年。
4. 莱布尼茨认为：所有“单子”之间都存在着一种实现已经被永远定格的和谐，特别是心与物之间更是这样。
5. 狄奥根尼：生平不详，古希腊哲学家，据说，他曾在白昼提着灯笼到处寻找诚实的人。