爱因斯坦科学思想

爱因斯坦是相对论的创立者和量子论的先驱，是科学领域中伟大革命家。研究爱因斯坦的科学革命思想，可以使我们对科学革命的内容和实质有一个更深刻的理解。
1
在爱因斯坦看来，科学通常表现为两种形式：一是作为现存的和完成的东西，即作为我们一般所说的关于自然、社会和思维的知识体系的科学；二是作为尚在制定中的东西，即作为科学家们所追求的目的的科学。科学的这两种形式相互联系，前者是科学的研究成果，而后者则是科学的研究活动。就科学家们追求的目的来说，爱因斯坦认为可以把科学定义为：“寻求我们感觉经验之间规律性关系的有条理的思想。”〔1〕人们对于外部客观世界的认识活动， 是在自己的感觉器官所获得的信息的基础上进行的，因此，科学的理论研究活动，只能以科学家所获得的关于外部客观世界，即实在的感觉经验作为出发点和原料，一个希望受到应有信任的理论，必须建立在有普遍意义的经验事实之上，纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于客观世界的知识，只有考虑到理论思维同关于实在的感觉经验材料的全部总和的关系，才能达到理论思维的真理性。然而，由于在作为科学理论研究活动的出发点和原料的感觉经验与科学概念之间，不存在任何必然的逻辑联系，而只有一个不是必然的直觉的或心理的联系，因而决定着科学家在创立科学理论时，只有在关于对象世界，即实在的感觉经验的基础上，通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，自由地创造科学概念，构造描述认识对象或客观世界（即实在）的本质和规律的科学理论体系，才能获得关于对象或客观世界的真理性的科学认识成果。
作为一名物理学家，爱因斯坦所说的科学主要是指自然科学，他对科学的许多论述，是以在自然科学中处于基础地位的理论物理学的发展状况为背景的；同样，爱因斯坦所说的作为科学研究对象的外部客观世界，所指的也主要是自然界或作为客观物质世界的实在。此外，爱因斯坦所说的“科学”，既不包括人类在古代寻求他们关于外部客观世界，即实在的感觉经验之间规律性关系的有条理思想的活动和理论成果，也不包括现代人在日常思维水平上寻求他们关于外部客观世界，即实在的感觉经验之间规律性关系的有条理思想的活动和理论成果，他把这些统称为“科学以前的思想”，并认为整个科学不过是日常思维的一种提炼，是科学以前的思想的一种发展。而作为“科学以前的思想”的理论形态的古代自然哲学，尽管也如同现代物理学那样，力图把表面上复杂的自然现象归结为

一些简单的基本观念和关系，但它只不过是古代哲学家在他们日常生活经验的基础上，高度发挥想象力的一种天才的虚构而已。这种在日常生活经验基础上的，运用想象力的天才虚构而建立起来的自然哲学，却是一切科学，尤其是自然科学的出发点。
2
爱因斯坦在他与英费尔德合著的《物理学的进化》一书中指出：“物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是（虽然表面上看来很象是的）单独地由外在世界所决定的。我们企图理解实在，多少有些象一个人想知道一个合上了表壳的表的内部机构。他看到表面和正在走动着的针，甚至还可以听到滴嗒声，但是他无法打开表壳。如果他是机智的，他可以画出一些能解答他所观察到的一切事物的机构图来，但是他却永远不能完全肯定他的图就是唯一可以解释他所观察到的一切事物的图形。他永远不能把这幅图跟实在的机构加以比较，而且他甚至不能想象这种比较的可能性或有何意义。但是他完全相信：随着他的知识的日益增长，他的关于实在的图景也会愈来愈简单，并且它所能解释的感觉印象的范围也会愈来愈广。”〔2〕古代朴素实在论的自然哲学家们， 面对着客观世界这只无法打开表壳的“表”，只能根据他们在日常生活中所获得的关于外部物质世界的感觉经验，高度发挥他们的天才想象力，或者把“万物的始基”想象为“水”、“火”等具体的物质形态，或者将其归结为没有具体形态的“无限”或“一元”等等。其中具有重要意义的是德谟克利特的“原子论”、亚里士多德的“实体四因说”和托勒密的“地心说”。德谟克利特继承了留基波的“一切事物是无限的，并且互相转化，全体是虚空的，其中充满了许多物体，当这许多物体进入虚空中并彼此混合时，就形成许多世界”的思想〔3〕， 认为一切事物的始基是原子和虚空，原子在大小和数量上都是无限的，它们在整个宇宙中由于一种涡旋运动而运动着，并因此而形成一些复合物，包括火、水、气、土和各种物体，以及太阳和月亮、甚至灵魂也是由这种原子构成的，从而建立起了著名的“原子论”学说；亚里士多德认为“实体”作为个别事物的存在，是世界的本原。“实体”由质料因、形成因、动力因和目的因的推动而生成、运动和变化，从而解决了客观世界及其各种具体事物的起源、运动和变化的原因等一系列根本问题；托勒密则依据当时人类对于天体运动的感觉经验，构造出以地球为中心的宇宙模型。托勒密的“地心说”在实质上是“人类中心说”思想在天体理论中的一种具体体现。
这样，从德谟

克利特的“原子论”、亚里士多德的“实体四因说”，到托勒密的“地心说”，为当时人类提供了一幅从物质结构、宇宙起源到天体运动的较为系统而完整的世界图象，成为当时人类的一种系统化和理论化的朴素世界观。
3
随着人类对外部客观世界的认识活动的发展，到了15～16世纪，波兰天文学家哥白尼创立了“太阳中心说”，在古代自然哲学的朴素世界观上打开了第一个缺口，标志着人类对于外部客观世界的认识活动，从“前科学”阶段迈进到“科学”时代。对于哥白尼的科学成就的革命性，爱因斯坦评论道：哥白尼的这个伟大成就，不仅铺平了通向近代天文学的道路，而且也帮助人们在宇宙观上引起了决定性的变革。一旦认识到地球不是世界的中心，而只是较小的行星之一，以人类为中心的妄想也就站不住脚了。也就是说，哥白尼革命的伟大意义，在于彻底改变了当时人类的世界观中的宇宙观部分，推翻了建立在“地心说”基础上的以人类为中心的神学宗教妄想，教导人们要谦虚谨慎，要按照外部客观世界的本来面目认识客观世界。
从哥白尼的“太阳中心说”的创立，经布鲁诺、开普勒、伽利略等人的不懈探索，直到17世纪下半叶，牛顿在前人研究成果和他自己苦心钻研的基础上，建立起一个对包括天体运动、潮汐涨落和物体坠地在内的极其广泛的自然现象，作出了统一解释的经典力学体系，才在人类认识史上构造出了第一个系统而完整的以“质点”概念所表征的科学实在的世界图象，完成了由哥白尼开创的第一次科学革命，也为当时全部自然科学的理论研究提供了一个科学的世界观和方法论，使自然科学在各个领域中都取得了辉煌的成就，影响着整个人类文化的发展，成为近代机械唯物主义哲学的科学依据。
对于牛顿体系所具有的科学世界观的意义，爱因斯坦指出：按照牛顿的体系，物理实在是由空间、时间、质点和力（质点的相互作用）等概念来表征的。在牛顿的观点中，各种物理事件都被看作是质点在空间中受一些不变的定律支配着的运动。就实在是能够改变的这一方面来说，当我们讲到实在中所发生的变化时，质点是我们表示实在的唯一形式，是实在的唯一代表。可是，在牛顿的体系中，由于“质点”被设想成为一种类似于可动物体的东西，而剥夺了这些物体的广延性、形状、空间方位及其“内部”性质，只留下惯性、移动以及力的概念。因此，对于19世纪初叶的物理学家来说，客观外在世界的实在是由粒子组成的，在粒子之间作用的是简单的力，这些力只同距离有关，从而导致了机

械观的建立。
4
正当牛顿力学体系之光普照整个科学界并取得了令人眩目的巨大成就之际，科学家们在用牛顿力学理论解释光和电的现象时，却成就很小，不能令人满意。光的粒子说不能说明光的偏根、衍射和干涉等现象；而光的波动说既无法得到一幅关于支配以太的内力的清晰图象，也得不到一幅关于以太和“有重”物质之间起作用的力的图象。直到法拉第根据受磁铁的作用使散布在纸上的许多铁屑的排列秩序的启发，创造出“场”概念，再由麦克斯韦把法拉第的“电磁场”思想“翻译成数学形式”〔4〕，预言了电磁波的存在和电磁波的速度就是光的速度， 构造出了一幅以“电磁场”概念为基础的电磁世界图象。后来，赫兹通过实验，发现了电磁波，证明了“电磁场”的客观实在性，开创了科学史上的第二次革命。对于以麦克斯韦为代表的电磁学理论的成功，爱因斯坦指出：在麦克斯韦以前，人们以为，物理实在——就它应当代表自然界中的事件而论——是质点，质点的变化完全是由那些服从全微分方程的运动所组成的。在麦克斯韦以后，他们则认为，物理实在是由连续的场来代表的，它服从偏微分方程，不能对它作机械论的解释。实在概念的这一变革，是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革。不过，在爱因斯坦看来，由法拉第和麦克斯韦等人所实现的以“场”概念所表征的实在，对牛顿以“质点”概念所表征的实在的变革，仅仅局限在电磁领域内而未能实现从根本上对牛顿体系以“质点”概念所表征的实在的世界图象的辩证否定，从而造成了在理论物理学的一个特殊部门里，连续的场同质点一起看来好象都是物理实在的代表，这样一种双峰对峙的“二元论”状况。
为了克服物理学中的实在概念的“二元论”缺陷，消除牛顿体系与麦克斯韦理论之间的不对称，爱因斯坦在麦克斯韦电磁理论的基础上，创立了狭义相对论，接着又把狭义相对论的相对性原理从惯性系推广到非惯性系，进一步创立了广义相对论，力图把场物理学扩充到包括引力在内的一切现象，完成了由法拉第和麦克斯韦奠定基础的理论物理学的这一发展阶段，构造出了一幅与牛顿以“质点”概念所表征的实在的世界图象完全不同的、以“引力场”概念所表征的实在的世界图象，成为一个既涵盖牛顿体系，又超越牛顿体系，比牛顿体系更高级的科学世界观，把牛顿体系变成为相对论的一种特殊的极限情况。
然而，由于相对论一方面终究不能避免独立地引进质点和全微分方程，因而在一定的意义上，表现为牛顿的“质点”

概念和麦克斯韦的“场”概念的“折衷”，从而带有一种暂时的、逻辑上不完备的特征。因此，在爱因斯坦看来，克服相对论中的实在概念的折衷性质，必须通过统一场论的研究，以便在总场的场方程中，使粒子本身到处都可以被描述为完备的场方程的没有奇点的解，从而把广义相对论变成逻辑上完备的理论；另一方面，爱因斯坦的相对论也未能达到如同牛顿建立起来的统一描述各种类型的物体运动的理论体系那样，把物理学领域中的各种类型的“场”统一在一个理论体系之中。因此，爱因斯坦所创立的相对论，既是法拉第和麦克斯韦等人开创的第二次科学革命的一个发展阶段和组成部分，又是作为科学的一个局部领域，即力学领域中的一次相对独立的革命。
长期以来，由于学术界未能注意区分“科学革命”和“科学的局部领域中的革命”这两个概念的不同含义，通常把爱因斯坦所创立的相对论看成是一次独立而完整的“科学革命”，从而导致人们在对科学革命及其基本特征的描述上，存在着许多模糊和混乱之处。例如，作为库恩的科学革命理论的核心概念“范式”，在一个新的科学理论体系代替旧的科学理论体系的基础上，又包含着科学世界观变革方面的某些内容，即混淆了“科学革命”与“科学的局部领域中的革命”之间的重大区别，把“科学的局部领域中的革命”等同于“科学革命”，因而在对他的“范式”的理解上，显得过于混乱和庞杂，其含义竟然有二十一种之多〔5〕， 而那些仅以科学理论体系的更替作为科学革命标志的关于科学革命的理论，则因其内容过于狭窄而难以合理地阐明科学革命的实质、内容和基本特征。所有这些关于科学革命的理论，与爱因斯坦对科学革命的理解相比，似乎都没有抓住科学革命的实质。
5　
在爱因斯坦看来，虽然外在的客观物质世界作为科学家们的感性知觉的对象，只给他们展示着现象之间不清楚的相互关系，而科学家们的创造性的科学思维活动在他们自己看来都是自由的，但科学家们仍然觉得需要把自然事件解释为必然的，完全服从因果性规律的。这种需要无疑是在文化发展过程中所获得的理性经验的产物。因此，关于对自然界作严格因果解释的假设并不是起源于人类精神，而是人类理智长期适应对客观物质世界的认识和理解的思维活动的结果。从德谟克利特的原子论到托勒密的地心说，从哥白尼的日心说的产生到牛顿体系的建立，再从法拉第和麦克斯韦的电磁场理论的创立到爱因斯坦的以引力场概念为基础的广义相对论的完成，不仅是科学家们以揭示客观

物质世界的严格因果关系为目的的科学追求的产物，而且在这些科学理论体系中也体现出客观物质世界在本质上所具有的因果必然性。正是在这种背景下，爱因斯坦认为，尽管他的相对论从根本上动摇了经典力学的时间、空间和物质等基本概念，但是，过去全部物理学大厦的一个支柱是毫不动摇的：这就是因果性假说。爱因斯坦对存在于自然界中的因果性假说的信仰，成为他的哲学的“上帝”概念的基本内容。正因为如此，爱因斯坦认为他的“上帝”是不会掷骰子的，他的“上帝”不仅决定着客观物质世界中的各种具体事物的本质和规律在未来同过去一样，而且使客观物质世界中的每一细节的运动和变化都是必然的和确定的。
但是，由于普朗克在热辐射现象的研究中创立了“量子”概念，用来说明物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续的，而是以一定数值的整数倍跳跃式地变化的。爱因斯坦在1905年把普朗克的“量子”概念应用于光电领域的理论研究，创立了“光量子”概念；后来爱因斯坦又把“量子”概念分别推广到辐射领域以外，用来解决低温时固体比热问题和光化学现象，大大丰富和发展了普朗克的量子论思想。由于爱因斯坦的努力，特别是玻尔成功地把量子论同原子结构理论结合起来，使普朗克所创立的量子论获得迅速的发展。在1916年，爱因斯坦综合了量子论第一阶段成就，把普朗克、他自己和玻尔的工作综合成一个合乎逻辑的整体。此后，量子论在进一步的发展中却碰到了严重的障碍，在旧量子论摆脱困境的过程中，诞生了作为新量子论的量子力学。而在量子力学的发展过程中，由于几率概念的应用、互补原理的提出和测不准关系的发现，使物理学界产生了一种怀疑和否定因果必然性的倾向，试图以统计规律取代因果必然性规律。例如玻尔认为，由于在量子力学的研究中，“不可能有什么企图对辐射现象进行因果性分析的问题，而只能通过对立绘景的结合使用来估计发生个体辐射过程的几率”，因此，由于互补描述的不可避免，必然“带来了因果性描述的进一步放弃”〔6〕。而海森伯则直截了当地说：“既然所有的实验都服从量子力学定律，因果律的无效是确实得到证明了的。”〔7〕对此， 爱因斯坦明确指出：“量子力学无可怀疑地是一个富有成效的学说，但是它并没有接触到事物的究竟，我决不相信它构成真正的自然观”〔8〕； “我从来不相信物理学能够以本质上是统计学的那些东西为基础，尽管量子论已获得成功。”〔9〕由此可见， 爱因斯坦同量子力学的创立者们之间的分歧的实质，并不在于量

子力学的统计性规律的科学内容，而是由于他不能理解和接受由量子力学的基本概念所构造出来的以统计规律为基础的实在的世界图象，即由量子力学的创立者们所描绘的自然观。然而事实上，随着以量子力学的基本概念所表征的实在的世界图象的形成、发展和趋于完善，特别是在量子力学的创立者们对量子力学的哲学基础进行深入的思考，意识到量子力学的统计性规律是一个比以往的因果性规律更宽广的构架，是对“因果性观念的合理推广”〔10〕，从而放弃他们在早期所坚持的彻底否定因果性规律的极端性观点以后，可以认为量子力学的实在概念在一定程度上实现了对作为过去全部科学基础的因果性假说的辩证否定，成为科学史上第三次革命的重要标志。
6
如果从爱因斯坦对科学革命的实质的理解来看，爱因斯坦本人在科学史上的地位，则应当是第二次科学革命的主将和第三次科学革命的先驱者之一。同每一次科学革命的先驱者一样，他们都是在旧的科学世界观的文化背景中成长起来的，因而也深受着旧的科学世界观的影响和束缚，他们所采取的革命行动，差不多都是由于旧理论遇到了危机，通过尽力寻找解决困难的方法而产生的，并非完全出于自觉。哥白尼在早期是一位托勒密体系的虔诚的信奉者，只是在不得已的情况下，才创立了“日心说”；法拉第、麦克斯韦和赫兹在他们的一生中都始终认为自己是牛顿力学理论的信徒，因而他们的革命行动也是半不自觉的，并且是违反他们的意志的；普朗克虽然创造出了具有革命意义的“量子”概念，却又花费了十多年的无效劳动，试图把“量子”概念统一到经典力学的理论体系之中。尽管爱因斯坦在一开始就意识到“量子”概念的革命性，发展了“量子”理论，并且还是运用统计方法研究物理学，创立统计规律的先行者，但是，在他的广义相对论创立以后所重新确立起来的“上帝”概念，则使他坚定地认为，运用统计方法而创立的科学理论，仅仅是这门科学理论发展的幼年阶段，因而只能是通向它的成熟阶段的过渡性的科学理论。正是在这种意义上，当量子力学的创立者们在量子力学创立之初，把统计方法看成是处理物理学问题的“最后方式”，把统计规律看作是全部物理学的基础，从而描绘出一幅与爱因斯坦的“上帝”概念相矛盾的、以“量子”概念所表征的具有不确定性的实在的世界图象时，决定着爱因斯坦不得不站在相对论的立场来反对量子力学。
很明显，由每一次科学革命所引发和标志的科学世界观的根本变革，对社会文化的发展和社会物质生活

的进步，都会产生深刻的影响，其中对作为科学文化的核心和时代精神精华的哲学观念的变革，更具有直接的影响和决定性的作用；而变革后的新的哲学观念，又可以推动科学思想的巨大发展。因此，在科学与哲学的关系中，科学革命推动着哲学观念的变革，以某种具有革命意义的科学理论为依据的哲学观念一经形成，并被推广到科学各个领域的理论研究活动之中，就可以大规模地促进科学在各个领域中迅速而健康地发展；当某种新的哲学观念通过体现它的科学理论，在科学的各个领域中确立了自己的统治地位以后，科学的进一步发展，就会产生出与这种占据统治地位的哲学观念不同的、代表着更新的哲学观念的科学理论，成为新一轮的科学革命的萌芽和源头。这时，居于统治地位的那种哲学理论的代表者，则难以容忍这种代表着更新的哲学观念的科学理论的存在，从而起着阻碍科学发展和进步的消极作用。科学史上的一些革命先驱者的不幸遭遇的根源之一正在于此。但是，随着这种代表着更新的哲学观念的科学理论的成长和壮大，居统治地位的那种哲学观念的被推翻、被否定或被扬弃，从而实现哲学观念的彻底变革，将是不可避免的。
参考文献
〔1〕〔8〕〔9〕《爱因斯坦文集》第3卷，商务印书馆1979年版，第253、383、467页。
〔2〕爱因斯坦，英费尔德，《物理学的进化》， 上海科学技术出版社1962年版，第23页。
〔3〕北京大学外国哲学教研室编译，《古希腊罗马哲学》，商务印书馆1961年版，第92页。
〔4〕麦克斯韦，《电磁学通论》。 转引自许良英：《十九世纪电磁学的辉煌成就》，载《科学技术的发展》，科学普及出版社1982年版，第98页。
〔5〕参见〔英〕玛格丽特·玛斯特曼，《范式的本质》， 载周寄中译：《批判与知识的增长》，华夏出版社1987年版，第77～83页。
〔6〕玻尔，《原子物理学和人类知识》，商务印书馆1964年版，第38～39页。
〔7〕转引自《爱因斯坦文集》第3卷，第383页。
〔10〕玻尔语。转引自菲利普·弗兰克，《科学的哲学》，上海人民出版社1985年版，第364页。