科学何去何从

一个科学家的信仰

  • 文/朱美林 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2022-03-01
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  1932年的夏天,爱尔兰作家詹姆斯·墨菲(James Vincent Murphy,1880—1946)去卡普特的避暑山庄拜访爱因斯坦。请他为自己翻译的一本书撰写导言,但爱因斯坦拒绝了。理由是他觉得自己没有资格把这个人介绍给公众,因为“他不需要任何更暗淡的光芒来彰显”。

  这本书是马克斯·普朗克的一本文集。作为量子理论的创立者,普朗克获得诺贝尔物理学奖已经是13年前的事了,但在当时的英语世界他并没有爱因斯坦那么知名。最终爱因斯坦被詹姆斯·墨菲说服,写了一篇很短的介绍,并谦虚地说写太长会显得自命不凡。本书英文名是《Where is science going?》,中译本《科学何去何从》由江苏凤凰科技出版社于2021年5月出版。英译者墨菲在1935年还翻译了薛定谔的《Science And The Human Temperament》,中译本《科学与人类秉性》与普朗克的这本《科学何去何从》被一同收录在江苏凤凰科技出版社“巨人的肩膀”丛书的第一辑。丛书的名字“巨人的肩膀”取自牛顿的那句名言。

  本书主体部分共有七章,这七章的前面是爱因斯坦的那篇导言和英文译者写的普朗克生平简介。最后一章为爱因斯坦、墨菲和普朗克“一次苏格拉底式的对话”的速记摘要。英译者墨菲见过爱因斯坦和普朗克,并且和他们之间有过讨论。这本文集的选编也很有代表性,大致反映了普朗克的科学观和人生观。

  在第一章中,普朗克回顾了1880年之后50年物理学的发展,勾勒了电子理论、量子理论和相对论发展路径及它们之间的关 系。亥姆霍兹、基尔霍夫、克劳修斯、玻尔兹曼、赫兹、洛伦兹、威廉·维恩、爱因斯坦、闵可夫斯基、阿诺德·索末菲、海森堡、马克斯·玻恩、帕斯库尔·约尔当、泡利、 狄拉克、薛定谔等理论物理学家,以及卢默尔、普林斯海姆、鲁宾斯、库尔鲍姆、詹姆斯·弗兰克、古斯塔夫·赫兹、伦琴、迈克尔逊和莫雷等实验学家都出现在了他的叙述中。从这些回顾中可以看出他对前辈科学家理论的熟稔以及对量子力学之后发展的关注。在对科学史的回顾中他发现了理论和实验之间的有趣的合作关系。得益于对理论物理学前辈理论的深刻理解以及对前沿实验进展的跟进,他提出了量子假说。如他在本书第六章所说“科学的每个发现都是站在前人的肩膀上,把前人的发现作为他工作的基础的”。

  第二章探讨了科学的基石。批评了实证主义者看待自然的方式,即外部世界只是一系列感官印象的综合体,在感官获得知觉范围之外不存在其他知识来源。普朗克通过回顾科学发展史和逻辑论证提出了他的观点。物理学整体结构的中枢是这两个定理:一、真实的外部世界独立于我们的认知行为而存在;二、这个真实的外部世界不能被我们直接认识。这两个论断其实是有矛盾的,这个事实揭示了物理学附着某种非理性或者神秘性的因素。我们无法从逻辑中得出第一条定理,但这是科学得以存在的前提。对于科学家来讲,相信“独立于我们之外的现实世界是真实存在的”是一种“信仰”。这两条定理意味着科学永远无法抵达那个位置,即对客观世界的彻底认识。从科学发展 的历史进程中可以看到,解决一个问题只是揭开了另一个问题的神秘面纱。如此一来,科学探索活动岂不只是徒劳?他的回答是否定的,“真正的财富不在于对真理的拥有,而在于不息的工作”。真理的光芒虽然永远闪烁在无法触及的远方,但这也意味着探索的路途中充满了无限的果实,让探索者充实、满足并不断获得探索的激情和勇气。

  如同“外部世界独立于我们真实地存在着”这一论断不能被逻辑和经验所证实,“动力学因果性”也同样是一个形而上学的假设。但普朗克认为这两者都至关重要,他直接宣称“一个由动力学规律所支配的宇宙”这一观念也是他的“信仰”。因为这一观念比“只受统计学规律支配的宇宙观”具有更广泛和深刻的应用。科学家将自己限定在实证主义者强调的感官材料之中是不行的,还需要“冒险”——实验冒险和理论冒险,这两者是相互依赖的。他强调信仰和想象力,这两者是不受逻辑限制的。科学并不是一门演绎科学,它的首要原则是固定不变的,但需要引入新的假设和猜想。因为现象中的秩序不会自动呈现在研究者的眼前。除非有一个合理的理论,才能据此提出合理的问题。一个问题的重要性会随着所依据的理论的变化而发生变化。研究者头脑中首先要有某种理论假设,然后再将之置于实验测量的检验中。科学史中的案例多次提醒我们,一种特定的研究路径在一种理论中是有意义的,在另外一种理论中可能就不再有意义。

  第三章中讨论的动力学因果性会导致“决定论”,从而和“自由意志”的观念相冲突。普朗克在第四章对这种冲突进行了细致的分析,并在第五章中 给出了他的答案。他认为一个人为试图摆脱道德责任而声称人类的行动是无 情自然法则的结果是一种危险的自欺行为。在这两章中,他的探讨从科学领域逐渐延伸到了形而上学世界这个“神秘的国度”,这是一个我们心智的理解力无法完全把握的世界。在这里,人们将与那个崇高的问题面对,那就是人 类自由意志的问题。人类的伦理尊严的基础是,要为自己的行为负责。“我想点燃我的烟斗,然后我这么做了,但我该如何把这与自由意志的理念联系起来呢?”与尾声那一章中爱因斯坦对自由意志问题的这种不耐烦相比,普朗克非常细致地分析了关于自由意志和因果律的相关陈述。他用自问自答的方式有条不紊地展开论述,他常这样问道,某某表述到底是什么意思呢?

  他最终的结论是,因果律和自由意志并不冲突。我们在实践中永远也无法完全揭露我们所有行为之间的因果关联,因为在这个过程中观察的主体同样也是研究的客体,就像眼睛看不到正在观察着的眼睛一样。一个人企图通过奔跑摆脱掉自己的影子 并非是因为速度不够快。没有一个人能够将自己置于拉普拉斯所想象的那种超级智能的位置上,认为自己能够追溯自己或者同伴所有行为的动机。因为一个人不可能此时此 刻地根据因果原则思考自己的活动,即使是拉普拉斯超级智能也不能。因果律是科学的指导原则,而“绝对律令”是生活的指导原则。信仰是因果律不可侵入的领域,因此对科学关上了大门。科学将我们带到“自我”开始的地方就把我们丢给了自己。他认为科学和信仰并非决然对立,而是补充的关系。那些对生活持虚无态度的宗教形式与科学的态度和原则也是格格不入的。否定了生命对于自身的价值就是否定了人类的思想世界,归根结底是否定了科学和信仰的真正基础。

  第六章的标题是“从相对到绝对”,探讨的是百年来物理学进步的显著特点,即从相对走向绝对。他试图将这两个词在科学中的含义与其作为“半科学术语”在日常生活中使用的含义理清楚,顺便消除一般公众对“相对论”肤浅庸俗的理解。在相对的事物背后寻找绝对,在表象背后寻找真实,在短暂的背后寻找永恒,在普朗克看来不仅是科学的特点,也是人类在表达善和美的不同知识分支中的特点。人们在研究自然事物的过程中,一直在努力消除偶然和意外,最终达到本质和必然。在这一章中他从化学计量学开始讨论,根据“倍比定律”、盖·吕萨克定律和阿伏伽德罗定律认识到,一定温度和压力下相同体积的不同气体所含有的分子数是一个常数,即一个绝对的量。此时,原子量的概念具有某种绝对意义,在某种程度上也拥有相对意义。将原子量这一概念解放出来并赋予其更广泛和绝对的意义成为化学家的研究目标。

  在每个科学门类中常常会出现两类持相反态度的人,普朗克将之称为“纯粹主义者”和“实用主义者”。纯粹主义者总是努力对他们所接受的科学公理进行完美的协调,对它们进行越来越严格的分析,以图减少每一个偶然和外来因素。实用主义者则试图引入新的思想来扩展科学公理,从而向各个方向伸出触角,取得进步。对于原子论,纯粹主义者反对将原子量概念视为一个绝对量。这一派的杰出领袖是恩斯特·马赫,他是原子论最有名的反对者。作为原子物理学家主要代表的玻尔兹曼曾与他展开过精彩的论战。普朗克在这场论战中站在玻尔兹曼这一方,他感叹道,物理学中的每一个假设都必须经历一段艰难的孕育期和分娩期才能被带到阳光下,以现成的科学形式交到其他人手中,最终让外行人不动脑子就可以应用。

  他提出的量子假说也遭受了同样的命运。这个假说的提出就与对“熵的绝对值”度量有关。要给“熵”一个绝对测量就需要引入量子假说。这个假说开始是为了解决辐射之谜而提出的,但在爱因斯坦手中被用来解释光的构成,在玻尔手中被用来解释原子结构……所以普朗克认为在物理学中一个新理论的成功与否,是通过是否解释并协调了已经确定的事实来确定,而不是取决于是否与公认的科学公理在逻辑上一致。因为这些事实除了依靠新的假设不能以任何其他理由获得解释。能量的概念也是一个从相对到绝对的过程。一开始能量表示的不是一个物理系统的状态,而是该状态的变化。因而能量本身大小的测量在物理学中没有意义。有了狭义相对论,能量的绝对值才得到了确定。这个概念不能从能量原理本身产生,而需要引入相对论。

  物理学从相对走向绝对是其进步的特征这个论断会遭到一些人反对。普朗克料想到那些人会打出他们的王牌,那就是相对论。这些人会说:牛顿的绝对时空观属于过去的时代,爱因斯坦的“相对论”是一种进步,这不是从绝对走向了相对吗?他提醒道,这一看法显示了将科学术语用于这些术语从未打算应用的领域是何等的危险。相对论实际上提供了对静止物体能量的绝对度量方法。“相对性”这个术语不能用于整个物理学,也不能脱离其特殊的科学背景。死抱时间和空间的相对性 这个概念而不去考虑它会引向哪里是一种肤浅的行为。因为相对性概念是建立在一个更加基本的绝对之上,而不是取代了某种绝对。从空间和时间中去掉绝对的概念并不意味着我们认为绝对不存在了,而是它回过头指向了某种更为基础的东西。牛顿的绝对时空观只具有相对意义,是因为它取决于对参考系的选择和测量的方法。而在相对论中参考系和测量的标准独立于任意的选择,因而是绝对的。

  选编的这些文章反映了普朗克的科学哲学以及人生哲学的核心观点。从全书的论述可以看到,他的人生观、价值观和其科学观 是相互关联并且圆融自洽的。他对科学和人生进行过审慎严谨的思考,这不仅使他取得了科学上的成就,同时也赢得了同行们的尊敬和身边人的喜爱。这个中译本虽然在校对上有些零星的错误,但翻译流畅自然,从中可以窥知普朗克缜密而优雅的文风。如果想摘录精彩的片段,那几乎得把整本书都要抄下来!

责任编辑:李暄妍