曹天予：2050年愛因斯坦還會是物理學(xué)的英雄嗎？

本文為作者在2005年第22屆國際科學(xué)史大會（大會主題為“全球化與多樣性”）上的報(bào)告。

撰文 | 曹天予（波士頓大學(xué)哲學(xué)系教授）

翻譯 | 蘇俊斌

在1905年，愛因斯坦是物理學(xué)領(lǐng)域的一名英雄。他對量子理論、狹義相對論、以及布朗運(yùn)動的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)被公認(rèn)是英雄式的貢獻(xiàn)，盡管在那一年，這種承認(rèn)尚未來臨：他仍然是瑞士專利局的一位低級辦事員。但承認(rèn)很快到來了。人們有把握聲稱，愛因斯坦已經(jīng)被公認(rèn)為20世紀(jì)物理學(xué)最偉大的英雄，或者甚至是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家。本次大會本身就是證明：楊振寧在開幕式上所作的大會演講，其主題就是愛因斯坦。在完成愛因斯坦未竟事業(yè)即建立物理世界統(tǒng)一理解的事業(yè)的意義上，楊振寧視自己為愛因斯坦的繼承者，很多其他物理學(xué)家也是這樣看他。本次大會有好幾個(gè)關(guān)于愛因斯坦的大會演講，我沒有完全統(tǒng)計(jì)過有多少篇關(guān)于愛因斯坦的文章提交給本次大會。不論如何，無須贅述這種沒有爭議的主張。那么，到2050年，愛因斯坦在物理學(xué)上的地位又會怎樣昵？這是我現(xiàn)在要講的題目。

這次大會總的主題是全球化和多樣性。在一個(gè)重要的意義上，全球化勢必導(dǎo)致同質(zhì)化 (homogeneization)。通過翻譯和傳播，愛因斯坦現(xiàn)在不僅是德國的或者瑞士的，或者歐洲的，或者美國的，或者西方的英雄。在中國，在印度，在巴西，他也被看作英雄，一名真正的全球英雄。既然沒有人能夠有任何辦法阻止在人類行為不同領(lǐng)域里正進(jìn)行著的全球化進(jìn)程，這意味著到2050年，世界將比現(xiàn)在更為同質(zhì)，而這似乎向我的問題提示了一個(gè)答案，一個(gè)使我的談話變得毫無趣味的答案。

但還有多樣化呀？人們會回答：文化多樣性，也許有；經(jīng)濟(jì)和政治多樣性，沒有！這正是歷史終結(jié)的觀念。我不相信歷史終結(jié)的論題，我不認(rèn)為現(xiàn)存的、多樣化的經(jīng)濟(jì)和政治結(jié)構(gòu)，將通過盎格魯--撒克遜模式對全世界的征服，而匯聚到一種同質(zhì)的結(jié)構(gòu)模式。不過這里不是討論這一問題的適當(dāng)場所，所以讓我轉(zhuǎn)到另外一個(gè)問題：科學(xué)是文化的一部分嗎？當(dāng)然是的。但是有人會警惕起來并且爭辯說，即使科學(xué)是文化的一部分，它也是一個(gè)具有最大普遍性的部分，文化中具有全球特性的部分；它完全不同于文化的其它部分，例如宗教或道德教義，或者是用藝術(shù)方式來表現(xiàn)人類情感或反省生存困境 (existential dilemma)；文化中的這部分，即使在全球化時(shí)代，如果它們強(qiáng)壯得足以對抗美國通俗文化的征服力，仍然可能保持多樣化的存在形式。但是，科學(xué)真的不同于文化的其它部分嗎？為什么？

你可能要抗議：所有這些都是陳詞濫調(diào)！告訴我們這跟愛因斯坦有什么關(guān)系？行！其間的關(guān)系看起來似乎膚，其實(shí)不然。首先讓我指出一種平行關(guān)系：全球化和多樣性在一邊，對稱性和對稱破缺在另一邊，二邊之間存在著平行關(guān)系。平行關(guān)系的兩邊互為隱喻互相支持。如果我們記得隱喻是文化思想和科學(xué)創(chuàng)造性的最終源泉的話（想想達(dá)爾文借用馬爾薩斯的經(jīng)濟(jì)原則），它甚至不僅僅是概念框架的一種原型，而且是一個(gè)時(shí)代的思維風(fēng)格 (a kind of style of reasoning of an era) ，這種思維風(fēng)格表征著那個(gè)時(shí)代人們感知并思考世界的方式。

因此，如果一方面我們發(fā)現(xiàn)人類活動越是全球化，其活動方式就越具多樣性（不僅在文化領(lǐng)域，而且在政治和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域：想想現(xiàn)在中國、俄羅斯和印度的政治和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式），而另一方面，我們也發(fā)現(xiàn)，對稱性越大或者取得的統(tǒng)一性覆蓋的領(lǐng)域越是巨大，人們就越想找到并總是發(fā)現(xiàn)更多的對稱性破缺（想想電弱理論和希格斯機(jī)制以及對希格斯粒子的搜尋）；那我們對科學(xué)和文化的其它部分之間的深層聯(lián)系也許能做出更為正確的評價(jià)。

確定了用全球化時(shí)代思維風(fēng)格作為評價(jià)愛因斯坦的依據(jù)之后，現(xiàn)在來討論愛因斯坦這個(gè)主要題目。

什么是愛因斯坦對物理學(xué)最重要最持久的貢獻(xiàn)？愛因斯坦對物理學(xué)做出了許多貢獻(xiàn)。這些貢獻(xiàn)是偉大的、革命性的，它們具有深刻的歷史意義。對此人們并無爭論。但是，他的大多數(shù)貢獻(xiàn)已經(jīng)隱人背景，很少有人會真的求助于愛因斯坦來指導(dǎo)自己的研究。當(dāng)然，馬丁·克萊因（Martin Klein）教授會爭辯，愛因斯坦的光量子觀念是偉大的和革命性的。可是海森堡、薛定諤和狄拉克又怎么樣呢？與此類似，愛因斯坦對原子存在的解決是偉大的。但是由創(chuàng)立量子色動力學(xué)（QCD, quantum chromodynamics）的那些人做出的有關(guān)夸克存在的類似解決又怎么樣呢？我的判斷是，如果愛因斯坦做出了所有其他的貢獻(xiàn)，但是沒有就對稱性和統(tǒng)一性進(jìn)行探討并取得某種成功，然后鼓吹這個(gè)探討由于目標(biāo)崇高而值得從事，那么愛因斯坦將不可能抓住20世紀(jì)以及迄今為止如此眾多偉大物理學(xué)家的想象力，不可能被看作是一位值得崇拜的科學(xué)偶像。

愛因斯坦最終采用彭加勒對稱性成功地統(tǒng)一了力學(xué)和電動力學(xué)；他還用一般協(xié)變性 (general covariance或diffeomorphism invariance) 這種更為廣闊的對稱性，成功地統(tǒng)一了慣性系和非慣性系。但是愛因斯坦卻不能統(tǒng)一引力和電磁力。對他而言，這是一個(gè)悲哀的故事甚至是悲劇：為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性的夢想，這個(gè)天才奉獻(xiàn)了他最后30年的時(shí)間和精力而沒有取得任何真正的成就。但他的想法在那兒。而這個(gè)想法激勵了其他人繼續(xù)前進(jìn)。楊振寧和米爾斯（Robert L. Mills）接過了火炬并舉著它繼續(xù)前進(jìn)。對統(tǒng)一性的追求進(jìn)人了一個(gè)新階段，標(biāo)準(zhǔn)模型的階段。標(biāo)準(zhǔn)模型令人驚嘆不已。但是沒有人知道怎樣使標(biāo)準(zhǔn)模型成為一個(gè)真正的統(tǒng)一理論。是的，弱相互作用和電磁相互作用可以用統(tǒng)一的方式進(jìn)行處理。但是怎樣才能使描述強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)和電弱理論統(tǒng)一起來昵？誰也不知道。隨后這火炬被弦理論家們，特別是愛德華·威滕（Edward Witten），接了過去。對統(tǒng)一性的英雄式的追求仍在繼續(xù)進(jìn)行，但是聲稱的進(jìn)展在我看來卻相當(dāng)可疑。

你可以說，部分成功也還是成功。但是我對這種追求有更嚴(yán)厲的批評。

首先，對統(tǒng)一性的任何探討，通常是通過探索越來越大的對稱性來進(jìn)行的?？墒侨绻麤]有相應(yīng)的對于對稱性破缺的探討，那么對于統(tǒng)一性的探討，在加深我們對物理世界的理解上，就只有非常有限的意義，雖然它可能為我們提供一些美麗的數(shù)學(xué)建構(gòu)。電弱理論的最令人信服和最美麗的方面之一是它的希格斯機(jī)制，沒有希格斯機(jī)制，我們將只有猜想而沒有物理理論。我說沒有物理理論指的是我們沒有任何理論手段來處理實(shí)驗(yàn)上可能得到的數(shù)據(jù)。

其次，統(tǒng)一性探討預(yù)設(shè)了并蘊(yùn)涵著還原論。還原性的追求值得尊重。沒有還原，在一個(gè)層次上發(fā)生的事情就不可能從更深層次上發(fā)生的事情來得到解釋。但是還原性的追求必須以背景知識（knowledge of the context）來補(bǔ)充。只有在特定的背景中，較低層次實(shí)體的行為才會導(dǎo)致較高層次上事件的出現(xiàn)。這些背景知識通常無法還原為只涉及較低層次實(shí)體行為的知識。相反，它通常與較低層次組分的特定結(jié)構(gòu)的整體特性有關(guān)。也就是說，如果沒有有關(guān)背景的整體知識的補(bǔ)充，僅有還原性知識，不足以對任何層次上的現(xiàn)象提供因果解釋。還原論更嚴(yán)重的問題在于“脫耦 (decoupling) ”所導(dǎo)致的關(guān)于較低層次的知識可能與較高層次的現(xiàn)象無關(guān)。在夸克膠子層次上發(fā)生的事情對化學(xué)層次上的現(xiàn)象極少或者根本沒有任何影響。在理解較高層次實(shí)體行為方面，脫耦觀點(diǎn)對還原性知識是否相關(guān)設(shè)置了嚴(yán)重的界限：這些較高層次實(shí)體的行為主要由其背景所規(guī)定。當(dāng)然，如果還原性知識能補(bǔ)充以有關(guān)較高層次實(shí)體于其中顯現(xiàn)的背景的整體知識的話，它對理解較高層次實(shí)體的構(gòu)成方面仍然有用。應(yīng)當(dāng)指出，脫耦并非與對稱性破缺無關(guān)。實(shí)際上，脫耦的邊界通常由引起對稱性破缺的粒子的質(zhì)量尺度所設(shè)定。

第三，還原和統(tǒng)一涉及不同的能量尺度。統(tǒng)一和還原的最有吸引力的特征之一是不同尺度間的物理學(xué)互有聯(lián)系。這種聯(lián)系甚至可以用數(shù)學(xué)上的重整化群來描述?？墒沁@里一個(gè)深層的問題出現(xiàn)了：一個(gè)尺度范圍內(nèi)的物理學(xué)通常不同于另一尺度范圍內(nèi)的物理學(xué)。因此重整化群描述的聯(lián)系本身，并不能用來避免理解物質(zhì)世界等級結(jié)構(gòu)的艱巨使命。而且，如果我們能夠沿著重整化群聯(lián)系的兩個(gè)方向任意移動的話，那么哪個(gè)尺度上的實(shí)體比其它尺度上的實(shí)體更基本就成為不可解決的問題。這一情況對還原論沒有好處。

所有這些都是發(fā)生在二十世紀(jì)后期高能物理學(xué)中的進(jìn)展。它們與愛因斯坦有何相干？回答如下。上述討論已經(jīng)明確地顯示了，愛因斯坦的概念資源非常有限。他的主要指導(dǎo)觀念是統(tǒng)一性和對稱性。除了只言片語和未經(jīng)斟酌的想法之外，愛因斯坦對于對稱性破缺缺乏深入的理解，至少沒有對它的重要性予以足夠的重視，可以肯定的是，他根本不知道怎樣去理解它，怎樣去發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)它的機(jī)制。當(dāng)然，這不是他的錯，這是他所處時(shí)代的局限。物理學(xué)當(dāng)時(shí)還沒有成熟到足以理解對稱性破缺的重要性并探索它的含義。盡管如此，上述討論足以表明，愛因斯坦的概念資源，甚至對于20世紀(jì)后期的高能物理學(xué)來說，也已經(jīng)難以敷用。類似的結(jié)論也能從（與背景知識、脫耦和重整化群相關(guān)聯(lián)的）還原論的局限性中推導(dǎo)出來。簡而言之，可以說愛因斯坦確實(shí)令人贊嘆，因?yàn)樗艚o我們一筆用對稱方法追求統(tǒng)一性的遺產(chǎn)；但是對一些前沿物理學(xué)家而言，愛因斯坦的遺產(chǎn)又顯然不夠用，因?yàn)樗诶斫獠町愋苑矫鏇]有提供任何指導(dǎo)：只有在對稱性破缺、脫耦和重整化群等觀念的引導(dǎo)下，人們才有可能理解差異性，而所有這些觀念，都在愛因斯坦的視野之外。

就（可能持續(xù)到2050年甚至超過2050年的）全球化時(shí)代思維風(fēng)格而言，我們可以說，愛因斯坦是全球化中同質(zhì)性而不是多樣性的文化象征。把這一點(diǎn)確定下來以后，人們就能夠根據(jù)自己的立場和偏好對愛因斯坦在2050年的地位給出自己的估計(jì)。愛因斯坦在2050年的地位，在很大程度上取決于全球化中同質(zhì)化勢力與多樣化勢力間的相對力量消長：因?yàn)檎沁@些勢力將制約人們的興趣，或者去追求統(tǒng)一性，或者去追求多樣化。

我們還可以用一種更為物理的方式，而不是根據(jù)宏大的時(shí)代思維風(fēng)格，來推測愛因斯坦在未來物理學(xué)中的地位。

首先應(yīng)當(dāng)指出，僅僅根據(jù)對稱性和統(tǒng)一性原理來概括愛因斯坦的成就，會造成誤導(dǎo)和錯覺。用這些原理來表述的所謂的愛因斯坦遺產(chǎn)，不過是二十世紀(jì)晚期一些高能物理學(xué)家的社會建構(gòu)。這些物理學(xué)家想借用愛因斯坦的威望，來為建造他們自己的萬物統(tǒng)一理論（unified theory of everything）這一目標(biāo)服務(wù)。而實(shí)際上，愛因斯坦在物理學(xué)方面的成就，主要來自他對作為一門經(jīng)驗(yàn)科學(xué)的物理學(xué)的進(jìn)展的回應(yīng)；這種回應(yīng)在某種程度上也表達(dá)為他對經(jīng)驗(yàn)主義認(rèn)識論的承諾。當(dāng)然，他想以一般概念來理解物理現(xiàn)象的內(nèi)在沖動，也在他發(fā)展自己獨(dú)特的理解方式時(shí)起了某種作用。不管怎樣，要是沒有電動力學(xué)的迅速發(fā)展，很難想象他如何能夠發(fā)展出光量子理論和狹義相對論。即使在廣義相對論這一所謂的愛因斯坦遺產(chǎn)的典型例子中，當(dāng)愛因斯坦及其許多跟隨者聲稱，毫無經(jīng)驗(yàn)輸入作為基礎(chǔ)，僅憑對普遍原理的純粹理性追求，就導(dǎo)致了廣義相對論的發(fā)現(xiàn)，這與實(shí)際情況卻并不相符。就其物理本質(zhì)而言，廣義相對論的真正成就，是通過把時(shí)空結(jié)構(gòu)看作物理力的表現(xiàn)，從而使時(shí)空結(jié)構(gòu)具有動態(tài)的特征。并且這種探討之所以可能，只是因?yàn)閻垡蛩固故艿搅艘晃唤艹龅奈锢韺W(xué)家和經(jīng)驗(yàn)主義哲學(xué)家恩斯特·馬赫（Ernst Mach）的引導(dǎo)。根據(jù)馬赫的想法，慣性并非空間本身的屬性，而是取決于物質(zhì)的分布。實(shí)際上，在廣義相對論早期，愛因斯坦自己就一再確認(rèn)，廣義相對論的精神之父是馬赫，并且馬赫本來可以在他之前幾十年就發(fā)現(xiàn)廣義相對論。馬赫對于對稱性沒有任何概念。他關(guān)心的只是物理力，而正是這種關(guān)心導(dǎo)致愛因斯坦將時(shí)空結(jié)構(gòu)引力化。

其次，在一個(gè)很強(qiáng)的意義上，我們可以斷言，愛因斯坦的思考仍然局限于牛頓力學(xué)的范式之中。這里我想說的是，他所考慮的主要還是空間、時(shí)間、力和場。當(dāng)然，當(dāng)他應(yīng)用（處理集體行為的）平衡和漲落觀念時(shí)，他也觸及到了熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)。但是，愛因斯坦并沒有認(rèn)真想要理解集體行為的機(jī)制，或者想要理解這些不受（支配集體中單個(gè)實(shí)體行為的）規(guī)律支配的集體行為（比如說熱漲落）的本性及其本體論地位。同樣的，盡管愛因斯坦對于闡明量子物理學(xué)的特殊統(tǒng)計(jì)本性做出了重要貢獻(xiàn)，并且他本人的名字就與一種特殊的量子統(tǒng)計(jì)（玻色一愛因斯坦統(tǒng)計(jì)）緊密地連接在一起，但是他本人在理論上的承諾，卻仍然是使用牛頓力學(xué)這種經(jīng)典物理的語言來描述物理現(xiàn)象。

因此，從物理概念上講，愛因斯坦并沒有給理解量子物理中很小的基本實(shí)體的行為的性質(zhì)和規(guī)律留下任何遺產(chǎn)。另一方面，他也沒有為理解（不管是否具有量子本性的）復(fù)雜性結(jié)構(gòu)如何從單個(gè)實(shí)體的集體行為中突現(xiàn)出來留下任何遺產(chǎn)。愛因斯坦留給我們的，實(shí)際上只是一種更為精致的（處理空間、時(shí)間、力、場和決定論性單個(gè)實(shí)體的）牛頓框架而已。

考慮到當(dāng)今活躍在前沿研究的物理學(xué)家的關(guān)注（對稱性破缺，復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的突現(xiàn)，等等），并假定這些關(guān)注不會因?yàn)檫€原論的另一次成功（例如成功地把量子力學(xué)還原到經(jīng)典力學(xué)，或者把復(fù)雜性結(jié)構(gòu)完全還原為單個(gè)實(shí)體行為的結(jié)果）而消失，那么可以相當(dāng)有把握地預(yù)期，到2050年，愛因斯坦將在物理學(xué)上隱人背景，而不再是理論物理學(xué)和物理學(xué)前沿上的超級英雄。當(dāng)然，愛因斯坦在物理學(xué)上肯定還會是一名英雄，就像開普勒、伽利略或者牛頓在物理學(xué)上仍然是第一流的英雄一樣，但到那時(shí)，愛因斯坦不大可能再是像楊振寧或者威滕所斷言的那樣，繼續(xù)為物理學(xué)的基本研究提供指導(dǎo)精神。

在聯(lián)合國提議為物理年并且其象征人物當(dāng)然是愛因斯坦的今年，我非當(dāng)不愿意在這次把愛因斯坦當(dāng)作英雄來崇拜的大會上，對愛因斯坦做出這樣冒犯的預(yù)言。但是我從理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）的一個(gè)評論中得到了鼓勵。當(dāng)費(fèi)曼有一次也處于為將來做預(yù)言的相似情形時(shí)，他說過，預(yù)言未來實(shí)際上并不像實(shí)證主義者所設(shè)想的那么危險(xiǎn)。這些實(shí)證主義者爭辯說，你的預(yù)言不可能得到確證。但實(shí)際上，如果你記得卡爾·波普爾 (Karl Popper) 的教導(dǎo)的話，你會覺得非常安全。如果你的預(yù)言涉及遙遠(yuǎn)的將來，那你的聽眾里將沒有任何人能夠證偽你的預(yù)言。或許，2050年遙遠(yuǎn)得足以使在座的任何人都無法證偽我的預(yù)言。謝謝！

本文原載于《科學(xué)文化評論》2005年第6期。

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