《爱因斯坦奇迹年——改变物理学面貌的五篇论文》序

    爱因斯坦同量子物理学的关系有若干值得注意的方面,它们几近自相矛盾。在这些表观的矛盾中,最早或许最引人注目的是如下事实:爱因斯坦最初关于量子现象的革命性论文(论文5)和关于相对论的革命性论文(论文3),似乎是从关于麦克斯韦电磁理论对光的解释中所处的地位的互相矛盾的立场出发的。在论文5中,爱因斯坦明确拒绝麦克斯韦方程组足以说明光的行为(作为电磁场中的波)的观点,而且他提出一个模型,其中光的行为犹如小的粒子。然而,在(后一篇)论文3中,他创立了狭义相对论,其出发点是麦克斯韦的理论确实代表了基本的真理,爱因斯坦建构的相对论特别设计得使麦克斯韦方程组保持完整无损。在论文5中,爱因斯坦提出一种与麦克斯韦理论相冲突的光的“粒子”观,但甚至在论文的开端,他依然评论后者的光的(波动)理论说,它“很可能永远不会被别的理论所取代”。当人们考虑到作为一位物理学家的爱因斯坦的不可思议的力量来自他对自然界运作的直接的物理洞察时,这种表观的矛盾就更加令人惊讶了。人们很可以设想某个水平较低的人物“试用”一个模型,然后又用另一个模型(正如今天的物理学家常做的那样),而对这两种拟议观点间的矛盾并不真正关心,因为他对两种观点均无特殊的坚定信念。但对爱因斯坦来说,事情就完全不同了。他对自然界在其他物理学家不易理解的层次上“实际如何”有很清晰和深刻的想法。
    确实,他领悟自然界实在的能力是他的一项特长。在我看来,实际上很难设想对于他在同一年发表的两篇论文中所依据的对自然界的假设性观点,他会认为是彼此矛盾的。恰好相反,他必定认为(结果也正是如此),在“更深的层次”上,在麦克斯韦波动理论的精确性——甚至“真实性”——和他在论文5中提出的另一种“量子”粒子观之间并没有真正的矛盾。
    人们会想起——大约300年前——牛顿冥思苦想的基本上相同的问题,在那里他提出一个将波动观和粒子观混杂的奇怪观点,以便说明光的行为相互冲突的方面。在牛顿的场合,如果人们采取牛顿希望保留相对性原理的(合理的)观点,那就有可能理解他为什么顽固地坚持粒子的图像。但只有当所说的相对性原理是伽利略(和牛顿)的,这个论据才能成立。
    在爱因斯坦的场合,这样一个论据不再成立,理由是他明确提出了不同于伽利略的相对性原理,而根据这种相对性原理,麦克斯韦的波动理论可以完整地继续存在。因此有必要作更深入的考察,找到爱因斯坦非常相信下述观点的深刻理由,即虽然麦克斯韦的光的波动图像在某种意义上是“真实的”——这在1905年已充分确立了,然而需要把它改变成某种不同的东西,它在某些方面,回到了三个世纪以前牛顿的“波—粒”杂交图像。
    引导爱因斯坦的重要影响之一,似乎是他认识到组成有质体的粒子的分立性同麦克斯韦场的连续性之间的冲突。爱因斯坦1905年的论文具体宣示了他心中牢记着的这种冲突。在论文1和论文2中,他直接关注演示流体分子和其他小粒子的本性,即物质的“原子”性确实是十分显著的。在这些论文中,他显示他本人是精通所需物理、统计技巧的大师。在论文5中,他运用这种非凡的专长,以同样的方式处理电磁场,从而说明了仅用麦克斯韦关于光的观点不能获得的效应。确实,爱因斯坦弄明白了,经典方法的问题是,连续场和分立粒子共存,彼此相互作用的图像实际上没有物理意义。因此,他首先向今天的量子论观点迈出了重要的一步,即粒子确实必须有波的属性,而场必须有粒子的属性。对量子图像作适当的考察,粒子和波实际上原来是同一种东西。
    问题在于经常引起另一种表观的悖论:为什么在理解量子现象方面爱因斯坦起初与同时代人相比处于如此领先的优势地位,而在量子论的随后发展中他却落后于他们?确实,当量子论采取在20世纪20年代最终出现的形式时,爱因斯坦甚至从未接受过这种量子论。许多人可能认为,爱因斯坦是受他“过时的”实在论的观点阻碍,而尤其如玻尔之所以能向前推进则恰恰是因为他否认在分子、原子和基本粒子这样的量子水平上这类东西真正作为“物理实在”而存在。可是,很清楚,爱因斯坦在1905年能够作出这些根本性的进展,主要取决于坚信在分子和亚分子层次上物理实体的实际实在性。这些重要倾向在本书的五篇论文中显得特别明显。
    是否真如玻尔的追随者认为的那样,在任何重要的意义上爱因斯坦都犯了深刻的“错误”?我不认为如此。我自己就坚决地站在爱因斯坦一边,相信亚微观粒子的实在性,相信今天的量子力学基本上是不完备的。我也主张,关于这种实在性的本质的一些关键性见识尚有待发现,这只有通过深刻分析量子论的基本原理和爱因斯坦自己的广义相对论的基本原理间的表观冲突才能最终显现。在我看来,只有掌握了这些见识,并加以适当运用,支配微观世界的量子论定律同支配宏观世界的广义相对论定律之间带有根本性的紧张关系才能得以解决。
    怎样才能成功地实现这种解决?只有时间,而且,我相信,一场新的革命将会作出回答——或许是另一个奇迹年!
                                                   1997年12月 

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