书城传记破解电磁场奥秘的天才:麦克斯韦
19741300000043

第43章 麦克斯韦的科学、哲学遗产和20世纪物理学革命(4)

“但是,因为我们不能区分开一种时间的量和另一种时间的量。我们只能用其中发生的事件来证明它们。对空间也是如此,因为它与物体占据的地方相关,我们只能根据某一事件来描述这一事件的时间,根据这一物体占据的空间来描述物体的位置,因而,我们的一切知识包括时空,在本质上都是相对的……“

在这个问题上,我们的整个进步可以看成是一切物理现象相对学说的逐渐发展。位置是相对的,因为我们不能在不谈到它与别的东西的关系时谈位置。关于运动和静止的语言都不能完全地排除它们绝对可衡量的观念。但在我们的日常语言中,我们总是认为地球是不动的。

“在空间里没有界碑,空间的任何部分都是一样的,因而我们不能说我们在哪里,我们可以说,现在在海上。但如果没有星座,没有指南针,没有风,没有潮,就不能说出我们在向什么方向航行。我们可以计算出某个物体与它相邻物体之间距离的数字,但我们不知道这些物体在空间中是如何运动的。”

麦克斯韦这些议论是极其精辟深刻的,他好像思考过爱因斯坦思考的问题。

爱因斯坦早期并没有明晰地表述相对论原理,但麦克斯韦靠他的基督教信仰曾这样讲了这种相对性:

“当一个人获得了组字习惯的时候,他不会自找麻烦地形成与它们对应的思想。对他来说,形成一个相对知识和所谓的绝对知识之间的对立,能指出我们对一个点(作为我们才能界限的例子)的绝对位置的无知,任何人只要他设想一下意识到一个点的绝对位置的心理状态,总会满意于我们的相对位置。”麦克斯韦实际是站在基督教神学的立场上论述了相对论的原理:上帝造了万物和人类,并把万物和每个人都安排在它最合适的位置上。任何一个人都应满足于自己在世界上所处的地位,因为这是上帝的安排。神学与科学殊途同归了。

不过,麦克斯韦又把他的电磁方程放在以太中,对此,他又是矛盾不定的,他似乎相信自己方程的永恒性,但他又不认识这种不变性必须自动扩大到以太才行。他的惟一目的是使电磁场服从他的方程,他似乎不相信“相对运动也可以发现以太不能提供绝对的参照系”。

“静止与运动,没有科学的含义,如果指的是相对运动的话,它可以指任何东西;如果它指绝对运动的话,它只能指空间中某种固定的媒体。”

在当时,关于以太,有两种不同的理论观点,即弗瑞奈的和斯托克斯的。弗瑞奈看到光是横波,因而他设想以太是一种刚体,但若如此,就会出现这样一个问题:那又如何解释地球在以太中自由自在、毫无阻碍地运动呢?为了解决这个矛盾,他又设想以太能像水那样流动。斯托克斯设想以太是一种有黏滞性的流体,但由于光的振动频率很高,它又好像是固体。由于地球运动的速度很慢,所以地球又能推开它前进。

1864年麦克斯韦说他建造了可以用来检验这两种以太理论的模型。在斯托克斯的理论中,地球表面的以太事实上是静止的,而弗瑞奈的以太则是运动的。麦克斯韦的实验失败了。于是他又转向天文学。但又失败了。这个问题最后由爱因斯坦解决了。爱因斯坦说,“应当忘记以太,所有的运动都是相对的,光速是绝对的,不变的”。从这里,他引出了(狭义相对论)又过了20年,爱因斯坦又提出了广义相对论——即对引力所作的系统的相对主义的解释。他成功的关键是把牛顿的运动定律等同于他引力定律中质量的观念,这二者之间似乎没有必然的联系。爱因斯坦之前的物理学家们也已注意到这两种类型质量的不必然的同一。

麦克斯韦在他的《物质与运动》中充分研究了这个观点,认为质量是一种动力学上的量,被牛顿的运动定律来限定。

麦克斯韦还发现引力的一个惊人的事实,即,在相同的距离上引力等同地作用于所有物质的等同的质量。他发现了这里有矛盾,但没有解决它,正是爱因斯坦的工作把他的这种观察转化成了瑰丽辉煌的理论。

广义相对论、量子力学、相对主义的量子场论…成为一个系统的数学综合,都用局域性的微分场方程的综合来表述。这种数学语言的运用是20世纪物理学的标志,是把数学介绍进物理学的系统性步骤。在这些方面,麦克斯韦的成就是最大的,不愧为20世纪物理革命的先驱者。

这正如爱因斯坦讲的那样:

“正是麦克斯韦理解了场概念的重要性,他做出了基本的伟大发现——电动力学的法则应当用电磁场微分方程来表达。”

这又导致了光的电磁理论,这是物理学统一的又一伟大成就。

“关于场的时空法则的建立是由麦克斯韦完成的,请设想一下当他提出的微分方程向他证明,电磁场以光的速度在一切形式的偏振波中传播时他的心情吧!在我们这个世界上,恐怕没有人能有他那种感受吧?”

从爱因斯坦以上的话中我们可以看到,麦克斯韦是经典物理学的完成者,但他所探讨的问题又远远超出了经典物理学的范围,远远超出了他那个时代,所以我们说他是20世纪物理革命的先驱者。

另外,麦克斯韦对自然哲学(理论物理学)的探索在人类认识自然与人的关系上同样具有革命性的和划时代的意义。比如,他认为,科学家不能认为科学有一个稳固的基础,科学知识是不断变化的,真理是一个认识的过程……科学应该重视实验的作用,但科学家的想像力更为重要;他强调了数学在科学探索中的重要作用,但数学又是人类理性的自由创造是超感性的,因而他十分强调科学家的主观能动性和大胆创新精神。立足于实验和实践,但又充分发挥人的想像力、创造力,人就会越来越接近对实在的正确完美认识。注意,这里讲的是接近。麦克斯韦告诉我们,企图完全了解自然只是一种妄想,“大自然、宇宙不是透明的”,作为人,不应当有“完全认识自然的奢望”,重要的是,人要与大全融合为一。

“不害怕科学有一个不稳固的基础,反对科学有一个凝固的复杂的基础”,麦克斯韦提出的这种科学哲学观已被当代的科学发展所证实。今天已经出现了一种全新的科学世界观,我们可以把称之为整体论的世界观——把世界看成是一个有机的整体,而非部分的组合;生态学的世界观——在自然过程中,一切现象都是相互依赖的,众生平等,没有贵族与平民。从终极的意义上讲,这种生态意识是人类精神的自我意识——个人是与大宇宙不能分开的,人只有与大自然和谐相处,才会过上真正人的生活。在卡普拉看来,20世纪,正在形成中的新的科学世界观的特点有以下5个:

第一,在科学中,历来都存在整体与部分之间的关系。经典力学的观点是:在任何复杂的系统中,整体的动力学可以从构成它的诸部分的性质来理解。一旦你认识了部分的构成与性质以及它们之间的相互作用,原则上就可以演绎出整体的动力学。

这就是说,为了理解复杂的系统,就必须把它们分解成部分(原子论),但这些部分自身是不能作进一步解释的,除非把它们分成更小的部分。不过,你只要想把这个过程继续下去,你就只能最后得出存在着构成宇宙之砖的结论:分子、原子、粒子,这些砖的性质是不能解释的。从这些宇宙之砖和它们之间的相互作用的基本规律出发,你就会构造出一个更大的整体,并根据其组成部分的性质解释其动力学性质。古希腊的德谟克利特就是这样的。牛顿、笛卡尔只不过是把这个过程形式化了。一直到20世纪,这都被公认为是科学的观点。