科学中的革命-第48部分

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一个电磁学的问题”。对普朗克来说、“在任何时候，这都将是人类理智的努力的最伟大的凯旋”之一。　　　　
　　海因利希·赫兹的贡献　　　　
　　因而这里是一个检验——不仅要看看电磁波是否可以产生出来，而且要弄清楚它们是否有光的速度。这样，我们就可以理解海因利希·赫兹在直到1888年的那些岁月里所进行的一系列实验的重要性；他的这些实验最终证实了麦克斯韦理论的预言。赫兹不仅生产出了电磁波，并且（通过测量已知频率的驻波的波长）发现广电磁波的速度；他通过实验表明，这些电磁波在反射、折射和极化等特点方面与光相似，而且，它们是可以被聚焦的。赫兹本人把这一理论看作是“麦克斯韦在法拉第观点的基础上创立的并且我们称其为法拉第…麦克斯韦理论的一种理论”（1893，19）。　　　　
　　赫兹的贡献并不仅仅是计划并实施了一个机敏的实验，虽然这个实验的成就是巨大的。他还表明，他的实验作为“对一个假定的远距离活动的有限传播的第一个证明”是多么重要。（麦科马克，1972，345）。因此，他的实验的作用在于使物理学家们关于电磁学的观点实现了从“远距离的瞬间活动”向“麦克斯韦关于电磁过程是在电介体中发生的，以及一种电磁以太包含着比较古老的发光的以太的功能的看法”的根本转变（同上）。但是，要完成这一革命，赫兹还必须清楚地阐明，“当物理学家们自称麦克斯韦的追随者时”，“他们所赞成的是什么理论”。（关于这一点，可参见麦科马克在第346页上所作的精彩概括，尤其是关于赫兹对麦克斯韦的“向量电势”的论述的探讨。）最后，他除去了这一理论的某些“不必要地使形式主义复杂化”的物理学的特点（1893，21），并且（在他的《电波》一作的导言中）断言，“麦克斯韦的理论”不过是“麦克斯韦的方程式体系”。由于对麦克斯韦理论的接受，尤其是在欧洲大陆对这一理论的采纳，都是遵循赫兹提出的思路，所以我们就可以理解，为什么爱因斯坦和其他一些人在讨论这场革命时把赫兹的大名也包括在内。　　　　
　　由于许多原因，麦克斯韦的理论是难以接受和理解的。第一，它在概念上是创新的，拥有诸如“位移电流”这样一些激进的概念。第二，麦克斯卡不只是把这一理论看作是对新的原理的数学上的精炼或推敲，而且也是根据物理学的型式提出来的。首先，这些新的原理体现在诸如嵌齿轮和滑车等机械装置中；他的真诚的追慕者格莱兹布鲁克禁不住把一个“多少有些粗俗的看法”引入到这些装置之中（1896，166），尽管他确实强调这些装置对于它们的创造者来说只是“一个型式”。麦克斯韦从未完全放弃旋转的电子管和以太的涡旋。在他的《电和磁》中（2：&；amp；831；1881，2：428），他写道，“磁力是涡旋的离心力的作用”，而“电动势”则是“加于起联结作用的结构的应力”的结果。法国数学家亨利·彭加勒对于麦克斯韦的理论持有鲜明的态度（见下文）。他禁不住介绍了一本书，即《麦克斯韦理论和光的电磁理论讲演录》（1890，V），目的在于表明，当“一位法国读者第一次打开麦克斯韦的书的时候”，一种不安甚至通常是疑惑的感觉如何与他的赞美交织在一起。在另一部著作（1899；英译本1904，2）中，彭加勒承认，麦克斯韦归之于以太的“复杂结构”“使他的体系古怪而又枯燥乏味”。彭加勒认为，事实上，人们“似乎是在阅读对有传动装置、有传导运动并且在作用力之下弯曲的拉杆，有轮子、传动带和节速器的工场的描述”。而且，彭加勒认为，它体现了“英国人对这种概念的偏好；这些概念的出现正是迎合了英国人的心意”。但是，他也注意到，麦克斯韦本人“首先放弃了他自己的离奇的理论”，而且，“它并不是出现在他的完整著作中”。这里所说的“完整著作”可能是指麦克斯韦的那一系列论文。彭加勒立刻补充说，我们决不能懊恼“麦克斯韦的智慧追寻了这一僻径，因为它因此导致了最重要的发现”，而且彭加勒坚持认为（p．12）“麦克斯韦著作中永恒的要素”在于这样一个事：“它独立于一切特殊的解释”。　　　　
　　赫兹在德国伟大的物理学家亥姆霍兹的建议下所进行的实验证实了麦克斯韦的预言。在欧洲大陆，尤其是在德国，（高斯，韦伯等人）倾向于——正如普朗克所解释的（普朗克，1931，58…59）——“根据位势理论——这是高斯从牛顿的远距离作用的定律为静电磁场推演出来的，而且由此产生了很高的数学成就”——专门探求“电动力学的成就”。法拉第…麦克斯韦关于不存在任何这样的“直接的远距离作用”以及力场具有“一种独立的物理实在”的见解，是如此令人不可思议和如此难以理解，以致普朗克认为，这种新的理论“在德国找不到任何立足点，而月．甚至几乎引不起人们的注意”。亥姆霍兹提出了他自己的一种理论，在这种理论中，他试图保持瞬时作用的程式，而且仍然包含着麦克斯韦的方程式。他鼓励赫兹进行实验，不仅是为了发现电磁波是否存在或是否能够被产出（因为这两者都是他的理论和麦克斯韦的理论所需要的），而且是为了在两种不同看法之间作出选择，因为这两种看法都导致了关于电磁波的物理特性的非常困难的预言。（关于亥姆霍兹与麦克斯韦之间理论差别的简洁说明，请参见特纳1972，251—252。）　　　　
　　在关于“麦克斯韦的理论和赫兹的动摇”的一部通俗的——也就是说，非数学的——著作（1899；英译本，19O4，第7章）中，彭加勒解释了赫兹的实验如何在麦克斯韦的理论与它的对手之间提出了“实验难题”。这两种理论都一致同意许多被证实的预言（例如，电干扰沿一导线传播的速度与光速相同，电磁干扰通过空间传导），它们就这些作用在空间中传播的时间则有不同意见。假若不存在麦克斯韦的“位移电流”，那么传播就应当是瞬间的。但是，根据麦克斯韦的理论，在空气或真空中的传播速度，应当与沿导线传播的速度为同一速度——也就是说，它应当与光速相同。因此．彭加勒提出了这样一个问题：“因而，这里是一个实验难题：我们必须测定，电磁干扰以什么速度依靠感应通过空气传播。如果这个速度是无穷大的，那么我们就必须遵循旧的理论；假如它与光速相等，那我们就必须接受麦克斯韦的理论。”赫兹最初的实验并没有提供一个容易的答案。实验的结果“似乎无可否认地驳斥了旧的电动力学理论”，但是，“又似乎谴责了麦克斯韦的理论”。在1899年的著作中，彭加勒说，“这个失败仍然不能获得令人满意的解释”。他推测，赫兹用了一面“对于波长来说过于小的”反射镜，所以，“折射反而扰乱了所观察的现象”。无论怎样，后来的实验（首先是萨拉森和德拉里夫进行的实验）无可辩驳地证明，麦克斯韦的理论是正确的。这标志着以远距离瞬时作用为基础的理论的终结，并且表明，人们开始普遍接受麦克斯韦范式中场的理论，以及与光速相等的有限的传播速度。因此，法拉第…麦克斯韦理论上的革命转变成为法拉第…麦克斯韦…赫兹科学中的革命。　　　　
　　对这次革命的证明　　　　
　　在1888年，赫兹把他关于电波的实验的最后结果通知了亥姆霍兹。在这一年所作的一个演讲中，亥姆霍兹（1907，3）谈到“法拉第…麦克斯韦的思想”在理论物理学（“以太的理论物理学”）中所引起的一场“完全的革命”（eine　vollstandige　Umwalzung）。然后，亥姆霍兹（p。4）用类似库恩的语言，讨论了电学理论很可能要首先经历的“危机”（“eine　Krisis，die　erst　durchgemacht　werden　muss”）。但是，亥姆霍兹所说的“危机”和“革命”与库恩所说的“危机”和“革命”之间的区别在于，亥姆霍兹似乎已经看到了从“革命”中出现的“危机”，而且所处的条件也与从前不同了。　　　　
　　关于“革命”的一个比较谨严的表述见于1894年奥古斯特·福普尔的教科书《麦克斯韦电学理论入门》。爱因斯坦在苏黎世做学生时，正是从这本教科书中学到了麦克斯韦的理论。（霍尔顿在1973年的著作中（205－212）对福普尔在爱因斯坦思想发展中的重要作用作了探讨。）在该教科书的序言中，福普尔强调赫兹如何不仅证明了电磁波的存在（和速度），而且在理论上确立了一个“转折点”，它强有力地使物理学家们摆脱了以远距离作用量为基础的（韦伯和其他人的）旧理论。赫兹的发现使“舆论产生了转变”（“Umschwung　der　Meinungen”），导致了“舆论的逆转”＇即颠倒；而且可能是一场革命性的变革］（iii，iv）。　　　　
　　不久，法国哲学家、科学家皮埃尔·迪昂也提出了类似的看法。迪昂的探讨是更为有趣的，因为，他不仅是一位著名的科学家和卓越的哲学家，而且还是一位知名的科学史学家。他声称他的著作对麦克斯韦的电理论进行了“历史的和批判的研究”。在描述麦克斯韦著作的影响时，迪昂（1902，5）接连用了两个术语：‘bouleverser’（使动荡，使震惊）和‘revolution’（革命）——这正是我们在后来恩格斯《反杜林论》法文版中由德文‘Umwalzung’（革命）迻译过来的相同的两个词。迪昂直率地说，“这场革命是一位苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦努力的结果”（1902，5）。在一段关于历史的题外话中，迪昂特别指出，“麦克斯韦推翻了理论物理学据以发展的自然秩序；但是，在他的有生之年，他没有未得及看见赫兹的发现使他的大胆假设转变成为一个先知者的预言”（p。8）。在对麦克斯韦的第一篇论文的讨论中，迪昂比较了电现象与一种流体在阻抗介质中的运动。与此同时，他发现，麦克斯韦的语言似乎表明，“使物理学的这一学科革命化”根本就不是“他的意图”（p．55）。迪昂还高度赞扬路德维希·玻尔兹曼在1891年和1893年发表的著作。在这些著作（论文）中，玻尔兹曼试图“用全新的概念，建构一个在其中可以合乎逻辑地把麦克斯韦的方程式联系在一起的体系”，而且迪昂认为，这个体系是排除在麦克斯韦本人提出他的不同方程式的过程中的一个主要问题的途径。迪昂发现，在麦克斯韦的那一系列方程式中，充满“矛盾和谬误”（pp．223－224）。　　　　
　　在迪昂讨论麦克斯韦和革命一年之后，约翰·西奥多·默茨出版了其《19世纪欧洲思想史》的第2卷（1903年）。在这一卷中，他把麦克斯韦关于电磁理论的论文看作是一套“革命的丛书”，并且指出，“麦克斯韦的思想对科学的——不但如此，甚至公众的——思想的发展产生了相当大的影响”（pp．77－78，88）。　　　　
　　我已经提到爱因斯坦连续用革命的术语谈论麦克斯韦。在1920年的一次谈话中（莫斯科夫斯基1921，60），爱因斯坦对麦克斯韦的革命作了如下概括：　　　　
　　经典力学把所有电的和力学的现象归之为粒子相互间的直接作用，而不考虑它们彼此间的距离。对这种最简单的定律牛顿是这样表述的：“引力等于质量的乘积除以距离的平方”（引力与两物质粒子的质量乘积成正比，而与它们之间距离的平方成反比）。与此截然不同，法拉第和麦克斯韦引入了一种全新的物理实在，即力场。这些新的实在的引入，给予我们以极大的助益，以致于与我们的日常经验相违背的远距离作用的概念首先变得不必要了，因为，场从一个点到另一个点附着于整个空间之中，没有任何中断或间隔。其次，场的定律，尤其是就电而言，呈现为一种比在不设想任何场的存在的条件下要简单得多的形式，而且只有质量和运动才被看作是实在。　　　　
　　在他的“自传笔记”中（希尔1949，32－33），爱因斯坦详尽阐述了这个主题：　　　　
　　在我的学生时代，最迷人的主题就是麦克斯韦的理论。由远距离的力向作为基本的量值（参量）的场的转变使它看来好像是一种革命的理论。把光学结合到电磁理论之中，这一理论所确立的光速与绝对静电和电磁单位系统之间的联系，折射指数与介电常数的联系，以及一个物体的反射率和金属传导率之间的质的联系——它就像是一个天启。　　　　
　　在赫兹用实验证实电磁波的预言大约半个世纪以后，爱因斯坦对一场麦克斯韦革命的感觉敏锐的评价，在卡尔·波普尔对科学革命的清晰而鲜明的概括中又重新得到表述（1975，89）。他说，“法拉第和麦克斯韦的革命，从一种科学的观点看，正像哥白尼的革命一样伟大”，因为“它推翻了牛顿的主要教条——向心力的教条”。　　　　
　　许多评论家指出，麦克斯韦的理论在英国比在欧洲大陆获得了更普遍的支持。但是，仍然存在不同意见。开尔文勋爵就是其中之一。在1884年于约翰斯·霍普金斯大学所作的《巴尔的摩讲演》中，他直率地说：“如果我知道什么是光的电磁理论，那么，我也许就能够联系光的波理论的基本原理来思考它”。此外，“我也许可以说，在我看来，关于它的一个似乎可以理解的唯一正合需要的东西，我认为是不可接受的”。在分析1875年到1908年间英国的状况时，阿瑟·舒斯特爵士说，在英国，没有人进行实验以证实麦克斯韦的预言，因为“我们也许过于自信麦克斯韦的看法固有的真理和单纯”。既然我们“考虑到支持电磁理论的间接证据，所以认为不值得进行一个‘广泛展开的实验研究”’，那么，为什么还要进行这样一个“肯定将占用和耗费大量时间和劳动”的实验研究呢？实际上，进行这样一个实验似乎并无多大意义，因为看来显而易见的是，实验的“结果”将是“一个定论”。但是，舒斯特说，卡文迪什实验室的年