《物理學的進化》，[美]阿爾伯特·愛因斯坦、[波]利奧波德·英費爾德著，周肇威譯，光大·見識城邦2019年3月出版，304頁，48.00元
愛因斯坦和英費爾德專著的這本書，在我的書柜上早已半個多世紀。由于學理論化學，愛因斯坦的書自然是看見就買，在那時期我還買了愛因斯坦的《狹義與廣義相對論概說》，也是屬于面向通常讀者的，也稱“科普讀物”。前者比后者講得稍為深入一點，給出了一些簡單的公式。
《物理學的進化》、《狹義與廣義相對論概說》
與愛因斯坦合寫《物理學的進化》這本書的英費尓德，他的名子我在胡寧的《電動熱學》中讀到過。他與玻恩（M.Born，量子熱學創始人之一）合作研究怎樣更改電動熱學的麥克斯韋多項式，以描述電子的精典結構，被稱之為Born-模型或Born-理論。這是1933-1934年在劍橋卡文迪什時的事，當時他還與玻恩鬧了一點小小的誤解和不愉快，但此次合作的結果使他在數學學中留名。他在數學學中留下刀痕的，還有1937-1938年在澳大利亞斯坦福與愛因斯坦合作，研究用廣義相對論描述恒星運動的--多項式，以及1950年從紐約雜波蘭后，于1953年做的求解量子熱學薛定諤多項式的-Hull因式分解。他是二次大戰后知名的羅素-愛因斯坦宣言十一位簽名者中惟一沒有獲得諾獎的。而在我的記憶中，還有一個模糊的印象，就是愛因斯坦與他合寫這本書，是為了幫他降低一點收入，如同霍金寫《時間導論》等科普讀物，是為了賺點錢一樣。他身為猶太人，那時先是離開激烈動亂的歐陸到了英倫，接著又離開大戰前夕的法國到了北美，謀生不易。并且我記憶中的這個印象從何而至，早已難以說清，很可能是莫須有的張冠李戴。下邊是他1938年在澳大利亞的相片，取自。
(1898-1968)
我初讀《物理學的進化》，還是在念研究生的時侯。1956年我進清華時，數學系分化學和氣象兩個專業。那時向科學挺進，學制改成兩年，又是學習蘇俄，學科界定很細，數學專業分成光學、磁學、金屬、理論、地球、電子、無線電、半導體等八個專門化。我在七年級分到理論化學專門化，接著學制改成十年，學了許多原先屬于理論化學研究生的課程。記得量子場論和廣義相對論這兩門課，就是五、六年級時胡寧先生給我們講的，而周光召先生也在那時給我們講過量子場論中的泛函剖析課。所以到研究生時，自我覺得是所有基本和重要的理論化學都學過了，只有有新東西的學術論文才要花時間仔細看，通常的書都看得很快。當時看一本Pines寫的固體理論方面很專業的書，只用了三天的時間。那時怎么讀這本《物理學的進化》，我已毫無印象。似乎也就是大致翻翻快速瀏覽了一遍，認為都是數學常識，沒有哪些新的數學，隨手就放下了，自此再也沒有拿上去翻過。
記得楊振寧先生說過，有些書是始終置于書柜上從來不去動的。不過愛因斯坦的書，是我永遠看重和典藏的。后來“文革”中我去陜北榆林，“文革”戛然中止后又遷回南京，隨后多次搬遷，以及退職和歸國后的搬家，都要輕裝減負。非常是去西安那次，我以為自此與化學無緣，處理和扔掉了很多心愛的書。并且愛因斯坦的書我舍不得，只是把一本《相對論的意義》送了人，可是還是由于我還有這本書的中文版Theof。后面的圖片，就是跟著我去過延安仍然典藏了半個多世紀的兩本愛因斯坦的書。其實也還有下邊的這本，它如今早已成了母親留給我的記念。
Theof
成為精典的專著，是永遠不會過時的，每一代人都須要。于是經過了幾代人的時間，五十七年過去，光大出版集團又把這本《物理學的進化》精心編輯重新出版，以滿足當代讀者的急切須要，促使我也有了機會再來閱讀。
這不是或，而是
你若果檢測了某種晶體的結構，或則研究了它的磁性，可以寫成論文領到有關的專門大會上發表，大會的組織者會編輯出版選集，這稱為，一般譯為“進展”。而某一專門領域，例如說核化學物理學的進化內容概述，會請有關的專家來總結概括一段時間以來的發展，隔一段時間就寫出專門的述評，這稱為，如Thein。有的發展重要而影響深遠，包含了思維觀念的改變，例如狹義相對論、廣義相對論和量子熱學，這就稱之為，即改革或革命。楊振寧先生說，這是二十世紀數學學的三大革命。而在歷史發展的整個進程中，數學學的歷次改革所包含的基本觀念和思維方法在形態上的發展和變遷，就是數學學的，即演變或進化。從時間和影響來說，限于近來一三年，涉及最近幾年十幾年，重大的可以幾六年，而則涉及整個數學學歷史的三百多年。愛因斯坦和英費爾德合寫的這本《物理學的進化》，原文Theof，所談的就是整個數學學三百多年來的進化和變遷。
看一本，關注的主要是這個領域近日有什么新的發覺和創造，獲取新的知識。讀一部專門的，關注的主要是這個領域在一段時間以來的總體形勢和前沿與熱點，做到心里有數。而這數學學的演進，，對我們來說重要的就不是新鮮的知識或發展的態勢，而是提高觀點擴寬眼界掌握歷史脈絡的經驗與教訓。所以，在讀這本《物理學的進化》時，要注意和記住這不是或，而是，閱讀的方式和視角要掌握好。其實，內行看貓膩，外行看熱鬧，各取所需，只要認真的讀就會有收獲。而對于愛因斯坦和英費爾德設定的讀者，即盡管完全缺少化學學和物理的實際知識，而且卻具有很強的理解能力，并對化學學和哲學的觀念很感興趣，則是一定會有巨大的收獲的。
化學學的開端
談化學學的進化，其實要從數學學的開頭說起。數學學從哪些時侯算起？愛因斯坦和英費爾德說從伽利略算起。這早已是一個常識。而且，早在兩千多年前，亞理斯多德就寫過一部《物理學》了，沒準“物理學”這個名稱就是他首先使用的呢。為何不從亞理斯多德算起，為何法國人不爭這個優先權？連我們都有人說早在《墨經》里就有光學了嘛！愛因斯坦和英費爾德早已為我們想到這個問題了，所以她們一開篇就說：伽利略的發覺以及他所運用的科學的推理方式是人類思想史上最偉大的成就之一，并且標志著化學學的真正開端。這就是說，數學學誕生的標志，是伽利略的發覺和造成這個發覺的推理方式。
人類在這個世界上生活，必須有一些覺得臟器來偵測周圍的環境，偵測的結果會在腦子中產生直覺。諸如亞理斯多德見到靜止的物體不推它不會自己運動，墨子注意到了光的針眼成像，這都屬于我們的直覺。但直覺常?？坎蛔?，必須經過理智的思索能夠產生正確的認識，產生理論。化學學不是感觀現象的記錄和列舉，也不是一套規則或定理的匯編，而是一個嚴謹的思維和觀念的邏輯體系。這個思維和觀念的邏輯體系，是從伽利略才開始誕生的。愛因斯坦和英費爾德詳盡表述了造成伽利略發覺物體慣性的思索、假設和推理，以及最后被牛頓總結和歸納成熱學體系，這兒就不重復。愛因斯坦一生中多次反復指出，沒有理論根據的經驗是不可信的，緣由就在于此。經驗只是一種直覺，重要的是基于直覺和經驗的理智思維和觀念。所以愛因斯坦和英費爾德說，她們寫這本《物理學的進化》，主要是表述思維和觀念在探求客觀世界的知識中所起的作用。
她們根據化學學演變的歷史時序，表述了機械觀的盛行、機械觀的沒落、場和相對論、以及量子這樣四個部份。機械觀是指從伽利略和牛頓開始產生的觀念，它把世界看作是物質及其在互相斥力的推進下在時空中的運動與變化。這兒“機械”一詞的英語，亦譯為“力學的”，所以機械觀實際上就是把世界當成物質在作熱學運動的觀念。世界是物質的和熱學的，這些觀點顯然就是機械唯心論的初衷。
雖然在或這個詞中，并沒有絲毫“力”的影子，不知當年的翻譯如何就跟“力”的觀念扯上了。因為牛頓熱學的巨大成功，這些機械唯心論的觀念成為化學學觀察世界的支配觀念，以至于拉普拉斯說，只要曉得了世界的初始條件，他就可以估算出整個世界之后的運動發展和變化。由于根據牛頓熱學的程序，按部就校規規矩矩就可以把一切都搞定。所以在我們的語境里，“機械”已經成了毫無變通沒有一點靈活性的僵化的代名詞，“機械唯心論”也成為退守成規刻板死板的褒義詞。雖然，沒有規矩不成方圓，不守規矩豈不亂了套！不過，明天的化學學家可不會再說拉普拉斯這樣的豪言了。
相對論的開局者
在整個數學學的進化過程中，光總是飾演著一個特殊的另類角色。以前如日中天的機械觀，也就是物質粒子做熱學運動的觀念，或則哲學化的說法機械唯心論，硬是被光給攪得沒落出來。可以說，光是機械觀的攪局者，是機械唯心論的克星。愛因斯坦和英費爾德在第二章中有詳盡的講解，核心和關鍵的是，光是一種電磁波，是遍布整個空間的波動，這就沖破了物質粒子在空間中順著一條軌道運動的機械觀。這個世界不只是在運動著的物質粒子，還有在波動回落著的電磁場。這就是法拉第和麥克斯韋的他者觀。圖式觀與機械觀博弈的結果，是機械觀的衰亡。
問題是，機械觀與他者觀這二者并不能相互完全協調，焦點就在于光。機械觀有伽利略的相對性，電磁場有光速不變性，要想把這兩條都保持，就必須更改我們的時空觀：同時具有相對性，在車上看是同時的兩件事，在地上看一先一后并不同時，這最后造成時間與空間是互相關聯的一個整體，而不相互獨立！這就是愛因斯坦和英費爾德在第三章中后面詳盡講解的狹義相對論。所以，光既是機械觀的攪局者，也是相對論的開局者。接出來的問題是，愛因斯坦推廣之后的伽利略相對性，是以慣性參考系為基礎的，而這個基礎并不牢固，我們不能獨立地判定一個參考系是不是慣性參考系。所以愛因斯坦決定舍棄慣性參考系的特殊地位，考慮在任意參考系都適用的理論，這就是第三章前面講的廣義相對論。為了考慮非慣性參考系中粒子的運動，愛因斯坦借助了引力質量與慣性質量相等這一假定，因而把引力與慣性力都歸結為時空的彎曲。這又進一步更改了我們的時空觀：時空的性質與物質的分布和運動有關，不是獨立于物質運動的一種虛構的“空腔”。
廣義相對論的可觀測效應比狹義相對論要精細得多。愛因斯坦和英費爾德在書中提及了光線經過太陽時的彎曲，水星近期點的進動，以及引力場中的時鐘變慢。在愛因斯坦1916年提出廣義相對論時，不僅水星近期點的進動以外，其余的效應都還有待觀測和發覺。以后這種精細的效應均被逐一發覺和否認，就連1949年才發覺的小行星,也測出了它的近期點進動。而時鐘變慢，則是現今在人造衛星定位系統中須要考慮的問題。
不僅上述三大效應以外，還有幾個知名的廣義相對論效應。而有沒有引力波，亦稱引力幅射，卻有過爭辯。就在寫《物理學的進化》的那一年，愛因斯坦、英費爾德和霍夫曼還合作發表了一篇論文《引力觀察和運動問題》，被稱為EIH文章。在這篇文章里，她們剖析引力幅射對“兩個有質量的引力體的相對運動”的影響，但估算太繁，沒有得到有確定意義的結果。1943年胡寧到耶魯跟泡利做博士后，泡利讓他研究這個問題。胡寧到檔案庫找出EIH的一大摞算草，用了改進的模型和算法，推出了雙星系統能量衰減因子，可以和觀測比較。而在多年后，泰勒和赫爾斯通過對雙星的常年觀測，總算得到了引力幅射的第一個證據。泡利眼光犀利話語粗魯從不輕易許人，被玻爾譽為數學學之良心。他二十一歲還是學院生時的成名作《相對論》至今依舊還是精典，而他在1956年因此書的單行本再版時所加的補注中，就專門談到胡寧的上述論文“研究了因為發射引力波而導致的微小的減振力”。
德布羅意的聯想
第四章量子，是數學觀念更大的改變，破局的還是光。上世紀一開始，普朗克就按照宋體幅射譜的分布提出了量子假定，假定幅射的能量是一份一份量子化的。這有點從法拉第、麥克斯韋的視域觀向伽利略、牛頓的物質粒子觀倒退的氣味，因而普朗克仍然想舍棄這個量子化的假定，退回到電磁場的視域觀。是愛因斯坦，他在1905年，還是在英國聯邦專利局做專利審查員的時侯，業余地研究這個幅射的量子化，把普朗克的假定往前推動了一大步，進一步假定這一份一份量子化的能量還具有動量，是伽利略、牛頓那類既有能量又有動量的粒子。愛因斯坦稱之為光量子，而且建議用光電效應來驗證。愛因斯坦提出的這光量子，后來被稱為光子。這還真有點要回到伽利略、牛頓的機械觀的樣子。并且歷史并沒有走回頭路，下一步是日本青年德布羅意邁出的。
普朗克
德布羅意是貴族子弟，他姓前的這個“德”，德語原文為de，類似于美國人姓前的“馮”（原文von），是士族的標記。青年朗道被南斯拉夫派往歐洲游學時，一次在柏林學院聽講演，冒失地問“剛才那講演的是誰”，講演者從座位站上去點頭說“在下馮勞?！?，就是貴族勞埃的意思。其實有的假冒士族，也在姓前加個von，這就隨他了。法蘭西歷史上原來是許多小國，所以貴族也多，這大約就是法蘭西人姓前帶von的人多的緣由，以至于她們本人以及我們翻譯時都常常把它略而不提。如同錢學森的業師馮卡門，經常只稱他卡門一樣。并且下邊要說到的馮諾伊曼，他可就不樂意人家把這個von省略了只叫他諾伊曼。德布羅意原先想學歷史和文學，是受了他姐姐的影響，才改攻數學，看來他與許多士族一樣，還是位文藝范。文藝范的思維，擅于比喻。這比喻，即使為物理與邏輯所鄙夷，但在數學中卻經常出彩。
德布羅意
在思維中，比喻始于聯想。使德布羅意形成聯想的，是電子與光子。既然愛因斯坦的光電效應表明作為電磁波的光還具有粒子性，這么作為粒子的電子也就應當具有波動性。這個從光子聯想到電子的比喻，被稱為德布羅意假定。德布羅意假定成為完善波動力學的突破口，除了促使德布羅意還致使薛定諤都因而大為出彩在數學學中留下大名。這個假定是說，電子和光子一樣，既有粒子性也有波動性，后來被稱之為波粒二象性。所以，不是從他者觀退回到機械觀，而是糅合他者觀與機械觀這三者的波粒觀。這波粒觀是一種數學學的二元論。二元論總是不受歡迎的，由于它不符合人們對于基本和簡約的追求。愛因斯坦和英費爾德在這本《物理學的進化》中說了，若果不相信我們世界的內在和諧性，就不會有任何科學。而波粒二象性這些二元論本身，就是沒有內在和諧的矛盾體。玻爾企圖在這波粒二象性的基礎上構建一種新的哲學上的認識論，這不是真正的解決問題，而是在做秀。才能解決問題的，是玻恩對量子熱學中薛定諤波函數的統計演繹。這就要說到量子熱學至今爭辯不休的核心問題了。
薛定諤
從決定論的因果關系到統計性的因果關系
薛定諤是從維也納學院下來的，當時在赫爾辛基，出席德拜主持的一個討論會。德布羅意當時剛才完成他的博士論文，皇皇二百多頁。我國知名理論化學學家王竹溪后來看過這篇英文的論文，說真正有價值的就是這么幾頁。當時朗之萬把這篇論文寄給愛因斯坦，愛因斯坦立刻在自己的一篇論文中作了引用。薛定諤看了愛因斯坦的這篇論文，曉得了德布羅意的工作。于是德拜讓他做一次講演，介紹德布羅意這個關于電子具有波動性的工作。薛定諤講完后德拜評論說，一個波動理論，就應當有個波動多項式。等到她們下一次再派對時，薛定諤說，我找到了一個波動多項式。這就是著名的薛定諤多項式，它在量子熱學中的地位，相當于精典熱學中的牛頓第二定理。
由于是與光子類比，所以德布羅意腦子中想像電子的波，與光波類似，是一種物質性的圖式波。薛定諤所做的事，是仿造從光的微粒到波動的類似程序，用試探的方式從粒子的運動多項式猜出了電子的波動多項式。所以在薛定諤的腦子中想像的電子的波，也是一種物質性的圖式波。他覺得電子波動的幅度表示物質分布的強弱。并且這個圖象與實際顯著不符，由于波會很快彌漫到整個空間，電子也就不成其為一個粒子，而是一團稀泥一樣的東西了。解開這個難題的，是哥廷根的玻恩。
玻恩
玻恩是哥廷根學派希爾伯特的中學生，在與他的助手海森伯和約當成立量子熱學后到加拿大講學，當時剛從英國回去。他的朋友弗蘭克做電子與原子碰撞散射的實驗，整天與粒子打交道。所以在她們腦子中沒有波物理學的進化內容概述，完全是一幅粒子的圖象。于是玻恩就用薛定諤的波動多項式來算這些散射過程。他發覺，假如把薛定諤的波展現為粒子散射的機率幅，才能挺好地解釋實驗的結果。這就是玻恩對薛定諤波函數的統計演繹，機率具有統計性。而因為這些機率的統計性，粒子的位置與速率不能共同測準，即具有測不準性，因而沒有確定的軌道，這就不是伽利略牛頓機械觀的粒子了。
量子熱學是整個化學學這座大樓最底層的基礎，在這個基礎中引入統計性，在化學學的思維和觀念上而且一件石破驚天的大變局。一定的結果總是由某種確定的緣由所決定的，這些決定論的因果關系仍然是化學學家乃至所有科學家的信仰和追求的目標。而玻恩的這個統計演繹說，一定的原因會造成各類可能的結果，只是不同結果的機率不同，在緣由與結果之間并沒有確定的聯系！這不妨稱之為統計性的因果關系。從決定論的因果關系到統計性的因果關系，無疑是觀念與信仰的一大倒退。玻恩其實意識到這些倒退的嚴重性，并且他說沒有辦法，事實這么，只能接受。而且，許多大化學學家都不接受，非常是愛因斯坦。將近三六年后玻恩為這統計演繹而獲諾獎，愛因斯坦向他慶賀，并說這遲到的獎早就應當給你的，玻恩回答說，這是由于人們太難接受這統計性的因果關系了。確實，愛因斯坦和英費爾德在她們的書中說，現代化學學目前所提出的解是暫時的還是最終的解，后世一定會作出判定。爭辯的焦點，在于這統計包含了人的誘因，由于統計是要由人來做的。這樣一來，化學學甚至整個科學就不完全客觀，而有了主觀的誘因。把這主觀性進一步發揮，就步入心靈和信仰的范疇。有一位日本名校的院士寫出了著作《靈魂的化學學》，這就扯遠了。還是回歸題外話，來說愛因斯坦和英費爾德這本書所討論的化學學思維與觀念的發展。
《靈魂的化學學》
既然薛定諤多項式的波不是物質性的，借以所謂波粒兩象性中的波不具有物質性，只是拿來估算粒子的統計機率的物理的波，這波與粒子就不再對立沖突，而都統一于粒子了。作為物質，只有粒子而沒有波！只是這粒子沒有確定的軌道，不是精典的伽利略牛頓的粒子，而是具有測不準的量子熱學的粒子。概括上去說，就是三百多年來，化學學思維與觀念的變遷和進化，經歷了從粒子到波場，又從波場到粒子的過程，只是后來的粒子具有量子性，具有測不準，不再是伽利略牛頓機械觀的粒子；后來的波場也具有量子性，不是物質分布的場而是機率幅的場，不再是法拉第、麥克斯韋和后來愛因斯坦相對論性圖式觀的物質場。愛因斯坦和英費爾德的這本書，說的就是化學學思維與觀念這三百多年來的進化與變革。
小結
愛因斯坦和英費爾德在一開頭就強調，三百多年來，化學學從精典機械觀到場域觀再到量子機率觀的變遷與進化，基礎在于思維方法的轉變，即從亞里士多德經驗思維到伽利略推理思維的轉變。也就是說，從經驗上升到理論。所以愛因斯坦一再指出，沒有理論的經驗不可信。德布羅意提出電子具有波動性，薛定諤猜出波動多項式，玻恩想到波是機率幅，海森伯認識到測不準，等等，這一切雖然與實驗相符，但都還須要理論的論證。非常是玻恩的統計演繹，和由此帶來的統計性因果觀，太難接受和須要論證了。這就要說到希爾伯特和馮諾伊曼。為了讓我們接受量子熱學的機率性，馮諾伊曼邏輯地論證了這是希爾伯特空間最恰當的化學。但這又是一段理智思維的故事，愛因斯坦和英費爾德在書中沒有接著往下說，我們就不進一步展開，還是在此打住吧。
總結一下，讀愛因斯坦和英費爾德的這部《物理學的進化》，有兩點值得指出。
首先，化學學或則通常地說科學，是客觀外部世界在我們腦子中的反映，是人類腦子的創造，不要以為科學就是完全客觀的，它會隨著我們認識的改變而改變。以為科學的就是客觀的，這完全是一種習慣性的誤會。
另外，我們腦子中的思維觀念具有慣性，習以為常，總想保持不變，以為固有的思維觀念是永遠正確的。從牛頓的三維空間+絕對時間到相對論統一的四維閔可夫斯基空間，從平直的閔可夫斯基空間到廣義相對論彎曲的黎曼空間，再到量子熱學的無限維希爾伯特空間，每一次演化都要經歷觀念的轉換和克服巨大的慣性。愛因斯坦的名子當時在亞洲婦嬰皆知，就是由于相對論沖擊和改變了傳統的時空觀。
化學學思維觀念三百多年的演進給我們提了個醒，要求我們的思維隨著觀測世界的變化而有完全的修身和靈活，不能腦子死板頑固不變。