没有牛顿、爱因斯坦,物理学将会怎样?

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一种观点认为,科学界并不会发生任何改变,他们发现和建立的理论迟早都会产生。这对于一直把这些大师奉为“科学巨人”的我们来说,或许是件奇怪的事。他们建立了学科的体系和标准,广受尊敬,有很多机构、物理定律,甚至化学元素都以他们命名(如第99号元素锿Einsteinium)。然而在科学前进的脚步中,他们说不定在某种程度上并非不可或缺。

但事实真的是这样吗?要找到这个问题的答案,我们必须问:如果不存在这些科学大咖,有没有谁能做出同样的发现?这种“反事实历史”的观点总是被一些历史学家所嘲笑,但是对于科学家来说,这种思维游戏或许很有意义:它能让我们去重新审视,甚至去挑战我们建立的关于“科学巨人”的神话,也能帮助我们思考科学运行的方式:一个新的观点是如何从当时的历史背景,和偶然的时间,以及科学家自身的奇思妙想中产生的。

首先,最可能取代天才的自然是另一位天才。这也许会让我们意识到,把历史进程的推动全都归功于个人的“伟人史观”在科学中可能并不适用。你可能会好奇这个过程中是否存在着一些选择效应:有些因为不是某个定理的最终发现者而被我们忽视的人,也有成为发现者的可能。然而,事实可能不是“英雄造时势”,而是“时势造英雄”,伟迹总会出现,不在这个方向就在另一个方向。

我是有意用“伟人(Great man)”这个词(这个词含有man,暗示特指男性),因为在我们的科学伟人候选列表中,并不存在女性——直至20世纪初期,女性都几乎被禁止踏入科学界。甚至当我们寻找居里夫人的替代者时,也普遍被认为他/她更可能是一位男性。但是诺贝尔科学奖的数据表明,即使是如今,这种排挤女性的现象并没有得到太大的改善。轻视另一半人类(女性)的天赋和创造力,这种行为是愚蠢且可耻的。而在这里,我也希望能给科学界忽视女性的现象引来更多重视。

没有哥白尼,日心说会由谁来提出?
——约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)

一些伟大的发现是没有办法找到先例的,认为地球围绕着太阳旋转而不是太阳绕着地球旋转的日心说就属于这种类型。这是科学史中非常关键的一步,它取代了人类自认为是宇宙中心的思想。这一发现被波兰天文学家尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus)详细地记录在他的著作《天体运行论》(De revolutionibus orbium coelestium)中,这本书在他临终之际出版(1543年)。

古希腊数学家阿利斯塔克斯(Aristarchus of Samos)在公元前3世纪就提出了一种类似于日心说的理论;在15世纪中叶,德国的红衣主教尼古拉斯(Nicholas of Cusa)也提出疑问:整个宇宙是否存在着一个确定的中心?但跟之前仅是猜测的理论不同,哥白尼学说是首个建立在对现有行星运动数据进行数学演算的基础上的日心说。

哥白尼差一点就打算永远掩埋自己的发现,多亏有一个叫做格奥尔格·雷蒂库斯(Georg Rheticus)的奥地利教授在哥白尼辞世前,及时地说服他发表自己的著作。那么我们不禁会想,如果没有哥白尼,或是他去世得再早一些,那么谁又能够得到相同的结论呢?

16世纪的其他天文学家,比如德国的伊拉斯谟·赖因霍尔德(Erasmus Reinhold)和克里斯托弗·克拉维于斯(Christopher Clavius),他们也都拥有足够的数学功底和敏锐的观察力,但他们在思想体系上都仍然支持地心说。而在布拉格工作的丹麦人第谷·布拉赫(Tycho Brahe),则是在16世纪70年代提出了一种太阳围绕着地球转,同时其他星球围绕着太阳转的模型。

但我认为,如果没有哥白尼,日心说的飞跃就得推迟到17世纪初才会发生。我们知道伽利略因为大力推崇哥白尼的理论从而得罪了罗马的天主教会,他不仅勇于怀疑权威,也有精湛的数学技巧,应有足够的能力自己推导出日心说。但我也觉得,第谷的门徒、伽利略的助手,德国人约翰内斯·开普勒可能会先得出这一理论。因为他能够得到第谷优质的观测数据,同时也擅长相关的数学技巧,最重要的是他也同哥白尼一样,认为以太阳为中心的宇宙是更和谐的。敢于把太阳放在宇宙的中间,不仅需要理性思维,也要有相应的美学素养,而开普勒把这些都集于一身。

没有牛顿,运动定律由谁来发现?
——克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)

人们或许很容易认为,科学巨人艾萨克·牛顿的思考已经远远超过了他所生活的时代——17世纪末。但其实,英国皇家学会当时最杰出的人物之一,著名的实验科学家罗伯特·波义耳(Robert Boyle),也曾犹豫过是否要根据自己的观察提出类似的假说。牛顿最著名的死对头罗伯特·胡克(Robert Hooke)非常擅长仪器操作,但总是倾向于用过于细致的解释让一个具有前景的观点变得复杂和难以理解。而牛顿则相反,他擅长从简单观察中总结出根本法则。最有名,也最令人印象深刻的是,他将天文学从一门仅仅研究天体怎样运动的科学转换为研究为什么会这样运动的科学:你只需要一个万有引力定律,就可以解释行星、卫星运行轨道的形状,以及彗星的轨迹。

这些原理都囊括在牛顿的《自然哲学的数学原理》一书中,这本书发表在1687年,彼时胡克曾宣称自己能够轻易解释行星的椭圆状运行轨道原理,牛顿正是听到了这一宣称才发表了自己的著作。在他解释行星运动之前,牛顿必须建立基础的运动定律。他在该书中描述的运动三大定律成了经典力学的基石。简单概括如下:1.在无外力作用下,物体保持匀速直线运动或者静止;2.力等于质量乘以加速度;3.对于任意一个力,总存在一个大小相同、方向相反的反作用力。

这些定律是简明、完备、精炼的,并且十分优雅。除了牛顿,能有其他人在那个时代完成这样的壮举吗?

我认为在英国皇家学会是找不到另一个牛顿的,因为在皇家学会中虽然有波义耳和胡克这样真正的科学家,也有像塞缪尔·佩皮斯(Samuel Pepys)这样对科学一知半解的绅士。但在科学会中众多来自欧洲大陆的通讯作者中,至少有一位天才可能完成这个成就。即使在那个年代丰富的判断标准中,来自荷兰的克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)都算得上是一位博学多才的人:他是一名数学家、天文学家(首次观测了土星环)、发明家,并且擅长光学和概率论。他尤其擅长设计钟表,在这方面,他还因为一项科学发现的优先权跟脾气不好的胡克闹了矛盾。1673年,牛顿在《自然哲学的数学原理》中也采用了惠更斯关于摆钟的力学理论作为模型。

牛顿第一定律严格来算并不是由他本人发现的,惯性定律,即运动的物体有保持其原有运动状态的能力,本质上是由伽利略陈述的,而且惠更斯也认同这个定律。惠更斯也即将通过关于碰撞的研究揭示出第三定律,而且他基本上也独立地写出了第二定律的另一个版本。因此,惠更斯拥有提出当今被我们称为“牛顿力学”基础的条件。

没有爱因斯坦,谁来提出狭义相对论呢?
——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)

想象这些经典理论可能由其他的什么人通过什么方式提出,这一思想过程并不仅仅是为了寻求乐趣——它也能切实有效地帮助我们认清问题。爱因斯坦曾说,他是通过思考自己随着光束一起运动才最终得出狭义相对论的,这确实能让人感受到他惊人的创造力,但是人们还是很难去理解究竟是什么启发他提出这样的想法。他提出狭义相对论并不是为了解释为什么19世纪80年代的迈克尔孙-莫雷(Michelson-Morley)实验没能够探测到以太(注:以太是19世纪科学家们假象出作为光传播介质的物质):爱因斯坦对于这些实验所起的作用前后态度并不一致,但显而易见的是,他并不是很在乎这一实验的结果。

但是,19世纪末的物理学界之所以需要狭义相对论,主要是因为19世纪60年代苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组统一了电和磁,并以此预言了光速。速度通常是受各种因素影响的,例如声速就取决于它传播的介质。但是如果麦克斯韦方程是一条物理法则的话,那么不管参考系怎么运动,光速始终是一个常量。爱因斯坦的狭义相对论把这当做是最基础的假设,进而推演出了尺缩效应、钟慢效应等等。

在爱因斯坦之前,已经有人在尝试将电磁理论与运动统一,比如荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)。这个理论确实也包括了时空收缩,即使很勉强,而且还是建立在以太存在的基础之上的。但洛伦兹很有可能最终也能跟爱因斯坦一样得出以太不存在的结论,进而发现狭义相对论。但是我认为,如果历史重写,麦克斯韦本人更可能实现这一过程,尽管1905年的时候他已经去世了。麦克斯韦死于1879年,年仅48岁,但直到生命最后一刻他都活跃在物理学界。他对物理学有着十分深刻的见解,否则也不会将电与磁联想在一起,并且得出了光速。

如果再给他二十年,随着人们对于以太越来越怀疑,我觉得麦克斯韦也能够建立狭义相对论。 爱因斯坦也说:“我不是站在牛顿的肩膀上,而是麦克斯韦的。”

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