爱因斯坦的哲学思想

爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家，也是一位伟大的哲学探索者，他为后人留下了卷帙浩繁的科学著作和哲学社会学著作。他将以伟大的物理学家和当代著名的哲学家而载入史册。爱因斯坦青年时代受到马赫的唯心主义哲学的影响，后开始向唯物主义转变，在爱因斯坦的《自述》中已经以一位自发的唯物主义者而出现了。玻恩曾谈到爱因斯坦在1918年时还是一个十足的经验论者和休谟的信徒，后来才改变了这种态度。爱因斯坦是一个唯物的经验论者，又是一个唯物的唯理论者，在不同历史时期，这两种倾向在他的哲学思想中的地位和作用是不同的。量子力学使爱因斯坦的哲学思想在1925年至1926年发生了急剧的转变。有人不同意这种观点，认为促成爱因斯坦哲学思想转变的不是量子力学，而是广义相对论的创立。这个转变从1917年5月13日爱因斯坦写给贝索的信开始，而以1922年4月6日爱因斯坦在巴黎公开批判马赫为完成标志(朱亚宗《伟大的探索者——爱因斯坦》)。还有人认为，把爱因斯坦哲学思想明显地分为前后两个时期的樗既不是量子力学，也不是广义相对论，而是统一场论。统一场论的提出才标志着爱因斯坦哲学思想转变的完成(李泽骘等著《爱因斯坦哲学思想研究》)

我认为，爱因斯坦的哲学思想以1891年为界限，当时爱因斯坦是一个宗教信徒，一个唯心主义者。他在《自述》里写道：那时“我还是深深地信仰宗教”的。他作为一个有思想、有感情的人，出于对追名逐利的世俗传统的厌恶，因而到宗教中去寻找出路和安慰。但是，“这种信仰在我12岁那年就突然中止了。”由于读了通俗的科学著作，爱因斯坦很快相信《圣经》里的故事有许多不可能是真实的。它自1891年起象一根红线一样贯穿于爱因斯坦的一生，成为他的哲学思想的牢固基石和本质特徵。不管他后来的哲学思想有多大的变化和发展，他的这种世界观和基本立场可以说始终未变。1916—1955年为第二阶段，这期间爱因斯坦在广义相对论推动下转变成一个唯物的唯理论者。他相信并努力探索物质世界的统一性，以及作为这种统一性的表现(反映的逻辑简单性或数学简单性)。广义相对论使爱因斯坦从怀疑的经验论转向唯理论。这是爱因斯坦一生哲学思想发展中的重大转折点。他在1938年1月24日给C·兰佐斯的信中说：“从有点象马赫的那种怀疑的经验论出发，经过引力问题，我转变成为一个信仰唯理论的人，也就是说，成为一个到数学的简单性中去寻求真理的唯一可靠源泉的人。逻辑简单的东西，当然不一定就是物理上真实的东西。但是，物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，也就是说，它在基础上具有统一性”(《爱因斯坦文集》第1卷，第380页)。广义相对论在某种意义上说是一种新的引力理论，它带有非常强烈的唯理论色彩，该理论的思辨性和构造性，使得彻底的经验论者如马赫等人一直拒绝接受它，对它持否定态度。广义相对论的基本特点之一就是具有逻辑简单性，构成它的理论的基础或前提的，只有两个基本公设，即广义相对性原理和等效原理。引力场方程本身所具有的数学简单性也是一目了然的。可是，从广义相对论推导出的可以同经验相对照的结论很少。为了要得到逻辑简单性，有时不得不放弃“对经验的接近”，“在这方面，广义相对论已经走得比以前的各种物理理论都要远得多了。对于引力论来说，情况已经是这样，至于企图概括总场性质的引力论的新推广，就更是如此了”(《爱因斯坦文集》第1卷，第502页)。

广义相对论（General

Relativity‎）是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。因此，狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。

　　狭义相对论(Special

Relativity)是主要由爱因斯坦创立的时空理论，是对牛顿时空观的改造。

　　伽利略变换与电磁学理论的不自洽

　　到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。

1广义论公式

根据广义相对论中“宇宙中一切物质的运动都可以用曲率来描述，引力场实际上就是一个弯曲的时空”的思想，爱因斯坦给出了著名的引力场方程（Einstein's field equation）： <math>R_ - \fracg_ R = - 8 \pi {G \over c} T_ </math> 其中 G 为牛顿万有引力常数，这被称为爱因斯坦引力场方程，也叫爱因斯坦场方程。 该方程是一个以时空为自变量、以度规为因变量的带有椭圆型约束的二阶双曲型偏微分方程。它以复杂而美妙著称，但并不完美，计算时只能得到近似解。最终人们得到了真正球面对称的准确解——史瓦兹解。 加入宇宙学常数后的场方程为： <math>R_ - \fracg_ R + \Lambda g_= - 8 \pi {G \over c} T_ </math>

2广义论原理

由于惯性系无法定义，爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系，提出了广义相对论的第一个原理：广义相对性原理。其内容是，所有参考系在描述自然定律时都是等效的。这与狭义相对性原理有很大区别。在不同参考系中，一切物理定律完全等价，没有任何描述上的区别。但在一切参考系中，这是不可能的，只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律。这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求。通过狭义相对论，很容易证明旋转圆盘的圆周率大于314。因此，普通参考系应该用黎曼几何来描述。第二个原理是光速不变原理：光速在任意参考系内都是不变的。它等效于在四维时空中光的时空点是不动的。当时空是平直的，在三维空间中光以光速直线运动，当时空弯曲时，在三维空间中光沿着弯曲的空间运动。可以说引力可使光线偏折，但不可加速光子。第三个原理是最著名的等效原理。质量有两种，惯性质量是用来度量物体惯性大小的，起初由牛顿第二定律定义。引力质量度量物体引力荷的大小，起初由牛顿的万有引力定律定义。它们是互不相干的两个定律。惯性质量不等于电荷，甚至目前为止没有任何关系。那么惯性质量与引力质量(引力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系。然而通过当代最精密的试验也无法发现它们之间的区别，惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相等)。广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容。惯性质量联系着惯性力，引力质量与引力相联系。这样，非惯性系与引力之间也建立了联系。那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系。由于惯性质量与引力质量相等，在此参考系内既不受惯性力也不受引力，可以使用狭义相对论的一切理论。初始条件相同时，等质量不等电荷的质点在同一电场中有不同的轨道，但是所有质点在同一引力场中只有唯一的轨道。等效原理使爱因斯坦认识到，引力场很可能不是时空中的外来场，而是一种几何场，是时空本身的一种性质。由于物质的存在，原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空。在广义相对论建立之初，曾有第四条原理，惯性定律：不受力(除去引力，因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动。在黎曼时空中，就是沿着测地线运动。测地线是直线的推广，是两点间最短(或最长)的线，是唯一的。比如，球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧。但广义相对论的场方程建立后，这一定律可由场方程导出，于是惯性定律变成了惯性定理。值得一提的是，伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动，匀速直线运动总会闭合为一个圆。这样提出是为了解释行星运动。他自然被牛顿力学批的体无完肤，然而相对论又将它复活了，行星做的的确是惯性运动，只是不是标准的匀速。

3广义论的验证

爱因斯坦在建立广义相对论时，就提出了三个实验，并很快就得到了验证：(1)引力红移(2)光线偏折(3)水星近日点进动。直到最近才增加了第四个验证：(4)雷达回波的时间延迟。 (1)引力红移：广义相对论证明，引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。也就是说离天体越近，时间越慢。这样，天体表面原子发出的光周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，在光谱中向红光方向移动，称为引力红移。宇宙中有很多致密的天体，可以测量它们发出的光的频率，并与地球的相应原子发出的光作比较，发现红移量与相对论预言一致。60年代初，人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应(穆斯堡尔效应)测量了光垂直传播22。5M产生的红移，结果与相对论预言一致。 (2)光线偏折：如果按光的波动说，光在引力场中不应该有任何偏折，按半经典式的"量子论加牛顿引力论"的混合产物，用普朗克公式E=hv和质能公式E=Mc^2 求出光子的质量，再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是087秒，按广义相对论计算的偏折角是175秒，为上述角度的两倍。1919年，一战刚结束，英国科学家爱丁顿派出两支考察队，利用日食的机会观测，观测的结果约为17秒，刚好在相对论实验误差范围之内。引起误差的主要原因是太阳大气对光线的偏折。最近依靠射电望远镜可以观测类星体的电波在太阳引力场中的偏折，不必等待日食这种稀有机会。精密测量进一步证实了相对论的结论。 (3)水星近日点的进动：天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒，人们考虑了各种因素，根据牛顿理论只能解释其中的5557秒，只剩43秒无法解释。广义相对论的计算结果与万有引力定律(平方反比定律)有所偏差，这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒。 (4)雷达回波实验：从地球向行星发射雷达信号，接收行星反射的信号，测量信号往返的时间，来检验空间是否弯曲(检验三角形内角和)60年代，美国物理学家克服重重困难做成了此实验，结果与相对论预言相符。