20世紀科學審美的一場較量:愛因斯坦的諾獎為何拿得這麼難?

2021年10月05日09:18

原標題:20世紀科學審美的一場較量:愛因斯坦的諾獎為何拿得這麼難? 來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創 楊建鄴 返樸

儘管愛因斯坦及其相對論是公認的20世紀最偉大的物理學家和最重要、最具顛覆性的理論之一,但獲得諾貝爾獎前,因一些瑞典“權威”科學家極力反對廣義相對論而使愛因斯坦的獲獎波折前所未有的多。這是為什麼?著名科學史家楊建鄴教授在其獲獎科普著作《物理學之美》中認為,其中非常關鍵的一個原因是:在19—20世紀之交科學革命的過程中,科學的審美判斷髮生了巨大的、革命性的變革,是這一變革使科學家之間發生的爭議差不多到了水火不容的地步。

本文經授權節選自《物理學之美》(北京大學出版社,2019年)。該書分析了不同時代物理學家對物理學之美的觀點,探討他們如何利用自己的審美判斷來建構物理理論,以及他們的困惑和成功。

撰文 | 楊建鄴

在20世紀所有700人(次)的獲諾貝爾獎當中,恐怕愛因斯坦獲獎時引起的麻煩最多,而獲獎原因更是奇怪得獨此一家。很早就不斷有人提名他為獲獎的候選人,但由於種種幾乎不可置信的理由卻一直沒有成功。1922年,他終於獲得了補發的1921年諾貝爾物理學獎。

1909年10月,德國著名化學家奧斯特瓦爾德(Wilhelm Ostwald,1853—1932)首先提名愛因斯坦為1910年諾貝爾物理學獎候選人,原因是狹義相對論的偉大貢獻。以後他又於1912年、1913年再度提名愛因斯坦。那時反對相對論的勢力很強,評獎委員會沒有把獎給愛因斯坦情有可原。1912年,當德國物理學家普林斯海姆(Peter Pringsheim,1881—1964)推薦愛因斯坦因相對論為獲獎候選人,當時他寫了一句很有份量的話:“我相信諾貝爾獎委員會很少有機會為一件具有類似意義的工作而頒獎。”

從後來物理學的發展來看,普林斯海姆的話非常準確。但令人遺憾和驚訝的是,諾貝爾獎委員會卻千真萬確地沒有因20世紀最偉大的理論——相對論而頒獎給愛因斯坦。無論怎麼說,這恐怕也是諾貝爾獎頒獎史上的極大缺憾。

1919年11月,英國皇家學會會長J. J. 湯姆遜(J. J. Thomson, 1856—1940,1906年獲諾貝爾物理學獎)就鄭重宣稱:“(愛因斯坦的引力理論)是牛頓時代以來最重要的進展,是人類思想上最高的成就之一。”當時科學界最有權威的人士之一的荷蘭物理學家洛倫茲(1903年獲諾貝爾物理學獎),在1919年9月22日寫信給埃倫菲斯特說:“(日食觀測的結果)是所曾得到過的對一種理論的最光輝的證實之一,而且也很適於鋪設通往諾貝爾獎的道路。”甚至連一開始勸愛因斯坦“不要搞什麼廣義相對論,即使搞出來了也沒有人信”的普朗克,也在1919年1月19日因廣義相對論的成就提名愛因斯坦為候選人,理由是他邁出了超越牛頓的第一步。1921年有更多的人因廣義相對論而提名愛因斯坦,但諾貝爾獎委員會因為還有不少人反對相對論而猶豫不決,結果弄得1921年竟沒有頒發物理學獎。那麼多最有權威的科學家的推薦,委員會都能置之不顧,由此可以想見諾貝爾委員會里反對愛因斯坦獲獎的勢力多麼強大。

在1919年以前,無論是狹義還是廣義相對論,每年都會突然冒出一些反對意見或證實其有誤的實驗,而提出這些反對意見和實驗結果的人,又多不是等閑之輩,有的還是非常著名的科學家(或哲學家),因而引起諾貝爾獎委員會有些猶豫也不是完全不可理解的事情。但是到了1919年英國日食遠征考察隊以確鑿的觀測證明了愛因斯坦的新引力定律後,委員會的猶豫就頗讓人費解了。1919年,許多著名的科學家繼續提名愛因斯坦,其中包括瓦爾堡(Emil Warberg,1846—1931)、勞厄、普朗克等人,原因是廣義相對論;瑞典的物理化學家阿倫尼烏斯(S. A. Arrhenius,1859—1927)因布朗運動提名愛因斯坦為候選人。但委員會最後提出的報告中卻認為,“如果愛因斯坦因為統計物理學……而不是因為他的其他主要論文而獲獎,那是會使學術界感到奇怪的”。意思是說愛因斯坦的統計力學論文的質量沒有他的相對論和量子物理學方面研究的質量高;但是對於廣義相對論,卻又建議等到1919年5月29日的日食觀測的結果出來以後再說。由於結果在1919年9月6日才能正式公佈(愛因斯坦的廣義相對論被證實),結果1919年的物理學獎“因為發現極隧射線的多普勒效應以及電場作用光譜線的分裂現象”而授給了德國的斯塔克(J. Stark,1874—1957)。

1920年有更多的科學家提名愛因斯坦因廣義相對論而獲獎,因為1919年已經由觀測日食證實了廣義相對論的一個預言。玻爾也第一次開始提名愛因斯坦,他特別提到相對論是“第一位的和最重要的”,還說:“在這裏,我們面臨著物理學研究發展中最有決定性意義的進步。”

委員會讓阿倫尼烏斯(一位物理化學家!)寫一篇關於廣義相對論的評價報告。阿倫尼烏斯那時還一直揣摩和跟隨德國科學家對愛因斯坦的意見。當德國的諾貝爾獲獎者勒納德(P.Lenard,1862—1947)和斯塔克在大力反對愛因斯坦和相對論時,他也極力反對愛因斯坦因為相對論獲獎。他在報告中指出:紅移實驗尚未被實驗證實;1919年日食考察的結果有許多人提出了批評、質疑;而近日點效應,阿倫尼烏斯不幸錯誤地附合了德國科學家革爾克(Ernst Gehrcke,1878—1960)的意見。革爾克於1916年曾提出,水星近日點的運動早就由德國物理學家格伯(Paul Gerber,1854—1909)解決了。其實,愛因斯坦在1917年就正確地分析過,格伯的理論基礎以及革爾克的意見是建立在相互矛盾的假說之上。結果1920年諾貝爾物理學獎在哈瑟伯格(Bernhard Hasselberg,1850—1894)的堅持下,授予了瑞士裔的法國一位冶金學家紀堯姆,原因是“發現鎳鋼合金的反常性以及它在精密物理學中的重要性”。幾乎所有的物理學家包括紀堯姆自己對這一決定都大吃一驚,只有法國和瑞士人高興。

1921年,普朗克在一封簡短而有力的信中,再次提名愛因斯坦因為廣義相對論的貢獻為獲獎候選人,還有許多著名科學家如愛丁頓、賴曼(T. Lyman,1874—1954)等等,都提名愛因斯坦。瑞典烏普薩拉大學的奧席恩(Carl Oseen,1879—1944)提名愛因斯坦因光電效應獲獎。

委員會讓烏普薩拉大學的眼科醫學教授古爾斯特蘭德(A. Gullstrand, 1862—1930,1911年獲生理學和醫學獎)寫一份關於廣義相對論的評價報告,讓阿倫尼烏斯寫一份關於光電效應的評價報告。古爾斯特蘭德根本不懂物理學,更不用說相對論了,但是他偏要鑽到物理學評選委員會來,而且自不量力地要決定物理學的評獎!古爾斯特蘭德在瑞典很有權威,他以他的全部權威反對愛因斯坦獲獎,他曾私下對人說:絕對不能讓愛因斯坦獲獎,哪怕全世界支援他!

結果可想而知:他這個純外行居然嚴厲地批評相對論,說它們根本沒有被實驗嚴格證實。這真是應了中國一句民間諺語:“喬太爺亂點鴛鴦譜。”還有一位瑞典皇家科學院院士、物理學獎評委會成員哈瑟伯格,當他聽說有可能因為相對論而授予愛因斯坦諾貝爾物理學獎,他在病床上提出抗議,反對因相對論而授獎給愛因斯坦,他寫道:“將猜想放在授獎的考慮之列,是根本不可取的。”

瑞典科學家如此堅決反對愛因斯坦獲獎有比較複雜的原因,但是其中非常關鍵的一點是由於在19—20世紀之交科學革命的過程中,科學的審美判斷髮生了巨大的、革命性的變革,科學家之間發生的爭議差不多到了水火不容的地步。老一派的科學家抓住實驗是檢驗一切理論的根本標準,不容動搖;而新成長起來一派年輕理論物理學家已經發現,判斷真理的標準發生了變化,有了新的標準,不能死死抓住實驗標準而斷然否定物理學理論中的美學標準。在兩種本應該相互融合、相互參照的標準討論中,卻被老一派物理學家以非常極端的、斷然否定的態度,變得彼此不能相容,變成你死我活的鬥爭。這實在是一種不幸。在愛因斯坦是否應該獲獎這件事情上,就反映了這一場激烈而又有些荒唐的鬥爭,幾乎成了一場生死較量,所以才出現了“絕對不能讓愛因斯坦獲獎,哪怕全世界支援他”這樣荒唐的決心和聲明。

瑞典科學界在20世紀早期過分注重實驗物理學,而將理論輕視為純粹的猜想。哈瑟伯格在瑞典很有權威,他一直堅持認為精確測量“是使我們能夠深入瞭解物理定律的根本和主要條件,是走向新發現的唯一道路,是科學進步的不二法門。”這正是霍爾頓(G. Holton)所說的“實驗主義”哲學。這種哲學在1900年前後在物理學界十分流行,但是到了20世紀20年代前後,多數國家物理學界有了不同的看法,並且選擇了不同的研究方式,但是瑞典物理學界(尤其是當權的烏普薩拉學派)的眼光仍然十分狹隘。哈瑟伯格和古爾斯特蘭德他們甚至認為愛因斯坦的相對論是一種“病態”物理,侵蝕以前人們所持的正確的信念,與西方文明的古典希臘傳統的真、善、美觀唸完全相反。他們認為愛因斯坦沒有做過任何實驗,他的理論不是由實驗歸納出來的;他修改基本假設,將不同的物理領域歸納成為一個統一的理論。這對他們這些實驗物理學家來說簡直是形而上學的工作,不是科學的一部分,而是科學中的達達主義(dadaism)*的表現。[1]

阿倫尼烏斯是斯德哥爾摩大學的教授,以前因為他的電離理論受過烏普薩拉大學的壓製,因此並不滿意哈瑟伯格和古爾斯特蘭德那種過分偏愛實驗的狹隘態度,但是他對於愛因斯坦獲獎仍然持不支援的態度。他的歪道理是:1918年普朗克剛剛因為量子論獲獎,再緊接著因量子論頒獎給愛因斯坦,不妥;如果真要因光電效應頒獎,就應該給予實驗物理學家。他還建議,1921年乾脆不頒發物理學獎。結果,1921年真的沒頒獎給物理學,而其他4項獎照常頒發(當時還沒有經濟獎)。這也是諾貝爾獎史上的一次非常奇特的行為。

1922年,推薦信又陸續寄到了委員會,推薦愛因斯坦的著名科學家越來越多。法國物理學家布里淵甚至在信上寫道:“試想:如果諾貝爾獲獎者的名單上沒有愛因斯坦的名字,那50年代以後人們的意見將會是怎樣。”這時,形勢已經不再是愛因斯坦盼望得諾貝爾獎,而是諾貝爾委員會非得以某種授獎原因把諾貝爾獎授予愛因斯坦了。因為,愛因斯坦在科學界的名聲如日中天。有些人認為,如果愛因斯坦不先得獎,再無法考慮其他候選人;有些人還說,愛因斯坦的威望已經比諾貝爾獎還要高。

普朗克建議,1921年的物理學獎補發給愛因斯坦,1922年的給玻爾。物理學評獎委員會委員奧席恩(C.W.Oseen,1879—1944)再一次提出,愛因斯坦可以因為光電效應中的愛因斯坦光電方程獲得諾貝爾物理學獎。

物理學評委會又讓古爾斯特蘭德寫關於相對論的報告,其結果可想而知;但幸虧委員會這次讓理論物理學家奧席恩(而不是物理化學家阿倫尼烏斯!)來寫光電效應的報告。

最後,評委會決定繞過相對論這個“爭論太多”的障礙,直接以光電效應定律的貢獻把1921年空缺下來的物理學獎授予愛因斯坦,而將1922年的授予玻爾。

在大勢所趨的形勢下,愛因斯坦終於在1922年得到了1921年的諾貝爾獎,諾貝爾獎委員會雖然留下了種種遺憾和可供指責的地方,但是他們終於把諾貝爾獎授給了最應該得到它的人。也許讓愛因斯坦感到好笑的是,授獎通知時上面特別指出:他在獲獎演說時僅限於正式的授獎理由,而不得提到相對論。

這樣,愛因斯坦獲獎的事情總算解決了,但是物理學審美判斷仍然沒有放在桌面上來徹底討論,說明評委會對此態度仍然十分曖昧。但是,隨著科學革命的深入和成功,科學家們對科學理論中的審美判斷有了根本性的轉變,認識到在遠離人們經驗領域的宇觀物理學和微觀物理學里,少了審美判斷幾乎是寸步難行,審美判斷和實驗檢驗逐漸成為發現真理、探索真理途中不可或缺的兩種相輔相成的科學方法。

1923年7月,愛因斯坦去瑞典哥德堡做諾貝爾演講時,* [2]阿倫尼烏斯暗示說:

人們肯定會因相對論演講而感謝您。

7月11日,愛因斯坦在約2000名聽眾面前作了題為《相對論的基本思想和問題》的報告。瑞典國王古斯塔夫五世也在座聆聽。

此後,一直被瑞典評委會認為在科學真理判斷上的“叛逆”和“荒唐”的年輕科學家德布羅意(L.V.de Broglie,1892—1987)、海森伯、狄拉克、泡利(W.E.Pauli,1900—1958)……都先後獲得了諾貝爾物理學獎。

可以說,在愛因斯坦獲獎過程的這場大較量中,不僅相對論獲得了最終的認可,而且理論物理學的重要研究方法——“美是探求理論物理學重要結果中的一個指導原則”,也由此獲得了重大的勝利。所以愛因斯坦獲得諾貝爾獎這一事件是一個分水嶺,在科學美學歷史發展的進程中有著非同一般的意義。

註釋

[1] * 1915年第一次世界大戰期間,以中立國瑞士的蘇黎世為中心,雲集了一批來自各國的先鋒派青年藝術家。他們在一次聚會中要為其團體起一個名字,極其偶然地,他們找到了“達達”(dada)這個詞。於是他們很興奮地把這個詞用作了他們團體的名字。“達達”這個詞的原意是指兒童搖動了木馬,在法浯中還有嗜好、迷戀的意思,因此,“達達”表達的是一種玩世不恭的象徵意義。達達主義作為一種藝術思潮,反對所有傳統的藝術和20世紀以來的試驗藝術。他們認為是理智和邏輯導致了世界大戰的災難,要拯救人類,必須摧毀導致這場戰爭的資本主義價值體系。達達主義又分蘇黎世達達、巴黎達達、紐約達達、德國達達。藝術家杜桑是巴黎達達和紐約達達的代表。

[2] *1922年年底,愛因斯坦因為去日本講學,沒有出席當年的諾貝爾獎頒獎典禮。

《物理學之美》序言

對科學的美和妙要有鑒賞力

楊振寧

1997年1月17日,我在香港中華科學與社會協進會與香港中文大學主辦的演講會上發表演講《科學工作有沒有風格?》。後來,在收入《曙光集》的時候,把此演講的標題寫作了“美與物理學”。

在那次演講中,我談到,物理學自實驗、唯象理論到理論架構,是自表面向深層的發展。表面有表面的結構,有表面的美。進一步的唯象理論研究顯示出了深一層的美。再進一步的研究,就顯示出了極深層的理論架構的美。

牛頓的運動方程、麥克斯韋方程、愛因斯坦的狹義相對論方程、狄拉克方程、海森伯方程,以及其他五六個方程是物理學理論架構的骨幹。它們提煉了幾個世紀的實驗工作、唯象理論的精髓,達到了科學研究的最高境界。它們以極度濃縮的數學語言寫出了物理世界的基本結構,可以說它們是造物者的詩篇。

我以為,年輕朋友們應該對科學的這些不同層次的美擁有鑒賞力。常常有年輕朋友問我,他應該研究物理,還是研究數學。我的回答是,這要看你對哪一個領域里的美和妙有更高的判斷能力和更大的喜愛。愛因斯坦在1949年談到他為什麼選擇物理學,他說:“在數學領域里,我的直覺不夠,不能辨認哪些是真正重要的研究,哪些只是不重要的題目。而在物理學里,我很快學到怎樣找到基本問題來下工夫。”

因此,對年輕朋友來說,要對自己的喜好與判斷能力(也就是科學鑒賞力),有正確的自我估價。從這個角度來看,本書邀請讀者“共享科學的情與趣,共賞科學的妙與美”,是很有意義的。

原標題:《20世紀科學審美的一場較量:愛因斯坦的諾獎為何拿得這麼難?|楊振寧作序|展卷》

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