解读“狭义相对论”——从方法论视角

解读“狭义相对论”

——从方法论视角

张丽

重庆大学贸易行政学院科技哲学室(400044)

中共中央党校哲学部2008级博士研究生（100091）

摘要：爱因斯坦的狭义相对论以相对经济和解释性简化而著称于世界，其影响之大，更是其他理论所不能望其项背。以致许多理论学家们自觉或不自觉地把它作为构建理论的方法论模板。其实在与经典热力学的三次类比中（其中有二次是爱因斯坦本人给出的比较）我们不难发现，在很大程度上这是一种误读，误导，其实质是陷入一场方法论的危机。此文的目的正是要抵制这一思想，并指出爱因斯坦1905年创立的方法论理论仅代表的是一种功利主义，实用主义的胜利，而远远不是解释深度的胜利，它的作用效果也仅限于在混乱、无秩序的状态背景下。

关键词：狭义相对论；经典热力学；方法论；量子力学； CBH法则

比较狭义相对论和量子力学，前者以它的相对经济和解释性简化而著称于世界，其影响之大，更是其他理论所不能望其项背。以至于此后的大量的理论物理学家们自觉或不自觉的受此引导去寻找少量的基本假设，基本原理。期望他们能够在量子力学中发挥作用，就象相对性原理和光假设曾经联合起来在爱因斯坦1905年创立的狭义相对论中发挥基础作用一样，达到简化量子力学的目的。其实在与经典热力学的三次类比中（其中有二次是爱因斯坦本人给出的）我们不难发现，这是一种误读，误导，其实质是陷入一场方法论的危机。此文的目的正是要抵制这一思想，并指出爱因斯坦1905年创立的方法论理论仅代表的是一种功利主义，实用主义的胜利，而远远不是解释深度的胜利，它的作用效果也仅限于在混乱、无秩序的状态背景下。这一点，也正是爱因斯坦本人所非常熟知的。

第一次类比与CBH法则的启示：

爱因斯坦本人曾坦言：相对论原则是使可能性缩小的理论;它不是一个模型（模版），恰似热力学第二定律不是一个模版一样。①(the principle of relativity is a principle that narrows the possibilites ; it is not a model, just as the second law of thermodynamics is not a model.).

另外，在量子力学最近的重要进展中，克利夫顿（CLIFTON）、巴伯（BUB）、哈沃森（HALVORSON）即CBH以三个“information_ _theoretic constraints ”为依据提出的“知识初概念”（notion of information）在理解量子理论中的作用已经变得值得注目了。CBH所关注的正是处于一种危险状态中的“方法论”。在其论文的开头，CBH写到：一个人能够仅以少数几个简单的知识理论原则来刻画量子理论特征的这一事实，是提供信任给这样一种思

想————即知识法则观点对采纳相关的量子理论而言是正确的预言。尤其值得注意的是，我们的与知识法则原理相关的理论推导直指量子理论的本质特征——非交换性和非定域性。从纯粹物理学的角度看，这都是非常抽象的概念问题，因此。我们建议以知识法则观点替代量子理论中的抽象、未决的基本概念问题。即我们建议视察量子理论，首要地不是关于波和粒子的机械理论，而是作为关于信息知识传递的可能性和不可能性的理论。②（the fact that one can characterize quantum theory …in terms of just a few simple information-theoretic principles…lends credence to the idea that an information-theoretic point of view is the right perspective to adopt in relation to quantum theory. Notice , in particular , that our derivation links information-theoretic principles directly to the very features of quantum theory ___ non-commutatively and non-locality __that are so conceptually problematic from a purely physical/mechanical point of view. We therefore suggest substituting for the conceptually problematic mechanical perspective on quantum theory an information-theoretic perspective .That is , we are suggesting that quantum theory be viewed, not as first and foremost a mechanical theory of waves and particles…but as a theory about the possibilities of information transfer）在CBH文章的末尾，他们提出了更重要的目的——提出建立一种在他们的量子力学理论特征与爱因斯坦的狭义相对论之间的类比关系。他们自己认为，CBH派生的根本意义在于：量子力学应该被解释为一个基本原理（principle theory）以某种爱因斯坦曾经在1905年的SR 理论中的描述的形式和意义而言。CBH视他们提出的“约束”为与那些基本原理的类似物，即与相对性原理和光假设一样的。而这是爱因斯坦曾用于推导相对运动学本质的基础。③很明显，爱因斯坦1905年对相对运动学的处理是一种简单、经济的胜利，相比于以太理论家们提供的对运动尺和钟的相对处理方式而言。但是，这样的处理方式并没有被爱因斯坦自己所完全欣赏。爱因斯坦的“principle theory” 基本理论的路径建立在一种绝望、悲观的策略上，并表现为一个战略上的退却。在他本人看来是从一个更为合理的，满意的（desirable），但是暂时又不可获得的建构性方法上的退却。

第二次类比：

众所周知，爱因斯坦在发表于1919年伦敦时报的著名论文中④已经清晰、明白地表达了其基本原理的特征。但，它却是一个主题，零星不断地散见于他一生的著作当中。

1908年1月，在出版他的关于狭义相对论的荣誉论文大约2年半以后。爱因斯坦给阿诺德（Arnold sommerfeld）写了一封信：

因此，首先就我是否认为相对性处理方式（relativistic treatment）是一种权威或限定，例如对于，电动力学而言。不，当然不是。对我来说，只有当一个物理理论建立它的结构从原始基础上（elementary foundations）, 它才是一个令人满意的物理理论。相比于其他的理论，相对论不是最后的、满意的理论。相比于在波尔兹曼把熵作为一种概率之前的经典热力学而言。（事实上），如果不是迈克尔逊——莫雷实验把我们置于一个糟糕的预言之中，没有人会觉察到把相对论作为一个（半个）救助。⑤似乎相对论无异于一根救命稻草。

再此，爱因斯坦重述了一个在SR和热力学之间的类比，考虑在1907年他曾比较SR和热力学第二定律⑥，在这两次比较过程中，爱因斯坦都在强调SR的理论局限性、不足。而远不是它的理论实力。

为什么爱因斯坦说SR仅是“半个救助”呢？

回想一个理想的单一活塞热机，遵循卡诺循环，并且考虑到它的功率的理论限制。这种功率限制在理论上能够通过开发热机作用物质的微观结构来建立。特别是通过使用统计力学原理来应用于汽缸中的分子结构。然而更容易、便捷的方法是救助于经典热力学第二定律。根据这种定律，热机的效率必定简单地依赖于两个热储物的温度比率，无论活塞中的气体由什么组成的。如果不是这样，那么热机成为第二种永动机将成为可能，而这种可能被热力学

中的假设简单地排除掉了。然而，毕竟很难不去思考为什么永动机不能够存在的原因。广泛持有的观点是统计力学的解释理论，即使其相关的理论细节是有争议的、值得怀疑的。但是热力学却完全不能够给出一个解释。我们知道各种形式的永动机不存在是热力学的出发点。这一理论获益于实践之中，并且有明显的，经验的可靠性作为其前提。但是，它失去的是提供物理学的预见性和洞察力。

爱因斯坦认为原则性理论（principle theory）会被典型地使用当建构性理论（constructive theories）不能够获得时，或者因为难度太大而不能被建构时，或相对难以操作时。对于爱因斯坦而言“当我们说我们已经成功地理解一组自然过程时，不可避免地意味着，涵盖了那些讨论过程的建构性理论已经建立。然而，爱因斯坦强调SR只是一个principle theory .在此，在形成他的相对论过程中，他为什么认为有必要去牺牲掉其理论的解释力呢？

在1949年他的自传中，爱因斯坦提及了一个令人震撼的暗示：

反思辐射过程的波、粒双重本性，对我而言，很清楚，就在1900年后，普朗克的带头性工作后不久，机械力学和电动力学大剖不能号称严格正确（除了在有限的事件中），逐渐地，我对通过建立在已知事实基础上的建构性理论来发现真正法则（true laws）的可能性绝望了。

⑦我调整物理学的理论基础以适应新知识的所有努力完全失败了，就是那种一个基础已经被从根基上推翻了，而在任何地方都看不到更坚固的基础。⑧我们知道爱因斯坦的早期注解一直是为经典力学唱赞歌的：就我所信服的，唯一普适的物理理论，在其基础概念适用的框架之内，它将永远不会被推翻。现在，他却不得不在世纪之交的物理学危机中寻找一个路径了。“我磨砺的这种绝望越多，越长，我就越加坚信——只有发现一个普适的理论公式才能把我们引导到那些确切的结论上。我以前看到的是热力学的例子，这些普适性原理以法则（theorem）形式给出：即自然法则是不可能建构一个永久的运动的。然而，这样一个普适性原理怎样才能被发现？⑨

我们知道爱因斯坦建立其理论在相对性原理和所谓的“光假设“的结合中，即相对于一个惯性系，光速是独立于光源的速度并且各向同性的。当这个有争议的理论框架被用于以太静止参考系时候，每一位以太理论家都视其为当然。⑩也是某种爱因斯坦认为无论无论最终的量子辐射将揭示出什么结论，都能够幸存下来的理论。他展示（给我们）的是刚性尺的长度收缩和理想钟的时间延缓是这些假设的作用效应。

如果这是可以的，我们完全可以按照同样的方式说，对于绝热系统熵的存在和它的历时的非减行为是热力学法则的一个效应。爱因斯坦本应该已经对于那些相对论的“尺缩”和“钟慢”效应给出一个建构性的理由。但是，正如我们所看到的，在1905年，这样的理由并没有被建构出来。这种战略意义上退却的代价是把相对论作为一个“principle theory”恰恰丧失了这一理论的洞察力和预见性（loss of insight）。对于这一方法过程中的“尺缩”，“钟慢”效应，爱因斯坦边的日益不安起来，这表现在其发表于1921年的论文《几何学与经验》中，特别是在1949年他的自传的记述中能够明显的看到这一点：

“受到事实攻击的是狭义相对论原理……介绍了两种物理事件，如（1）尺和种的测量，（2）所有其他事件，如，电动力学场，质点等，从某种意义上，这是矛盾的。严格地说，尺和种的测量应该已经被描述成这些基本方法的结论，而不是象现在这样作为理论上自足（self-sufficient）的实体。然而，这个过程使其合理。因为很清楚的一点是，从最初，这个理论假设就不是足够有力从它们充分的完备方程中推导出来。为了建构一个关于测量尺和钟的基础理论…一个人不应该使上面提级的“sin”合法化以至于去幻想（imagine）“间断性（intervails）”是一种特殊类型的物理实体，在本质上不同于其他的变化（“把物理学还原到几何学”等）⑾。在此，爱因斯坦又一次提醒我们建立于1905年的理论形式的局限性。

三．来自理论评论家们的类比

其实，早在1905年爱因斯坦建立其理论形式时，大量的理论评论家们已经注意到SR理

论的局限性。包括20世纪20年代的泡利，爱丁顿；20世纪40年代的斯旺；70年代的贝尔；及80年代的丹尼斯等。⑿所有这些作者都呼吁一个更赋予建构性版本的SR理论。贝尔是把这一思想表达的最清楚的：例如，如果你对热力学第二定律和熵增理论相当有自信的话，你能够直接从热力学第二定律获得许多东西，而从一个关于气体的运动理论的详细研究中直接获得什么东西是相当困难的。但是，你没有借口不去研究气体的运动原理，不去探究熵增实际上是如何发生的。同样地，尽管爱因斯坦的狭义相对论会引导你去期望FG收缩，但是你同样没有借口，没有被免除去探究关于如何导致FG收缩的详细的动力系统。⒀贝尔在这里又一次重复了SR与热力学之间的类比，他又进一步指出，无论从权威性还是从精确性的角度，他并不对爱因斯坦的路径方法心存疑惑。他主要强调的是：有时，一个较长的路径方法（关于“尺缩”和“钟慢”的动力系统的描述）会给我们更多……the longer road (a dynamical account of contraction and dilation) sometimes gives more familiarity with the country⒁贝尔强调，与统计力学中棘手的叙述相比，热力学之美在于它的推理经济，简洁。但是，它所提供的洞察力是有限的。

回顾时空物理学发展的最后几十年，闵可夫斯基对于SR的贡献主要是提升它的解释力。热衷于最终解释为什么运动中的尺会收缩，钟会延缓。去弥补爱因斯坦坦白的“sin”,即关于认为尺和钟作为无结构的原初的实体，及把时空间歇作为一种特殊类型实体；指出爱因斯坦1905年原创的SR理论的局限，而不是鼓吹SR作为一个理论模版的有用性。这也正是爱因斯坦本人早已清楚意识到，并且从未企图隐藏的。

这篇小论文，是以科学史上的狭义相对论为案例，从方法论和认识论的角度进行分析和研究，是根植于当代科技哲学发展的大背景。从上世纪60年代起，在科技哲学中就开始了从内在主义向外在主义转化的趋势，这是从认识论和方法论研究向人文社会研究的转化。实际上，认识论和方法论研究是离不开人文社会研究的，其本身就是人文社会研究的一部分。这样，所谓的内在主义和外在主义研究的对立，就在整体的人文社会研究中得到了升华和统一。

致谢：

本论文得到作者在牛津大学哲学中心的导师professor Harvey Brown以及中国社会科学院哲学所江怡教授及殷登祥教授的悉心指导和帮助，在此致以衷心的谢意。

作者简介：

张丽：女（1972——）黑龙江汤原人，哲学硕士，重庆大学贸易与行政学院科技哲学教研室讲师（邮编：400044）；中共中央党校哲学部2008级博士研究生

EMAIL: zhangli962@https://www.360docs.net/doc/786899965.html, / zlmx@https://www.360docs.net/doc/786899965.html,

注释：

1.This statement was made by Einstein in 1911 at a scientific meeting in Zurich ; see Galison

(2004),p268.in 1911 Einstein was still using “principle of relativity” to mean theory of relativity.

2.Rob Clifton, Jeffrey Bub , and Hans Halvorson. Characterizing quantum theory in terms of

information theoretic constraints. Foundations of Physics, 33(11):1561,2003p4.

3. Rob Clifton, Jeffrey Bub , and Hans Halvorson. Characterizing quantum theory in terms of

information theoretic constraints. Foundations of Physics, 33(11):1561,2003p24

4.A.Einstein.What is the theory of relativity? The London Time,1919.Reprinted in

Einstein(1982)pp.227__32.

5.A.Einstein.Letter to Arnold Sommerfeld, January 14,1908.Document 73 in The Collected

Papers of Albert Einstein,vol.5,The Swiss Year:Correspondence,1902_19149English

Translation Supplement, M. J. Klein, A .J . Kox and R.SCHULMANN(eds.),Princeton

University Press, Princeton.. Translated by A. BECK.,1995.

6.A.Einstein. Bemerkung zur Notiz des Herrn P.Ehredfest:Translation deformierbarer

Elektronen und der Fla(..)chensatz.Annalen der physic,23:206-208,1907.English translation in

Einstein (1989),Doc.44,pp.236_7.

7.A.Einstein.Autobiographical notes.In PA.Schilpp,editor, Albert

Einstein:Philosopher_Scientist,V ol.1,pages1_94. Open Court, Illinois, 1969.p51,53.

8,9.Op.cit., p45,p53.

10.12.Wolfgang Pauli. Theory of Relativity. Dover, New York,1981.

11.A.Einstein.Autobiographical notes. In P. A. Schilpp ,editor, Albert

Einstein:Philosopher_Scientist,V ol.1,pages1_94. Open Court, Illinois, 1969.p59,61.

13.John S. Bell. George Francis FitzGerald. Physics World,5:31_35,1992.

14.John S. Bell. How to teach special relativity. Progress in Scientific

Culture,1,1976.Reprinted in Bell (1987),pp.67_80.

ON “SPECIAL RELATIVITY” FROM METHODOLOGY

ZHANG LI

Faculty of philosophy college of trade and administration Chongqing university

Abstract: the special relativity is marked by its relative economy and apparent explanatory simplicity. so many theorist have been leaded by his method .but in fact this is a mislead. We

will argue that the methodology of Einstein 1905 theory represents a victory of pragmatism over explanatory depth, and that its adoption only made sense in the context of the chaotic state of physics at the start of the 20th century.

Key words: special relativity classical thermodynamics methodology

quantum theory CBH theorem

解读“狭义相对论”——从方法论视角

作者：张丽

作者单位：重庆大学贸易行政学院科技哲学室 400044 共中央党校哲学部2008 级博士研究生 100091本文链接：https://www.360docs.net/doc/786899965.html,/Conference_7158439.aspx