彭加勒对物理学革命的直接贡献.docx

1、彭加勒对物理学革命的直接贡献彭加勒对物理学革命的直接贡献朱尔昂利彭加勒(1ules Henri Poincar，18541912)是法国着名的科学家和科学哲学家。他在数学、天文学、物理学的几乎每一个分支都做出了杰出的贡献。在他不长的一生中共发表了将近500篇科学论文和30多部专着。本世纪初，他陆续出版了科学与假设(1902年)、科学的价值(1905年)、科学与方法(1998年)等科学哲学名着，产生了较大的影响，被认为是逻辑经验主义的始祖之一。由于他的卓越成就，他赢得了法国政府所能给予的一切荣誉，也得到英国、俄国、璃典、匈牙利等国的奖赏。长期以来，人们对彭加勒有不少误解和曲解。关于他在物理学革命

2、中的表现和作用，有人就认为：“彭加勒在物理学新发现面前的表现是非常突出、非常恶劣的”。他“别有用心”地“走上前台”，进行“丑恶的表演，虚伪的喧嚣”。在这些人的眼中，彭加勒似乎成了破坏物理学革命的罪魁祸首。事实究竟怎样呢?物理学革命先后是在三个领域物质结构、量子论、相对论展开的，就让我们来考察一下彭加勒在这三方面的具体贡献吧。在物质结构方面的贡献物理学革命也许可以说是从1895年伦琴发现X射线开始的。X射线的发现引起了极大的轰动，使整个科学界都陷入极度的激动和深深的沉思之中。由于X射线从阴极射线撞击在克鲁克斯管上的萤光斑发出，这使彭加勒想到，被日光照射而发磷光的各种物质也应当发出一种不可见的、有

3、贯穿能力的类似于X射线的辐射。1896年初，彭加勒在法国科学院的会议上提出这一设想，尽管该设想是从一个错误的前提出发的，但是客观上却促成了放射性的发现。彭加勒的同行、一位长期从事发光物质研究的专家贝克勒尔从中受到启发。经过几次反复，贝克勒尔终于在同年发现了铀射线。这又直接导致居里夫人于1898年发现了放射性更强的新元素钋和镭，由此开辟了原子结构研究的新天地。在世纪之交，物理学家所讨论的一个重大问题是：原子、分子是否存在？众所周知，在19世纪末期，由于热力学的成功以及原子论在热力学第二定律、汽化热、渗透压、化学平衡等问题上遇到了困难，因此奥斯特瓦尔德在发展能量学时批评了原子假设的实在论作用，并主

4、张用唯能论的纲领代替原子论的纲领。奥斯特瓦尔德的观点得到许多从事热力学和化学研宄的科学家的支持。对此，坚持原子论的玻耳兹曼等人与之进行了唇枪舌剑、旷日持久的论争。当时，在科学共同体内部，彭加勒既避免把他与唯能论物理学联系起来，也避免把他与机械论物理学联系起来，他对原子论持保留和审慎态度。19世纪90年代，彭加勒以既不能被证实、又不能被否证这种意义，使用“中立性”假设来描述原子假设的特征。他论证说，原子、分子还不能看作是已知的经验事实，它们既不能认为是真实的，也不能认为是虚假的，原子论依然是一个悬而未决的问题。彭加勒像奥斯特瓦尔德那样，也发现可逆的分子碰撞与自然过程和热力学第二定律的不可逆性之间

5、存在着悖论，这对于原子论来说是一个最大的困难。他既不同意亥姆霍兹的令人困惑的“隐蔽运动”的回答，也不满意麦克斯韦妖的回答。他的观点虽然完全类似于玻耳兹曼对气体运动论的解释，但是显然怀疑该理论的数学精确性，并为上述悖论而感到烦恼。值得注意的是彭加勒早就意识到用实验来验证分子运动论的可能性。他在1902年提醒公众注意：“我们且把古依(MGouy)先生关于布朗运动的新奇观念说一说。按照这位学者的说法，这种奇异的运动不符合卡诺原理。那些使之振动的分子就比那十分致密的乱丝网孔还细小，我们几乎能够看到麦克斯韦妖作怪呢。”在1904年的圣路易斯(美国)会议上，他提到古依的猜测：布朗运动因摩擦而转化为热，热反

6、过来又转化为运动；由于运动永远持续，因而违背卡诺原理。“假若如此”，彭加勒沉思道：“我们就不需要麦克斯韦妖全智全能的眼睛了，显微镜就能使我们满足。” 后来，爱因斯坦和斯莫鲁霍夫斯基(MVon Smoluchowskl)分别于1905年和1906年给出了布朗运动的理论，导出了计算分子大小的公式。1908年，佩兰(J. Perrrin)和他的合作者通过用显微镜观察藤黄树脂微粒的布朗运动，证实了爱因斯坦和斯莫鲁霍夫斯基的公式。佩兰实验的成功使彭加勒改变了原来对原子论的保留态度。在1912年法国物理学会议即将结束时，彭加勒在谈到佩兰实验时说：“起初的反映的确震动了所有的听众，长期存在的力学假设和原子假

7、设现在已被认为具有充分的可靠性，它们几乎不再作为假设出现在我们面前了，原子不再是一种有用的虚构了；我们似乎有理由说，我们看到了原子，因为我们知道如何去计量原子。佩兰出色地确定了原子的数目，使原子论大获全胜，化学家的原子现在已经是一种实在了。” 这充分证明，彭加勒是一位诚实正直、襟怀坦白的科学家。在相对论方面的贡献众所周知，爱因斯坦在1905年发表了他的着名论文“论动体的电动力学”。在这篇论文中，他以相对性原理、光速不变原理两个公设为基础，以同时性的定义为突破口，建立了狭义相对论的完整理论体系。使人惊叹的是，早在1900年之前，彭加勒就已经掌握丁上述建造相对论的一切必要材料，他不愧为相对论的先驱

8、。惠特克(ETWhittaker)在谈到这一点时说得对：“彭加勒主要是一个数学家，而洛伦兹主要是一个理论物理学家。但是关于他们对相对论的贡献，地位正好相反：提出普遍原理的是彭加勒，而洛伦兹却提供了许多表达式。” (当然，惠特克有意贬低爱因斯坦的贡献则是十分错误的。)在1895年，彭加勒就对当时以太漂移实验的研究表示不满。他基于哲学根据反对洛伦兹和其他人针对每一个新实验事实而引入孤立的假设，他极力强调人们应该采纳一个更为普遍的观点。实际上，彭加勒本人已经相信，用任何实验手段力学的、光学的、电学的都不可能检测到地球的绝对运动。他断言，所有以此为目标的实验注定要失败，不管它们的精度有多高。在这里，他

9、已经意识到，采取这种立场相当于在理论上提出一个普遍的物理定律。彭加勒用下面的表述概括了这个定律：“不可能测出有重物质的绝对运动，或者更明确地说，不可能测出有重物质相对于以太的相对运动。人们所能提供的一切证据就是有重物质相对于有重物质的运动。” 1895年的这些评论的最大意义在于：它们为彭加勒关于动体电动力学的理论建立了一个框架。1899年，彭加勒在巴黎大学文理学院所作的电和磁的讲演中又提到上述原理，他认为光学现象很可能只依赖于物体的相对速度。到1900年，他把这一原理称为“相对运动原理”。“相对性原理”一词是彭加勒1904年9月在美国圣路易斯国际技艺和科学会议的讲演中首次使用的。当时他把它作为

10、物理学六个普遍原理之一列举出来。其定义“相对性原理。根据这个原理，物理现象的定律应该是相同的，不管观察者处于静止还是处于匀速直线运动。于是，我们没有、也不可能有任何手段来辨别我们是否作这样一种运动。”他在讲演中以挖苦的口吻说，尽管大多数理论家准备看到该原理被否证，但是实验本身却顽强地证实了它的可靠性。光速在真空中不变的公设是彭加勒在1898年发表的“时间的测量”的论文中提出的，与此同时，还讨论了如何定义两个事件的同时性的问题。他这样写道：“光具有不变的速度，尤其是它的速度在一切方向上都是相同的，这是一个公设，没有这个公设，就无法量度光速。这个公设从来也不能直接用经验来验证；如果各种测量的结果不

11、一致，那么它就会与经验相矛盾。我们应当认为我们是幸运的，因为这种矛盾没有发生，”。在1902年出版的科学与假设中，彭加勒再次强调了他的观点：“绝对空间是没有的，我们所理解的不过是相对运动而已”；“绝对时间是没有的，所谓两个时间间隔相等，本身只是一种毫无意义的断语。”“不仅我们没有两个相等的时间的直觉，而且也没有发生在不同地点的两个事件同时性的直觉。”(1, 93)在1904年的圣路易斯会议讲演中，彭加勒已惊人地预见到新力学的大致图像：“也许我们将要建造一种全新的力学，我们已经成功地瞥见到它了。在这个全新的力学内，惯性随速度而增加，光速会变为不可逾越的极限。原来的比较简单的力学依然保持为一级近似

12、，因为它对不太大的速度还是正确的，以致在新力学中还能够发现旧力学。”(1, )此外，彭加勒在1905年还命名了洛伦兹变换，从数学上给洛伦兹理论以简炼的形式。他讨论了受形变的电子的稳定性，发现了洛伦兹变换下的电荷和电流的行为，得到了电荷密度和电流的变换公式。他力图将洛伦兹理论加以推广，以便包括进引力。他不仅论证了洛伦兹变换形成一个群，而且甚至(虽然是含蓄地)使用了四维表达式而闵可夫斯基直到1907年才给爱因斯坦的相对论披上了这件精制的数学外衣。当然，彭加勒的理论和爱因斯坦的相对论在表达形式上虽有很多类似，但两人的基本思想却有着原则性的区别。对彭加勒来说，相对性原理本身只是一个“事实”，是要用实验

13、来证明的，在任何时候只要有一个反例即可被否证。1906年，当考夫曼(WKaufmann)指出，他对高速电子荷质比的测定有利于亚伯拉罕(MAbraham)的理论预言，而不利于洛伦兹和爱因斯坦的理论时，彭加勒便立即怀疑相对性原理的价值。按照彭加勒的意思，光在真空中速度不变也不完全意味着光速是普适常数。光速不变仅仅是相对于绝对参照系即以太参照系而言的。在相对以太参照系运动的惯性系中，由于斐兹杰惹-洛沦兹收缩使得光速表观上是不变的。彭加勒之所以没有达到相对论，部分原因在于他没有像爱因斯坦那样，把两个原理提高到普遍公设的高度来看待。彭加勒在相对论出现后长期保持缄默，他很可能把爱因斯坦的相对论看作是他和洛

14、伦兹已完成的理论中的微不足道的一部分，而且他恐怕不认为爱因斯坦的理论是一种很好的理论。虽然爱因斯坦在撰写“论动体的电动力学”时并不知道洛伦兹和彭加勒在19041905年间发表的有关论文，但是他在1902年和他的“奥林比亚科学院”的同伴一块读了彭加勒的科学与假设。这本书对他们的印象特别深，他们用了几个星期紧张地读它，并针对一些问题进行了热烈的争论。彭加勒对经典力学基础的深邃洞察和有关科学哲学思想，无疑对爱因斯坦创立相对论产生了直接的和间接的影响。在量子论方面的贡献1900年12月14日，普朗克在德国物理学会的一次会议上宣读了他的论文“论正常光谱的能量分布定律的理论”，首次把量子引入物理学，这成为

15、物理学中一个领域革命的开端。1905年，爱因斯坦发表了“关于光的产生和转化的一个启发性的观点”一文，把普朗克针对谐振子能量所作的量子假设大胆引进光辐射的研究中去。但是在索耳未会议之前，和相对论一样，量子论也没有得到广泛的传播。索耳未会议是一次挑选成员极为严格的会议(仅发出25封邀请信，21位科学家与会)。会议把来自欧洲大陆和英国的第一流理论家和实验家聚集在一起，共同讨论由于引入量子而导致的物理理论的变革。会议的报告和讨论大大激励了彭加勒的敏锐思想。从会议的活动记录来看，他积极地参与了讨论，而且也严肃地以公开的形式进行争论。事后，莫里斯德布罗意向林德曼谈到，在所有与会者当中，彭加勒和爱因斯坦以他

16、们自己的行动处于同一类型。洛伦兹回忆道，彭加勒在讨论中表现出“他的思想的全部活力和洞察力，人们钦佩他精力充沛地进入那些对他来说是全新的物理学问题的才干。”普朗克后来也说：“老一辈的人都倾向于不理睬这一假设，热心人将毫无批判地欢迎它，怀疑论者将寻求否定它的根据，多产的人将检验它并使之富有成果。在一篇论述量子论的意义深远的论文中，彭加勒被证明是富有青春活力的、有批判力的和多产的。”在会议讨论中，彭加勒注意到许多基本问题。他两次敦促普朗克给出充分的根据，以便在把相空间分解为有限的基本区域的几种可能的途径中作出决定，从而便于概率计算。他想了解，几个自由度系统的能量是如何被量子化的，因为一维的量子化程序

17、与多维系统中的轴变换不相容。使彭加勒感到遗憾的是，到当时为止还没有讨论固定谐振子相互作用的机制；因为在缺乏任何确定机制的情况下，不会存在不同辐射之间的能量交换，因此也就不存在最终的平衡。最后，他怀疑普朗克新的辐射理论，因为普朗克这时比1900年倒退了一步谐振子发射能量是量子过程，而吸收能量则随时间连续地变化。从布鲁塞尔返回巴黎后，奇异的量子并未使彭加勒安静下来。在他生命的最后的短暂时刻里，他以难以置信的毅力和速度从事这项困难的研究。1911年12月4日，即索耳未会议结束一个月之后，彭加勒向科学院提交了一篇论述量子论的长篇论文的缩写本。全文则发表在1912年1月号的物理学杂志上。彭加勒清楚地意识

18、到，量子论并不是相对论(或像他喜欢提到的洛伦兹的力学)的扩展，新的“勇敢的冲击”比过去的冲击更为使人张皇失措。如果量子假设是正确的，那么自然规律便不能用微分方程的形式来描述。量子论的出现“无疑是自牛顿以来自然哲学所经历的最伟大、最深远的革命。”早期量子论的中心问题之一，是能量的不连续是根本性的呢，还是辅助性的呢？对于这个至关重要的问题，彭加勒作出了令人信服的回答。他在自己的专题论文中拟定了一个有说服力的证明。这个证明似乎也是量子必然的广泛的应用。他的引人注目的证明的实质是，量子假设仅仅和在黑体辐射中存在着分立的能量是一致的。他进而坚持认为，旧理论不只是错在能量能够连续变化的假定上，而且物理定律

19、本性的概念也经受了根本的变革。在强调量子假设的革命内容时，他极力主张，新观念注定要清除经典物理学的偏见，尽管他把自己一生工作的大部分都贡献给经典科学。在物理学杂志那篇专题论文的结尾，彭加勒认为，人们必须寻求差分方程，对于不连续的几率函数的情况，它将起哈密顿微分方程的作用。虽然他的过早去世使他未能从事这项具体的研究工作，但是他的批判性分析却给人们提供了宝贵的启示。在一篇评述性的文章 中，彭加勒开门见山地指出，力学正“处于骚动的前夜”，“自牛顿以来，自然哲学所经历的最引人注目的革命可能就在其中”。彭加勒认为，“自然界无飞跃” “这种基本观念今天成为讨论的问题”。“把不连续性引入自然定律”，“这样一

20、个非同寻常的观点能够成立”。彭加勒接着逐个讨论了热力学和几率、辐射定律、能量量子、作用量子、普朗克的新理论等。他呼吁必须拯救量子假设，尽管核假设面临着许多困难，否则我们就不会有可供建筑的基础了。他表示对普朗克修正原先的理论感到困惑。他在分析了普朗克之所以进行修正的原因后断言：“坚持最初的观点是比较合适的”。在这篇文章中，他清楚地说明了在他看来普朗克理论的本质：“一个物理系统只能够具有有限数目的性质截然不同的状态，它从这些状态中的一个跃迁到另一个时无须通过连续系列的中间状态。”他考虑到，粒子必定只能遵循相空间某些容许的路线，在可能状态中不连续地漂移。他猜测，宇宙中的万物也像电子一样，都应当经历量

21、子跃迁。由于在普遍跃迁之间的不运动状态内具有无法区分的瞬时，因此必然存在着“时间原子”(atom of time)。这就是彭加勒逝世前在头脑中所酝酿的思想。在后期对量子论理解方面，他没有胆怯的或勉强的成分。直到1911年，量子论基本上只是局限于德语世界内。声名卓着的非德国科学家彭加勒转而热情地相信量子，这件事本身就有助于量子论的广泛传播。毋庸置疑，彭加勒的论文大大促进了人们对量子论的兴趣，他的结论对当时学术界的影响远远超过爱因斯坦的理论(爱因斯坦的新奇思想一时还难以被人们所充分理解)。对有关文献的审查表明，在索耳未会议及彭加勒的论文之后，在法国才出现了对量子的值得注意的讨论。彭加勒的强烈影响在

22、英国表现得最为充分。英国人曾经顽固地反对量子假设。大多数英国物理学家对普朗克工作的那种高度抽象的统计推理特征都持冷漠态度。由于彭加勒的影响，这种状况发生了根本的变化。1914年，C. G. 达尔文被彭加勒的论文所吸引，并将它译成英文。到19世纪20年代，他成为英国着名的量子物理学家。C. G. 达尔文在提到彭加勒对他和他的工作影响时说：“他必须被看作是起主宰作用的天才人物或者我将要说，他是我的守护神?”(1, )。早在1912年，尼科尔森(JWNicholson)就把量子引入到原子论的解释中，这是英国人首次把量子论推广到新领域。尼科尔森认为，对于现有的量子假设来说，彭加勒给出了可靠的、无疑的证

23、明。就连在索耳未会议上强烈反对量子论的金斯，在1913年9月(这时彭加勒已逝世14个月了)举行的英国学会的伯明翰会议上，劲头十足地站出来支持量子假设。正是彭加勒的论文促使金斯改变了信仰，金斯承认他几年来驳斥量子而一无所获。金斯“关于辐射和量子论的报告”使英国物理学家普遍建立起研究量子的信心。法国着名物理学家朗之万(PLangevin)早在索耳未会议前就支持量子论。他在彭加勒逝世后写道：“彭加勒最后的学术论文标志着长这300年的一个时代的终结，在这300年间，自然定律和无穷小计算的语言被认为是不可分离的”。他说，彭加勒以惊人的明晰证明了旧统计理论、电磁理论和原子尺度的电磁现象之间的“尖锐冲突”。

24、朗之万和彭加勒一样相信，原子世界的新规律不能用连续数学来表达，这些规律的精确本性的发现可能是科学的下一阶段的伟大任务。参 考 文 献H. Poincar, The Foundations of Science, Authorized Translation by GBHalsted, The Science Press, New York and Garrison, N. Y., 1913, p. 152.Mary Jo Nye, Molecular Reality: A Perspective on the Scientific Work of Jean Perrin, Elsevier I

25、nc., New york, 1972, p. 157.E. T. Whittaker, A History of Theories of Ether and Electricity, Thomas Nelson, London, 1953, p. 36.C. Scripner，Henri Poincar and the Principle of Relativity，Am. Jour. Phys., 32(1964), 672687.S. Goldberg, Henri Poincar and Einsteins Theory of Relativity, Am. Jour. Phys.,

26、35(1967), 934944.S. Goldberg, Poincars Silence and Einsteins Theory of Relativity, Bri. Jour. His. Sci., 5(1970), 7384.R. McCormmach, Henri Poincar and Quantum Theory, ISIS, 58(1967), 3755.H. Poincar, Mathematics and Science: Last Essays, Translated by John M. Bolduc, Dover Publications, Inc., New York, 1963, pp. 7588.