非常尊敬的各位同事:
首先,我必须由衷地感谢你们给我提供了一个像我这类人所能得到的最大帮助。你们通过推选我进入你们的科学院,使我能够全身心地投身于科学研究,不再烦心和担忧实际的职业生活。即使当我的努力没有达到你们的高度期许时,也恳请你们继续相信我的感激之情和我的勤奋。请允许我对我的工作领域,也就是理论物理学对于实验物理学的关系做一些一般性的评论。
前几天我的一位数学家朋友半开玩笑地对我说:“数学家能做许多事情,但肯定不是人们此刻想让他做的事情。”当实验物理学家找理论物理学家征求建议时,通常会遇到非常相似的情形。究竟是什么原因导致这种适应力尤为欠缺呢?
理论家的方法涉及使用作为基础的普遍前提,即所谓的“原理”,从中可以推断出结论。于是,他的活动分为两部分:首先,他必须发现原理;其次,他要从这些原理中推出结论。对于第二项任务,他在学校已经受到了极好的训练。因此,如果他的任务中的第一项已经在某个领域或者在一个复合的相关现象中得以解决,那么只要他足够勤奋和聪颖,就一定会成功。可是这些任务的第一项,即确立原理,用它来充当演绎的基础,却有着完全不同的性质。
这里并没有可以学习和系统应用的方法以便达到目标。研究人员必须在错综复杂的经验事实中察觉到能用精密的公式来表示的普遍特征,借此探索自然的普遍原理。一旦成功地形成这种表述,结论便一个接着一个出现,它们经常揭示出意想不到的关系,远远超出了得出这些原理的实在的范围。
但是,如果这些用来作为演绎出发点的原理没有得出,那么个别的经验事实对于理论家而言则是毫无用处的;事实上,如果仅仅依靠从个别经验中确立的一般规律,他什么都做不了。相反,在他揭示出这些作为演绎推理基础的原理之前,面对经验研究的个别结果,他仍旧处于无助状态。目前低温下的热辐射和分子运动定律学说就处于这种地位。
大约在15年前,没有人怀疑,只要把伽利略—牛顿力学应用到分子运动上,同时根据麦克斯韦的电磁场理论,就有可能正确描述物质的电、光和热的属性。之后普朗克发现,若要建立与经验相吻合的热辐射定律,必须使用一种与经典物理学不兼容的计算方法。通过这种计算方法,普朗克将所谓的量子假说引入物理学,之后被实验完美地证实。
当他将这种量子假说应用到质量足够小、速度足够低、加速度足够大的物体上时,今天由伽利略和牛顿建立的运动定律只能被认为是极限定律。
尽管理论家做了最艰苦的努力,但迄今为止未能推导出能够取代力学原理,并满足普朗克的热辐射定律和量子假说的原理来。尽管毫无疑问,但我们必须承认,热是由分子运动引起的。关于这种运动的基本定律,我们如今所处的地位类似于牛顿之前的天文学家关于行星运动所处的地位。
我刚刚涉及了一类事实,其理论处理缺少相应的原理。但可能发生另外一种情况,即用公式明确表示的原理所导出的结论完全或者几乎完全处于目前我们经验所能及的真实范围之外。那样的话就需要多年的实验研究来确认这些理论原理是否与实在相符。在相对论中就有这样的例子。对时间和空间基本概念的分析让我们明白,从运动物体的光学所得出的真空中光速不变原理,并没有强迫我们承认静态的光以太理论。
相反,考虑到在地球上进行实验绝不能揭示出任何相对于地球的平行运动,它却有可能得出一个普遍理论。在这样做时,使用了相对性原理。相对性原理指出:当人们从原来的(被认可的)坐标系转向一个对它做匀速平移运动的新坐标系时,自然规律不改变它们的形式。这个理论已经从经验中得到了相当多的证实,并使已经联系在一起的一类事实的理论表述得以简化。
然而,从理论的观点来看,这个理论并不能完全令人满意,因为刚才所讲的相对性原理偏爱匀速运动。从物理学的角度来看,不能赋予匀速运动绝对的意义,如果这是正确的,那么问题就很明显,这种陈述是否应该扩展到非匀速运动上去。事实证明,如果人们以这种扩展了的意义来使用相对性原理,那么就可以对相对论进行非常明确的扩展。人们因此得出了包括动力学在内的广义的引力理论。
然而目前,我们还缺乏一系列事实材料,能够用来检验我们提出的潜在的原理是否合理。我们已经发现,归纳物理学向演绎物理学提出问题,演绎物理学也向归纳物理学提出了问题,而回答这些问题要求我们全力以赴。但愿通过团结努力,能够取得决定性的进展!