爱因斯坦是20世纪最伟大的科学革新家,他不仅以其卓著的科学贡献改变了人类的物质生活,而且也以其天才的思想丰富了人们的精神世界。爱因斯坦在从事科学研究的同时,也对科学本身进行了深刻的哲学反思,针对科学及其与之有关的问题发表了许多精辟的见解。本文仅就爱因斯坦的科学观作一简要的评论。
1)科学:它的目的和本性
什么是科学(这里主要是指自然科学)?长期以来,这一直是一个众说纷纭的问题。有人认为科学是人类认识活动的结果,是关于自然界的有条理的知识。有人则认为科学是人类认识活动的过程,科学是创造知识而不是知识本身,它意味着一个过程,而不是一堆静态的学说。也有人认为无需给科学下—个严格的定义,因为过于刻板的定义有使精神实质被阉割的危险。
然而,在爱因斯坦看来,要人们对什么是科学得出一致的理解,实际上并不困难。他认为:“科学就是一种历史悠久的努力,力图用系统的思维,把这个世界中可感知的现象尽可能彻底地联系起来。说得大胆一点,它是这样一种企图:要通过构思过程,后验(posterior)地来重建存在。” 他还认为:“科学并不就是一些定律的汇集,也不是许多各不相关的事实的目录。它是人类头脑用其自由发明出来的观念和概念所作的创造。” 他甚至直截了当地把科学定义为“寻求我们感觉经验之间规律性关系的有条理的思想”([1],p.253)。显而易见,爱因斯坦关于科学的概念是指认识过程和认识结果的统一体,而没有偏执于一端。而且,他既反对把科学视为对事实材料进行归纳、整理的纯粹经验主义之科学观,也反对把数学知识视为一切知识的原型,从而要想使理性成为关于世界,至少是关于世界中基本事物的知识的源泉之唯理主义的科学观。他在对立的两极保持了必要的张力,这种看法显然是合理的。
爱因斯坦进而谈到科学的目的或企图。他说:“科学的目的,一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系,另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的。(在世界图像中尽可能地寻求逻辑的统一,即逻辑元素最少。)”([2],p.344)(请读者注意:这里的“原始概念和原始关系”是指“基本概念和基本关系”)他还说过:“科学是这样一种企图,它要把我们杂乱无章的感觉经验同一种逻辑上贯彻一致的思想体系对应起来。在这种体系中,单个经验同理论结构的相互关系,必须使所得到的对应是唯一的,并且是令人信服的。”([2],p.384)爱因斯坦关于科学的目的之观点,同样在经验论和唯理论之间保持了恰当的平衡,因为这种观点既强调科学的目的在于使我们的经验相互协调,又强调必须把经验纳入到一个逻辑体系之中。而且,这种观点也与他的所谓科学的定义相一致,也与他的下述一贯思想相吻合:科学起始于经验而又终结于经验,但又不能堆积经验,因为经验不能把科学提高到最抽象的领域中去。因此,科学家的伟大目标在于,要从尽可能少的公理或假设出发,通过逻辑的演绎,概括尽可能多的经验事实。
关于科学的本性,爱因斯坦的两个看法值得在这里加以评述。其一是科学的客观性和主观性问题,其二是与此有关的科学的逻辑的统一问题。对于第一个问题,爱因斯坦有一段原则性的论述:“科学作为一种现存的和完成的东西,是人们所知道的最客观的,同人无关的东西。但是,科学作为一种尚在制定中的东西,作为一种被追求的目的,却同人类其他一切事业一样,是主观的,受心理状态制约的。”([2],p.298)因此,当一个人在讲科学问题时,“我”这个渺小的字眼在他的解释中应当没有地位。但是,当他讲科学的目的或目标时,他就应该允许讲到他自己。因为一个人所经验到的没有比他自己的目标和愿望更直接的了。
爱因斯坦承认科学的客观性,这就断然与科学主观主义划清了界限。在科学主观主义看来,科学理论并不反映客观世界及其规律,它既不需要经验为其泉源,也不需要经受实践的检验,科学研究纯粹是科学家的智力游戏,科学理论纯粹是科学家自由意志的产物。更重要的是,爱因斯坦同时也强调了科学的主观性,这就断然与科学客观主义划清了界限。科学客观主义只承认科学的客观性,而否定科学的主观性,它把科学家这个认识主体仅仅视为“传感器”和“平面镜”,完全剥夺了活生生的科学家的能动作用。与此针锋相对,爱因斯坦在彭加勒的约定主义思想的影响下,大胆地提出了基本概念和基本原理是“思维的自由创造”和“理智的自由发明”,是“自由选择的约定”等著名命题。他多次指出,感觉经验是既定的素材,但是要说明感觉经验的理论却是人造的,而对同一经验材料的复合,完全可以用不同的概念和理论来描述。由此可知,科学理论根本不是客观世界的“摄影”和“映象”,而是以客观世界为题材构思描绘的图画。这样一来,科学理论就是一个极其艰辛的适应过程的产物:假设性的,永远不会是完全最后定论的,始终要遭到质问和怀疑。爱因斯坦关于科学主观性的观点,肯定了科学家在科学研究中应该享有更多的自由,它体现了20世纪科学的方法论原则和进取精神,反映了现代科学的精神气质和发展潮流。
科学的客观性和主观性问题,实际上也就是科学的共性和个性问题。科学的共性主要体现在科学的根本内容或最终结果上,而科学的个性则主要体现在科学的外观形式或追求过程中。面对同样的反常问题,洛伦兹和彭加勒在以太的基础上,通过构造性的努力构筑电子论,而爱因斯坦则从力学和电动力学的不协调入手,以经验事实为引导,把两个猜想大胆提升为公设,以此为基础建立了狭义相对论的逻辑体系。从根本内容上看,二者都能说明经验事实,但从形式上看,前者是构造性理论,而后者却是原理理论。但是,它们都体现了科学的主观性和创造它们的科学家的个性。比较一下薛定谔的波动力学和海森伯的矩阵力学及其创立过程,我们也可以看到类似的情况。
科学的主观性集中表现在科学家制定科学理论时所追求的目的之中。对于爱因斯坦来说,十分强有力地吸引他的特殊目标,是物理学的逻辑的统一。从爱因斯坦在《物理学年鉴》发表笫一篇科学论文《毛细管现象所得的推论》到晚年潜心于构筑统一场论,他的科学研究工作无一不体现了对逻辑统一性的追求。毛细管论文是为了追求分子引力同牛顿超距引力的统一;光量子论文是为了追求光的微粒说和波动说的统一;对于力学和电动力学关于运动相对性的统一的探求涎生了狭义相对论,它进而导致了电场和磁场、质量和能量、时间和空间的统一;后来,由于力求理解惯性和引力的性质而产生了广义相对论,像狭义相对论一样,它也避免了那些在表述基本定律的过程中由于使用了特殊坐标系而隐蔽着暗含的公理,至于统一场论,则是他追求更高一级的逻辑统一性的努力。对爱因斯坦来说,逻辑的统一实际上是逻辑的简单性,而简单性即是美,所以对逻辑的统一的追求也就是对科学美的追求。难怪爱因斯坦在完成毛细管论文后,在给格罗斯曼的信(1901年4月)中深有体会地说:“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉。”([1],pp.347~348)
爱因斯坦深信我们世界的内在和谐和统一,深信我们的理论思维能够把握这种实在。他的这种信念并不是毫无根据的,而是为科学发展的历史所证明了的。当然,在科学的发展中也存在着分化现象,但这不过是统一的前奏和必要准备而已。正如彭加勒所说,这种分化现象不会“消灭这普遍的统一”,“它们反而将完成这种统一”
2)科学理论的结构
关于这个论题,爱因斯坦有三个观点值得我们重视:一是两种理论(构造性理论和原理理论)的划分,二是原理理论的结构,三是科学体系的层次性。
爱因斯坦把物理学理论分成两种不同的类型。他认为其中大多数是构造性的(constructive)。这种理论“企图从比较简单的形式体系(formal scheme)出发,并以此为材料,对比较复杂的现象构造出一幅图像。”([2],p.109)例如,气体分子运动论就是这样力图把机械的,热的和扩散的过程都归结为分子运动,即用分子运动假设来构造这些过程。当人们说他们已经成功地了解了一群自然过程,其意是指概括这些过程的构造性的理论已经建立起来了。构造性理论的优点是完备,有适应性和明确。
但是,物理学还有第二类理论,这就是所谓“原理理论”(principle-theory)。它们使用的是分析方法(在爱因斯坦那里具体化为探索性的演绎法),而不是综合方法。形成这种理论的“基础和出发点的元素,不是用假设构造出来的,而是在经验中发现到的(当时,爱因斯坦的思想还不够彻底,后来他认为,作为理论的基础和出发点的元素不是从经验中推导出来的,而是“思维的自由创造”),它们是自然过程的普遍特征,即原理,这些原理给出了各个过程或者它们的理论表述所必须满足的数学形式的判据”。([2],p.110)例如,热力学就是这样力图用分析方法,从永动机不可能这一经验到的事实出发,推导出一些为各个事件都必须满足的必然条件。原理理论的优点是逻辑上完整和基础巩固。相对论就属于原理理论,“这个理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完整性。从它推出的许多结论中,只要有一个被证明是错误的,它就必须被抛弃,要对它进行修改而不摧毁其整个结构,那似乎是不可能的。”([2],p.113)
爱因斯坦充分肯定了构造性理论的地位,但是他还是偏爱原理理论,因为这种理论代表了20世纪精密科学的理论发展的趋势。在世纪之交,物理学大师洛伦兹和彭加勒力图以以太假设为基础,用构造性的努力构筑电子论。他们的理论固然富丽堂皇,但毕竟只是经典物理学的最后建筑物,由于不适应科学发展的总趋势,还是被人们遗忘了,仅有历史的价值。当时,爱因斯坦通过艰苦的摸索,看到仅靠个别的经验事实进行归纳,是建立不了什么崭新的理论的,因为实验家的物理经验不能把他提高到最抽象的领域中去。因此,他在普朗克的首创性工作以后不久,渐渐地对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。他确信,只有大胆地采用他后来称之为探索性的演绎法这一科学方法,才能得到可靠的结果。
关于原理理论的结构,爱因斯坦指出它是“由概念、被认为对这些概念是有效的基本定律,以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的。”([2],p.313)爱因斯坦同时又把基本定律称之为基本公理、基本假设、基本公设、基本原理、基本关系等,他有时也把基本概念和基本原理统称为基本观念或科学观念,并把它们看作是科学理论的逻辑前提或基础。因此,原理理论的体系实际上是由两部分组成:作为其逻辑前提的基本概念和基本原理以及由此导出的具体结论(命题)。
在爱因斯坦看来,通向基本概念和基本原理并没有逻辑的道路,它们不能从经验事实归纳得到,而只能依靠“思维的自由创造”、“理智的自由发明”、“白由选择的约定”去直觉地领悟,即“通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”去发明。当然,从基本概念和基本原理到具体命题的通道是逻辑的。对这种理论的评价是双标准的:“外部的确认”(理论不应当同经验事实相矛盾)和“内在的完美”(逻辑前提的“自然性”或“逻辑的简单性”)。这二者缺一不可,特别是当基本概念和基本原理距离直接可观察的东西愈来愈远,以致用事实来验证理论的含义也变得愈来愈困难和更费时日的时候,“内在的完美”这种论证方法对于理论的选择就一定会起更大的作用。