爱因斯坦 & 利奥波德·英费尔德：The Evolution Of Physics, 1938

物理學的演化：從機械觀到場論、相對論與量子論

本書概述了人類心智在理解物理世界過程中，如何嘗試連結概念與現象，並描繪了科學理論如何從簡單的機械觀發展，面對挑戰而衰落，最終被更抽象、更廣泛的場論、相對論和量子論所取代的歷程。本書的意圖不是提供物理學的系統性知識，而是素描科學為了尋找現實世界的規律而被迫創造思想的活躍力量。它強調了科學概念的自由創造性，以及理論在與實驗互動中不斷演進甚至被革命性地取代的過程。

主要論點可以歸納為以下幾個階段：

論點一：機械觀的興起 — 將所有物理現象歸結為物質粒子及其間的作用力

早期物理學的核心在於理解運動。亞里斯多德的直觀觀念認為力與速度直接相關，力越大則速度越大。然而，伽利略透過理想化實驗（如光滑水平面上的運動）推翻了這一觀念，發現若無外力作用，物體將保持勻速直線運動狀態（慣性定律）。牛頓進一步闡明，力不是導致速度，而是導致速度的變化。

為了描述運動，物理學引入了「向量」概念，它既有大小又有方向，例如速度和力。力的作用不僅改變速度的大小，也改變其方向。透過向量，力的方向與速度變化的方向一致。牛頓的運動定律建立了力與速度變化之間的定量關係（加速度與力成正比，與質量成反比）。

牛頓的萬有引力定律是機械觀的巨大成功。它描述了兩個物體之間的引力大小與距離平方成反比。結合運動定律，可以精確預測天體的運動（如行星繞太陽的橢圓軌道）。這給予了物理學家信心，相信所有現象都可以歸結為基本粒子之間的吸引和排斥力，其強度僅取決於粒子間的距離。

機械觀甚至被用於解釋其他現象：

• 熱現象： 最初將熱視為一種無質量的「熱質」。但摩擦生熱的實驗（如倫福德的鑽砲管實驗）顯示熱可以無限產生，這與物質守恆的觀念衝突。熱被重新理解為物質微粒（如氣體分子）的運動能量（動能），溫度則與分子的平均動能相關。這個觀念（動能理論）成功解釋了氣體的壓力、擴散等性質，甚至透過布朗運動證實了分子的存在及其大小。熱能與機械能之間的轉換關係（熱功當量）被確立，並最終導向能量守恆定律，將熱視為一種能量形式。這依然符合機械觀，因為能量被認為是物質粒子運動狀態的表現。
• 電學和磁學現象： 早期理論引入了無質量的「電流體」（正電荷和負電荷）和「磁流體」概念，並發現它們之間的作用力（庫侖定律）也與距離平方成反比。這似乎將電磁現象納入了機械觀的框架。

總結而言，機械觀旨在建立一個基於物質粒子及其間力的統一物理圖像。它在力學和熱學領域取得了巨大的成功，並初步嘗試解釋電磁現象。然而，這種觀點很快遇到了嚴峻的挑戰。

論點二：機械觀的衰落 — 新現象與新概念的出現挑戰了舊有框架

機械觀的統一圖像開始崩潰，主要原因來自電磁現象的深入研究：

• 電流與磁的互動： 奧斯特實驗發現電流會使磁針偏轉，勞蘭實驗顯示移動電荷對磁極的作用力不僅垂直於連接電荷與磁極的直線，而且取決於電荷的速度。這與機械觀中力沿連線方向且僅依賴距離的假設相悖，構成了第一個嚴重困難。
• 光學現象： 光的性質一直是爭論的焦點。牛頓的微粒說能解釋光的直線傳播、反射、折射及顏色分散。但惠更斯的波動說解釋了干涉、繞射現象（如單縫和雙縫實驗中的光柵條紋），這些現象無法用微粒說解釋。波動說需要一種介質——以太——來傳播光波。隨後發現光波是橫波，這要求以太是一種具有奇特性質（如兼具彈性和無阻力）的介質，其機械模型難以構建。
• 以太與運動的矛盾： 如果光波在以太中傳播，那麼光速應該取決於觀測者相對於以太的運動速度，就像聲速取決於風速一樣。然而，尋找這種「以太風」的實驗（如邁克生-莫雷實驗）卻得到了否定結果：光速在所有慣性參考系中似乎都是恆定的。這與伽利略相對性原理（力學定律在所有勻速相對運動的參考系中形式不變）和經典的速度疊加法則產生了矛盾。如果光速恆定是事實，而伽利略相對性原理適用於所有自然定律（而不僅是力學），那麼經典的時空觀和速度疊加法則就必須被修改。以太的各種假設（隨物體移動、靜止不動等）都無法解釋實驗結果，以太的概念變得難以為繼。

機械觀試圖將所有現象歸結為物質粒子和力，但在解釋電磁和光學現象時遇到了根本性的困難。力變得不僅依賴距離，還依賴速度和方向。以太作為光傳播的介質，其機械性質無法確定，並且與物體運動的關係導致了實驗上的矛盾。這些挑戰顯示，舊有的機械觀不足以解釋所有物理現象，需要引入新的概念和理論框架。

論點三：場論的建立 — 將場視為獨立於物質的物理實在

面對機械觀的困境，物理學開始發展「場」的概念。最初，場只是描述力的便捷工具（如引力場線、電力場線、磁力場線）。它代表了物體對其周圍空間的影響。然而，場的概念逐漸超越了單純的描述工具，被賦予了物理實在性。

• 電磁場的實在性： 法拉第和麥克斯韋的工作使場的概念成為物理學的核心。奧斯特實驗表明變化的電場伴隨磁場，法拉第實驗表明變化的磁場伴隨電場（電磁感應）。麥克斯韋將這些觀察總結為麥克斯韋方程式組。這些方程式不描述粒子如何互相作用，而是描述電磁場本身的結構和變化。它們是「結構定律」，將空間中某一點某時刻的場與附近點稍後時刻的場聯繫起來。
• 電磁波的存在： 麥克斯韋方程式預測了電磁波的存在，這種波由變化的電場和磁場組成，並在空間中以光速傳播。赫茲的實驗證實了電磁波的存在，並證明光本身就是一種電磁波。這統一了電學、磁學和光學。
• 場作為能量的載體： 麥克斯韋場論認為場攜帶能量。例如，線圈中電流中斷時產生的火花來自磁場能量的釋放。場不再是無足輕重的虛擬概念，而是能量的實在載體。

場論標誌著物理學從僅關注物質粒子向關注物質之間空間狀態的轉變。場被認為是一種獨立於物質粒子的物理實在。它能夠解釋電磁和光學現象，並提供了一種新的定律形式——結構定律，這與牛頓的超距作用定律（描述遠處物體間的直接作用）截然不同。

論點四：相對論的建立 — 顛覆絕對時空觀，統一時間、空間、引力與能量

以太和光速恆定的矛盾是催生相對論的直接原因。狹義相對論和廣義相對論是相對論發展的兩個階段：

• 狹義相對論： 狹義相對論基於兩個基本假設：（1）所有物理定律在所有勻速相對運動的慣性參考系中具有相同的形式（相對性原理的推廣）；（2）光在真空中的速度在所有慣性參考系中恆定，與光源或觀測者的運動無關。從這些假設出發，狹義相對論推翻了牛頓力學中的絕對時間觀念。時間和空間不再是獨立絕對的，而是相互關聯的。不同的觀測者在勻速相對運動時，對同一事件的時空坐標、時間間隔（時間膨脹）和長度（長度收縮）會有不同的測量結果。這些測量結果通過洛倫茲變換聯繫起來，取代了經典的伽利略變換。光速成為一切物質運動速度的上限。
• 質量與能量的等價： 狹義相對論的一個重要結論是質量和能量是等價的（E=mc²）。能量具有質量，質量代表能量。這將經典物理學的質量守恆和能量守恆定律統一為一個質能守恆定律。這也意味著即使是無質量的場（如電磁場）也攜帶質量。
• 時空連續體： 相對論將時間和空間結合成一個四維的「時空連續體」。事件不再僅用三維空間坐標描述，還必須包括時間坐標。經典物理學雖然也可以在四維時空中描述運動（作為一條「世界線」），但它仍將時空分離為絕對的時間和獨立的空間。相對論則認為這種分離依賴於參考系，四維時空是一個更客觀實在的框架。
• 廣義相對論與引力： 狹義相對論僅限於慣性參考系。但慣性參考系本身的概念在經典物理學中是循環定義的，缺乏物理基礎。廣義相對論的目標是建立適用於所有參考系（包括加速參考系）的物理定律，從而徹底消除「絕對運動」的概念。廣義相對論的核心是等效原理，即引力和加速度效應是等效的（伽利略自由落體實驗中引力質量和慣性質量的相等是其根源）。例如，自由下落的電梯內，物體表現得彷彿沒有引力；加速上升的電梯內，物體表現得彷彿處於引力場中。這將引力問題納入相對論框架。
• 引力與時空幾何： 廣義相對論認為，引力不是一種普通的力，而是由物質和能量引起的時空彎曲所致。物體（包括光線）在引力場中的運動是沿著彎曲時空中的「測地線」進行的。引力場方程式描述了物質和能量如何決定時空的幾何結構。歐幾里得幾何不再是絕對正確的空間幾何，而只是在引力場較弱的區域（如日常經驗尺度）的近似。時空的幾何性質成為物理學的一部分。廣義相對論對引力的預測（如水星近日點的異常進動、光線在太陽引力場中的彎曲、引力紅移）與觀測相符，證實了其有效性。

相對論徹底改變了人類對時間、空間、引力和能量的理解，將它們統一在一個更宏大、更抽象的時空框架中。它強調了相對性原則，並將場的概念推廣到引力場，將其視為時空本身的幾何屬性。

論點五：量子論的誕生 — 揭示微觀世界的非連續性與機率本質

經典物理學認為許多物理量（如能量、動量）可以連續變化。然而，對原子和輻射的微觀現象的研究揭示了非連續性（量子化）的存在：

• 能量和電荷的量子化： 原子物理表明，原子的能量只能取某些特定值（能階），發射或吸收光子（光的能量量子）時，能量變化是不連續的。電荷也以基本電荷（電子電荷）為最小單位存在。
• 光的量子性： 光電效應等實驗顯示光具有粒子性，由稱為光子的能量包組成。光子的能量與光的頻率（波長）有關。
• 物質的波動性： 德布羅意提出物質也具有波動性，移動的粒子（如電子）伴隨有波。電子繞射實驗證實了物質的波動性。這導致了波粒二象性的觀念——光和物質都同時表現出波動和粒子兩種性質。
• 微觀世界的非決定論： 微觀粒子（如電子通過雙縫）的行為無法用經典物理學的軌跡概念來描述。我們無法同時精確確定粒子的位置和動量（海森堡不確定性原理）。物理學被迫放棄對單個微觀事件的精確預測，轉而採用統計和機率的方法。
• 量子力學： 量子力學使用「機率波」（或稱波函數）來描述物理系統的狀態。波函數不是描述粒子在空間中的確切位置，而是描述在特定位置找到粒子的機率。薛定諤方程式等是描述波函數如何隨時間演化的結構定律。量子力學的定律是對大量相同系統的集合而言的，而不是對單個系統而言的。這與經典物理學基於對個體對象的精確描述形成鮮明對比。量子力學在解釋原子光譜、化學鍵、固體性質等方面取得了巨大成功。

量子論揭示了微觀世界的非經典圖像。它引入了量子化、波粒二象性和非決定性（機率性）等概念。它迫使物理學放棄了對單個微觀事件的時空描述，轉而使用更抽象的數學工具和統計定律。

總結與展望：物理實在觀的演變與統一場論的追求

物理學的歷史是一部充滿創造和革命的歷史。從將現實歸結為粒子和力的機械觀，到將場視為基本實在的場論，再到將時空、引力、能量統一起來的相對論，以及揭示微觀世界量子特性的量子論，物理學對「物理實在」的理解不斷演變，變得越來越抽象。

• 概念的創造性： 物理學的概念（如質量、力、場、時空連續體、機率波）不是從感官經驗中直接給定的，而是人類心智為理解現象而自由創造的。
• 理論與實驗的互動： 理論必須通過實驗來檢驗。實驗的否定結果是推動理論變革的重要動力。
• 統一的追求： 物理學一直試圖用一個統一的理論來解釋所有自然現象。麥克斯韋統一了電、磁和光。相對論統一了時空、引力和能量。量子論描述了微觀粒子及其相互作用。
• 尚未完成的圖像： 儘管取得了巨大的進展，物理學的圖像仍不完整。場與物質的概念在量子論中仍然是二元的（儘管相對論暗示它們是同一實在的不同表現）。將引力（廣義相對論）與其他基本相互作用（量子力學描述）統一起來的嘗試（量子引力理論或統一場論）尚未成功。微觀世界的根本性質和基本粒子的本質仍然是未解之謎。

物理學的發展歷程表明，科學並非真理的最終集合，而是不斷探索和修正的過程。每一次重要的進步都伴隨著對舊觀念的顛覆和新問題的出現。然而，貫穿始終的是科學家對理解宇宙內在和諧的堅定信念，這是所有科學創造的根本動機。