爱因斯坦的科学哲学 philosophy of science (Don A. Howard and Marco Giovanelli)

首次发表于 2004 年 2 月 11 日星期三;实质性修订于 2019 年 9 月 13 日星期五

爱因斯坦(1879-1955)被誉为二十世纪最杰出的物理学家。尽管他对二十世纪科学哲学的贡献同样重要,但较为不为人知。爱因斯坦自己的科学哲学是从新康德主义、常规主义和逻辑经验主义等多样来源中提取元素的原创综合,其独特之处在于将现实主义与一种整体主义、不确定性形式的常规主义进行了新颖融合。值得特别注意的是,爱因斯坦的哲学思想是如何受到并为解决他在物理学工作中首次遇到的问题所驱动的,并对问题的解决做出了贡献。同样重要的是爱因斯坦与其他杰出的二十世纪科学哲学家的关系和影响,包括莫里茨·施利克、汉斯·赖希巴赫、恩斯特·卡西勒、菲利普·弗兰克、亨利·柏格森、埃米尔·梅耶森。


引言:爱因斯坦是一个认识论上的“机会主义者”吗?

1944 年末,阿尔伯特·爱因斯坦收到了罗伯特·桑顿的来信,桑顿是一位年轻的非裔美国科学哲学家,刚刚在明尼苏达州的赫伯特·费格尔指导下完成了博士学位,并开始在波多黎各大学马亚圭斯分校教授物理学。他写信向爱因斯坦征求一些支持性的话语,以支持他在即将在春季教授的现代物理课程中尽可能引入“科学哲学”的努力(桑顿致爱因斯坦,1944 年 11 月 28 日,EA 61–573)。以下是爱因斯坦在回信中提供的内容:

我完全同意您对方法论、科学史和科学哲学的重要性和教育价值。今天许多人,甚至专业科学家,对我来说就像是看到了成千上万棵树却从未见过森林的人。对历史和哲学背景的了解赋予了那种独立性,使人能够摆脱大多数科学家所遭受的那种代代相传的偏见。这种哲学洞察力带来的独立性,在我看来,是区分单纯的工匠或专家与真正追求真理的人之间的标志。(爱因斯坦致桑顿,1944 年 12 月 7 日,EA 61–574)

爱因斯坦所说的哲学对物理学的相关性是有根据的,这一事实表明他几十年来一直在说大致相同的话。因此,在 1916 年为物理学家兼哲学家恩斯特·马赫撰写的追念文章中,爱因斯坦写道:

一位具备良好自然科学家素质的人是如何开始关注认识论的呢?他的专业领域中难道没有更有价值的工作吗?我听到许多同事这样说,而且我从更多人那里感受到了这种情绪。我无法分享这种情感。当我想到我在教学中遇到的最有才华的学生,也就是那些以独立判断而不仅仅是机智著称的学生时,我可以肯定地说,他们对认识论有着浓厚的兴趣。他们乐于开始讨论科学的目标和方法,通过坚定地捍卫他们的观点,他们明确地表明,这个主题对他们来说是重要的。事实上,对此不应感到惊讶。 (Einstein 1916, 101)

哲学思维习惯如何确切地为物理学家提供了这种“独立判断力”?爱因斯坦继续解释:

概念在整理事物方面证明有用的情况下,往往会对我们产生如此强大的影响,以至于我们忘记了它们的地球起源,并接受它们作为不可改变的给定事实。因此,它们被视为“思维的必然性”,“先验的给定”等。科学进步的道路经常因此类错误而变得难以逾越很长一段时间。因此,如果我们擅长分析长期以来司空见惯的概念,并展示它们的合理性和有用性取决于哪些情况,它们是如何从经验的给定中个别地发展起来的,这绝非无聊的游戏。通过这种方式,它们过于强大的权威将被打破。如果它们无法得到适当的合法化,它们将被移除;如果它们与给定事物的相关性过于多余,它们将被纠正;如果可以建立一个我们出于任何原因更喜欢的新系统,它们将被替换。(Einstein 1916, 102)

爱因斯坦引用马赫对牛顿绝对空间观念的批判性分析,作为马赫自己所称的“历史批判”哲学分析方法的范例,这并不令人惊讶(爱因斯坦 1916 年,101 页,引用马赫的《机械学》第 2 章第 6-7 节,很可能是第三版,马赫 1897 年)。

哲学在物理学中的地位是爱因斯坦一再回归的主题,这显然是他非常重视的问题。有时他采取谦逊的姿态,就像在他 1933 年斯宾塞讲座中经常引用的言论中所说的那样:

如果你想从理论物理学家那里了解他所使用的方法,我会给你以下建议:不要听他的话,而要审视他的成就。因为对于那个领域的发现者来说,他想象中的构想看起来是如此必要和自然,以至于他往往倾向于将它们视为他思想的产物,而不是作为现实存在的东西。 (Einstein 1933, 5–6)

然而,更典型的是他在三年后发表的《物理学与现实》中所展现出的自信姿态

科学哲学经常被说成是,而且确实不无道理地说,科学家是一个糟糕的哲学家。那么,为什么物理学家不应该让哲学家来从事哲学思考呢?在物理学家相信自己掌握了一个严谨的基本概念和基本定律体系,这些概念和定律已经确立得如此牢固,以至于怀疑的浪潮无法触及它们的时候,这样的做法确实可能是正确的;但在当今物理学的基础本身已经变得问题重重的时候,这样的做法就不再正确了。在像现在这样的时代,当经验迫使我们寻求一个更新、更坚实的基础时,物理学家不能简单地把理论基础的批判性思考交给哲学家;因为,他自己最清楚,也更确切地感受到问题所在。在寻找新基础时,他必须努力搞清楚自己所使用的概念在多大程度上是合理的,是必要的。(Einstein 1936, 349)

哲学家-物理学家可能会产生怎样的哲学?一个物理学家若转向哲学以帮助解决基础物理问题,我们不应该期待的一点是系统性哲学

认识论与科学之间的相互关系是值得注意的。它们彼此依赖。没有与科学接触的认识论变成了一个空洞的方案。没有认识论的科学在可思议的范围内是原始和混乱的。然而,一旦寻求清晰系统的认识论者通过了这样一个系统,他就倾向于以他的系统的意义解释科学的思想内容,并拒绝任何不符合他的系统的东西。然而,科学家不能承受将他对认识论系统的追求进行到这个程度。他感激地接受认识论的概念分析;但是,由经验事实为他设定的外部条件不允许他在构建他的概念世界时受到认识论系统的太多限制。因此,他在系统的认识论者眼中可能显得像一种无原则的机会主义者:他看起来是现实主义者,因为他试图描述一个独立于感知行为的世界;他看起来是唯心主义者,因为他将概念和理论视为人类精神的自由发明(不是从经验给出的东西逻辑推导出来的);他看起来是实证主义者,因为他认为他的概念和理论仅在它们提供感官经验之间关系的逻辑表达时才是合理的。他甚至可能被视为柏拉图主义者或毕达哥拉斯主义者,因为他认为逻辑简单性观点是他研究的一个不可或缺的有效工具。(Einstein 1949, 683–684)

但是,对于“系统认识论者”来说,纯粹的机会主义在物理学家的视角下可能会呈现出不同的样子,正如爱因斯坦本人所说的那样,他参与了“对理论基础的批判性思考”。对于爱因斯坦来说,这种批判性思考的总体目标是创立一个统一的物理基础,类似于广义相对论这样的场论模型(有关爱因斯坦对统一场论计划的方法的非技术概述,请参见 Sauer 2014)。爱因斯坦在他的追求中失败了,但在这种努力中存在着一种一致性和恒定性,这种努力也影响了与科学项目同步发展的科学哲学。

事实上,从早期到晚期,一些关键思想在爱因斯坦的科学哲学中起着核心和主导作用,即使在对其含义有了更深入的理解时,爱因斯坦对这些思想表现出了令人惊讶地少怀疑。为了进行以下相对简要的概述,我们可以将注意力集中在以下五个主题上:

  • 理论整体主义。

  • 科学哲学。

  • 科学哲学中的一义性。

  • 现实主义和可分离性。

  • 原则理论-建设性理论区分。

爱因斯坦科学哲学的发展强调连续性和连贯性,与杰拉尔德·霍尔顿(1968)等人的观点形成对比,后者声称在 1910 年代中期发生了一次重大的哲学分野,即从对反形而上学实证主义的同情转向坚定的科学现实主义。霍尔顿认为,爱因斯坦之所以发生这种转变,是因为他意识到相对于狭义相对论,广义相对论需要一个现实的本体论。然而,爱因斯坦可能从未是一个热情的“马赫式”实证主义者,他也从未是一个科学现实主义者,至少不是后来二十世纪哲学讨论中“科学现实主义者”一词所指的意义(参见霍华德 1993 年)。爱因斯坦期望科学理论具有适当的经验凭证,但他并不是实证主义者;他期望科学理论能够解释物理现实,但他也不是科学现实主义者。此外,在这两个方面,他的观点从事业的开始到结束基本保持不变。

为什么爱因斯坦不认为自己是现实主义者(他明确表示如此)在下文中讨论。为什么他不应被理解为实证主义者,值得在这里进一步讨论一两句,即使只是因为普遍认为他至少在生命的早期对实证主义持有同情态度(有关更详细的讨论,请参见霍华德 1993 年)。

爱因斯坦后来否定实证主义是毫无疑问的。至少从 1920 年代初期到他生命的最后,许多言论都表明了这一点。1946 年,他解释了他认为马赫基本错误是什么:

他没有正确地展示所有思维,尤其是科学思维的本质上建设性和推测性的特点;因此,在那些理论明显展现其建设性推测性特征的地方,例如在原子动力学理论中,他对理论进行了谴责。 (Einstein 1946, 21)

爱因斯坦在这里是否也在批评他自己年轻时的哲学错误?爱因斯坦在这里给出的例子使得任何这样的解释都极不可信,因为爱因斯坦在他早期关于布朗运动的工作中的一个主要目标(爱因斯坦,1905b 年)恰恰是证明原子的实际存在,这是针对当时像马赫和威廉·奥斯特瓦尔德这样的思想家著名的怀疑态度

爱因斯坦(1946,45,47)在这方面的主要目标是找到尽可能保证存在具有明确定义的大小的原子的事实。这些考虑与经验的一致性以及普朗克根据辐射定律(对于高温)确定的真实分子大小说服了当时相当多的怀疑论者(奥斯特瓦尔德,马赫)相信原子的实际存在。

爱因斯坦早期对实证主义的同情为何根深蒂固?

爱因斯坦在他 1905 年的专论《相对论》中批评了绝对远距同时性的概念,这通常被引用为年轻时期与实证主义调情的证据(Einstein 1905c)。爱因斯坦在那里谈到“观察者”,但以一种认识论中立的方式,可以用惯性参考系的讨论来替代。爱因斯坦真正困扰的是远距同时性涉及两重任意性,一是选择惯性参考系,一是在给定参考系内规定光信号从一个静止观察者到另一个再返回所需时间比例的约定。同样,爱因斯坦批评了经典的麦克斯韦电动力学,因为它在解释电磁感应时存在不对称性,取决于是线圈还是磁铁被假定静止。如果效果是一样的——线圈中的电流——那么,爱因斯坦问,为什么会有两种不同的解释:在移动磁铁附近产生的电场或者在穿过静止磁场的导体中感应的电动势?当然,无论是线圈还是磁铁被认为静止都不会有观察上的差异,但从爱因斯坦的角度来看,问题在于这两种解释的不对称性。即使年轻的爱因斯坦也不是实证主义者。

第一代逻辑实证主义者试图通过声称爱因斯坦是他们的朋友来合法化他们的运动。他们可能会因为对脱离上下文的论点进行强加的解释而受到宽恕。我们可以做得更好。

爱因斯坦的科学哲学是一种原创综合,汲取了许多哲学资源,从新康德主义到马赫经验主义和杜埃姆的常规主义。其他思想家和运动,尤其是逻辑实证主义者,也利用了相同的资源。但爱因斯坦以一种与莫里茨·施利克、汉斯·赖希巴赫和鲁道夫·卡尔纳普显著不同的方式将这些要素组合在一起,并与他们争论了几十年,讨论谁是正确的(尽管他们在公开将爱因斯坦描绘为逻辑实证主义和科学哲学的朋友时掩盖了这些差异)。从 1920 年代中期开始直到本十年结束,爱因斯坦对埃米尔·梅耶尔松的理性现实主义表现出了一些兴趣(爱因斯坦,1928 年;参见 Giovanelli 2018;关于爱因斯坦与伯格森之间的当代辩论,请参见 Canales 2015)。因此,了解爱因斯坦如何将这些要素组合在一起不仅可以阐明他在物理学方面的成就的哲学方面,还可以阐明二十世纪科学哲学发展的更广泛历史。

理论整体主义:科学中惯例的性质和作用

任何科学哲学都必须包括理论与证据之间关系的阐述。爱因斯坦从马赫那里了解到科学概念的历史性。但他对于建模理论与证据之间逻辑关系的偏好方式主要受到他阅读皮埃尔·迪厄姆的《物理理论:其对象与结构》(迪厄姆 1906)的启发。爱因斯坦可能最早是在 1909 年秋季左右阅读了迪厄姆的著作,或者至少学习了迪厄姆科学哲学的基本原理。当时,他从伯尔尼专利局返回苏黎世,开始在苏黎世大学担任第一个学术职位,成为他的老朋友和苏黎世物理学同学弗里德里希·阿德勒的楼上邻居。就在几个月前,阿德勒出版了《物理理论》的德文译本(迪厄姆 1908),科学哲学成为新邻居阿德勒和爱因斯坦之间频繁讨论的话题(参见霍华德 1990a)。

杜埃姆的科学哲学中,理论整体主义和理论选择受经验证据不确定性的中心论点。他的论点简而言之是,在物理学等科学中,实验充满了需要理论解释的复杂仪器,假设并不是孤立测试的,而是作为整体理论的一部分。由此可见,当理论与证据发生冲突时,适合的解决方式可以以多种不同的方式恢复。没有任何陈述可以免于修订,因为它被认为是定义的状态或由于其他先验保证,大多数陈述可以在整体理论的其他地方适当调整的情况下保留。因此,理论选择受到证据的不确定性。

爱因斯坦(Einstein)接触杜安(Duhem)的科学哲学后不久,就显而易见地在 1910/11 年冬季学期苏黎世大学(University of Zurich)的电学和磁学课程的讲义中留下了痕迹。爱因斯坦问如何在材料体内的内部对所有地方分配一个明确的电荷,如果该体的内部对测试粒子不可访问。一个“马赫式”实证主义者会认为这种直接的经验访问对于在固体内部讨论电荷分布是必要的。爱因斯坦提出了不同的观点:

我们已经看到经验是如何导致电量概念的引入的。它是通过小电荷体对彼此施加的力来定义的。但现在我们将该概念的应用扩展到那些无法直接应用该定义的情况,一旦我们将电力力量看作是作用在电力而不是物质粒子上时。我们建立了一个概念系统,其中各个部分并不直接对应于经验事实。只有一定的理论材料的总体再次对应于一定的实验事实的总体。

我们发现,这样的电场连续体仅适用于可感知物体内部的电场状态的表示。在这里,我们将电场强度矢量定义为作用在物体内部正电量单位上的力矢量。但是,这样定义的力不再直接可供实验测量。它是理论构建的一部分,只有作为一个整体才能正确或错误,即与经验一致或不一致。(Albert Einstein 的论文集,以下简称 CPAE,第 3 卷,文档 11 [第 12-13 页])

很难找到比 Duhem 观点在特定物理理论应用中更好的总结。爱因斯坦对 Duhem 的明确引用很少见(详细信息请参见 Howard 1990a)。但在 20 世纪 20 年代初,对理论结构和经验解释的整体主义图景的明确引用开始占主导地位。

爱因斯坦在 1905 年至 1915 年的十年间,或多或少地假定在一个好的理论中,有一些个别部分可以直接与作为探针使用的物理存在的行为相协调。如果这些物体的行为分别符合或不符合预测,那么一个理论可以被说成是“真或假”。在狭义相对论中,与经典力学一样,基本的几何/运动学变量,即空间和时间坐标,是用棒和时钟分别测量的,与其他非几何变量,比如电荷电场强度,是通过测量对电荷测试粒子的力来定义的。在广义相对论中,坐标不再可以独立于引力场直接测量。尽管如此,线元素 ds(相邻时空点之间的距离)被认为具有可以用棒和时钟测量的“自然”距离。在 1910 年代末,受到不同对话者提出的认识论异议的压力,特别是赫尔曼·维尔(Ryckman 2005)和年轻的沃尔夫冈·波利(Stachel,2005),爱因斯坦被迫承认这种认识论模型最多只是一个暂时的妥协。原则上,棒和时钟样式的结构应该作为未来相对论物质理论的解决方案出现,可能是一个包括引力和电磁力的场论。在这种情况下,用于定义理论的几何/运动学结构的棒和时钟与其他物质系统之间的明显区别将变得值得怀疑。爱因斯坦认为这种区别在当前物理学的现状下是暂时必要的。然而,他认识到,原则上一个物理理论应该将棒和时钟构造为其方程的解(参见 Ryckman 2017,第七章,了解爱因斯坦关于几何和经验关系的观点)。

爱因斯坦在 1920 年代的几篇流行著作中讨论了这个问题,特别是著名的演讲《几何和经验》(Einstein 1921,另见 Einstein,1923,Einstein,1924,Einstein 1926; Einstein 1926; 有关概述,请参见 Giovanelli 2014)。从时间的角度来看,他认为,将理论的几何/动力学结构与物理学的其他部分分开与经验进行比较是有用的。然而,从永恒的角度来看,只有将几何和物理学结合在一起才能说是“真实还是虚假”。在爱因斯坦超越广义相对论朝着统一引力场和电磁场的理论方向发展时,这种认识论模型变得更加合适。爱因斯坦不得不依赖于越来越抽象的几何结构,这些结构不能用一些物理探针的行为来定义。因此,使用这些结构是合理的,因为它们在整个理论中的作用。在 1920 年代后半期,与 Reichenbach(Giovanelli 2017)和 Meyerson(Giovanelli 2018)通信时,爱因斯坦甚至否认几何和非几何之间的区别是有意义的(Lehmkuhl 2014)。

爱因斯坦对理论整体主义形式的依赖的一个不同但特别有趣的例子,可以在他 1924 年写的一篇评论中找到,评论的对象是阿尔弗雷德·埃尔斯巴赫(Alfred Elsbach)的《康德与爱因斯坦》(1924),这是当时大量书籍和文章之一,试图调和康德的哲学。爱因斯坦声称相对论与康德的先验教义不相容,他解释了更普遍地为什么他不赞同康德。

这一开始并不排除一个人至少坚持康德的问题,比如卡西勒所做的那样。我甚至认为,这个立场无法被自然科学的任何发展严格驳斥。因为人们总是可以说,批判哲学家在迄今为止建立先验元素方面犯了错误,人们总是可以建立一个不与给定物理系统相矛盾的先验元素系统。让我简要说明为什么我认为这个立场并不自然。一个物理理论由构成逻辑整体的部分(元素)A、B、C、D 组成,这些部分正确地连接相关实验(感官经验)。然后往往情况是,少于所有四个元素的总和,比如 A、B、D,没有 C,就不再表达关于这些经验的任何内容,同样 A、B、C 没有 D 也是如此。人们可以自由地将这些元素中的三个,比如 A、B、C 视为先验,只有 D 是根据经验条件的。但在这种情况下,总是存在着在选择被指定为先验的那些元素时的任意性,完全不考虑这样做的事实,即这个理论有一天可能被另一个理论取代,后者用其他元素(或所有四个)取代某些元素。(爱因斯坦 1924,1688–1689)

爱因斯坦的观点似乎是,虽然人们总是可以选择将某些元素指定为先验的,因此非经验的,但没有原则规定哪些元素可以被指定为这样,我们之所以能够指定它们,是因为只有元素的总体具有经验内容。爱因斯坦的观点似乎是,尽管人们总是可以选择将某些元素指定为先验的,因此非经验的,但没有原则规定哪些元素可以被指定为这样,我们之所以能够指定它们,是因为只有元素的总体具有经验内容。

杜埃姆本人也提出了类似的观点(参见杜埃姆 1906 年,第 2 部分,第 6 章,第 8 和 9 节),反对那些试图通过将其视为传统定义来使某些陈述免受经验反驳的人。爱德华·勒·罗伊(1901 年)曾这样论证自由落体定律。它不能被实验所反驳,因为它作为“自由落体”的定义。亨利·庞加莱(1901 年)对力学原理也有类似的看法。正如爱因斯坦回答新康德主义者一样,杜埃姆回答了这种传统主义者:是的,实验本身不能反驳自由落体定律,但这仅因为它是一个具有整体经验内容的更大理论整体的一部分,该整体的其他各个元素也可以说是单独免于反驳的。

爱因斯坦在 20 世纪 20 年代初对抗新康德主义者时使用杜厄姆针对庞加莱和勒罗伊的传统主义的论点,从爱因斯坦与 20 世纪逻辑实证主义和科学哲学发展的领导者,尤其是施利克和赖兴巴赫的关系角度来看是有趣的。爱因斯坦与施利克和赖兴巴赫共享的目标是打造一种新形式的经验主义,以应对新康德主义对广义相对论的批评(参见施利克 1917 年和 1921 年,以及赖兴巴赫 1920 年、1924 年和 1928 年;更多细节请参见霍华德 1994a)。但是,尽管他们都认为康德所认为的科学认知中的先验元素更好地理解为科学中的惯例时刻,但他们在科学中惯例的性质和地位上开始出现明显分歧。经典的逻辑实证主义观点认为,惯例时刻仅限于赋予个别原始术语的惯例协调定义,这一观点很好,但与关于理论整体性的观点不符。

爱因斯坦在 20 世纪 20 年代逐渐与施利克和赖兴巴赫在科学中的约定性质和地位的争论背道而驰。这种关于约定的争论本身是严肃的,但也与另外两个问题纠缠在一起,即现实主义和爱因斯坦关于理论是“人类精神的自由创造”的著名观点(例如,见爱因斯坦 1921 年)。在这两种情况下,困扰爱因斯坦的是验证主义语义使理论与经验之间的联系过于紧密,给理论本身以及产生理论的创造性理论化留下了太小的空间。

如果理论选择在经验上是确定的,特别是如果理论概念明确地是从经验基元构建的,就像卡尔纳普在《建构》中的计划中那样(卡尔纳普 1928 年),那么很难看出理论如何给我们提供关于除经验之外的任何事物的故事。正如已指出的,爱因斯坦并不是我们今天所说的科学现实主义者,但他仍然相信理论中存在着超越纯经验内容的内容(关于爱因斯坦的现实主义和建构主义之间的关系,请参见赖克曼 2017 年,第 8 章和第 9 章)。他相信理论科学让我们窥视自然本身,即使在原则上,在深层本体论层面上不会有一个唯一正确的故事(见下文第 5 节)。如果理论选择中的唯一选择是在传统的协调定义之间进行选择,那么这根本不算是选择,这是莱希巴赫强调的一个重要观点,尤其是作为他立场的一个重要积极含义。莱希巴赫认为,如果经验内容是唯一的内容,那么在经验上等价的理论具有相同的内容,它们不同的选择协调定义的差异类似于“es regnet”和“il pleut”之间的差异,或者是在英制单位或公制单位中表达测量结果的差异,只是表达同一事物的两种不同方式。但那么,爱因斯坦会问,如果在科学中没有真正的选择空间,如果经验以某种方式决定理论构建,那么理论物理学家的创造智慧在哪里?

爭論科學中慣例的性質和作用一直持續到愛因斯坦生命的最後,達到了最高水平的精緻,這在《活哲學家圖書館》的卷中體現,該卷名為《愛因斯坦:哲學家-物理學家》(Schilpp 1949)。問題再次出現,幾何的選擇是經驗的、慣例的還是先驗的。在他的貢獻中,賴希巴赫(Reichenbach)重申了他的舊觀點,即一旦確立了適當的協調定義,將某些“實際剛性桿”與幾何學家的“剛性物體”等同,那麼物理空間的幾何完全由經驗證據確定:

几何学的选择只有在没有规定全等定义的情况下才是任意的。一旦设定了这个定义,哪种几何适用于物理空间就成为一个经验问题。传统主义者忽视了一个事实,即只有在几何的陈述不完整时,即省略了对全等定义的参考时,才是任意的。 (Reichenbach 1949, 297)

Einstein’s clever reply includes a dialogue between two characters, “Reichenbach” and “Poincaré,” in which “Reichenbach” concedes to “Poincaré” that there are no perfectly rigid bodies in nature and that physics must be used to correct for such things as thermal deformations, from which it follows that what we actually test is geometry plus physics, not geometry alone. Here an “anonymous non-positivist” takes “Poincaré’s” place, out of respect, says Einstein, “for Poincaré’s superiority as thinker and author” (Einstein 1949, 677), but also, perhaps, because he realized that the point of view that follows was more Duhem than Poincaré. The “non-positivist” then argues that one’s granting that geometry and physics are tested together contravenes the positivist identification of meaning with verifiability:重试 错误原因

非实证主义者:如果在所述情况下,您认为距离是一个合法的概念,那么您的基本原则(意义=可验证性)又是如何呢?难道您不会最终否定几何陈述的意义,并仅将意义归于相对论的完全发展理论(这种理论作为一个成品根本不存在)吗?难道您不必承认,在您的意义中,物理理论的个别概念和陈述并不具有任何“意义”,而这种意义实际上属于整个系统,因为它使经验中的内容“可理解”吗?如果这些个别概念仅在理论的逻辑结构框架内是不可或缺的,并且整个理论经受检验,那么这些概念为什么需要任何单独的证明呢?(爱因斯坦,1949,678)。

在奎因(1951)发表《经验主义的两大谬误》之前两年,爱因斯坦在这里明确阐述了彻底整体主义的语义含义。

如果理论选择在经验上无法确定,那么一个显而易见的问题是,为什么我们在日常科学活动中对这种不确定性知之甚少。在一篇 1918 年庆祝马克斯·普朗克六十岁生日的演讲中,爱因斯坦通过区分实践和原则来探讨这个问题。

物理学家的最高任务是……寻找那些最一般、最基本的法则,通过纯粹的演绎来获得世界图景。没有逻辑路径通向这些基本法则;相反,这只是建立在对经验的共情理解之上的直觉。在这种方法上的不确定状态下,人们可能认为任意多个本质上同样合理的理论原则体系都是可能的;而这种观点在原则上当然是正确的。但物理学的发展表明,在所有可以想象的理论构建中,任何时候都有一个单一的构建被证明无条件地优于其他所有构建。任何真正深入研究这一主题的人都不会否认,实际上,感知世界明确地决定了理论体系,尽管从感知到理论基本原则之间没有逻辑路径。(Einstein 1918, 31; Howard’s translation)

但是为什么理论选择在实践中似乎是经验确定的呢?爱因斯坦在一封写给施利克的信中暗示了一个答案,在这封信中,他赞扬了施利克的论点,即理论本体论的深层要素与马赫的感觉要素一样具有真实性的地位,但他暗示我们仍在谈论两种不同类型的现实。它们有何不同呢?

根据印象或事件,也就是在物理意义上谈论的事态,我认为“真实”一词被理解为不同的意义。

如果两个不同的民族独立地追求物理学,他们将创造出在印象方面肯定一致的系统(马赫所说的“元素”)。这两个人为连接这些“元素”而设计的心理构建可能大不相同。这两种构建在“事件”方面不必一致;因为这些事件肯定属于概念构建。当然,“元素”是真实的,但“事件”不是,因为它们在“经验中不可避免地给出”。

但是,如果我们将我们在时空图式中安排的事物称为“真实”,就像您在认识论中所做的那样,那么毫无疑问,“事件”首先是真实的。我想在这里推荐一个清晰的概念区分。(Einstein to Schlick, 1917 年 5 月 21 日,CPAE,第 8 卷,文档 343)

为什么在实践中,物理学家们对不确定性毫不知情?这是因为我们的情况并非是“两个不同的人群独立追求物理学”的情况。尽管爱因斯坦没有明确说出,但暗示似乎是理论选择中的明显确定性主要是我们都在成为共同科学社区成员时被社会化的结果。成为这样一个社区成员的一部分意味着我们被教导要根据我们共同拥有的标准或价值观来做出我们的理论选择。

简单性与理论选择

对于爱因斯坦和许多其他人来说,简单性是在实验和观察不再提供明确指导的领域中主要引导理论选择的标准。这也是爱因斯坦哲学思考中早期和晚期都提到的主题(有关更多细节,请参见 Howard 1998,Norton 2000,van Dongen 2002,2010,Giovanelli 2018)。例如,1918 年关于实践中理论选择明显决定性的引用,与原则上的不确定性形成对比。

此外,这个与经验世界一致协调的概念系统可以归纳为几条基本法则,从中整个系统可以逻辑地发展出来。随着每一次重要进展,研究者在这里看到他的期望被超越,因为这些基本法则在经验的压力下变得越来越简化。他惊讶地看到表面上的混乱被解决为一种崇高的秩序,这不是归因于个体心灵的规则,而是归因于经验世界的构成;这正是莱布尼茨如此幸运地描述为“预先设定的和谐”。物理学家强烈指责许多认识论者对这一情况的不足赏识。在我看来,这就是几年前马赫和普朗克之间进行的争论的根源。 (爱因斯坦 1918, p. 31)

爱因斯坦在后来的岁月里一再强调,他对广义相对论的成功理解,是因为他寻求了满足一组给定约束条件的最简单场方程组。

爱因斯坦对简单性作为理论选择指南的赞美在 1930 年代初显而易见,当时他沉浸在统一场论的项目中(见 van Dongen 2010 年关于爱因斯坦寻求统一场论的哲学基础的重建)。看看他在 1933 年赫伯特·斯宾塞讲座中写了什么:

如果理论物理的公理基础不能从经验中提取而必须自由发明,那么我们是否能找到正确的方法呢?此外,这种正确的方法是否存在于我们的幻想之外?如果存在(如经典力学)在很大程度上对经验做出公正,而又没有深刻理解事物的理论,我们是否可以希望完全依靠经验安全地引导自己呢?

对于这些问题,我完全自信地回答说,在我看来,正确的方法是存在的,我们有能力找到它。我们迄今的经验使我们相信自然是数学上最简单的实现。我相信,纯数学构造使我们能够找到那些概念和它们之间的那些类似定律的联系,这些概念和联系提供了理解自然现象的关键。有用的数学概念可能会受到经验的启发,但绝对不能从中推导出来。经验自然仍然是物理学中数学构造有用性的唯一标准。但实际的创造性原则在于数学。因此,在某种意义上,我认为纯粹的思维能够把握真实,就像古人所梦想的那样。 (Einstein 1933, p. 183; Howard’s translation)

爱因斯坦坚信理论物理学家必须相信简单性,因为他的工作正在稳步进入越来越远离直接观察和实验的领域。爱因斯坦开始经常声称,这是他从发现广义相对论的方式中得出的教训(Norton 2000)。然而,有充分理由认为爱因斯坦选择性的回忆(Jannsen and Renn 2007)对他捍卫依靠纯数学策略寻求统一场理论(van Dongen 2010)起到了关键作用。

相对论是现代理论发展基本特征的一个美丽例证。也就是说,一个人从中出发的假设变得越来越抽象,离经验越来越遥远。但作为回报,人们更接近科学的最高目标,即通过逻辑推导尽可能多地包容经验内容,同时最小化假设或公理。从公理到经验内容或可检验后果的智力路径因此变得越来越漫长和微妙。理论家被迫越来越多地让自己受纯数学、形式观点的指导,以寻找理论,因为实验者的物理经验无法将我们引向最高抽象的领域。试探性推导取代了适合于科学幼稚阶段的主要归纳方法。这样的理论结构必须被彻底完善,才能导致可以与经验相比较的后果。当然,这里也是如此,经验事实是至高无上的裁判。但它的判断只能基于巨大而艰难的智力努力,首先要跨越公理和可检验后果之间的广阔空间。理论家必须以清晰的理解完成这项艰巨的任务,这种努力可能只是为他的理论铺平道路而被注定。我们不应该责备那些承担这样任务的理论家,称他们为幻想家;相反,我们必须允许他们幻想,因为对他们来说,别无他法可达到目标。事实上,这并不是毫无计划的幻想,而是在寻找逻辑上最简单的可能性及其后果。(Einstein 1954, 238–239; Howard’s translation)

什么依据可以让我们如此相信简单性呢?最好的做法是进行一种元归纳。怀疑论者会嘲笑“基于极简原则构建的概念体系可以‘理解’所有感官经验的总体”这一说法是一种“奇迹信条”,但爱因斯坦补充道,“这是一个奇迹信条,而科学的发展已经在很大程度上证明了它”(Einstein 1950, p. 342)。先前物理理论的成功证明了我们相信自然是数学上可以想象到的最简单形式的实现。

但尽管爱因斯坦对简单性的信念很坚定,他却对如何准确、形式化地描述我们如何评估理论的简单性感到绝望。1946 年,他写道关于简单性的视角(这里称为理论的“内在完美”):

这种观点,其确切表述遇到了很大的困难,自古以来在理论的选择和评估中发挥着重要作用。这里的问题不仅仅是逻辑上独立前提的一种列举(如果有可能的话,而不带有歧义),而是一种无法衡量的质量相互权衡的问题。我不打算试图为 [这些] 断言的不精确辩解……因为我没有足够的空间;我必须在此承认,我目前无法,也许永远无法,用更精确的定义取代这些暗示。然而,我相信更锐利的表述是可能的。无论如何,结果表明,在“神谕”中通常在判断理论的“内在完美”方面存在一致意见,甚至在“外部确认程度”方面更是如此。 (Einstein 1946,第 21 页,第 23 页)。

爱因斯坦在 1918 年如此,在 1946 年及以后也是如此,他继续对“神谕”感到印象深刻,这些“神谕”可能是相关科学界的领袖,他们在简洁性的判断上倾向于一致。这就是为什么在实践中,简洁性似乎决定了理论的选择是一义的。

自然理论表征中的单义性

在十九世纪末和二十世纪初的物理学和科学哲学文献中,根据科学理论应努力追求对自然的一义性表达的原则被广泛而著名地称为约瑟夫·佩茨霍尔特在一篇广泛引用的论文中所给定的名称“一义性法则”(“Das Gesetz der Eindeutigkeit”)(佩茨霍尔特 1895)。表明哲学立场图谱当时以一种与今天非常不同的方式绘制的迹象在于,这一原则受到反形而上学的逻辑经验主义者(如卡尔纳普)和新康德主义者(如卡西勒)的青睐。它在广义相对论的本体论争议中发挥了重要作用,并且是现代形式语义学中类别性概念发展背景的重要组成部分(有关一义性原则的历史、影响和消亡的更多信息,请参见霍华德 1992 年和 1996 年)。在这一原则中找不到比爱因斯坦更热情和一贯的捍卫者。

单义原则不应被误解为否定不确定性论。后者断言,多种理论可以同样很好地解释给定的一组经验证据,甚至在极端的奎因版本中,可能是所有可能证据的无限。单义原则断言(在某种过时的表述中),任何一个理论,甚至在一组在经验上等效的理论中的任何一个,都应该通过为自己确定一个同构模型集来提供自然的单义表示。通过证据对理论选择的明确确定并不等同于理论对一类模型的单义确定。

爱因斯坦在制定广义相对论的过程中,一元性原则起着核心作用。1913 年,爱因斯坦错误地拒绝了一个完全普遍协变的引力理论,部分原因是因为他错误地认为普遍协变的场方程未能通过一元性测试。更具体地说,他错误地推理认为,在一个没有物质和能量的时空区域——一个“洞”中,普遍协变的场方程允许构建两个不同的解,不同之处在于,一般情况下,对于洞内的时空点,它们为同一点分配了度规张量的不同值(有关这一事件历史的更多信息,请参见 Stachel 1980 和 Norton 1984)。但爱因斯坦的“洞论证”是错误的,他在 1915 年对错误的诊断再次基于一元性原则的讽刺。爱因斯坦在 1915 年意识到的是,他在 1913 年错误地假设坐标图足以确定时空流形点的身份。坐标图的应用不能足以精确区分流形点,因为坐标图不是一个不变的标记方案,而在自然的表示中,一元性要求这种不变性(有关进一步讨论,请参见 Howard 和 Norton 1993 以及 Howard 1999)。

爱因斯坦在 1915 年 12 月 26 日写给保罗·埃伦费斯特的一封信中解释了他在广义相对论最终的普遍协变形式发表几周后对视角的改变

在我去年的工作中的第 12 节中,一切都是正确的(在前三段中),直到第三段末尾用重点印刷的部分。从两个系统 G(x)和 G′(x),指的是相同的参考系统,满足了引力场的条件这一事实,不会导致事件的唯一性出现矛盾。在这些思考中显然具有说服力的东西立即崩溃,如果考虑到在我去年的工作中的第 12 节中,一切都是正确的(在前三段中),直到第三段末尾用重点印刷的部分。从两个系统 G(x)和 G′(x),指的是相同的参考系统,满足了引力场的条件这一事实,不会导致事件的唯一性出现矛盾。在这些思考中显然具有说服力的东西立即崩溃,如果考虑到

  1. 参考系统并不代表任何真实的东西

  2. 两个不同的 g-系统(或更好的是,同一连续体区域内的两个不同引力场)的(同时)实现根据该理论的性质是不可能的。

在第 12 节的位置上,必须出现以下反思。宇宙事件中的物理实在(与依赖于参考系选择的内容相对)在于时空巧合。 【脚注:除此之外没有其他!】例如,两条不同世界线的交点是真实的,或者说它们不相交也是真实的。因此,那些涉及物理实在的陈述并不会因任何单义坐标变换而失败。如果两个 gμv 系统(或者一般描述世界的变量)被创建得如此,以至于可以通过纯粹的时空变换从第一个获得第二个,那么它们是完全等价的。因为它们在所有时空点上都有共同之处,即所有可观察的事物。

这些反思同时展示了普遍协变性需求是多么自然。(CPAE,第 8 卷,文档 173)

爱因斯坦的新观点是,物理上真实的东西仅仅存在于可以基于时空巧合、时空点构建的东西,例如,时空点被视为世界线的交点,现在被称为“点巧合论证”。爱因斯坦可能受到年轻数学家埃里希·克雷奇曼(Howard and Norton 1993; cf. Giovanelli 2013)的一篇论文的启发,或者可能是与施利克(Engler and Renn, 2017)的一次对话。时空巧合扮演这种特权的实体角色,因为它们是不变的,因此是唯一确定的。时空坐标缺乏这种不变性,这一情况之后爱因斯坦反复表述为空间和时间“因此失去了最后一丝物理现实”的主张(例如,见爱因斯坦给埃伦费斯特的信,1916 年 1 月 5 日,CPAE,第 8 卷,文献 180)。

爱因斯坦对时空本体论的新视角的哲学重要性的一个显著标志是,施利克致力于他的第一本书《现代物理学中的空间和时间》(1917 年),这本书得到了爱因斯坦的高度赞扬。但爱因斯坦最感兴趣的是施利克对现实概念的讨论。施利克认为马赫错误地认为只有感觉元素是真实的。时空事件,作为时空巧合不变地个体化,有权被视为真实,正是因为它们的确定方式是单一的。爱因斯坦全力支持,尽管他提出了上述建议,即应该区分两种现实——元素的现实和时空事件的现实,因为如果“两个不同的民族”独立从事物理学,他们注定会就元素达成一致,但在时空事件本体论层面几乎肯定会产生不同的理论构建。再次注意,不确定性并不是单一性的失败。尽管它们会有所不同,但每个民族对事件本体论的理论构建都应该是单一的。

施利克(Schlick)当然继续成为维也纳学派的创始人,逻辑实证主义发展的主要人物,验证主义的倡导者。因此,一个重要问题关于施利克对爱因斯坦关于时空事件的一致确定的解释产生了。问题是:这种一致的巧合之所以扮演如此特权的角色,是因为它们的现实性还是因为它们的可观察性。显然前者——一致确定的事物的现实性是重要的。但是一致的时空巧合之所以真实,是因为由于它们的不变性,它们是可观察的吗?还是它们的可观察性是由于它们的不变现实而产生的?爱因斯坦本人反复强调了时空巧合的可观察性,正如 1915 年 12 月 26 日写给埃伦费斯特的信中所引用的(有关更多参考资料和更全面的讨论,请参见 Howard 1999)[2]。

席利克(Schlick)在 1917 年仍自称为现实主义者,对可观察性和现实之间的关系非常清晰。他区分了我们感官经验领域中的宏观巧合,他认为这些巧合具有特权和基础的认识地位,与定义时空流形点的微观点巧合有所不同。对前者映射到后者对于席利克来说是确认过程中的重要部分,但时空流形点的现实性并不是由它们的可观察性所决定的。实际上,严格来说,人们如何谈论在两条世界线交汇处遇到的无穷小时空巧合的观察呢?事实上,推理的顺序是相反的:被定义为时空巧合的时空事件是真实的,因为它们是不变的,它们可能具有的可观察性是由它们作为物理现实的不变位的地位所决定的。对于爱因斯坦和 1917 年的席利克来说,理解后者——物理现实——是物理理论的目标。

科学哲学

正如我们所看到的,Schlick 的《现代物理学中的空间和时间》提倡了对广义相对论本体论的现实主义解释。1917 年初阅读手稿后,爱因斯坦在 5 月 21 日写信给 Schlick 说,“最后一节‘与哲学的关系’对我来说非常出色”(CPAE,第 8 卷,文献 343),这正是我们可以从一个同样是现实主义者的同行那里期待到的赞美。三年前,波恩数学家 Eduard Study 写了另一篇著名的,确实非常著名的现实主义辩护文集《现实主义世界观和空间学说》(1914 年)。爱因斯坦在 1918 年 9 月阅读了这本书。他很喜欢其中的很多内容,尤其是那种幽默的风格,正如他在 9 月 17 日给 Study 的信中所说(CPAE,第 8 卷,文献 618)。在 Study 的追问下,要他更多地谈谈自己不同意的观点时,爱因斯坦在 9 月 25 日以一种相当令人惊讶的方式回答了。

我应该向你解释我的疑虑吗?强调这些将使人觉得我想在你身上挑毛病。但情况并非如此糟糕,因为我在任何“主义”中都感到不舒服,也不自在。我总觉得,似乎这样的主义只有在以其对立主义的弱点为食时才会强大;但如果对立主义被击倒,而它独自一人在开阔的领域上,那么它也会显得站不稳脚跟。所以,我们走吧!

“物质世界是真实的。” 这被认为是基本假设。这里的“假设”是什么意思?对我来说,假设是一个陈述,其真实性必须暂时假定,但其含义必须超越一切模棱两可。然而,上述陈述对我来说本身是毫无意义的,就好像有人说:“物质世界是咕咕叫。” 在我看来,“真实”本身是一个本质上空洞、毫无意义的范畴(鸽子洞),其巨大重要性仅在于我可以在其中做某些事情而不是其他事情。这种区分确实并非是任意的,而是……

我承认自然科学关注“真实”,但我仍然不是现实主义者。 (CPAE, Vol. 8, Doc. 624)

爱因斯坦毫不怀疑对另一方持有的同情

实证主义者或实用主义者只要与认为存在“先验”概念的观点作斗争,就会变得强大。当他在热情中忘记所有知识都包含概念和判断时,那就是一种弱点,这并不在事物的本质中,而是在他的个人性格中,就像对假设的无意义斗争一样,参见杜埃姆的明晰著作。无论如何,对原子的抨击都建立在这种弱点之上。哦,人在这个世界上是多么艰难;通往独创性的道路经过非理性(在科学中),经过丑陋(在艺术中)-至少许多人认为这是可行的道路。(CPAE,第 8 卷,文档 624)

爱因斯坦说他承认自然科学涉及“真实”,但他“仍然不是现实主义者”,并且在说“物理世界是真实”时,“真实”是一个“固有地空洞、毫无意义的范畴”是什么意思?

爱因斯坦可能的答案是,对他而言,现实主义并不是关于科学理论解释或理论术语语义的哲学信条。[3] 对于爱因斯坦来说,现实主义是一个物理假设,是一种非常有趣的类型,正如他在 1948 年 3 月 18 日在马克斯·伯恩(Max Born)的《韦恩弗利特讲座自然哲学》(1949 年)手稿末尾的一篇长篇注释中所解释的那样,伯恩将该手稿寄给爱因斯坦请他评论。

我只是想解释一下,当我说我们应该努力保持对物理现实的把握时,我是什么意思。毫无疑问,我们都意识到物理学中将成为基础概念的情况:点质量或粒子肯定不在其中;在法拉第-麦克斯韦意义上,场可能是,但并非确定。但我们所构想的存在('实际')应该以某种方式在时间和空间上被定位。也就是说,空间 A 的一部分中的真实应该(在理论上)以某种方式独立于我们认为在空间 B 中的真实。如果一个物理系统延伸到空间 A 和 B 的部分,那么在 B 中存在的东西应该以某种方式独立于 A 中存在的东西。因此,在 B 中实际存在的东西不应取决于在空间 A 中进行的测量类型;它也不应取决于在 A 中是否进行测量。

如果一个人坚持这个方案,那么他几乎无法将量子理论的描述视为对物理真实的完整表达。如果一个人尝试着这样看待,那么他必须假设 B 中的物理真实由于 A 中的测量而发生突然变化。我的生理本能对这种建议感到不安。

然而,如果一个人放弃了在空间的不同部分存在独立真实性的假设,那么我完全看不出物理学应该描述什么。因为所谓的“系统”实际上只是一种惯例,我不明白如何客观地划分世界,以便可以对各个部分进行陈述。 (Born 1969, 223–224; Howard’s translation)

现实主义因此是空间可分性的命题,即空间分离是物理系统个体化的充分条件,并且其假设几乎成为物理学可理解性的必要条件的主张。

爱因斯坦在物理基础方面的思考中,空间可分离的假设是支撑物理所描述系统的实体独立性和个体身份的重要部分,至少从他在 1905 年首次发表有关量子假设的论文开始就如此(Einstein 1905a;有关这一想法在爱因斯坦思想中早期历史的更多细节,请参见 Howard 1990b)。但可分离原则的真正重要性最清晰地体现在 1935 年,当时(正如刚才引用的话所暗示的),爱因斯坦将其作为他论证量子力学不完备性的中心前提之一(参见 Howard 1985 和 1989)。在爱因斯坦、波多尔斯基、罗森的论文(1935)的发表版本中并没有明确使用这一原则,但爱因斯坦并没有撰写那篇论文,也不喜欢那里的论证方式。然而,在爱因斯坦后来关于量子力学不完备性论证的所有展示中,无论是在通信中还是在印刷品中,可分离性都是一个明确的前提(有关参考文献的详细列表,请参见 Howard 1985)。

简言之,论点是这样的。可分离性意味着时空分离的系统与之相关联的有独立的实际情况。第二个假设,局部性,意味着时空中一个区域的事件不能在一个由时空分隔的区域内对物理现实产生影响。现在考虑一个实验,其中两个系统 A 和 B 相互作用并分开,随后对每个系统进行的测量对应于时空分离的事件。可分离性意味着 A 和 B 具有单独的真实物理状态,而局部性意味着在 A 上执行的测量不能影响 B 的真实物理状态。但是,量子力学根据在 A 上测量的参数对 B 赋予不同的理论状态,不同的波函数。因此,量子力学根据在 A 上测量的参数对 B 赋予不同的理论状态,而 B 实际上具有一个真实的物理状态。因此,量子力学是不完整的。

一个人想要提出许多问题。首先,这里涉及到的完备性概念是什么?这不是演绎完备性。它更接近于形式语义学中所称的“类别性”,一个类别理论是其模型彼此同构的理论。它更接近于上面讨论的原则,被引用为类别性概念的先驱,即一致性原则,我们发现在爱因斯坦寻求广义相对论的过程中发挥了重要作用,这个原则迫使采用不变的、因此一致的方案来确定时空流形点。

爱因斯坦认为可分离性几乎是物理学科学可能性的先验必要条件的原因之一是因为像广义相对论这样的场论,这是爱因斯坦对未来物理统一基础的模型,是可分离性原则的极端体现:“场论已将这一原则推到了极端,即在无限小的(四维)空间元素内定位了彼此独立存在的基本事物,以及它所假定的基本元素定律”(爱因斯坦 1948,321-322)。而像广义相对论这样的场论之所以能够做到这一点,是因为无穷小度量间隔——在广义相对论时空中思考分离的谨慎方式——在所有连续坐标变换下是不变的(因此是唯一确定的)。

爱因斯坦倾向于将可分性视为先验必然性的另一个原因是,通过这样引用可分性来确立个体化,爱因斯坦将自己置于一种非常具有康德根源(在康德之前是牛顿根源)的空间可分性观念传统中,这种传统以阿瑟·叔本华著名赋予的名字来认识空间可分性,即个体化原则(有关这一历史背景的更全面讨论,请参见霍华德 1997 年)。

量子力学是否不能被赋予现实主义解释?许多人会说,“是的。”爱因斯坦说,“不是。”

原则理论——建设性理论区分

爱因斯坦的科学哲学在描述中有许多独创之处。至少,他重新排列了从康德、马赫、杜埃姆、庞加莱、施利克等人那里学到的理论碎片,以一种引人注目的新颖方式。但爱因斯坦对二十世纪科学哲学最独特的贡献在于他区分了他所称的“原理理论”和“建构性理论”。

这个想法最初是在 1919 年伦敦时报的一篇简短文章中首次印刷出来的(Einstein 1919)。正如其名称所示,建设性理论为感兴趣的现象提供了一个建设性模型。一个例子是动力学理论。原理理论由一组经过验证的高水平经验概括组成,“允许精确阐述”(Einstein 1914, 749)。例子包括热力学的第一和第二定律。最终的理解需要一个建设性理论,但通常,爱因斯坦说,理论的进展受到过早尝试在没有足够约束的情况下发展建设性理论的阻碍,这些约束可以缩小可能的建设性理论范围。原理理论的功能是提供这种约束,通常通过首先专注于建立这些原则来实现进展。根据爱因斯坦的说法,这就是他通过相对论理论取得突破的方式,他说,这是一个原理理论,其两个原则是相对性原理和光原理。

虽然原理理论-建构理论的区分首次在 1919 年印刷出版,但有相当多的证据表明,这一区分在爱因斯坦的思考中早在更早时期就起到了明确的作用(Einstein 1907,Einstein to Sommerfeld 14 January 1908,CPAE,vol. 5,Doc. 73,Einstein 1914)。爱因斯坦在理论化过程中所遵循的约束不仅仅是相对性和光原理。因此,他明确提到玻尔兹曼原理 S=klogW 也是这样的约束之一。

这个方程将热力学与分子理论联系起来。它还给出了系统状态的统计概率,对于这些系统,我们无法建立分子理论模型。在这种程度上,玻尔兹曼的伟大思想对理论物理学具有重要意义...因为它提供了一个启发性原则,其范围超出了分子力学有效性的领域。 (爱因斯坦 1915, p. 262).

爱因斯坦在这里暗示了著名的熵类比,即在他 1905 年的光量子假设论文中,他从维恩区域的黑体辐射满足玻尔兹曼原理这一事实推理出,在该区域,辐射的行为就好像由相互独立的类似粒子的电磁能量量子组成一样。量子假设是辐射的一种建设性模型;玻尔兹曼原理是首次提出该模型的约束。

有人预见了十九世纪电动力学文献中的原理理论与建构理论的区别,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)特别是一个爱因斯坦可能会借鉴的来源(见哈曼 1998)。在世纪之交,“原理物理学”是一个广泛讨论的主题。在 1900 年之交,亨德里克·A·洛伦兹(Lorentz 1900, 1905;见弗里施 2005)和亨利·庞加莱(例如,Poincaré 1904;见,Giedymin 1982,Darrigol 1995)将“原理物理学”与“模型物理学”之间的对立提出为常见现象。类似地,阿诺德·索默菲尔德(Arnold Sommerfeld)反对了“问题物理学”,这是一种基于具体难题解决的物理学风格,而麦克斯·普朗克(Max Planck)则捍卫“原理实践”(Seth 2010)。菲利普·弗兰克(Philipp Frank)(1908,依赖于 Rey 1909)将相对论理论定义为一种基于抽象但经验上得到充分证实的原则而非直观模型的“概念理论”。可能还有许多其他例子可以找到。但是,无论他的借鉴有多广泛(从未承认明确的债务),在爱因斯坦手中,这种区别成为了一个令人印象深刻且富有成效的方法论工具。令人困惑的是,甚至有点悲哀的是,爱因斯坦这一最具原创性的方法论洞见对后来的科学哲学或物理实践影响相对较小。直到最近几十年,爱因斯坦的建构原理区别才引起了哲学文献的兴趣,引发了关于时空理论基础的仍然活跃的哲学辩论(Brown 2005,Janssen 2009,Lange 2014)。

结论:阿尔伯特·爱因斯坦:哲学家-物理学家

爱因斯坦对二十世纪科学哲学的影响可与他对二十世纪物理学的影响相媲美(Howard 2014)。是什么使这成为可能的呢?一个解释可以从理论物理学和科学哲学的制度和学科历史出发。每一个在其领域内,都是十九世纪后期的一种新思维方式,最终在二十世纪初开始为自己确立了坚实的制度基础。以一种奇特的方式,这两个运动互相帮助。科学哲学家通过将科学的重要认知内容定位在其理论中,帮助合法化了理论物理学。理论物理学家通过提供一个根本重塑我们对自然及人类在其中地位理解的主题来帮助合法化科学哲学。在某些情况下,帮助甚至更为直接,比如爱因斯坦和普朗克在 1920 年代中期在柏林大学物理系创立了一个供莱希巴赫担任的科学哲学教授职位(见 Hecht 和 Hartmann 1982)。我们还应该记得物理学家马赫和路德维希·玻尔兹曼,他们是维也纳大学新设立的哲学科学教授职位的头两位任职者,正值世纪之交。

爱因斯坦时代的年轻物理学家教育另一个解释是,爱因斯坦年轻时的阅读不仅严重侧重于哲学,更普遍地,特别是科学哲学(有关概述,请参见爱因斯坦 1989 年,xxiv-xxv;另请参见霍华德 1994b),在这方面,他与他那一代的其他物理学家并无二致,而且他的大学物理课程还包括一门必修课程“科学思维理论”(请参见爱因斯坦 1987,文件 28)。一个明显的问题是,早期培养哲学思维习惯是否影响了爱因斯坦及其同时代人对物理学的看法。正如他 1944 年 11 月致罗伯特·索顿的信中所指出的,引用了本文开头的内容,爱因斯坦认为确实如此。

Bibliography

Einstein’s Work

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Cassirer, Ernst | equivalence of mass and energy | general relativity: early philosophical interpretations of | geometry: in the 19th century | Natorp, Paul | physics: holism and nonseparability | quantum mechanics: Copenhagen interpretation of | quantum theory: philosophical issues in | quantum theory: the Einstein-Podolsky-Rosen argument in | space and time: absolute and relational space and motion, post-Newtonian theories | space and time: conventionality of simultaneity | space and time: inertial frames | space and time: the hole argument | Uncertainty Principle

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