百年经典：物理学家的至高目标

小心愿

2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）执行主任、加州理工学院教授大卫·瑞兹（Dave Reitze）向世界宣布：科学家们第一次直接探测到引力波的存在！

这是科学史上一个伟大的里程碑。

顷刻间，华盛顿发布的引力波新闻席卷世界，《纽约时报》、《华盛顿邮报》、《科学》杂志、中国新华社等各大媒体同步报道。而我，一个曾经做过12年科学报道的记者，距离这场新闻飓风的中心近在咫尺：从我家到华盛顿州汉福德LIGO天文台不到15英里，20分钟车程。六年前，我和当时上小学二年级的女儿曾经参观过汉福德的LIGO装置及控制中心。

2016年3月14日，爱因斯坦137周岁诞辰日。为庆祝LIGO的发现、爱因斯坦生日和广义相对论100周年，3月12日，华盛顿州汉福德的LIGO和当地社区共同组织庆祝活动，一千多位本地居民参观了LIGO。

站在中央控制室聆听科学们的演讲演示，走在沙漠旷野中两个互相垂直、臂长达4000米的激光干涉探测器旁，我陷入沉思：1916年，爱因斯坦预言了遥远宇宙深处的黑洞融合所发射出的引力波，2015年9月，现代科学探测器直接收到了源于这次黑洞并合的引力波！那么，爱因斯坦伟大的思想究竟从何而来？科学家们为何用等了100年的时间才证实这个预言？

我在美国《科学》杂志上读到两篇经典科学文献。

一篇是美国科学物理学会第一任会长、约翰霍普金斯大学物理教授亨利·奥古斯特·罗兰（Henry Augustus Rowland，1848-1901）于1899年10月28日在纽约所作的会长演讲——《物理学家的至高追求》（The Highest Aim of the Physicist）！（点击文末“阅读原文”可查看罗兰演讲英文原文）罗兰在演讲中介绍了19世纪物理学的伟大成就以及当时最前沿和最深刻的问题，这正是现代量子力学和相对论的前夜，爱因斯坦的伟大发现正是站在19世纪伟大的科学家们的肩上。

另外一篇是美国电气工程师协会主席、电气工程师约翰·约瑟夫·卡悌（John Joseph Carty, 1861-1932）1916年9月8日在第33届协会年会上所作的演讲——《纯科学与工业研究的关系》（The Relation of Pure Science to Industrial Research）。读完这篇文章，我开始明白，在直接证明爱因斯坦预言的过程中，物理学家为何花了整整100年的时间发明新仪器新工具新方法。

科学事业的进步从来都是建立在人类伟大心灵的思想、品格和勇气之上，他们承前启后，拓展人类知识的疆界！今年4月16日，是亨利·罗兰逝世115年，今年也是约翰·卡悌的经典演讲发表100年，将两篇经典演讲翻译为中文，既为了感怀这些伟大的科学家的精神、远见卓识和成就，也期望为今天中国科学和社会发展的努力提供借鉴！

——王丹红

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亨利·奥古斯特·罗兰（ Henry Augustus Rowland，November 27, 1848 – April 16, 1901)

美国物理学会会长亨利·罗兰演讲全文

物理学家的至高目标

The Highest Aim of the Physicist

先生们、美国物理学界的同仁们：

今天，我们这里聚会，标志着美国物理学历史上一个新时代的来临；未来会告诉人们，它也将成为科学发展历史上的一个纪元，我们组织物理学会的目标正是为了促进和培育科学的发展！今天，我们为了所有科学之上的科学（指物理学）在这里相聚。这门科学涉及到宇宙的基础，组成宇宙中所有事物的物质，以及在以太空间中组成宇宙的各个部分的物质之间的相互作用，尽管这些物质可能相距甚远，以至于无论科学未来如何发展，我们也许永远都无法穿越这样的距离。

致力于将生命奉献于解答与物理学相关的问题的我们今天相聚，是为了互相帮助并共同推进我们所热爱的学科的发展。这一学科强烈地吸引着我们人类优秀的头脑，物理学的科学问题将穷尽人类智力的极限并揭示出人类所能达到的最为庄严和高贵的思想。

今天，在这个人生而平等被曲解为人类在其它方面也平等的国家，我们组成了一个不大而独特的团体，正如一位伟大的科学家所言，我们是一个新的人类群体（new variety of the human race）。这一群体对什么构成人类生命最伟大成就的看法，与我们周围的其他人们大为不同。在这个意义上，我们组成了一个新型的贵族阶层，它既不是基于财富，也不是基于血统，而是基于知识和理想。它对那些为人类知识做出最多贡献增加的人，或者那些将为人类增加知识作为至善而尽力追求的人，致以最崇高的敬意。

因此，我们相聚在一起，是为了在精神上相互支持，交流知识。这样做的时候，让我们尽量怀着感激之心看待对我们自身甚至对科学可能带来的益处。最重要的是，让我们认识到，我们的追求是高贵的，这一感觉足以支撑我们在这个世界生存。尽管这个世界并不欣赏研究极其纯粹和优雅的物理——这正是成立本学会要做的，而极为赞赏将纯粹物理用于满足物质上的需求而不是人类知识上的需求的行为。在一个原本长草的地方种出更多的草，他是人类的恩人；但是那些在默默无闻艰苦探索找出种出更多草生长规律的人才是拥有智慧的最高者，是这二者中更伟大的恩人。

从这个意义上讲，我们国家处于什么样的位置呢？我今天的答案和十五年前仍然一样：这个国家的大量智力仍然被浪费在追求仅为满足我们的物质需求的实用科学（Practical Science）上，而很少有精力和金钱被用在吸引我们的智力的庄严的事业上。不过，今天你们在这里也证明，这种状况不会永远持续下去。

即使在过去，我们也仍然有一些科学家在世界范围内得到人们的赞誉。弗兰克林，通过几个简单但影响深远的实验，几乎革命性地改变了电学；伦福特伯爵，他的实验几乎揭示了热的本质；亨利，如果他发表了更多完整的研究结果，会对物理学的发展做出更大的贡献；迈尔，他的简单而天才的实验是快乐之源，许多人受益于此。这个名单上的是我所能提及的那些业已过世的、曾经为科学的发展做出某些贡献的（美国）科学家。这份名单记录了超过百年的成就。如果记录的是做出过有用或有益的（美国）发明的人，这份名单将大为不同！

但我知道，当我注视前人的面孔时，我看见的是热切地追求智慧和崇高目标的面容和充满青春活力和力量的躯体，因此书写百年历史的作者不能因此而责备我们的国家。我们也不能责备前人。科学的每一个进步都向我们展示了它成长的环境。如果被隔离在半开化的土地上，很少有人会有欲望或机会追求更高深的科学。即使他们有能力这样做，他们在科学上的影响力也取决于他们所发表了是什么，什么为世界所知。

可以想像，一个隐居的哲学家也许会做出许多有用的发现。但如果他只是自己保存这些发现，他就绝不可能声称对世界有过任何贡献。他未发表的成果只是他个人的收获，除非他用有力的语言引起人们对这些结果的关注，并让世界相信它们的真实性。

因此，为了促进科学的进步，我们能做的最好事情就是为了科学的利益相聚在一起，讨论问题、评判彼此的工作，最好是提供方法，将工作中的最优秀部分介绍给世界。更进一步，让我们鼓励区别对待我们的思考和工作。让我们铭记伟大思想被引进我们学科的年代，让我们赞美那些引进这些思维并证明其正确性的伟人！永远不要将接受愚蠢观念当作人类平等，小心谨慎地给予更伟大的人们更大的认可。所以，在选择将从事的研究学科时，让我们尽可能从事那些最终能够带来更先进知识的重要领域。我深知，我们并不总是能做到这样；我们的想法常常会流向旁门左道；但是，在有关宇宙的伟大问题的面前，我们有时应该也可以朝着这伟大的目标尽自己所能。

什么是物质？什么是引力？什么是以太（ether）和穿越其间的辐射？什么是电和磁？这些东西怎么联系在一起、它们与热的关系是什么？这是宇宙中更为重要的问题。但是，在我们能够推测这些问题的解决方案之前，还有无数多的小问题需要我们攻克！

在我们面对这些大问题时，我们的态度是什么？我们的知识基础是什么？

牛顿和他之后的一大批天文学家们业已证明：在行星距离尺度上，物质之间相互吸引的力与它们距离的平方成反比。但是，关于这一定律我们有什么证据呢？这些证据源于天文学家们对行星轨道的观测。这一定律在浩缈太空的尺度上（与观测数据）很好地吻合，但是，这一定律对更小的距离也适用，其证据在哪里呢？我们测量月球与地球的距离、地球的大小，并将月地之间的引力与地球表面的重力进行了比较。但是，为了这样做，我们还必须先比较地球与太阳的物质。实现这一点，我们只能假设引力定律已被证明。而且，正如在卡文迪许扭秤实验（Cavendish experiment）展示的，从地球引力到两个小物体的重力，我们假设引力定律成立，并以此推断出按照我们的质量单位，地球的质量是多少。这样，当我们说，地球的质量是相同体积水的质量的5.5倍时，我们假定重力定律就是牛顿的引力定律。因此，行星距离尺度的定律在地面尺度上得到证明在物理上是不可能的。

再者，定律中关于质量的部分说一个物体受另外一个物体的吸引只和这两者的质量有关，换句话说，不受第三个物体的影响。但是，我们之前给出的在天平的不同位置测量物体的重量，为此给出的脆弱证明，在更大的尺度上是行不通的。当我们将太阳一撕两半，并且证明每一半的引力是整体的一半，也许才会有一个值得一提的证明。

对引力和时间的关系，我们又知道些什么呢？我们能否在灵光乍现时假设空间中高速运行的两个物质间的引力保持不变？我认为不能。我们也不能接受拉普拉斯的证明认为引力在穿越太空之时瞬时发生作用，因为我们可以轻而易举地想象一些拉普拉斯未曾料到的（空间）补偿特性。

在两百年多年的观察中，我们那时对这一定律的认识是多么的少啊！

对物质本身，我们的认识发生了怎样的变化，这些认识又是如何一直在变化。牛顿时代认为只有上帝才能将其击碎的圆圆的坚硬的原子，变成由众多原子组成的分子，原子很灵活，如此一来，即使在振动十万次后其振幅也鲜有任何减弱。原子变得很复杂，它们振动时能引起数千种音符的变化。原子会时不常地带电，与这样的系统相比，行星系统甚至整个宇宙系统也会显得过于简单。不仅如此，我们中的一些人甚至声称，牛顿认为只有上帝才具有的能力，将原子击成更小的碎片的能力只是幻想。现在，那些无知地嘲笑物质研究是对材料的粗糙研究的人在哪里呢？那些有上帝一样的天赋和高贵的思想、号称能够攻克和解决这些问题的人又在哪里呢？

所有物质具有两种性质：引力和惯性。没有这两种特性，物质将不复存在。最伟大的自然法则说：引力与物质质量成正比。毫无疑问，这个几乎被物理学家们所忽略的牛顿定律无疑具有最为重要和最深远的意义。这是否意味着所有物质最终都是由均匀和相似的 “太初原子”（primordial atoms）构成？或者，我们能找到其它解释么？

从结晶学中以及物质作用于光的偏振面的旋转的事实，我们知道构成物质的分子不是圆形的。

从电解现象，气体在真空管中的行为，以及塞曼效应（Zeeman effect），我们知道组成物质的分子甚至原子的是部分带电的。

从铁、镍和钴的磁性作用中，我们知道有一些物质像小磁铁。

光谱显示，物质具有弹性；塞曼效应表明，物质的振动部分携带有电荷。

因此，在这里，我们的问题已经开始，但是距离完整的答案到底还有多远？仅仅从聚集的原子出发，我们怎样才能想象由普通的或者“太初原子”所构成的材料？对于这些永远在我们的视线之外，几乎无时无刻都在振动、在绝对零度之上所有温度范围以无休止的能量忽此忽彼运动的原子分子，目前我们已经有如此的了解，这不能不说是理性和想象力的壮举。这当然是人类理性和想像的一个壮举！在这些结果的鼓励下，我们切勿沉思徘徊，要向着未来的新发现不断向前推进。

至于电，琥珀中飘忽不定的精灵，那个伸出贪婪的手臂将可触及的轻的物体抓获的妖怪，那个能够轻而易举地在金属中奔跑却会被脆弱的一片玻璃轻易阻挡的流体！它到哪里去了？消失了，被扔进了被抛弃的理论的垃圾堆，取而代之的是更为高贵的和崇高的关于以太空间作用的理论。

这样我们又开始思考另一个伟大实体——以太：它无限填充了所有空间，我们想象相距遥远的两部分物质间只能通以太才会产生相互作用。我们想象通过以太宇宙中的每个原子通过引力、磁力和电子作用与其它原子相结合而且我们猜想，以太将每个原子或分子间的振动运动传递到空间，然后消失在无尽的辐射中，传递进浩瀚苍穹或是被恰好途中碰到的其它原子吸收。通过以太传递摩檫过的琥珀之间的微弱吸引的所有电磁能量，来自尼亚加拉的电线的数千马力电能，以及一直从太阳的辐射洪流中流来的巨大能量。从分子距离上的微弱作行星作用，到行星间和星际间，直至连接整个宇宙的巨大距离上的强大作用，都存在于这个奇妙的以太之中。

然而，无论以太多么奇妙，它遵从的法则却远比复杂的物质简单。以太中的所有波，无论其长度和强度如何，都会以熟知的规律以同样的速度传播，从这些波在带电物质中的源到宇宙所包含的整个范围中都不会改变，其能量也不会减少，除非被所存在的物质所扰动。这些波如何彼此穿过，都不会在传播过程中相互干扰。

因此，关于引力，我们并没有任何证据表明第三个物体的存在会影响两个物体之间的相互吸引，或者第三个电量的存在会影响另外两个电量之间的相互吸引。磁相互作用也如此。

因为这些原因，当我们把条件限定为真空，引力、电磁作用包括辐射在内的法则是自然界中最简单的法则。但这些作用在含有物质的空间中会变得越来越复杂。

将以太置于巨大的静电力、磁力或引力下，我们发现以太绝对没有被破坏或者发生性质的改变。让以太在太阳一样的炙热的物体的作用下振动，让它在每平方英尺的表面传导几千马力的能量，它也静静地遵从同样不变的法则，就像是在传递动物油脂做成的蜡烛微弱能量一样。

对一毫米的以太加上几千甚至上百万伏的电压，我们也看不到对以太产生任何破坏。

因此，以太的特性是绝对的简单，并且导致最简单的自然规律。所有在一定距离上的作用力，总是遵从与距离的平方成反比的规律，而且任何数量的物体与附近物体的吸引力等同于这些物体被分开时的吸引力的算术叠加。前文提及的关于以太波的简单定律也同样简单。

到目前为止，通过麦克斯韦（Maxwell ）的辛勤工作，以及赫兹（Hertz）和其他人工作的补充下，我们得出一个普遍规律，即以太中的所有波扰动本质上都是电磁的。我们知道以太的扰动很少或者不会只通过单纯的物质运动来建立：这个物质必须带电，从而保证它能在以太中与以太传递物质的运动。塞曼效应甚至显示：就分子而言在振动周期巨大时的情况也是如此，电流的磁性作用实验也显示了同样的结果。将一个运动中的圆盘充电，圆盘就像会紧紧抓住以太并且拖动以太随其运动一样，从而产生我们所知道的所谓磁力的特定的以太运动。

当一个像地球般巨大的重量质量绕着自己的轴心线旋转时，我们不是看到了另一个类似的自然现象吗？难道不是物质的弱作用将以太抓住从而足以产生地球的磁场吗？

然而，洛奇（Lodge）的以太牵引实验探测显示，这种作用必然非常微弱。如果他在实验中采用了旋转的带电圆盘，他的实验也许不就成功了吗？

长久以来，物理学家们的一个伟大愿望是探测依赖于以太和物质相对运动的某种现象。但我们总是发现，除了一个可能的例外，总会有一些补偿特征导致我们的努力无用。这个实验就是所谓光行差实验，但即使在这里斯托克斯（Stocks）的研究也表明也：对这种现象有两种可能的解释：第一，地球穿越以太运动但并不扰动以太；第二，即使地球牵引以太运动，以太也绝不会转动。然而，即使在这里，作用量的大小可能取决于光源相对于接收望远镜的相对运动。

因此多普勒原理依赖于这一相对运动，并且独立于以太。

傅科（Foucault）关于光线通过流动的实验结果，也不能解释为以太跟随流水的部分移动。这是一个源自不完美理论的推论。洛奇（Lodge）的实验试图通过一个飞速旋转的圆盘来引发以太运动，也没有得到任何以太运动的结果。

迈克尔逊（Albert Abraham Michelson，1852-1931，美国物理学家，1907年成为美国第一位诺贝尔物理学奖获得者）实验是为了探测以太风，尽管其测量已经做到极度的准确，但这个实验仍没有探测到任何物质和以太的相对运动。

但是，携带电荷的物质会紧紧地抓住以太以磁力作用的方式随之运动。

带电体在太空中共同运行或互相参照时，我们只能通过非常缓慢且匀速度来跟踪它们的相互作用。当它们的运动速度可与光速相比较，等同于光速或者超越光速时，没有实验的指引，我们只能通过我们的想象力来计算它们间的相互作用或带电体对以太的作用。汤姆森（J. J. Thomson）、赫维赛德（Oliver Heaviside，1850-1925， 英国物理学家、电气工程师）、赫兹的结论都是想象力的结果，他们或多或少都是依靠理性假设，但终归是假设。数学研究总是遵循知识的守恒定律：我们得出的结论永远不会超出引入的前提条件。知识可能会改变其形式，以更清晰或更精确的方式被陈述，但是所得到的自然知识的总量和开始的时候是一样的。因此，我们永远不能预测超过我们更能够达到的速度之外的结果。对此我们应该记住的教训是对阴极射线的速度计算总是具有极大的不确定性。

的确，在涉及精确知识时，这种限制将更为严重。

当我们在听到物理学家或者其他人不断地提出超越这些极限，会发生什么样的情形呢？以速度为例，比方说当物体在以光速运动时。没有任何一种已知的过程能够达到这样的速度，即使物体从无限远落向宇宙中最大的物质聚集体。如果它还像阴极射线一样带电的话，物质的性质会因为电磁特性的叠加而被彻底改变。