爱因斯坦和庞加莱：站在物理、技术与哲学的交叉路口【上】

哈佛大学科学史和物理学教授彼得·加里森的学术生涯经历了许多不同的时刻。上世纪70年代末的科学史研究并不注重实验（室）本身，只将其作为一种理论诞生的附着品。而他本人对实验与仪器更感兴趣，这让他重新思考爱因斯坦。因为爱因斯坦在专利局从事的是一份务实的专业工作，而非他后来更被人熟知的抽象世界的形象。爱因斯坦得到相对论，真的是纯粹的思维结果吗？为什么他会用火车与观察者的同步作为比喻呢？事实证明，爱因斯坦并非只是比喻，思考协调时钟这一技术性问题的也并非只有爱因斯坦一人——甚至这是19世纪末的一个产业，其中也有另一位伟大的全才型学者庞加莱的身影。他与爱因斯坦将“同时性”的概念从技术与哲学的层面带入了物理学的核心地带，在这三重作用下，人类文明被彻底改变了。

撰文 | 彼得·加里森（Peter Galison）

编译 | 1/137
“我感兴趣的是弯曲光谱的边缘，使抽象和具体直接碰撞。”

——彼得·加里森

真正的时间永远不会仅仅通过时钟来揭示——牛顿对此深信不疑。即使是钟表大师的杰作，也只能提供绝对时间的苍白影子，绝对时间不属于人类世界，而属于“上帝的感觉”（sensorium of God）。潮汐、行星、月亮——牛顿相信，在单调的、永恒流动的时间之河的宇宙背景衬托下，万物皆变。在爱因斯坦的电子世界里，除非参考一个明确的关联时钟系统，否则没有这样一种可称之为时间的“处处都能听到的嘀嗒声”的容身之所，也没有办法有意义地定义时间……对于一个静止的时钟观察者（clock-observer）来说，同时发生的两个事件，对运动中的观察者则不然。伴随着这一冲击，牛顿物理学的基础破裂了，而爱因斯坦对此心知肚明。晚年他在《自述》（autobiographical notes）中插入对艾萨克·牛顿爵士的呼告（apostrophize），仿佛其间的几个世纪都消失了[1]；在反思他的相对论所动摇的绝对时空时，爱因斯坦写道：“牛顿啊，请原谅我；你所发现的道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路。”[2]这一翻天覆地的时间剧变的核心，是一个非凡却又容易表述的思想，从那以后，它一直是物理学、哲学和技术的中心：要讨论同时性，你必须用光信号将两个时钟同步，根据光信号到达的时间进行调整。还有什么比这更简单的呢？有了这个时间的定义，相对论的最后一块拼图就找到了位置，从而永远地改变了物理学。

实验与仪器如何改变科学？

1979年纪念爱因斯坦诞辰百年时，所有这些重大事件的演讲者都只把物理学当作理论来谈论。我对此觉得十分奇怪，像爱因斯坦这样的人，一开始是一名专利局职员，对实验抱有浓厚的兴趣，却留下了如此彻底的抽象形象。我对爱因斯坦的兴趣即始于那个时期，但在爱因斯坦之外，我还对实验和理论惊人的协同方式感到好奇，着迷于工艺知识与理论物理学的巨大抽象之间的紧密结合。

多年来，我的工作一直受到抽象思想与极为具体的对象之间奇特对峙的指引。科学史、社会学和认识论于我而言紧密相连，我在科学史领域所从事的工作始终受到哲学问题的推动与启迪。例如，我对什么算作一个论证感兴趣；何为完成了一项论证？实验者如何区分真实效应与仪器或环境的人为效应？我们自认为知道数学演绎的结论意味着什么，但是如果我通过计算机模拟演示了某个结果，那又意味着什么呢？如果我进行一次模拟，并展示了彗星尾部形成了岛屿，我是证明了这个结果呢，还是仅仅是开始了一个需要更多分析性的数学推导的解释呢？这些问题如今仍然困扰着各个领域。它们不可避免地既是历史的又是认识论的问题——也就是说，它们既涉及到普通的科学实践，同时又是根本性的哲学问题。可以这么说，当我选择解决一个问题时，通常是因为它被这些不同的光照亮了。

早在上世纪70年代末，当我和其他一些历史学家、社会学家和哲学家开始关注仪器和实验室时，在科学史研究中强调实验研究似乎还相当奇怪。大多数历史学家和哲学家热衷于表明（托马斯·库恩（Thomas Kuhn）的工作余波），所有的科学都源自理论。我想这是对20世纪20年代到50年代实证主义（positivism）的一种反动，当时哲学家们坚持认为所有的知识都源于感知和观察。无论如何，没有人认真研究何为实验室，实验室从何而来，以及它如何运作。从那时起，对实验实践的历史及其发展变化的探究已经发展成为一个更大的研究领域。我不仅对实验室本身感兴趣，而且对最抽象的理论也感兴趣。例如，最近我一直在写关于弦论的文章，具体而言是物理学家和数学家之间在试图厘清什么应该被证明时的对峙，这无疑是有史以来科学中最抽象的形式。

其实，对于每个具体的例子，我最感兴趣的是哲学问题如何启发并被科学实践所阐明，有时具体，有时抽象。我想我总是对抛开中级泛化（mid-level generalization）感兴趣，而探索最抽象和最具体的结合方式，就像在《爱因斯坦的时钟和庞加莱的地图》（Einstein’s Clocks, Poincaré's Maps）中做的那样。对于从紫外线到红外线的顺滑光谱里有什么我并不感兴趣，我希望“弯曲”光谱的边缘，使抽象和具体更直接地碰撞在一起。

彼得·加里森所著《爱因斯坦的时钟和庞加莱的地图：时间帝国》（Einstein's Clocks and Poincaré's Maps: Empires of Time）一书。

许多年前，当我开始我的工作时，科学史几乎完全集中在思想和理论的历史上。实验与仪器，对于人们关注的议题，在某种程度上只是作为产生理论的辅助工具。而我开始感兴趣的是某些仪器，或者说它们的使用方式，如何影响知识的运作方式以及人们提出的问题。我的第一本书《实验是如何结束的》（How Experiments End）讲的就是，无论是使用小型桌面设备还是涉及数百人的大型实验，实验人员如何确定他们正在观察的是真实的东西。

然后我转向了物理学的另一种亚文化——是一种真正对机器本身，而不仅仅是实验感兴趣的人的亚文化。我想知道某些特定设备是如何承载基本原理的。例如，像云室（cloud chambers）和气泡室（bubble chambers）这样能产生图像的机器，是如何在20世纪的大部分时间里成为一群物理学家的标准证据的？或者，像盖革计数器（Geiger counters）这样有趣的小东西——当它们靠近放射性物质时，会发出咔哒声——是如何产生一种统计上的论据的？并且让我感兴趣的是两类科学家们的传统的对照：一类想通过拍照来了解事物；另一类是计算的传统，他们想把信息更定量地结合起来，你也可以说这是数字化的，从而产生一个论证逻辑。我的第二本书《图像与逻辑》（Image and Logic）正是关于现代物理学中这两个巨大的、长期存在的传统的。

最近，我一直在研究我认为是物理学的第三种亚文化：理论家。我想要了解的是，理论家在创造最抽象的物理概念时，无论是量子场论、相对论，还是任何其他理论分支，是如何将抽象概念同现实世界非常具体的机器和设备相关联起来的。具体而言，在《爱因斯坦的时钟和庞加莱的地图》一书中，我追寻的是19世纪晚期对同时性（simultaneity）的广泛关注——时间是什么，时钟又是什么。这里还有一个关键的抽象和哲学的维度，但它也源自纯粹的技术关切。例如，你如何绘制地图或通过海底电缆发送信号？如何协调和分流列车，使它们在同一轨道上相向行驶时不会相撞？最后，我对理论家的兴趣让我开始关注19世纪末最紧迫的物理问题，即当一个物体穿过人们称为“以太”的无所不在的实体时，电和磁是如何作用的。

我对科学的物质性的兴趣可以追溯到我的童年。我的曾祖父一直活到90多岁，他曾在柏林接受培训，后来在托马斯·爱迪生（Thomas Ediosn）的实验室工作，是一名电气工程师。我和他一起在他的地下室度过了很长一段时间。我完全被他所做的事吸引住了。那里就是你能想象的弗兰肯斯坦博士（Dr. Frankenstein）电影中的实验室，有巨大的双掷开关，电弧闪耀于黑暗的空间中，架子上排列着装满水银的瓶子。我喜欢这里的一切。我17岁时离开高中，在巴黎综合理工学院（Ecole Polytechnique）学习了一年的物理和数学。我曾有机会跟随伟大的数学家劳朗·施瓦茨（Laurent Schwartz）学习。我去过法国很多次，会说法语，之所以想去法国是因为我对欧洲政治很感兴趣——那是政治上的疯狂时期，直到越南战争结束。我想，要想在一个有趣的地方工作，唯一的机会就是从事物理方面的研究，所以我给各个物理实验室写了信。而他们接纳了我，一定是出于好玩的原因——一个17岁的美国人竟然会给理工学院写信。

刚开始的时候，我对哲学问题很感兴趣，认为学习物理是解决其中一些问题的途径。我在一个研究等离子体物理的实验室里工作，现在很多实验是在宏伟的实验室中的巨型机器里完成的，而当时还可以在比桌子大不了多少的设备上做小规模的实验。我对这些机器，信号发生器、记录装置、示波器，以及关于世界的理论知识是如何从这些物质实体中产生的非常着迷。在哈佛读书时，我找到了一种方法，将学习的大量的物理知识与历史和哲学结合起来。

这把我带回到了爱因斯坦。

协调时钟：爱因斯坦的隐喻与明示

我们今天所了解的爱因斯坦大部分是基于他的晚年经历，那时他为自己几乎疏远所有社交和人类事物而感到自豪，把自己塑造成一个心不在焉、超脱世俗的人物。我们记得爱因斯坦说过，对于一个理论物理学家来说，最好的事情是在与世隔绝的地方静静地守护灯塔，以便能够进行纯粹地思考。我们对理论物理学家有这样的刻板印象，并将其投射到爱因斯坦的奇迹年，1905。人们很容易认为他在专利局做一份日常工作只是为了维持生计，而实际上他真正的工作纯粹是脑力的。这种分裂的生活方式对我来说毫无意义；我想知道他在机器和物体细节方面的工作是如何与那些抽象概念联系起来的，并开始思考相对论本身是如何与创造相对论的时间、地点和机器联系在一起。

多年以后——1997年某个夏日——我在北欧的一个火车站里，看着站台上优雅排列的时钟，分针都是一样的。我想，“天呐，他们那时造了如此非凡的时钟。多么了不起的装置！”但随后我注意到，秒针也在同步滴答作响。这意味着这些钟太准了。于是我想也许它们并不是精准的时钟，也许它们只是被电信号连接在一起，同步前进而已。也许爱因斯坦在写相对论论文的时候见过这样的钟。

回到美国后，我开始翻阅瑞士、英国、德国和美国的旧专利和工业记录，结果发现在19世纪晚期有一个巨大的协调时钟产业。突然之间，爱因斯坦1905年论文开头的那个著名比喻看起来就不那么奇怪了。爱因斯坦要求我们审视同时性的含义。他说，想象一列火车进站，你就站在这里。如果当火车驶停在你面前，你手表上的时针刚好指向7点时，那么你会说火车到达和你手表上显示的7点是同时的。但是，当你的时钟在7点时，一辆火车恰好抵达远方的车站，这意味着什么？爱因斯坦接着发展了一种技术来说明这意味协调时钟，并解释说这就是同时性。同时性的准操作（quasi-operational）定义成为他理论的基础，并导致他得出了惊人的结论，即同时性依赖于参照系，由此长度的测量在不同的参照系中是不同的。还有所有其他著名且惊人的相对论结果，都是源于这个概念。

突然间我明白了，爱因斯坦关于火车和车站的那些看似抽象的比喻，实际上完全是隐喻，但也完全是字面意思。担心“同时性”的意义的人不止一个，不只有一个与世隔绝的灯塔看守人，还有一大群人在担心“一列火车即将到达一个遥远的火车站意味着什么”。他们将电信号通过电报线路发送到遥远的车站，以此来确定同时性，这种方式与爱因斯坦在那篇改变历史的论文中描述的方式非常相似。

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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