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转载-综合专辑
广西师范大学学报
年第期
浅谈爱因斯坦的科学方法
陈海峰
广西交通学校
世纪初在物理学的平线上升起了一颗光彩夺目的新星, 他就是伟大的理论物理学家爱
因斯坦。他对近代物理学的发展作出了开创性的、划时代的杰出贡献, 在物理学的发展史上写
下了光辉的篇章。年月他提出了光量子理论, 在人类历史第一次揭示了微观客体的波
粒二象性, 并解决了光电效应问题同年月完成了布朗运动理论的研究, 为原子分子论提供
了有力的证据同年月完成论文《论动体的电动力学》, 完整地提出了狭义相对论。紧接着是
在年把狭义相对论推广到加速运动, 而在巧年提出了把引力理论以及几何同质量的
存在之间的联系包括在内的广义相对论。随后, 爱因斯坦进而提出了把电磁场和引力场结合
起来形成统一场论的研究课题。尽管在以后的年献身于统一场论的研究中未能得出十分
有价值的成果, 但他却为此后的物理学提出了一系列的问题, 也激发了许多深邃的科研思想。
他所留给人们的不只是知识的财富, 蕴藏其中的关于他的科学方法、思维技巧更是一笔难以估
量的财宝。纵观整个物理学的发展历程, 笔者认为爱因斯坦的科学方法堪称最具特色, 极富开
创性。
爱因斯坦科学方法的基本构式
爱因斯坦是一位理论物理学家, 他非常重视理论的逻辑基础的探求, 视为理论家的“ 最高
使命” 。他在普朗克岁生日庆祝会上的讲话中说“ 物理学家的最高使命是要得到普遍的基
本定律, 由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。”他的科学方法就贯穿于他寻求那些“ 基
本定律” 的整个工作中。爱因斯坦在谈到建立相对论的切身体会中指出“ 没有什么可以学习和
可以系统地用来达到目的的方法” , “ 只有通过那种以对经验的共鸣理解为依据的直觉” 爱因
斯坦曾在一封给朋友的信中绘过一幅简图, 并解释道
公理体系
从心理状态讲, 理论体系的“ 基本原
理” , 爱因斯坦也称之为“ 假设或公理” 和“ 基本
假设”等等是以。直接经验为基础的, 但是
二者之间“ 不存在任何必然的逻辑联系, 而只有
一个不是必然的直觉的心理的联系” 。
由此可见, 爱因斯坦建立新理论并没有可
以作为土壤和立足之地的既定的“ 概念世界” ,
导出命题
直接经验感觉
的各种体现
而且他也不拘泥于直接经验。他认为理论只能用思维的方式来构造, 不能来自直接经验或经
验材料, 理论的基本原理只能来自理论家头脑中的“ 概念世界” , 但是“ 概念世界”也离不开我们
的经验本性而独立。正象衣服之不能离开人体的形状而独立一样。” 至此, 我们可以对爱因斯
坦科学方法的基本构式简单地叙述为对直接经验的共鸣理解后产生直觉或灵感形成头脑中
的“ 概念世界” 在已形成的“ 概念世界” 的基础上建立理论的公理体系由公理体系演绎出命
题, 最后预言相应的观察, 用图示为
爱因斯坦科学方法的显著特点一一下一概念世界
从爱因斯坦科学方法的基本构式中, 我们
对他科学方法的特点已有所领悟。下面我们将
具体地分析探讨爱因斯坦科学方法的特点。
善于在对立的两极保持必要的张力
“ 张力”是物理学中一个极普通的名词, 它
的涵义是指物体在一定条件下其内部两部分之
间的一种相互牵引作用。第一次把“ 张力”这名
词引用到科学方法论中的是库恩。在这里, 在
对立的两极保持必要的张力实际上是指在对立
公理体系
直接经验
各种体现

的两极保持一种必要的平衡、和谐的能力。这已被人们普遍认为是一种卓有成效的科学方法
论原则之一。爱因斯坦堪称是这方面的典范。爱因斯坦说“ 我认为在这两个极端摇摆是不可
避免的” , 有人据此错误认为爱因斯坦是个“ 机会主义者” , 恰恰相反, 正是这种“ 摇摆” , 敢于正
视矛盾的两极, 善于在对立的两极保持必要的张力构成他科学方法的一大特色, 是他在科学探
索中取得巨大成就的秘诀之一。具体体现在以下几个方面。
善于在经验论与唯理论之间保持必要的张力。他认为, 一切关于实在的知识都从经验
开始, 又终结于经验一个有希望备受信任的理论, 必须建立在有普遍意义的事实之上。他说
“ 凡是真正深人地研究过这问题的人, 都不会否认唯一决定理论体系的, 实际上是现象世界, 尽
管在现象同它们的理论之间并没有逻辑的桥梁, 这就是莱布尼兹非常中肯地表示的
先定的和谐。”他坚持公理体系的提出不能离开直接经验, 必须要有“ 对经验体系共鸣的理解。”
这些都体现了他唯物倾向的经验论。但是, 他反对那种“ 在感觉中所没有的东西, 在理论中也
不会有” 英国哲学家洛克的基本观点的狭隘经验主义观点, 认为“ 概念是思维的自由创造。”
他认为科学不能从经验的基础上成长起来, “ 从事实上升到理论是不可能的, 因为这条道理不
是唯一的。理论只能用思维的方式来构造, 只能在理论已经形成以后才能用事实去验证它。” ,
“ 在原则上, 试图单靠观察来建立理论, 那是完全错误的。” 他相信纯粹的思维可以把握实在任
何理论都是思辨性的, 只有大胆的思辨而不是经验材料的堆积, 才能使理论和我们的感官所感
知的知觉之间确立起有规律的联系。这又明显地表明了他唯理论的倾向。
表面看来, 爱因斯坦在经验论和唯理论这两极是摇摆不定的。但这种摇摆是从不同角度、
针对不同阶段来讲的。他力图在两极保持必要的张力。达到和谐的互补和美妙的平衡。从经
验论和唯理论的对立中超脱出来, 在两极间保持必要的张力, 这就是他善于在对立的两极保持
必要的张力的一个具体体现。
善于在归纳法和演绎法之间保持必要的张力。众所周知, 爱因斯坦作为一位以构造科
学体系为目的的理论物理学家, 他推祟演绎法。但他并没有否定归纳法在科学发展中的作用,
对归纳法在科学发现早期中的作用给予充分的肯定。即使在科学成熟期, 归纳法作用有所下
降时, 他也没有否定归纳法的作用。他只是说作为科学理论基础的基本概念和基本假设不能
从经验中归纳出来, 而只能以经验事实为引导去直接领悟。为了适应理论发展的需要, 解决面
临的困难, 他使用了行之有效的方法论原则, 采用探索性的演绎法, 他说“ 初始的假设变得愈来
愈抽象, 离经验愈来愈远。” 因此他认为“ 运用于科学的幼年时期的以归纳法为主的方法, 正在
让位给探索性的演绎法。”这种方法在归纳和演绎之间保持了必要的张力作为逻辑演绎前提
的基本概念和基本假设要受经验事实的揭示和引导。这些经验事实是归纳、总和的, 而不是零
碎的。但是, 基本概念和基本假设对经验事实保持着较大的独立性, 实际上是思维的自由创
造。演绎的结果既要得到“ 外部的证实” , 又要具有“ 内在完备性” 。
善于在两对立面之间保持必要的张力进行思考。这也是爱因斯坦善于在对立的两极
保持必要的张力的一个具体体现。任何事物都是对立的统一, 对立地思考是辩证的、科学的,
它更能有助于建立具有高度统摄水平的新理论。爱因斯坦不仅善于发现、设想思考的对立面,
而且善于在两对立面之间保持必要的张力进行思考, 而不滑向某个极端。例如, 一速光线从光
源到等距离的两点, 在相对于光源静止的参照系看来是同时的, 而在相对于光源运动的参照系
看来却是不同的。为何同一事件既同时又不同时呢这种对立思考最终导致了同时相对性的
建立。在爱因斯坦的科学工作中使用了许许多多的对立思考, 特别是在他的“ 思想实验” 中。
通过上面的分析, 我们知道爱因斯坦善于在对立的两极保持必要的张力的这种“ 摇摆” , 实
质上是爱因斯坦科学方法一个显著的特色。
善于利用直觉和灵感的力量挣脱直接经验的束缚
爱因斯坦十分善于凭借直觉、灵感提出新的概念, 构思新的理论。他曾一再提到“ 直觉”在
他科学理论提出中的作用, 他承认“ 我相信直觉和灵感” , “ 从特殊到一般的道路是直觉的, 而从
一般到特殊的道路是逻辑的、必然的” , “ 要通向这些定律, 并没有逻辑的道路只有通过那种以
对经验的共鸣的理解为依据的直觉才能得到这些定律。” “ 要走向理论的建立, 当然不存在什么
逻辑的道路, 只能通过构造性的尝试去探索。”显然, 这些“ 构造性的尝试”是不可能离开直觉和
灵感的。
从爱因斯坦的科学理论发现道路来看, 他凭借直大胆地探索, 提出了广义相对论, 并据此
预言了三个重要的效应, 即①水星轨道近日点的运动②光线在引力场中的偏折③光谱线的
引力红移。这些理论预言在以后都为事实所证实。但它们却不是经由逻辑的归纳道路获得
的, 而是通过非逻辑的、直接性的、探索性的理论思维而获得的。显然, 拘泥于旧理论的教条,
受直接经验的束缚是难以跃上如此高的理论高度的。当然, 要获得直觉, 必须要有知识基础,
要有直接经验, 而爱因斯坦高明之处就在于他善于利用知识的总和, 善于抓住“ 灵感的闪光” ,
并以此为“ 锲子” 去建立新的概念。同时相对性的概念就是他在思考“ 如果我以光速追踪一条
光线我会看到什么”的问题时捕捉“ 灵感的闪光” 而提出来的。
敢于怀疑, 敢于“ 离经叛道”
自从牛顿力学获得胜利以后, 多年间几乎没有人对牛顿的基本观念发生过根本的怀
疑, 甚至在许多实验事实已经严重动摇经典物理学的基础的时候、许多物理学家还以为只要做
些修补工作就行了。但是, 爱因斯坦冲破了牛顿绝对时空观的迷信, 提出了相对论的时空观。
如果没有“ 离经叛道”的精神, 没有敢于怀疑的勇气, 是不可能作出如此突破性的贡献的。同
样, 不冲破惠更斯的光波说的侄桔, “ 光量子” 的概念也就无法确立。· 海森伯在阿尔伯特·
爱因斯坦的科学工作》中评价“ 爱因斯坦以非凡的胆略向所有这些假设提出了疑问, 并且他具
有这种精神力量, 能够想出如何根据略为不同的假设同样可以使各种现象得到一个内在一致
的秩序。” , 英费尔德在相对论的发展史中评价“ 从伽俐略以来物理学家们都知道, 一切物
体都以同样的加速度下落。在我们这个世纪, 除了爱因斯坦以外, 没有人再对这件事有什么好
奇心了。”而爱因斯坦正是从加速度的等同性得到某种启示从而导致了广义相对论的建立。
坚持逻辑简单性原则, 追求和谐统一的美
爱因斯坦在科学上毕生追求的最高目标是建立永恒的方程式, 寻求自然规律的内在一致
性, 逻辑上的简洁以及自然界统一和谐的美。爱因斯坦说“ 我们在寻找一个能把观察到的事实
联系在一起的思想体系, 它将具有最大可能的简单性” 。实质上, 爱因斯坦的逻辑简单性思想
是基于对自然界的统一性和规律性的理解, 他认为自然界是和谐的、简单的、也是美的, 而且他
“ 渴望看这种先定的和谐” 。
在爱因斯坦的科学成就中充分体现了他遵循逻辑简单性原则的思想。例如, 狭义相对论
只有两个基本假设①狭义相对性原理②光速不变性原理。就是这两个彼此独立的假设, 结
果使物理世界更加统一、简单, 也更为有序。同样, 广义相对论的基本观点也仅有两个①广义
协变性原理②等效原理。爱因斯坦本人在谈到广义相对论的结构时曾情不自禁地说“ 从演
绎理论的观点来看, 这个理论可能算是极完美的” 。他认为“ 理论不仅能解析事实, 而且应该具
有内在的完备性, 这内在完备性表现于理论的原则性的基础之简单和逻辑上的严格, 也只有这
种内在的完备性才能使理论成为使人信服的。”
善于运用思想实验
思想实验方法虽然不是爱因斯坦首创, 但他却能巧妙地加以运用, 他对思想实验的价值有
充分的认识, 对思想实验的成效有切身的体会。他极富创造性的想象力和数学的、逻辑的推导
才能, 又使他进行思想实验能够得心应手。爱因斯坦所进行的思想实验实际上是运用创造性
想象力, 把问题放在极端的或理论的物理环境中来推导事物的特征或本性。他进行思想实验
不仅经常, 而且表现很突出, 取得了很大的成功, 爱因斯坦正是借助思想实验这把钥匙打开了
相对论大厦的大门。他证明同时相对性的思想实验是在思想中对时间进行测量与广义相对
论联系的第一个朴素的思想实验是运用升降机原理。可以说, 如果未能如此巧妙地驾鸳思想
实验, 爱因斯坦也就难以建立起如此高深的理论。
结束语
本文尝试较全面地论述爱因斯坦的科学方法, 探讨其显著的特点, 显然, 这些特点之间并
不是孤立的, 正是它们的有机结合构成了这位科学巨匠别具一格的科学方法。但是, 要系统、
全面、准确地论述爱因斯坦的科学方法是不容易的, 在此笔者只不过是把前人的工作进行简单
归纳并提出自己的拙见而已, 敬请读者批评指正。
责任编辑李小玲


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