愛因斯坦：理論物理學在追求什么？

阿爾伯特·愛因斯坦（德語：Albert Einstein，1879年3月14日—1955年4月18日），德國猶太裔理論物理學家，擁有瑞士和美國國籍。圖源：維基百科

導讀：

今天讀愛因斯坦的這篇文章，或許能幫助我們重新理解科學的真正生命力：對真實世界的探索并不存在最終終點；理論不斷建立，也不斷被超越，在此過程中，我們對于世界的認知，更加逼近現實。

方在慶｜撰文

1925年春，愛因斯坦應邀訪問阿根廷、烏拉圭和巴西，進行一系列關于相對論與現代科學的演講。這是他第一次訪問拉丁美洲，也是他作為世界性公共知識分子的一次重要文化之旅。在布宜諾斯艾利斯停留期間，當地著名報紙《新聞報》（La Prensa）邀請他為普通讀者撰寫一組科學隨筆，本文便是其中之一。文章發表于1925年5月3日，那時的愛因斯坦仍旅居阿根廷。

1925年，愛因斯坦在布宜諾斯艾利斯。圖源：https://www.argentina.gob.ar/interior/archivo-general-de-la-nacion/1925-albert-einstein-visita-la-argentina

這篇短文不僅討論了“理論物理學究竟在追求什么”，更是關于“人類為何要理解世界”的沉思。

愛因斯坦指出，科學并不僅僅是為了預測現象、提高效率或獲得技術成果。真正驅動理論物理學家的，乃是一種更深層的愿望：理解事物的本質。他在文中用了一個極為生動的比喻——理論物理學家仿佛面對一臺被封閉在黑箱中的織布機，無法直接看到其內部結構，只能憑借織出的布料與機器運轉時發出的聲音，去推測隱藏其中的齒輪、杠桿與梭子的運動方式。人類對于自然界的認識，正是在這種不斷猜測、修正與逼近之中展開。

這一比喻，也濃縮了愛因斯坦一生的科學信念。在他看來，科學理論從來不是對“終極真實”的直接占有，而是人類精神對自然秩序不斷逼近的結果。正因如此，科學史并不是一條直線式的累積，而是一系列基礎概念的更新與重建：從開普勒與牛頓的經典力學，到分子理論與熱力學；從法拉第、麥克斯韋的電磁場理論，到相對論與量子理論，每一次重大突破，人類都在重新理解讓世界運轉的機制。

值得注意的是，寫下這篇文章時，量子力學革命尚未最終完成。愛因斯坦敏銳地意識到，傳統場論已經無法完全解釋新的量子現象，“一種新的理論基礎正在形成”。今天回頭看，這句話幾乎可以視作現代物理學轉折時刻的歷史回聲。

尤其動人的是，這篇文章并不僅僅回顧了物理學的發展歷程，也重新提醒我們：人類文明中最重要的一部分創造，往往并非源于功利目的，而是源于試圖理解世界的內在沖動。

愛因斯坦認為，對自然本質的探究，本身就是人類精神最深刻的活動之一。它未必總能立刻帶來實用結果，卻不斷改變著人類理解世界、理解自身的位置與方式。

在一個越來越強調即時回報、技術轉化與現實功用的時代，人們常常會追問基礎科學“究竟有什么用”。今天讀愛因斯坦的這篇文章，或許能幫助我們重新理解科學的真正生命力：對真實世界的探索并不存在最終終點；理論不斷建立，也不斷被超越，在此過程中，我們對于世界的認知，更加逼近現實。

收錄于《愛因斯坦全集》第14卷文件81。

——方在慶，《我的人生觀》編譯

SAIXIANSHENG

物理學與事物的本質

愛因斯坦 | 撰文

如果問一位出于內在需要而投身理論物理的研究者：“你如此熱切追求的目標究竟是什么？”他通常會謹慎作答，生怕哲學家覺得他過于天真。他大概會這樣回答：“我們試圖建立一個邏輯體系，使我們能夠在因果性的基礎上，把關于物理世界事件的經驗事實明確且無歧義地統一起來，從而預見現象的發展過程。”這樣的回答當然不錯，但它并沒有道出問題中研究者的真正熱情所在的那一面。研究者所渴望的是理解現象，把握它們的本質：他希望從自然過程之中獲得一種概念上的把握，就像我們通過織布機或印刷機的結構，理解這些機器的工作原理一樣。他努力把紛繁復雜的物理現象，歸結為若干極其簡單且嚴格受規律支配的事物的作用。當逐漸接近這一理想時，他便會產生一種愉悅之感，仿佛真正把握了自然現象的本質。

然而，理論物理學家的處境，在某種意義上又不同于一個想把織布機弄明白的人。后者確實可以直接看清織布機的構造：他一眼就能看到這里有圓筒，那里有齒輪或杠桿。各個部件的性質以及它們之間如何相互作用，對他來說并沒有什么奧秘。從一開始他就知道，一個輪子怎樣帶動另一個輪子，一個圓柱體為何能夠在它所在的位置上轉動，等等。物理學家則完全不同。他事先并不知道，熱究竟是不是一種運動現象，物體是否由原子組成，電磁現象是否必須解釋為某種充塞空間的媒質的運動，諸如此類。他更像這樣一個人：織布機被封在一個不透明的箱子里，無法打開，他只能通過織出的布料的特性，或者通過機器運轉時發出的聲音，來推測它的結構。他不得不“猜想”究竟是哪些裝置在驅動經線與緯線，并把這些部件設想在恰當的位置上。他還必須通過對機器聲響的細致分析，來證明確實存在梭子，并且有某些機構在一排排豎直的線束之間推動它來回穿梭。即使他對內部結構的認識始終只能停留在假設層面，難道我們不能說，這樣的人是在探究織布機的存在方式、它的本質嗎？他對這臺機器中究竟什么才是“真正起作用的東西”的理解，反而比那種滿足于僅憑感官去確認被封在箱中的機器所呈現的可感現象的人，更為深刻。

理論物理學是否在上述意義上取得了某種成就？它能夠完全實現自己的目標嗎？我們是否對第一個問題應回答“是”，而對第二個問題則或許只能給出一個帶有否定意味的“可能”？這或許可以通過對理論物理學發展歷程的簡要回顧來說明。

當今的理論物理學始于不到300年前由開普勒和牛頓建立的運動理論。對這兩位科學家提出的運動理論的發展，可以參照前面提到的結構進行粗略描述：物質由極其微小且永恒運動的基本單位（質點）構成。自然界中發生的每件事都是這些點的運動，而運動發生的方式是：每個點的加速度完全由其當前與其他所有點的位置關系決定。一旦確立了這種依賴關系的規律（力的規律），尋找可能的現象就成了數學的專屬任務。

這一綱領所蘊含的方法具有驚人的生產力。牛頓借助其萬有引力定律，以與經驗完全且精妙地契合的方式，成功描述了天體的相對運動、地球自轉軸方向的周期性變化（歲差），以及潮汐現象。無論是碰撞物體的動力學行為、機械裝置的運行原理，還是利用單擺與陀螺儀所能觀測到的現象——簡言之，所有在固體中觀察到的運動現象，均可通過數學加以預測。此外，由重力引起的物體形變過程，亦可追溯至這一理論基礎。水波、液體中的流動現象、聲波，以及固體與液體的彈性形變和振動，皆能納入該理論框架并得到解釋。

在剛體與可變形體的力學中，僅需要運用力學方程，而無須假定物質由質點（原子）構成。換言之，力學的發展完全可以不依賴于物質微觀結構的假設。這一做法的優勢在于，人們能夠憑借有限的幾個基本假設取得豐碩成果，但其局限在于，它無法揭示物質最深層的內部結構。這種深層結構，早已被古代原子論者（如伊壁鳩魯）提出，但直到一個多世紀以前，它才開始在精密科學中發揮關鍵作用。尤其值得注意的是，正是化學與礦物學這兩門此前相對獨立發展的科學，比物理學更早也更深入地闡明了物質的這一內在構造。

倍比定律表明，每一種簡單的化學物質與另一種物質結合的數量具有簡單的有理關系，這導向了化合物的分子理論。

晶體學中的有理指數定律表明，晶體產生的有限平面的方向可以通過根據一定方案對整數進行組合來表示，這引出了固體物質由平等的粒子（分子）組成的想法。當在結晶狀態下發現這些粒子時，它們會組織成規則的網絡。這是間接獲得的第一個關于物質精細結構的發現。從熱力學理論中首次推導出的原子的大小，那時仍完全未知。

19世紀中葉，人們確立了能量守恒原理，尤其認識到機械功能夠按確定的數量關系轉化為熱。與此同時，一種看法也逐漸占了上風：這種轉化，必須理解為分子的無規則運動。其實早在一個世紀之前，就有一些數學家試圖解釋氣體對容器壁的壓力。他們設想，氣體分子像一群蚊蚋般飛舞，不斷撞擊容器壁。然而，氣體動理論真正成熟起來，卻是在100年之后——在人們對熱現象的經驗認識大大豐富之后。這一理論不僅給出了壓力與熱含量之間的定量關系，也揭示了熱傳導與黏滯性（阻礙流動的阻力）之間的聯系。它還解釋了一個頗為奇特的事實：氣體的阻力和導熱能力竟與其密度無關。更重要的是，這些現象在理論預言之后，都得到了實驗的證實。此外，它甚至使我們能夠確定分子與原子的真實尺度和質量。在我看來，這正是伽利略與牛頓力學所取得的最偉大的勝利：它從感官經驗出發，卻讓我們獲得了關于物質精微結構的深刻且不可動搖的認識，而那是人類粗淺的感官永遠無法直接窺見的世界。

基于伽利略和牛頓的力學體系的理論物理學在某種意義上將永遠繼續，但這并不意味著它是我們的終極知識。從一開始就很難建立一個可以解釋所有實驗結果的光的理論。牛頓的微粒理論沒能解釋光的折射和干涉現象。惠更斯（Christiaan Huygens）的波動理論因其解釋結果而遠勝一籌，缺點是不得不依賴于假設存在一種感官無法觸及的物質——以太。它本應在力學上類似于感官可感知的固體物質，同時，它也能被這些感官滲透。此外，電在宇宙中是力學概念的一塊巨大的絆腳石。電也應該是一種物質，但那些似乎能支配其相互作用的定律并不適用于牛頓的框架。

支撐牛頓系統的框架被法拉第和麥克斯韋的電學理論，以及赫茲對該理論的驗證實驗共同打破。質量及其長距離效應不能再被視為物理學的基本事實。

它們后來被電磁場以及引力場的概念取代。相對論則使這一理論體系實現自洽；在這個體系之中，牛頓的理論仍然作為一種在許多問題上足夠有效的近似理論而被包含進去——他的成果并沒有失去意義，只是它們所能適用、所能解釋的現象范圍變得更加廣闊了。

然而，這些場論的基本原理，仍不足以使我們獲得對全部經驗事實的清晰理解。玻爾的光譜理論，以及統稱為“量子理論”的那些原理，已經把我們對物質的本性及輻射的認識推到極深的程度，但它們似乎并不能自然地被納入現有的場論框架。一種新的理論基礎正在形成。這個步驟終將完成，同時人們也越來越深刻地意識到，對真實事物與自然現象的探究，將是一個永無終結之時的過程。

本文作者為阿爾伯特·愛因斯坦，原載于1925年5月3日《新聞報》。收錄于《愛因斯坦全集》第14卷文件81。

本文摘自《我的人生觀》，愛因斯坦著，方在慶編譯，中信出版社2026年5月出版，《賽先生》獲授權發布。

編者介紹：

方在慶，中國科學院自然科學史研究所研究員，華東師范大學紫江講座教授，博士生導師。1963 年生于湖北省天門市，1979 年入吉林大學學習物理，后轉向哲學與科學史研究，1991 年獲武漢大學哲學博士學位。曾在浙江大學、清華大學任教，并先后擔任美國麻省理工學院“杰出訪問學者”、德國慕尼黑大學埃里克·沃格林講席教授、德國比勒費爾德大學客座教授。長期從事科學史、科學哲學與科學社會學研究，研究重點包括愛因斯坦思想，以及德國和美國科學技術的發展史。已發表中英文學術論文六十余篇，著譯二十余部，其中與愛因斯坦相關的論著與譯著逾十種。

文章轉載自“賽先生”公眾號