麦克斯韦对物理实在观念发展的重要影响

相信有一个外在世界独立于知觉主体而存在，这是一切自然科学的基础。然而，由于感官知觉只能间接提供关于这个外在世界或“物理实在”的信息，我们只能通过思辨的方式来把握它。由此可知，我们关于物理实在的观念永远也不可能是最终的。为了以逻辑上最完美的方式来正确处理知觉到的事实，我们必须随时准备改变这些观念，也就是说，改变物理学的公理基础。事实上，从物理学的发展就可以看出，其公理基础在历史进程中已经发生了深远的改变。

自从牛顿奠定了理论物理学的基础以来，物理学的公理基础——亦即我们对实在结构的构想——发生的最大变化源于法拉第和麦克斯韦对电磁现象的研究。接下来，我们将同时关注物理学早期和后来的发展，以使这一点变得更加清楚。

根据牛顿的体系，物理实在由空间、时间、质点和力（质点的相互作用）等概念来刻画。在牛顿看来，物理事件应被视为受不变的定律支配的质点在空间中所做的运动。在处理实在中发生的变化时，我们只能以质点的方式来表示实在，质点是实在的唯一代表。质点概念显然源于可感知的物体。人们将质点设想成类似于运动物体，但剥夺了它们的广延、形状、空间方位等特征以及一切“内在”性质，只保留了惯性、位移，并且添加了力的概念。物体曾引导我们在心理上形成“质点”概念，而现在却不得不把物体本身看成质点系。应当注意，这种理论框架本质上是原子论和机械论的。一切事件都应做纯粹机械的解释，也就是说，按照牛顿运动定律把它们完全解释成质点的运动。

除了最近被再次提出的“绝对空间”概念所涉及的困难，这个体系最不能让人满意的地方在于它对光的描述，在牛顿体系中，光也被设想为由质点组成。那么当光被吸收时，组成光的质点会变成什么呢？这个问题甚至在当时就已经亟待解决了。不仅如此，为了分别描述有重物质和光，不得不假定有两种完全不同的质点并把它们引入讨论，这无论如何不能令人满意。后来又加入了第三种质点即带电粒子，它同样具有完全不同的特征。此外，决定事件的相互作用力必须以完全任意的方式进行假定，这也是一个根本弱点。这就是为何虽然牛顿的实在观取得了很大成就，人们还是感到不得不抛弃它的原因。

为了用数学形式来表达自己的体系，牛顿必须发明微商概念，并以全微分方程的形式来表述运动定律，这也许是一个人在思想领域所能做出的最大贡献。偏微分方程对于这个目的并不是必需的，牛顿也没有系统地使用过它们，但对于表述可变形物体的力学却是必需的，这是因为物体如何由质点组成的问题起初并不重要。

因此，偏微分方程进入理论物理学时还是婢女，但渐渐变成了主妇。这始于19世纪，那时观察到的事实已经迫使光的波动说建立起来。真空中的光被解释为以太的振动，当然在这一阶段，把以太看成质点的聚集体似乎毫无用处。微分方程在这里第一次显示为对物理学基本实在的自然表达。于是，在理论物理学的一个特殊分支中，连续的场和质点都被视为物理实在的代表。这种二元论至今仍然存在，任何讲求条理的人都必定会对此感到不安。

即使物理实在的观念已经不再是纯粹原子论的，它在当时也仍然是纯粹机械论的。人们仍然试图把一切事件都解释成惯性质量的运动。的确，似乎也想不出其他方式来看待事物了。然后发生了一场伟大变革，它将永远与法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字联系在一起。这场革命主要归功于麦克斯韦。他表明，当时关于光和电磁现象的所有知识都可以用他那两组著名的微分方程来表示，在这些方程中，电场和磁场作为因变量出现。(www.xing528.com)

麦克斯韦的确曾试图用理智构造的一种机械论模型来解释这些方程或为之辩护。但他同时使用了若干种这样的构造，而没有认真对待其中任何一种。因此只有这些方程才显得是本质性的，方程中出现的场是最终实体，不能还原为任何其他东西。到了世纪之交，人们已经普遍把电磁场看成最终实体，严肃的思想家也不再相信有理由或者有可能对麦克斯韦方程做出机械论解释。没过多久，他们反倒借助于麦克斯韦理论，试图以场论来解释质点及其惯性，虽然没有完全成功。

如果不考虑麦克斯韦的工作在重要的物理学分支所产生的个别重要结果，而是集中于他给我们的物理实在观所带来的变革，那么也许可以说：在麦克斯韦之前，人们设想物理实在（指自然中的事件）是质点，质点的变化完全归因于那些服从全微分方程的运动；而在麦克斯韦之后，人们认为物理实在由不能作机械论解释的、服从偏微分方程的连续场来代表。实在观的这一变革乃是自牛顿以来物理学发生的最为深刻和最富有成果的变革。但同时必须承认，这一纲领还远未完全实现。毋宁说，自那以后发展起来的成功的物理学体系都是这两个纲领的折中，因此这些体系都有一种过渡性的、逻辑上不完备的特征，尽管在某些细节上也许已经取得了很大进展。

这其中首先要提到洛伦兹的电子论，在这种理论中，场和带电粒子一起被视为对于理解实在有同等价值的要素。后来又出现了狭义相对论和广义相对论，它们虽然完全基于与场论有关的观念，但迄今为止还无法避免独立引入质点和全微分方程。

量子力学是理论物理学最新与最成功的创造，它从根本上不同于我们所谓的牛顿纲领和麦克斯韦纲领。因为出现在量子力学定律中的各种量并不必然描述物理实在本身，而只是描述了我们所考察的物理实在出现的概率。在我看来，对这种理论所作的逻辑上最完备的解释要归功于狄拉克。他正确地指出，比如要对光子作一种理论描述，使它提供的信息足以决定光子是否会通过斜放在其通路上的偏振器，这大概很困难。

我仍然倾向于认为，物理学家不会长期满足于对实在做出这种间接描述，即使这种理论最终能以令人满意的方式符合广义相对论的假设。我相信，到头来我们必将回到所谓的麦克斯韦纲领，即通过满足偏微分方程而不带有奇点的场来描述物理实在。

[124]纪念麦克斯韦一百周年诞辰，收录于1931年《麦克斯韦纪念文集》（James Clerk Maxwell: A Commemoration Volume, Cambridge University Press）。