第六章反浪漫主義與亥姆霍茲的電動力學研究 第三節亥姆霍茲一克勞修斯之爭與韋伯理論的困難(3 / 3)

如果說克勞修斯對亥姆霍茲能量守恒原理的基礎之一即中心力假設的批判,是亥姆霍茲重新審視自己早期觀點的一個原因,那麼還有沒有別的原因?另外,亥姆霍茲為什麼以電動力學的研究作為他從事物理學的主要領域?如果我們注意到以下幾件事,我想對於回答與此相關的問題是有幫助的。在1870年代左右,有以下幾件與亥姆霍茲有關的事:其一,亥姆霍茲生理光學手冊全部完成(1867),他的經驗主義認識論已經徹底建立了起來,並且在非歐幾何和數學理論中得到了很好的應用;其二,湯姆孫和泰特合著的《論自然哲學》已經完成並出版,而亥姆霍茲等人組織並翻譯了此書,第一卷於1871年出版;其三,1864年,亥姆霍茲見到麥克斯韋,此時後者的電磁場理論基本完成;其四,1871年,亥姆霍茲離開海德堡大學前往柏林接任馬格努斯的物理學教授職位;最後,1871年,德國實現統一,柏林勢必要成為新德國的科學中心。以上所列幾件事,都大約發生在同一時間,彼此之間有沒有相關性或者會不會發生“化學反應”而對亥姆霍茲的思想產生影響,這是值得研究的,接下來我們僅以亥姆霍茲與韋伯學派之爭來考察一下,這場爭論如何發生?其背景如何?它對亥姆霍茲確立其電動力學理論有何影響?亥姆霍茲為什麼要反對韋伯的電動力學理論而支持麥克斯韋的電磁場理論?這些將是以下需要著力闡述的問題。

二、韋伯理論的困難

亥姆霍茲與韋伯的相識最早在1851年,那一年亥姆霍茲計劃走訪德國範圍內其它大學的生理學實驗室的情況,並且借此機會遇到了當時德國一些最重要的生理學家和物理學家。然而,在一封寫給妻子的信中,亥姆霍茲說物理學家韋伯在接待他的時候明顯不如他在萊比錫的兄弟(即生理學家恩斯特·韋伯)那樣熱誠。毫無疑問,亥姆霍茲和韋伯兩人都非常清楚,韋伯分別於1846年和1848年確立的力定律和勢定律與亥姆霍茲於1847年在《守恒》中所采用的方法存在明顯差別。其實,在建立能量守恒定律時,亥姆霍茲曾提到過韋伯,這說明他是熟悉韋伯此前在電動力學方麵所做的工作的,那麼他為什麼還會提出一個明顯與韋伯理論有矛盾的假設,即能量守恒必須建立在中心力假設之上?韋伯理論本身的困難和當時德國的社會文化背景是其中兩個重要的原因。

作為追求自然界引力和斥力的數學表達的牛頓綱領的一個主要範例,在1870年以前,韋伯的超距作用電動力學在歐洲大陸是占據統治地位的理論,很少有人對它的正確性和有效性提出過質疑。因此,對於此時在英國已趨成熟的麥克斯韋電磁理論卻少有人知道。盡管如此,在亥姆霍茲看來,韋伯的電動力學理論存在幾大困難。

首先,在亥姆霍茲看來,他非常擔心韋伯試圖通過利用運動的電荷來解釋基本的電動力學作用,因為韋伯的定律中包含了電荷的相對運動,即含有速度和加速度項。早在1857年,亥姆霍茲就曾對把韋伯理論作為基本電動力學作用的最終決定理論提出過質疑。因為在他看來,韋伯的理論明顯違反了他早期確立起來的能量守恒原理,而這一原理的根本條件之一就是隻與距離有關的牛頓中心力假設。不過,到了1870年時,由於克勞修斯等人的辯護,亥姆霍茲最終承認韋伯的理論並不與能量守恒原理相矛盾。其次,亥姆霍茲認為,根據韋伯理論可以得出,至少某些電荷係統在運動時的能量應小於該係統靜止時的能量,這導致了一些靜電平衡狀態必然是不穩定的。針對這一問題,亥姆霍茲通過實驗進行了驗證。再次,兩個分開的運動著的帶電微粒,如果按照韋伯的電動力學定律相互作用,就可以很容易得出以下結論,即兩個帶有相反符號的電荷,盡管開始時隻有一個有限的動能,但是當它們彼此靠近或遠離時,它們可以在很短的有限距離內獲得無限大的動能。

鑒於以上幾個方麵的問題,亥姆霍茲認為韋伯定律預言了一些從物理學上看比較荒謬的結果。亥姆霍茲對韋伯理論的批判,引起了韋伯及其學生們的強烈反對,雙方的爭論一直延續到19世紀70年代末。正是在這種情況下,麥克斯韋理論才逐漸在歐洲大陸得到了普遍接受,韋伯的超距作用理論也因此逐漸衰落,到80年代之後幾乎被麥克斯韋理論所取代。如果說韋伯理論本身存在的問題是亥姆霍茲不能接受這種理論而提倡麥克斯韋電磁場理論的一個原因。那麼亥姆霍茲一貫的反浪漫主義反形而上學的觀念可能是另一個重要原因。