堪与评说：以太信奉者的功过得失

19世纪，机械以太假说盛行，似乎离开以太，物理学家就无法解释各种电磁效应，故而他们以为，宁可信其有、不可信其无；即使崇尚简洁的洛仑兹亦信奉有加，他尽管对其作了简化，但终究未断然弃之。

物理学家们赋予宇宙间以太以种种力学性质，把以太当成作机械运动的媒质。早在惠更斯那里，以太被假设为气体，光在其中的传播犹如声音在空气中传播一样，乃引起其密度有规则地变化；之后在菲涅耳那里，以太被假设为弹性固体媒质，光的传播依赖其应力状态的改变。19世纪的物理学家为以太设计诸多不同的力学模型，以适应各人对电磁效应不同解释的特殊需求；除了假设其力学模型各别外，因宏观物体发生运动，还有三种相应的整体性假设：或者是以太跟随物体一起运动；或者是以太被运动物体部分地曳引（菲涅耳正如此假设）；或者是以太完全不受曳引，即以太绝对静止。洛仑兹对此作了仔细考查，从倾向于菲涅耳的“曳引以太”论者转变成完全的“静止以太”论者。

洛仑兹曾计算过水流中的光速，并由以确定以太曳引系数；这说明他也曾承认以太被运动物体曳引的可能性。然而他认为这未必能给电磁场理论带来简洁性；相反，如果以太不受有重物质运动的影响，则任何哪里的以太都是相同的，那末为负载电磁场便有了一个均匀一致的背景空间。这样的以太背景利于显现电磁场的连续性，亦利于解除电磁场概念起初所蒙上的机械论羁绊。譬如有人主张电场是以太的平动、磁场是以太的转动，如此等等都是企图把电磁运动归结于力学运动（机械运动）；洛仑兹对此不予赞同。同时，这样的以太背景还突出了洛仑兹的电粒子概念在电磁场理论中的显要地位；可以说，他所信奉的静止以太假说成为其创建电子论的一个契机。以太背景是电粒子运动的舞台，倘若前者具有种种力学性质，而且被运动物体曳引，那就使电磁场与电粒子的相互作用变得非常复杂，动体电动力学也就难以简捷地推导出来。

爱因斯坦带点诙谐地说，洛仑兹给以太最后“留下的唯一的力学性质就是不动性”，因此，以太实际上便是“绝对静止空间的化身”，仅作为一种特殊的惯性系——绝对静止参考系而已。可是，洛仑兹对以太概念的这一简化步骤，竟然促使电磁场理论走到了相对论的门口。爱因斯坦认为“狭义相对论带给以太概念的全部变革，只不过取消了它的最后的力学性质，即不动性”。

洛仑兹推导出绝对静止的以太参考系中的空间坐标和“绝对时间”与相对于以太参考系作匀速运动的运动参考系中的空间坐标和所谓的“地方时间”之间的关系，即1904年在其论文《速度小于光速的运动体系中的电磁现象》所给出的时空变换公式。这项成果乃起源于他对著名的迈克尔孙-莫雷实验之结果的机敏解释。以太既然被认作静止，那末在其中穿行，就会感受到“以太风”；这犹如在无风天气（静止空气）里跑步，会感受到迎面而来的微风。迈克尔孙等人为探测以太风而设计的实验，采用精密的光干涉仪器，测量精度可达到地球运动速度ν与光速c之比的二次方数量级。按照牛顿力学的结论，在地球上测量，光沿着地球运动方向走一个来回，与沿着该方向的垂直方向走一个同等距离的来回相比，所需时间应超出ν/c的二次方的一个小量。对此小量，实验仪器是可以测量出来的；但出乎意料，却并未测到，即并未感受到以太风。于是，有人以为以太还是被地球曳引着一起运动。而洛仑兹仍坚持其以太静止的主张；为与实验结果相符，他从电子论的基本思想出发提出“长度收缩”假设。此假设是指，物体的分子、原子之间的作用力强度因运动而改变，致使相互间排列稍紧密，物体的长度便稍有收缩；这正好抵消了因运动导致光来回传播的时间扩张，所以实验测量不出地球相对于以太的运动。洛仑兹起先计算时间差值依据的是牛顿力学中的伽利略变换，后来将长度收缩和时间扩张作了精巧的拼合，导出他的时空变换关系。其主要准则是使“电磁作用完全与体系的运动无关”，此即指当从以太这个绝对静止参考系变换到运动参考系后，麦克斯韦方程组的形式保持不变；人们称其为“对应态定理”。洛仑兹的时空变换式与狭义相对论中的时空变换式在形式上相似，前者的推导思路对后者的引出有启示作用，前者是后者的先导；后者也就因此而被命名为洛仑兹变换式。洛仑兹如此坚持以太的不动性，有别于“运动以太”和“曳引以太”之说，才可能导出他的时空变换关系公式；虽有拼合之嫌，却使人们从中悟出时空可变、时空依赖于物质运动这个作为相对论之重要推论的反传统观念，纵然它与洛仑兹的本意大相径庭。

爱因斯坦取消了静止以太的“不动性”，实际上就是完全否定了机械以太假说的必要性，也就是最终取消了洛仑兹理论所依靠的“绝对空间”这个经典物理中最基本的概念。由此导致两项重大成果：第一，电磁场成为一种物质存在形式、一种“基元实体”，无需蒙上任何附带物；第二，相对论因时空观的突破而横空出世。物理学在“牛顿力学→电磁场理论→相对论”的发展过程中，空间概念经历的演化是：绝对空虚空间一具有种种力学性质的以太空间→洛仑兹的静止以太空间→相对论时空。每一步演化都引发了新理论的诞生和完善。洛仑兹对以太空间性质的简化，完善了电磁场理论、促成了爱因斯坦对时空观的突破；它极大限度地扫除了机械论障碍，致使相对论“水到渠成”。可见。洛仑兹信奉“静止以太”假说，对现代物理的开创，有其积极性意义；所“得”甚多，其“功”非小。但是，他面对新实验出乎意料的结果，过于偏执于成见；不像爱因斯坦那样：大胆地摒弃静止以太空间，从而揭开时空的相对性面目。上述所谓的“对应态定理”，倘然否定以太参考系的绝对性、即肯定一切惯性参考系都是等价的话，那就变成相对性原理了。洛仑兹作出长度收缩假设，似乎有点削足适履的味道，但他所遵循的准则分明就是物理规律的变换不变性原则，由此推导时空变换关系也是十分合乎逻辑的；只是他把以太参考系及其中的时间置于特殊的绝对地位，那末该变换必定不具有可逆性，与相对性原理必然不相契合了。所以对洛仑兹来说，相对论的真理已近在咫尺，他却未能抓住；失之交臂，委实可惜。

相对论登上理论宝座，洛仑兹为之赞叹；在一次出访演讲中谈到：“必须承认，如果爱因斯坦也维护以太，就肯定不会提出他的理论，因此我很感激他没有走老路。”洛仑兹已认识到，摒弃以太的确比维护以太有利。可是他又认为彻底地否定以太“未必是唯一可能的观点”，“因为以太概念有一定的优越性”，所以他始终是以太说的信奉者和辩护者。在广义相对论问世前后的十几年时间里，洛仑兹对此信念恪守不移；这并非说明他顽固不化，反倒说明其思想深沉、绝不流于浮泛。在这个问题上，他与爱因斯坦是相互影响的。从19世纪初叶到20世纪初叶，机械以太假说从兴盛转向衰落，洛仑兹竭力主张以太静止，恰正促使该假说愈益衰落；及至狭义相对论诞生（1905年），它终于趋于消亡。而此后洛仑兹依然相信其存在的以太，当然不再是“绝对空间的化身”；与他的观念相呼应的是，爱因斯坦重又在广义相对论里引入新的以太概念，并讲明此以太“本身完全没有一切力学的和运动学的性质，却参与对力学（和电磁学）事件的决定”。这便是所谓的“广义相对论以太”，乃指（宇宙里）与时间融为一体且因其本身的动力学变化而弯曲了的物质场背景空间。从洛仑兹的静止以太空间→狭义相对论的相对时空→作为物质场背景空间的广义相对论以太，乃是本世纪前期时空观的两次革新，包含以太概念“否定之否定”的昇化循环。前一次革新，致使机械以太概念“寿终正寝”；后一次革新，导致新以太概念异军突起。正如洛仑兹所深信的，以太概念自有其内在的生命力；其优越性在于藉以可说明：物质间的相互作用不可能是超距的；宇宙里不存在空无一物的绝对真空区域；新时空观也须依托于物质场背景，弯曲时空及其变换有其动力学机制。本世纪中期以来对量子场论研究的蓬勃开展更发掘出“真空”的深层次内涵；这或许可认作是对洛仑兹所锲而不舍的以太概念的进一步探索吧。

昭然可鉴：现代文明先导的人格魅力

且用爱因斯坦在洛仑兹葬礼上的一段演讲词开始这一部分文字：“……站在我们当代最伟大和最崇高的人的墓前，……我首先是作为一名学生和一个忠实的读者。洛仑兹的聪慧和睿智大放异彩，指明了从麦克斯韦理论通向当代物理学恢宏成就的道路。正是他，奠定了物理学的基础，创造了物理学的方法。……他的仁爱慈祥、宽厚大度，以及他那种正义情感和对别人深刻而直观的理解能力，是永远不会重现的了！无论他到何处，情势总是使他成为那里的领导者；大家都愉快地追随他，因为谁都觉得他不会凌驾于人，而是诚恳地为大家服务。他的方法和著作，乃是对于更多世代人的教导和福祉。”

爱因斯坦对洛仑兹的科学成就及其学术影响的评价，是再适当不过的了；前文对此择要作了说明。爱因斯坦还热忱地颂扬了洛仑兹非凡的品格和胸怀；新世纪的新一代科学精英都敬仰他、追随他，把他的精神风采和人格魅力发扬光大，使新世纪的科学更加辉煌。

洛仑兹的亲朋友好都觉得他长于谈吐、亲切和蔼、富有人情味，并非古板迂腐、一本正经，或者好大喜功、附庸时尚之辈。热情开朗是他的性格特征，而其内在禀性则是淡泊、宁静的。凡成就卓著的纯真

科学家都有这样的禀性。洛仑兹喜欢独立地思索，在问题没有完全得出答案之前，绝不先与旁人讨论；认定了一种观念后便不轻易更改。他对电子论的创建和充实、对以太说的修改和维护，正是其宁静心境之上专注思考的结果；对于其成就带来的功利显得淡泊而不经意。洛仑兹身处“世纪之交”，面对的是经典物理之硕果累累、错综复杂的广阔领域；他把前人的所有成果（当然不限于电磁学范围）都作了细致的修缮、加工、整理，“哪怕是对于貌似无关紧要的细节，也如同创作价值连城的工艺品一样的一丝不苟”（爱因斯坦语）。心静气平则思维敏捷、胸怀宽广。洛仑兹的胸怀装得下整个经典物理学的全部“经纬峰壑”，经过精心的分析和总结，以及认真的提炼和修整，遂使其达到极高的水准。“世纪之交”需要这样胸怀宽广的集大成者。爱因斯坦认为他自己“受洛仑兹的影响，比受其他任何人的都更为重要”；此乃意指，洛仑兹以博大精深的学问和博大宽广的胸怀，为现代物理学的开创奠定了坚实的基础，并创造了简化这基础的方法。他为人品格清纯、工作风格清澈、演讲著述清晰，从而为物理学基础带来鲜明的简洁性。

20世纪初叶，当现代物理学的帷幕被拉开以后，洛仑兹也体会到了经典物理的困难被解除的喜悦；他系长者的身份，却怀着由衷的谦逊，凭着天赋的悟性和积极的参与，遂跟上新理论前进的步伐。且提一下莱顿大学每周一的理论物理讲座，在洛仑兹生前一直由其亲自主持、演讲；他借此讲座热情地宣传新原子理论、量子论和相对论。虽然因新理论往往与洛仑兹原有的经典观念相悖，但围绕观念上的分歧所展开的一些争议是相当有益的；他以清澈的风格提出深刻的质疑，有利于新理论的日益成熟。爱因斯坦等一流年轻精英，常常是洛仑兹讲座的座上客，他们感谢这位仁慈长者的大力扶持。

洛仑兹把一生的全部精力都献给科学研究和所谓的“职责义务”。除了大学教育工作外，他还将开设学术讲座和通俗讲座、指导青年学者、主持国内外的学术交流活动，以至负责工程技术项目等，都归入自己职责义务范围；并都尽心竭力，使它们无不达到“优雅”的程度。他演讲透彻生动、富含启发性，能把听众牢牢吸引住；他回答学生提问，经常用尖锐而明瞭的反问形式，点中问题的要害，使提问者自己领悟；他审阅论文采取独特的方式：先读论文的开头部分和最后部分，即论题的前提和结论，然后自己进行推导和演绎，以确定结论的正误；他著书撰文清晰简明、深入浅出。1900年起洛仑兹才进入国际学术界的社交圈子，二十多年中在国外也作了一系列反响强烈的学术报告。例如1906年在美国哥仑比亚大学讲学六周（每周两天），有人为听他对于电子论与现代物理的关系的精彩描述，竟每周来回步行八小时。上述种种都说明洛仑兹有超乎寻常的智慧和能力。然而他的宽厚大度又使得谈吐朴素自然，不予听讲者、交谈者以压抑的感觉；人们随着他的思路，“把各种论题转过来又转过去、升上来又降下去”（洛仑兹语），逐渐领会物理学转变的必然性。洛仑兹对此转变的促进作用，主要凭依他的学术造诣，此外还凭依他对理论进展所作的热情而优雅的宣传和评述；“在为科学诚实而无私的服务方面”，洛仑兹表现出超乎寻常的人格魅力。

荷兰的科学界、国际物理学界和知识界，都尊洛仑兹为领袖人物。不少国际性理论物理的学术会议，都推举他当执行主席。他主持大型国际会议，总是从容自如、引导得体、令人佩服。这不仅是因为他精通好几国语言，更是因为他敏锐、机警、善解人意。他能抓住发言者和争论者思想中精微曲折的疑虑，立即予以恰当的点拨和指示；他能把握住讨论的主题，使各种意见充分发表，甚至挖掘出讲话人的“潜台词”，尔后经过他以清澈风格所作的过滤、分析，使大家的观念（比如玻尔的互补观念即是一例）趋于清脱、明朗、准确。尤其值得一提的是，具有历史意义的索尔未国际物理学讨论会（从1911年到1927年之间共举行了五次），针对现代物理中的一些棘手问题，其中比如针对量子力学中的波粒二象性及互补原理，让新世纪物理学革命的两位最杰出的旗手——爱因斯坦和玻尔展开了激烈的争论。这场有名论战在洛仑兹的巧妙引导下摆开阵势；论战的双方，出于对洛仑兹的敬仰，发扬了他那种对科学事业诚实而无私的精神，在会上尽情地各抒己见，唇枪舌剑地把论战推向高潮。洛仑兹的引导性意见有明显的权威性，致使会议收到出乎意料的效果；爱因斯坦认为，此乃“出自洛仑兹人格的特殊魅力”。年轻精英乐于追随洛仑兹，而洛仑兹亦以活跃的兴致追随着杰出青年的工作进程及其变革中的思想，并格外关注其中最有才华的佼佼者，例如爱因斯坦等人的划时代功绩。洛仑兹在七十高龄的年纪，继续出色地领导荟集了世界第一流年轻的物理学革新家的高级会议，显露出青年人一般的生气和活力；这简直是一个奇迹。

洛仑兹这位国际物理学会议的优秀主持人，更是促进世界“智力合作”的练达组织者。1923年起他担任“智力合作委员会”主席。第一次世界大战以后，一些国际性科学组织禁止战败国科学家参加，美国等国也都因政治上的原因排斥诸如泡利、海森伯，甚至爱因斯坦等一流学者。可是洛仑兹的态度截然相反：他总是强调“知识界合作乃是指导世界事务的正常方式”；竭力主张，为了科学的繁荣，必须把世界各国的科学家联合起来；他对一切献身科学的正直学者都怀着正义的情感。在他的努力下，终于纠正了有碍于知识界国际合作的一些不合理倾向。在这方面，洛仑兹作为知识界的一位前辈学者，出于其推动新世纪科学革命的宗旨，同样表现出超乎寻常的仁慈和大度。

洛仑兹的名声日增，德、美等国的研究机构纷纷聘他担任要职，但他全部谢绝了；而是毕生服务于荷兰这个小国，为祖国人民作出多方面的可贵奉献。他是一位理论物理学家，却领导荷兰的一项技术性极强的工程，即修建闻名世界的须德海合围大坝。这项工程直接关系到全荷兰人民的生活保障和生命安全，洛仑兹为此呕心沥血达七、八年之久。1918年，荷兰政府专门成立了负责此工程的国家委员会，任命洛仑兹为主席。这位资深教授崭露出用数学物理理论驾驭纯技术性工作的惊人才干；具体地说，他针对海湾中海水波运动（计及反射波与潮汐波的干涉效应和暴风浪现象）建立了合适的非线性方程，并亲自作了数值计算，由此来确定大坝的高度等技术性指标以及各项设计数据。洛仑兹当该工程的“主席”，绝非徒有“名誉”而已；他甚至拿起了工程师用的计算尺，经过反复的计算、测试、设计，直到1926年才把计算工作基本完成，递交政府审批的第一份报告竟长达345页。洛仑兹亲自撰写一份份报告的大部分篇幅；有关该工程的会议，在他家中召开的就有60次之多。他有那么多本专业的紧要工作要做，包括国内的和国际的；但他为了荷兰的国计民生，作出了巨大的牺牲。根据洛仑兹的计算和判断，减小了大坝的原定规模；他把复杂的工程技术置于严格的科学基础之上，既保证了工程的质量，又节省了大量资金。这一由理论物理学家主持的实用性工程项目，在近代技术史上极为罕见。然而对于一位已名扬四海的科学权威来说，能勇于具体负责这样一项颇担风险的大型工程，实在是了不起的，足见其无私无畏的博大胸怀和对祖国人民的无限热爱。就洛仑兹伟大而崇高的一生而言，该工程的成功，可谓为其再写灿烂的篇章；在荷兰人民看来，此项业绩几乎可与电子论的创建并重。

当然，洛仑兹的电子论，以及麦克斯韦和赫兹等人在电磁学领域的不朽功勋，为人类社会带来的物质力量更是无法比拟的。电磁场理论把人类社会引入电气化以至信息化的时代。人们认为，使该理论“登上最终高度”的洛仑兹，为电子技术、通讯技术的飞跃发展起到愈加显著的推动作用。他是20世纪现代文明的先导——为其物质文明建设提供了理论基石；并以超乎寻常的人格魅力为这个世纪的革新家们树立起“精神文明砥柱”的光辉榜样。

今天已近21世纪来临之际，回顾物理学走过的百年辉煌历程，是否应该像洛仑兹那样作一番全面的总结？新的革命是否已经临近、新的突破是否已经孕育？看来不能盲目作出结论，理当着眼于全面的分析、总结。洛仑兹淡于功利，遂把经典物理提到极高水准，“为通向现代物理架起了飞桥”；洛仑兹忠于科学，谨以自己的研究成果和诚实而无私的服务，去开启后辈革新家们的创造心灵。尔今人们面对的科研工作背景，比19世纪后期洛仑兹所面对的，当然更浩瀚广阔得多，那末集大成的工作也就更艰巨繁重得多。不论时机是否成熟，学习洛仑兹的高尚品格乃是首要的事；拥有他那样的宽广胸怀，才能拥有他那样的精深学问。迷恋功利、缺乏无私奉献的精神，动辄假以突破之名，却不屑于分析前人成果，且并无总揽全局的视界和修整理论基础的能力，则便难就“水到渠成”之功。洛仑兹告诫后人：科学研究不能像海浪般的“过客”，匆匆来去，不留任何踪迹；在科学平稳演进时抑或发生转变和革命时，任何一个投资可观的研究项目，都应该为人类的幸福、人类的进步，留下或大或小的印记。洛仑兹说过：“我幸而属于这样一个国家，因它太小了，才干不出什么大蠢事来”。但我们的祖国是个大国，还不最富强；那末我们是否更应以十倍的艰辛、百倍的谨慎，诚实而无私地服务于这样的大国，切不可干出有损于国富民强、有违于科学发展规律的大蠢事来。回眸伟人洛仑兹，他为后世做了许多大好事；他的光辉波及整个20世纪，还将照向21世纪。人们期盼新的科学革命到来，则也期盼如同洛仑兹那样的人物出现。

（本文完）