物理學和哲學 · 第七章 相對論

在現代物理學的領域中，相對論一直起著很重要的作用。在這個理論中第一次認識到改變物理學中基本原理的必要。因此，對於相對論所提出並由它部分解決的那些問題的討論，實質上屬於我們對現代物理學的哲學涵意的探討。在某種意義上可以這樣說——與量子論相反——從最終認識解決那些問題的困難到相對論的建立只花費了很短一段時間。莫雷（Morley）和密勒（Miller）在19O4年對邁克耳孫（Michelson〕實驗的重複，第一次確定地證明了不能用光學方法檢測地球的平移運動，而愛因斯坦的決定性論文在其後不到兩年時間就發表了。在另一方面，莫雷和密勒的實驗和愛因斯坦的論文只是很久以來就開始的發展中的最後幾步，而這方面的發展可以用「運動體的電動力學」這個標題概括起來。 顯然，自從電動機發明以來，運動物體的電動力學已經是物理學與工程學中的一個重要領域了。然而，麥克斯韋時光波的電磁本性的發現，給這個課題帶來了嚴重的困難。這些波在一個主要特徵主與別的波（例如聲波〕不同：它們能在似乎是虛空的地方傳播。當在抽空了空氣的容器中打鈴時，聲音不能傳播到容器外面。但光卻很容易穿過抽空了的空間。因此，人們假設，可以把光波看作是一種叫做以大的很輕的實體的彈性波，以大這種東西既看不到，也感覺不出來，但卻充滿於抽空的空間和存在著別的物質（例如空氣或玻璃〕的空間之中。關於電磁波本身可以是一種與任何物體無關的實在這種觀念，當時的物理學家是沒有想到的。既然以太這種假想實體似乎穿過了其他物質，就產生了這樣的問題：當那些物質運動時，將發生什麼，以太參與這種運動嗎？如果參與的話，光波在運動的以太中是怎樣傳播的呢， 有關這個問題的實驗由干下述理由而顯得困難：運動物體的速度常常比光速小得多。因此，這些物體的運動只能產生很小的效應，這些效應同物體的速度與光速的比率成正比，或者同這個比率的更高次慕成正比。威耳孫（Wilson）、勞蘭（Rowland）、倫琴（Roentgen）和愛欣瓦爾德（Eichenwald）以及斐索（Fizeau）所作的幾個實驗，能以相當於這個比率的一次冪的準確度測量出這些效應。1895年洛倫茲發展起來的電子理論能夠十分令人滿意地描述這些效應。但是，以後邁克耳孫、莫雷和密勒的實驗開創了新的形勢。 對這個實驗應該作比較詳細的討論。為了得到較大的效應，從而得到更準確的結果，看來最好用很高速度的物體來做實驗。地球以大約2O英里／秒的速度繞太陽運動。如果以太相對於太陽是靜止的，並且也不隨地球運動，那麼，以太相對於地球的這種快速運動，將使它本身在光速的變化中被覺察出來。這時光的速度將因光是沿平行於還是垂直干以太的運動方向的方向傳播而有所不同。即令有部分以太隨地球運動，也應當有人們稱為以大風的某種效應，而且這種效應大概與進行實驗的地點的海拔高度有關。對預期的效應的計算表明，它應當是很小的，因為它同地球速度與光速的比率的平方成正比，因此人們必須從事非常精密的關於兩條平行干或垂直於地球運動的光線的干涉的實驗。這種類型的第一個實驗，由邁克耳孫在1881年完成，但還不夠準確。但是即使在以後幾次重複這個實驗，也沒有些微徵兆顯示存在著預期的效應。特別是莫雷和賽勒在19O4年的實驗可以看作是預期數量級的效應並不存在的確定的證明。 這個結果，雖然是很奇怪的，卻與物理學家在以前曾經討論過的另一個觀點不期而合。在牛頓力學中成立的某種「相對性原理」可以描述如下：如果在某個參考系中物體的運動滿足牛頓力學定律，那麼在相對於這第一個參考系作勻速非轉動運動的任何其他參考構架中，物體的運動也滿足牛頓力學定律。或者換句話說，一個系統的勻速平移運動，歸根到底並不產生任何力學效應，因而也不能通過這樣的效應來觀測。 這樣一個相對性原理在光學和電動力學中可能不是正確的——在當時物理學家看來似乎是這樣。如果第一個系統相對於以太是靜止的，其他系統就不是靜止的了，因此，它們相對於以太的運動應當通過邁克耳孫所考察的那一類效應被覺察出來。莫雷和密勒在1904年所作實驗的否定結果真活了這種觀念，即這樣的相對性原理在電動力學中也是成立的，就象在牛頓力學中一樣。 另一方面，斐索在1851年所作的一個古老實驗似乎肯定地和相對性原理相矛盾。斐索測量了運動液體中的光速。如果相對性原理是正確的，那麼，光在運動液體中的合速度應當是液體速度和靜止液體中的光速之和。但事實不是這樣，斐索的實驗表明，合速度還要稍為小一些。 所有想覺察「相對於以太」的運動的更新的實驗的仍然得出否定的結果這一點，啟示了當時的理論物理學家和數學家去尋找使光的傳播的波動方程與相對性原理相協調的數學解釋。洛倫茲在19O4年建議了滿足這些要求的數學變換。他曾不得不引入一個假說：運動物體在運動方向收縮了，其收縮程度與物體速度有關，並且在不同的參照方案中有不同的「表觀」時間，它們在許多方面代替了「真實」時間。用這種方法，他能夠表示某些類似於相對性原理的東西：光的「表觀」速度在每個參照系中都是一樣的。彭加勒（Poincare）、裴茲傑惹（Fitzgerald）和其他物理學家也曾探討了類似的觀念。 然而決定性的步驟是愛因斯坦在1905年的論文中作出的，他在論文中認定洛倫茲變換中的「表現」時間為「真實」時間，並廢除了洛倫茲所謂的「真實」時間。這是物理學本身基礎的一個改變；一個未曾預料到的並且是非常根本性的改變，這種改變需要一個年輕的革命天才的全部勇氣。人們要在自然的數學表示中採取這一步驟，只需要前後一致地應用洛倫茲變換就夠了。但是由於它的新解釋，空間和時間的結構改變了，對於物理學的許多問題就有了新的見解。例如，實體以太也可以廢除了。既然所有彼此相對作勻速平移運動的參照系對於自然的描述都是等價的，說有這樣一種實體以太，它僅僅在這些參照系當中的一個參照系內才是靜止的，那是沒有什麼意義的。這樣一種實體事實上是不需要的，說光波在空虛的空間中傳播，而電磁場本身是一種實在，能夠在空虛的空間中存在，那就要簡單得多了。 但是，決定性的變化是在時間和空間的結構方面。很難不用數學而只用普通語言來描述這種變化，因為通常「空間」和「時間」這兩個詞所表述的時間和空間結構，實際上是真實結構的一種理想化和過分的簡化。但我們還必須嘗試描述這種新結構，或許我們可用下面的方式來做到這一點。 當我們用「過去」一詞時，我們包含了全部我們至少在原則上可以知道的和我們至少在原則上能夠聽別人說到的那些事件。類似地，我們用「未來」一詞，包含了全部我們至少在原則上能夠給予影響的、我們至少在原則上可以試圖去改變或阻止的那些事件。一個非物理學家不容易理解，為什麼「過去」和「未來」二詞的這種定義是最為適用的。但是人們容易看出，邊種定義很準確地符合於這兩個詞的日常用法。如果我們以這種方式使用這兩個詞，那麼，從許多實驗的結果我們知道，「未來」或「過去」的涵義並不依賴於觀測者的運動狀態或其他性質。我們可以說，它們的定義對於觀察者的運動是不變的。這在牛頓力學中和愛因斯坦的相對論中都是正確的。 但是，這裡有一個差別：在經典理論中，我們假設未來和過去是由一個我們可以稱為現在的無限短的時間間隔所隔開的。在相對論中，我們已經知道情況是不同的：未來和過去是由一個有限的時間間隔所隔開的，這個時間間隔的長短與距觀察者的距離有關。任何作用只能以小於光速或等於光速的速度傳播。因此，一個觀察者在一個結定瞬間可以既不知道也不影響到遠處一點上在兩個特定時刻之間發生的任何事件。其中一個時刻是為了使光信號在觀察者觀察的瞬間到達觀察者處而必須從事件發生的地點發出光信號的那個瞬間。另一個時刻是觀察者在觀察瞬間發出的光信號到達事件發生地點的瞬間。這兩個瞬間之間的整個有限的時間間隔對於觀察者說來都可以說是屬於觀察瞬間的「現在」。任何發生於這兩個特定時刻之間的事件都可以說與觀察動作是「同時」的。 用「可以說是」這種說法，表明了「同時」一詞的意義含糊不清，這是由於「同時」這個詞是從日常生活經驗中形成的，而在日常生活中光速總可以當作是無限大的。實際上這個詞在物理學中也能以稍稍不同的方式來定義，而且愛因斯坦在他的論文中也使用了這第二種定義。當兩個事件在空間中同一點上同時發生，我們說它們重合，這個詞是毫無歧義的。現在讓我們設想空間中一條直線上有三個點，中間一點到兩旁兩個點的距離是相等的。如果在外面兩點有兩個事件發生於這樣的時刻，使得從這兩個事件發出的光信號到達中間點時相重合，那麼，我們可以定義這兩個事件是同時的。這個定義比第一個定義要狹窄一些。它最重要的後果之一是當兩個事件對一個觀察者是同時的，它們對另一個觀察者可以不是同時的，如果他對第一個觀察者作相對運動的話。兩個定義之間的聯繫可用下面的陳述確定下來：如果兩個事件在第一種意義上是同時的，那麼，人們總可以找到一個參照構架，使得這兩個事件在這個參照構架中，在第二種意義上也是同時的。 「同時」這個詞的第一個定義似乎更接近於日常生活的用法，因為兩個事件是否同時的問題在日常生活中並不依賴於參照構架。但是在兩個相對論性的定義中，這個詞已經獲得了日常生活語言所缺乏的嚴密性。在量子論中，物理學家必定早已就懂得經典物理學術語只能不準確地描述自然，它們的使用變量子定律的限制，因而人們在使用它們時應當小心。在相對論中，物理學家曾經試圖改變經典物理學中詞的涵義，使得那些術語更為準確，使它們能符合於自然中的新狀況。 由相對論所揭示的空間和時間結構給物理學的各個部門帶來許多後果。運動物體的電動力學能立即從相對性原理導出。這個原理本身能夠構成一個十分普遍的自然律，它不只涉及電動力學成力學，而是涉及任何一類定律：在一切僅因彼此相對作勻速平移運動而有所不同的參照系中，這些定律都取同樣的形式；它們對於洛倫茲變換是不變的。 或許相對性原理的最重要後果是能量的慣性，也就是質量和能量的等價性。因為光速是任何物體永不能達到的極限速度，不難看出，要加速一個已經很快地運動著的物體比加速一個靜止物體更困難。慣性隨動能的增加而增加了。但是，按照相對論，任何一種能量都將毫無例外地對慣性作出貢獻，也就是對質量作出貢獻，而屬於一定量能量的質量正是這個能量除以光速的平方。由此可見，每一種能量都帶有質量；但即令是頗大的能量也只帶有很小的一份質量，這正是以前未曾發現質量和能量之間有聯繫的原因。質量守恆律和能量守恆律失去了它們的單獨的有效性，兩者結合成為一個單一的定律，它可以稱為能量也就是質量守恆律。五十年前，當相對論剛剛建立時，質量和能量等價性這個假說似乎是物理學中的徹底革命，但關於這個假說只有很少的實驗證據。在現在，我們在許多實驗中看到基本粒子能夠怎樣地從動能產生，以及這些粒子如何湮滅而成為輻射；因此，能量轉換為質量和質量轉換為能量並未提出什麼不尋常的東西。原子爆炸中能量的大量釋放是愛因斯坦方程的正確性的另一個更為驚人的證明。但我們可以在這裡補充一點批判性的歷史評論。 時常有人說，原子爆炸的巨大能量是由於質量直接轉化為能量，並且只有根據相對論，人們才能預計這些能量。然而，這是一種誤解。原子核中可利用的巨大能量早在貝克勒耳、居里和盧瑟福的放射性衰變的實驗中就已經知道了。任何象鐳一樣的衰變物質產生的熱量差不多比同等數量的質料在化學變化過程中釋放的熱量大一百萬倍。鈾的裂變過程中的能源正好和鐳的alpha衰變中的能源相同，就是說，主要是原子核分裂而成的兩部分之間的靜電斥力。因此，原子爆炸的能量是直接出自這個來源，而不是從質量轉換為能量得到的。具有有限的靜止質量的基本粒子的數目在爆炸中並未減少。但是，原子核中基本粒子的結合能確實在它們的質量上反映出來，因而能量的釋放也以這種間接的方式和原子核質量的變化相聯繫。質量和能量的等價性，除了它在物理學中的重要性外，也提出了一些涉及非常古老的哲學問題的問題。實體或物質不滅曾經是過去好幾個哲學體系的命題。然而，在現代物理學中，許多實驗已經證明，基本粒子，例如正電子和電子，能夠湮滅並轉變成為輻射。這是否意味著這些較古老的哲學體系已為現代經驗所否定，而早期哲學體系所作的論證是誤人的？ 這當然是一個輕率和不公正的結論，因為在古代和中世紀時代的哲學中，「實體」和「物質」等詞不能和現代物理學中的「質量」一詞簡單地等同起來。如果希望用古老的哲學語言來表示我們現代的經驗，人們可以把質量和能量當作同一「實體」的兩種不同的形式，從而保持實體不滅的觀念。 另一方面，很難說用古老語言表達現代知識能有多少收穫。過去的哲學體系是在它們那個時代全部有用知識的基礎上形成的，是沿著得到這些知識的思想路線形成的。當然，我們不應當要求千百年前的哲學家預見到現代物理學或相對論的發展。因此，很久以前哲學家從智力探討過程中所形成的概念可能不適合於那些只能用現代精密技術工具去觀測的現象。 但在進入相對論的哲學涵義的討論之前，必須先敘述它的進一步發展。 假想的實體「以太」，它在十九世紀麥克斯韋理論的早期討論中曾經超過如此重要的作用，已經——如前所述——被相對論廢除了。有時，這用絕對空間觀念被放棄了的說法來表達。但是，這樣一種陳述必須十分小心地來接受。確實，人們不能指出一個具體的參照系，其中的實體以太是靜止的，因而它配得上絕對空間的稱號。但如果說空間在現在已失去了它的全部物理性質，那就錯了。物體或場的運動方程在「正常」參照系中所取的形式與在另一個相對於「正常」參照系旋轉的或作非勻速運動的參照系中所取的形式仍然是不同的。在旋轉系中離心力的存在證明了——僅就19O5和1906年的相對論而言——空間的物理性質的存在，這種性質使區別旋轉系與非旋轉系成為可能。 從哲學觀點看來，這似乎不能令人滿意，從哲學觀點看來，人們寧願將物理性質只附加在如物體或場這種物理實體上，而不附加在空虛的空間上。但就有關的電磁過程理論或機械運動而論，這種空虛空間的物理性質的存在不過是對一些不容爭辯的事實的一種描述。 差不多十年以後，在1916年，對這種狀況的仔細分析，引導愛因斯坦對相對論作了很重要的推廣，這種推廣通常稱為「廣義相對論」。在描述這種新理論的主要觀念之前，稍稍談一談我們能夠信賴相對論這兩個部分的正確性的可靠程度會是有用的。1905和1906年的理論是以很大量充分確定的事實為根據的，這些事實是：邁克耳孫和莫雷實驗以及許多類似的實驗，無數放射過程中的質量和能量的等價性，放射性物體的壽命對它們的速度的依賴關係，等等。因此，這個理論是現代物理學的堅固基礎，在我們目前情況下是不容爭辯的。 對於廣義相對論，實驗證據就遠遠不能令人信服，因為實驗材料十分稀少。只有少量的天文觀測可以對假設的正確性進行檢驗。因此，這整個廣義相對論比起狹義相對論來，就具有更大的假說性了。 廣義相對論的基石是慣性和引力之間的聯繫、非常仔細的測量已經證明，作為引力的來源的物體質量準確地正比於作為物體慣性的度量的質量。即使最準確的測量也從未顯示過對這個定律的任何偏離。如果這個定律是普遍地正確的，那麼，可以把引力等價於離心力或其他因慣性反應而出現的力。因為如前面所述，必須把離心力歸因於空虛空間的物理性質，愛因斯坦就轉向把引力也歸因於空虛空間的物理性質的假說。這是很重要的一個步驟，它對同樣重要的、接踵而至的第二個步驟是必需的。我們知道，引力是由質量所引起。如果引力是和空間的性質相聯繫的，那麼，這些空間性質就必須是由質量所引起或受它的影響的。旋轉系中的離心力必定是由大概是很遠的質量（相對於這個系統〕的旋轉所引起。 為了實現以這寥寥數語概括出來的綱領，愛因斯坦必須把基本的物理觀念和黎曼（Riemann）所建立的一般幾何學的數學方案聯繫起來。因為空間的性質似乎連續地隨引力場而變化，它的幾何學就必須與曲面幾何學相類似，此時，歐幾里得幾何學的直線必須被最短程線、即最短距離的線所代替，同時，曲率是連續地變化的。作為最後的結果，愛因斯坦能夠給出質量分布與幾何學的決定性參數間的聯繫的教學形式系統。這個理論確實表示出關於引力的常見事實。它在很高的近似程度上等價於引力的傳統理論，並且還進一步預言了少數有趣的、正好處於可測量的極限的效應。例如，引力對光的作用。當單色光從一個很重的恆星發出時，光量子在離開恆星的引力場時會損失一些能量。從而發生了發射譜線的紅移。關於這樣的紅移目前尚沒有實驗的證明，弗羅恩特利希（Freundlich）對實驗所作的討論清楚地表明了這一點。但就此作出愛因斯坦的結論與實驗相矛盾的結論也為時過早。經過太陽附近的光束應當為太陽的引力場所偏轉。弗羅恩特利希已從實驗發現了適當數量級的偏轉；但這個偏轉是否與愛因斯坦理論所預言的數值定量地符合，尚不能決定。廣義相對論正確性的最好的證據，似乎是水星的軌道運動的進動，它顯然很好地符合於這理論所預言的數值。 雖然廣義相對論的實驗基礎還很狹小，但理論卻包含了一些極為重要的思想。從古代希臘到十九世紀這整個時期內，數學家都認為歐幾里得幾何是顯而易見的；歐幾里得的公理被當作任何數學幾何的基礎，而且是一種不容爭辯的基礎。以後，在十九世紀，數學家波利亞（Bolyai）和洛巴切夫斯基（Lobachevsk）、高斯（Gauss）和黎曼發現，可以創建另外一些幾何學，它們能象歐幾里得幾何學一樣，以同樣的數學嚴密性建立起來；因此，究竟哪一種幾何學是正確的問題，就變成一個經驗問題。但是，只有通過愛因斯坦的工作，問題才真正由物理學家承擔起來。廣義相對論中討論的幾何學不僅是關於三維空間，而是關於由時間和空間組成的四維簇的幾何學。廣義相對論建立了這種四維簇的幾何學和宇宙中質量分布的關係。因此，這個理論以全新的形式提出了時間和空間在最大尺度上的性狀這些老問題；它能夠提出可通過觀測來檢驗的可能答案。 因此，自從科學和哲學的最早時期就引人注意的一些很古老的哲學問題又被撿起來了。空間是有限的還是無限的？在時間開始之前有什麼？在時間終了時又將發生什麼，或者時間是無始無終的，這些問題在不同的哲學中和宗教中曾經找到不同的答案。譬如，在亞里士多德的哲學中，整個宇宙空間是有限的（雖然它是無限地可分的）。空間是起因於物體的廣延，它與物體相聯繫；沒有物體也就沒有空間。宇宙由地球、太陽和星球所組成，即由有限個數的物體所組成。在星球範圍之外沒有空間；因此，宇宙空間是有限的。 在康德哲學中，這個問題屬於他稱為「二律背反」的問題——即不能回答的問題，因為兩種不同的論證可以導致相反的結果。空間不能是有限的，因為我們不能設想空間有一個邊界；對於我們所到達的空間的任一點，我們總能夠設想我們還能跨越過去。同時空間又不能是無限的，因為空間是我們能夠設想的東西（否則「空間」一詞就不會形成），而我們不能設想一個無限的空間。關於這第二個命題，這裡沒有逐字逐句地重複康德的論證。「空間是無限的」這句話對於我們意味著某些否定性的東西；即我們不能到達空間的終點。對於康德來說，這意味著空間的無限性確實是規定了的，這無限性在我們很難再現的意義上「存在」著。康德的結論是：對於空間是有限還是無限這個問題，不能給出合理的答案，因為整個宇宙不能成為我們的經驗的對象。 關於時間的無限性問題，可以看到類似的情況。例如，在聖奧古斯丁（St．Angustine）的《懺悔錄》（Confessions）中，這個問題取如下的形式：在上帝創造世界之前，他在幹些什麼，奧古斯丁不滿足於這種玩笑：「上帝在忙於為那些提傻問題的人準備地獄呢。」他說，這樣一種回答太淺薄了。他試圖對這個問題作一合理的分析。時間僅僅對於我們是在不斷地消逝；我們所期待的時間是「未來」；正在過去的時間是「現在」，我們所回憶的時間是「過去」。但上帝不在時間之中，對於上帝，千年如一日，一日猶千年。時間是和世界一同被創造出來的，它屬於世界，因此時間並不在宇宙存在之前存在。對於上帝，整個宇宙過程是一次給定的。在他創造世界之前沒有時間。顯然，在這樣的陳述中，「創造」一詞立刻引起了全部主要的困難。這個詞，如通常所理解，意味著某些過去沒有的東西產生了，而在這個意義上，它預先假設了時間的概念。因此，不能用合理的術語規定「時間已被創造出來」一句話的意義是什麼。這個事實又提醒我們從現代物理學中學到的一個時常討論的教訓，它就是：每一個詞或概念，儘管它可能看來很清楚，也只能在有限範圍內適用。 在廣義相對論中，關於時間與空間的無限性這些問題，能夠在經驗基礎上提出問題並作部分回答。如果理論正確地給出了時間空間四維幾何學與質量在宇宙中分布之間的聯繫，那麼，對空間中星系分布的天文觀測將給予我們關於整個宇宙的幾何學的信息。至少人們能夠建立宇宙的「模型」，即建立宇宙學圖象，它的結論能夠同經驗事實相比較。 根據現有的天文學知識，不能肯定地在幾種可能的模型之間作出判別。宇宙所充塞的空間也許是有限的。這並不意味著宇宙在某個地方有一個盡頭。它可能只是意味著朝著宇宙的一個方向前進又前進，人們最後將回到他們出發的地點。這種狀況類似於地球表面的二維幾何學，在地球上，當我們從一點向東方出發，最後將從西方回到這一點。 對於時間，似乎有某種類似於起點的東西。許多觀測指出宇宙起源於大約四十億年前；至少它們似乎證明在那時，宇宙的全部物質集中於較現在小得多的空間之內，並且一直以不同的速度從這個小空間向外膨脹。從許多不同的觀測（例如，從隕石的年齡、地球上礦物的年齡等等〕，發現了同樣的四十億年，因此，很難找到一個本質上不同於宇宙有一個起源這種觀念的解釋。如果它是正確的，就可能意味著在這個時間之外時間的概念將遭受根本的變化。在天文觀測目前的狀況下，關於大尺度的時間空間幾何學的問題還不能作任何程度的確定的回答。但想到對這些問題最終可能在堅實的經驗基礎上作出回答，那是極為有趣的。當前，即令是廣義相對論，也是建立在一個很狹窄的實驗基礎上，並且必須認為它比用洛倫茲變換表示的所謂狹義相對論要靠不住得多。 即使人們限制進一步討論廣義相對論，但毫無疑問，相對論誠然已經深深地改變了我們對時間空間結構的觀點。這些變化的最激動人心的方面或許不在於它們的特殊性質，而是在於這些變化已成為可能這一事實本身。牛頓所定義的成為他對自然作數學描述的基礎的時間和空間結構是簡單而前後一致的，並且十分密切地符合於日常生活中所用的時間和空間概念。事實上這種符合是如此密切，以致牛頓的定義可以認為是這些日常概念的準確的數學形式化。在相對論之前，事件按照時間排成序列而與它們空間中的位置無關，這似乎是十分明顯的。我們現在知道，這種印象是在日常生活中，由於光速比實際經驗中碰到的任何其他速度大得多這一事實而產生的；但是這個限制在當時當然沒有被認識到。並且即使我們現在知道了這種限制，我們也仍然很難想像，事件的時間序列應當與它們的位置有關。 康德的哲學後來集中注意時間和空間概念屬於我們與自然的關係而不屬於自然本身這一事實；集中注意我們不用這些概念就不能描述自然的事實。因此，這些概念在某種意義上是「先天的」，它們是經驗的條件，而根本不是經驗的結果，而且一般都相信，它們不會受到新的經驗的觸犯。因此，改變這些概念的必要性的出現，就象是一次巨大的奇襲。科學家這才第一次知道，他們在將日常生活概念應用到現代實驗科學的精密經驗中去時，必須何等地小心謹慎。即令在牛頓力學的數學語言中建立了這些概念的準確和前後一致的形式系統，或者在康德的哲學中對它們作了仔細的分析，也不能保護它們免受絕頂準確的測量所可能作出的批判性分析。後來證明，這個警告在現代物理學的發展中非常有用，並且，假如沒有相對論警告物理學家不要不加批判地使用來自日常生活和經典物理學的概念，假如相對論沒有取得成功，那麼，要理解量子論當然將更為困難。