《古典物理学原理

 

第一章、引 论

 


在每一个历史时期,目睹科学概念提出的人,尽管他意识到这种科学概念的局限性和近似的特征,也不能以足够肯定的态度说出这种局限性是什么。这些人同样也不能绝对准确地断定当时的理论从历史上将为何种新的推广做出准备。因此,对同一时代的人来说明确理论的历史意义和查明历史原因是办不到的。所谓历史原因是指生产技术和实验技术条件,特别是政治,经济和文化的发展情况。正是这些历史的原因决定了当时的科学世界图景与实际情况接近的程度。通常所谓历史上的评价,绝大部分是回顾,然而这并不意味着作出评价一定就是下一代人的特权。在现代,某个理论的同代人,很快就成为发展另一种更普遍,更准确的概念的见证人。在发展了广义相对论以后至今尚健在的物理学家(指本书出版时间1958年——译者)就能够认识到特殊相对论的历史价值,意义和范围,并且也看到最终达到了把协变原理推广到广义变换这一核心问题。也正是这一代人,在廿年代中期从量子力学一出现就看到玻尔的原子理论的局限性及其模型的半古典的基础,以及将其推广时必定要破坏其微观世界的表象。

目前,综合量子力学和电动力学的一些尝试使设想对这些现有理论做出新的历史评价成为可能,不过这些尝试各不相同,所以历史的评价也就不那么有把握了。

根据近代量子论和相对论的观点(也包括把相对论量子力学和电动力学综合在一起的尝试),所谓古典物理学从历史上说乃是一种蕴涵着阻碍当时科学提高到一个新的阶段的深刻矛盾的,迄今却在很大范围内是理所当然的,必要的近似。那种不停地变动、追求、探索,虽然未能找到答案,然而却为科学中新的革命准备了条件,培育了不停顿地,无止境地追究科学真象的思想,这样一种古典物理学的形象比形而上学观念所追求的毫无矛盾,田园诗一般的终极解答更接近于历史的真实情况。古典物理学的这种“非古典”的形象,描绘出从现代观点研究十九世纪理论时的科学史的形象。

由于现代的概念使得看清楚古典物理学的历史局限性成为可能。然而,所谓历史的局限性并不是虚构的,并且科学中的历史主义也决不能同“错误认识的历史”这种观念混为一谈,历史主义是反对这种观念的。科学史所研究的是世界图景向着它那取之不尽的原形,持续不断地,无止境地逼近过程,也只有从这种观点出发才可以看出科学进程的不可逆性。相对论,量子力学和相对论量子物理相继地指出物质守恒,质点运动的连续性,总之,它的自身同一性(себетождественость)全都是一种理所当然的近似。由此也可以引出许多历史本身的问题;从持续不断的实验事实的积累中怎样提出古典世界图景的基本公设,这些公设的应用范围又怎样与生产发展相联系,以及前述的那种古典的近似又是如何影响科学,哲学,社会思想以至全部文化。我们暂时可以不去研究这些问题而只限于考虑一个本质上具有先决条件的问题,即从近代观点来看,所谓古典物理学的基本原理应该是什么样的。

在廿世纪物理学中基本理论的扩展,即相对论、量子力学、相对论量子力学和量子电动力学对古典物理学全部最普遍最基本的概念进行一系列的修正。相对论突破了时间和空间的独立性和质量的不变性。接着在1916年又突破了在引力场中的惯性运动和加速运动的区别。狭义相对论把古典物理学中具有根本意义的假定之一降低到仅仅是近似的等级。在古典物理学中力学的惯性系是等价的,但是还有一个与其相对立的,有特权的,普遍的宇宙以太系统。在1905年,事情已经清楚了,相对于以太运动是一个毫无内容的概念。空间和时间的间隔将随着运动系统而改变,当从一个惯性系过渡到另一个惯性系时,光速将保持同样的数值,因之时间长短的本身只是对于给定的坐标系统才有确定的意义。只要问题不容许无穷大光速的概念,对不同的系统来谈论统一的时间就没有任何意义了。对宇宙来说,所谓统一时间(把作惯性运动的物体的坐标认为是时间的线性函数)只是对某个确定的范围内可以使用的近似的概念。在由狭义相对论所产生的变革的深处,古典的世界图景的根基被保留下来。这个根基就是绝对自身同一的,分立存在的彼此运动的物体的表象。分立存在的物体运动于连续的空间中,其相互距离是连续的时间的函数。这种传统的把现实分割为时空连续统和在它里面运动的分立存在的物体作法,当从宇宙图景中消除了连续的充满空间的以太,当物体相对于被静止以太所充满的空间的运动概念失去意义的时候仍旧被保持下来。广义相对论带来了更为根本的变化。在把引力场比拟为弯曲的时空之后,广义相对论就把引力场中的运动和惯性运动之对比完成了。如果说古典力学认为在没有力场作用时,物体将沿着直的世界线运动(即欧氏空间的最短线),那么广义相对论则断言,在引力场中,物体将沿着最短线(测地线)运动。总之,引力场只意味着它超出了四维时空连续统中欧氏几何的关系,并使这一连续统弯曲。这时就好象把场以确定的依赖于质量积累的几何特性溶合到时空之中。

波尔的原子模型和由于廿世纪廿年代的发展并由此模型中成长起来的量子力学,它本身就产生出下一个根本的变革。在这里,集微粒性和连续的波动性于一体的粒子运动,已经不能再认为是连续的。在由量子力学所描绘的世界图景中,粒子的轨迹已不再是连续的。这已威胁到古典物理学的根基,即粒子的自身同一性概念。

在古典物理学中,当指出某个质点之后,我们在将来总可以“认出”它来,也就是能认证此质点。粒子的连续轨迹则是认证根据。但是,在量子力学中谈不上粒子的连续的轨迹。在任何条件下根本不能准确地同时确定粒子的动量和位置。这一情况反映了微观世界的客观属性。在对某种复杂现象所做出的带有假定性的微粒表象中,全部情况要比自身同一的粒子的位移复杂的多。我们设想某一基本上定域于空间某点处的物理过程,此过程在已知地点显示出某种物理效应,并且这个物理效应能够以公认的准确性被认为是粒子属性的表现。我们接着设想在下一个邻近的时刻,在另一个邻近的空间某处也将发生相并得出了和上述假定相同的微粒表象的过程。当具备这两个过程时,是否可以断言某种自身同一的粒子从一点转移到另一点去了呢?量子力学找到了那种可能性,同时也指出其约定性。运动的连续性是使处于某一点的粒子和在另外一点上的粒子成为同一的基础。然而仅仅是在有条件的和近似的意义上,这样的连续性才有可能解释为量子客体所造成的。

相对论量子力学和狄拉克的量子电动力学,还有从实验上发现基本粒子的产生和湮灭(统称嬗变)必定要冲击到古典物理学的基本公设,即物理客体自身同一性的公设。从历史上和逻辑上来看,古物理学起源于把质点的空间位移比拟为亚里斯多得的质变。质点运动,这意味着它的位置在变化,然而质点仍是自身同一的,并没有变成另外一个质点。对于基本粒子来说,不能出现与此类似的质的嬗变。而古典物理的所谓质变都被归结为系统位形(Configuration)的改变,这仍要用归结为自身同一的粒子的运动。这个最重要的抽象概念正是古典物理学的最普遍的原理。自身同一的质点是终极概念,是科学解释的基础,对它本身不应当再作进一步的因果解释。古典物理学发展的不同时期要以下述方式加以表征,这就是要看究竟是什么样的分立存在的质点在扮演着基本粒子(因果分析的终极概念)的角色。十九世纪的分子物理学是在忽视或是认为分子的尺寸和结构无关重要的情况下解释分子运动的宏观现象,而这个宏观现象也正是因果解释的对象。分子物理学就是具有很大自由度数的宏观系统的物理学。

分子量和分子结构是古典化学中因果研究的对象。至于物理学本身,由于原子物理的产生使其改变了研究的对象。这时电子,原子核已开始起着终极概念的作用了。在廿世纪廿年代所描绘的原子模型中,电子和原子核已被认为是单纯的客体。当然,没有人把原子核说成线度为零,相反,有关原子的量,比如电子的半径也计算出来了。可是,那些计算出来的尺寸仍旧是附加到原子的因果图景中唯象的要素(element)。

在原子图景中出现的一些独特的现象在核物理中得到了解释。在核物理中基本粒子成为终极的,唯象的概念。现在随着基本粒子普遍理论的发展,情况又发生了变化。在原子物理和核物理中以终极概念身份出现的基本粒子(关于“线度”“结构”,它的质量,电荷,自旋的本质,这些问题虽说没有被排除,但也不再成为核心问题)已成为物理的基本对象,并借助于它使物理学过渡到或者至少是接近于一个新的时代。

在上述各个时期中先是把宏观关系作为物理学的研究对象,以后是原子,最终是核,作为物理理论的前提仍旧是自身同一的粒子的表象。这种自身同一的粒子所改变的只是其坐标,它本身保持不变,同时也不会消失,并且既不产生也不转化为另外的粒子。那怕是粒子的嬗变也认为是由一种自身同一的粒子转化为另一种自身同一粒子。

物理理论的基础就是把空间和在它里面运动的粒子进行对照。坐标被认为是某种不同于作为实体的空间的一种附加的特性。虽然,在相对论和量子力学中,不同于包围它的空间的自身同一的粒子的表象已不再那么绝对了。不过即或是相对论物理学,在其发展中引入连续介质的奇点作为运动粒子的表象,但是也不会直接侵犯到粒子的自身同一性。量子力学虽然从原则上拒绝把量子客体和达到具有同样准确数值的动量分量和与其联系在一起的坐标的古典粒子视为同一事物,不过在明确这种古典相似的不确定性的同时,微粒表象还是被量子力学所采用。现代的量子力学对于自身同一粒子的古典表象是有节制的,但是并没有把它从更为普遍的,非古典理论中剔除去。

确实存在着一种推广相对论量子理论并建立新理论的一些尝试。在这种新的理论中,量子力学和相对论的基本原理应当根据在时间空间的基本单元中的基本粒子转化的表象并且以毫无矛盾的形式被推导出来。可是,至今尚未提出这种广义理论的基本原理,而且所表现出来的也仅仅是这种理论的一些声明而已。对于物理学史工作者来说,这些声明只是建立了某些基本的出发点。如果自身同一的粒子的运动有可能被认为是已经发生质变的过程的某种近似(比如就像一定粒子的重生,这个粒子在同一点转变为另外一种粒子,以后又在相邻的一点由另一粒子产生出来)[1]那么在历史的图景上就不只是各不相同的古典理论彼此相互代替,而是全部古典物理学连同它的基本的作为出发点的公设都呈现为近似的。在此我们强调指出,这是指基本的,作为出发点的公设,并不是时间的绝对的特性,不是时间、空间间隔的协变性,不是速度合成的古典法 则,不是物质守恒,也不是那些在相对论中业已指出其近似性的古典原理,这里所说的是世界古典图景的根基。这个根基在以相对论总结了古典物理学之后保持了下来,并以一定的附加条件和限制出现在量子力学之中。我们将把古典物理学理解为在承认自身同一的粒子基础上所得到的结论的总体。这种自身同一的粒子是持续不断地存在着并具有连续的世界线。但是,下面将要研究的只是截止到二十世纪初期对其进行了相对论推广之前所提出来的一些古典物理学的原理。这些原理在其自身的发展过程中不只是为本世纪的物理学在基本概念上做了准备,不只促进了现代物理所必须的数学工具的建立,而且这些原理还以其对整个文明技术发展,对文化、哲学和社会思想的强有力的改造作用为现代科学作了准备。

应该特别指出,从十九世纪物理学的基本原理中发展出来的,复杂的运动形态不可归结为简单的运动形式的思想,世界的无限复杂性的思想,以及其规律的非线性的思想,这些思想如此鲜明地反映于哲学和十九世纪科学思维的风格中,并且与上个世纪的情况完全不同。对十八世纪的文化来说是以其思想的单义性为特征的,也就是一个现象严格地,精确地依赖于另一个现象的观念。这种观念最高级的表现就是著名的拉普拉斯的最基本的模式,它的意思就是知道宇宙全部质点的位置和速度就可以预言日后自然界的发展过程和人类命运直至历史的和生活习惯的细节[2]科学就是把现象从宇宙间无穷尽的总体联系中人为地抽取出来并安置在原因——结果的链条之中。按照席勒的说法只有“纵的联系”才会使科学发生兴趣,而同时也就抛弃了使单纯的依存关系走样和复杂化的“横的联系。此时的科学虽然意识到这种“横的联系”,但是依然力图把它分割为单纯的“纵的联系”。牛顿的引力论和摄动论就是一例。牛顿把下述规律宣布为宇宙的原理,即两个物体以与其质量成正比与其距离的平方成反比的力相互吸引。上述依存关系是每一物体实际上都承受着来自无数个其它物体各个方面的引力这一情况的抽象。古典力学按照把两个物体的抽象的图景向着三个物体的更为具体的图景进行过渡,同时把第三个物体认为是使原来的简单的情况变得复杂起来的摄动的根源。需要指出:在真空中就是两个物体也算得上是一种复杂的具体的图景。第一步抽象是一个在真空中运动的孤立的物体。这个物体作匀速直线运动,其坐标是时间的线性函数。在宇宙力学图景的发展过程中每迈出新的一步都要回复到空间量与时间量的线性依存关系上来。那种线性化是以向较小的区域过渡而被实现的。在只有一个孤立的运动物体的最早的图景中(这正是机械论的自然科学的终极抽象),物体的位置是线性地依赖于时间的空间量。后来以牛顿为代表的自然科学考虑到开普勒定律和天体的加速度,并认为此加速度就相似于地球上物体的加速度,这样就从《自然哲学原理》中第一定律过渡到第二定律。但是,用匀加速运动代替加速运动,用现代的术语来说就要处于均匀力场之中,这时速度也就成为时间的线性函数了。这种先把坐标对时间的一阶导数线性化然后二阶导数线性化的意图表征牛顿力学的特点。从坐标开始,以后是速度,加速度等等,都被认为是时间的线性函数,线性化也成为数学分析的基础。科学只对所研究量的线性关系感兴趣,并引入微分的概念(函数增量的线性部分),和导数的概念(包含在无限小区域内增量的比值)。从宇宙间现象的不可胜数的联系中,抽象地提取出所要研究的量,这种抽象过程合理到什么程度,这些有限个量之间的联系特征也就是与实际符合到什么程度。当力场可以忽略时在惯性作用下匀速运动的图景是与物体的实际情况相一致的;在研究均匀力场时,匀加速运动的图景是与实际情况相一致的。数学的概念鲜明地显示出抽象分析的每一步的约定性。当哲学上对自然科学的知识进行概括以后,这样的一种约定性就变得可查觉的了。然而这种经常进行的认识过程一旦被绝对化后,有条件的抽象看起来就像是现实之中无条件精确的等价物了。

这种线性联系的观念,这种两个量间不变的依赖关系的概念(这种依赖关系与这些量的改变无关,并且对其增大或减小不加限制时仍保持不变)给予十八世纪的科学和文化以巨大的影响。对十八世纪这种鲜明的,很富有特征的基本思想倾向,《反杜林论》一开始就把它归并为百科全书派,而百科全书派则给抽象的体系加上绝对的特征,借助于这种抽象的体系,理性才可以君临于自然和社会。对百科全书派来说认识自然和社会,同时合理地改造世界并不是一个无止境的过程,因为他们看不到世界的无限的复杂性。科学、文化和社会的进程必定中止于某种理想的境界。在自然界中理性必定能找出最终的绝对准确的规律性,同时建立起普适的稳定的绝对合理的体系。“在法国行将到来的革命启发过人们头脑的那些伟大的人物……”把博物学,宗教,政治学说都召集到理性的法庭前来审判其一切同理性对立的东西。“照黑格尔的说法那时是世界用头立地的时代,最初,这句话的意思是:人的头脑以及通过它的思维所发现的原理,要求成为一切人类活动和社会结合的基础,后来这句话有了更广泛的含意,和这些原理矛盾的现实实际上被上下颠倒了”[3]

在这种唯理主义的冲击中,自然科学起着打先锋的作用。在为严格的单义的规律性所支配的自然界中,对非理性的势力来说是没有存身之处的,同宗教教义相联系的中世纪神秘主义的玄想受到指责并被放逐。对这种为十八世纪的政治革命作了思想准备的思想革命的巨大进步意义实在难以估价。然而在十八世纪科学中居于统治地位的,唯理主义的宇宙观却包含着那样一种思想,即在自然界中科学所找到的一个个单一的联系具有最终的绝对准确的特性。正像不公正的社会是愚昧无知的结果一样,在自然科学里这些单一意义的,绝对准确的决定论的事件的合理的模式就是同愚昧相对立的。偶然性纯属主观范畴,也就是无知的程度。科学进程的理想境界,也就是被彻底认识的,并且以绝对的准确性被预见的,单义的,决定论的事件的宇宙模式。这种模式不只是可能达到的,而且现在已经是相当接近了。只是到了下一个世纪,“理性王国”(也就是被理想化了的资产阶级统治和自然科学中被绝对化了的抽象概念)被绝对化了,其消极因素才变的明显起来。应当指出:十八世纪科学本身包含着在其发展中开始是作为反对把这个世纪的理论与实践结果加以形而上学的绝对化斗争中的武器而获得的一些观念。这里所说的就是对这些结果从哲学上和数学上所进行的概括。

上面所说的一些术语需要加以明确。倘若科学理论具有条件明确的假设,一般说来理论则给出和实验事实相符合的,单值的数量结果。例如近代电动力学,假定现象符合于电磁场方程的线性特征,符合于这些方程中导数的阶数,并且也符合于空间时间的连续性公设,然后以此前题来确定所研究的现象的范围,这时近代电动力学就可根据普遍的原理导出单值的结果。推广近代电动力学意味着运用本质上是非线性的方程,在方程中还有高阶导数和空间时间的离散性,以这样的前题来改变其规律的形式。推广后的理论可以研究那样一些现象,对这样的现象来说,暂时不考虑前面所说的那些限制是很必要的。古典力学从时间,空间均匀性这一普遍原理出发本来可以用类似的方法,引入一些公认的,可以把理论结果同实验事实相对照的限制,然而唯象主义的传统使科学拒决了把它的结果适当地推广到那些暂时还不可能得到实验证实,或者暂时还未做出实验证实的领域的权力,也就是科学放弃提出假说的权力。然而在哲学对科学进行的概括中,早在十八世纪就已包含了这样一些假说,即从实验中建立起来的规律不只可以推广到一些尚未被研究的领域,而且在此过程中还可以改变其形式。十八世纪的原子论就有上述那种假说的特征,并且和牛顿力学向微观世界的推广紧密地联系在一起。这些观念使得从发展上研究宇宙成为可能。这样一来就突破了一成不变地给出世界秩序的形而上学的图景。

如果条件已知,古典力学的微分方程就可以预先决定物体在任一时刻的位置和速度。对天体力学来说,星球惯性运动的速度就是这样的初始条件。唯象主义的传统拒绝回答第一次冲击的问题,牛顿把这个冲击交给上帝。康德在《天体的自然史》一书中,对牛顿力学作了哲学上的概括,提出了原始星云为基础的天体演化的观念。在这种情况下,康德把一些特殊的性质附加在粒子上面。按照他的见解,这些粒子的无规则的运动最终形成了太阳系。实质上,这是一种新的,不可能规结为力学(这件事只是在十九世纪才明白)的运动形态——分子运动。对分子运动来说,要求对力学规律做出某些众所周知的修正和补充(这当然是一百年之后才知道的)。这样一来,对自然科学进行哲学上的概括就带来了真理具体性的辩证思想(这当然是在萌芽状态),这也就是用给出问题的具体范围来规定“真——伪”的每一次评价。

十八世纪唯理主义的“单线”的思维方式同十九世纪考虑到世界无限复杂的思维方式之间的区别不只是在科学和哲学上可以看到,而且在这两百年间的整个文化上,特别是在文学作品上也可以看到。人所共知,十七世纪——十八世纪的文学作品是同当时的科学紧密地连系在一起的。在意大利,鲜明的准确的散文在很大程度上就是由伽利略所开创的。十八世纪的文学作品还比较广阔地反映一种新的思维类型。从中世纪经院哲学的目的论的观念向着在基本过程中是单一的,直接联系的因果图景的革命性过渡,其影响不只是局限于社会思想和哲学思想,日常生活及人们通常的思维在很大程度上都改变了自己的特征。穆拉托夫[4]在其名著《意大利的风貌》一书中有一篇文章提到了《危险的关系》的主人公的意向和行为是由对结果和为此结果而采取的行动的单一的依赖关系的信念来决定的。范尔蒙子爵[5]不怀疑在他的每一个前途上只能有一个答案在等待着他。

无条件单义性其虚构的实质很快就显露出来了。在文艺作品中既反映了新的,在十八世记还不为人所知晓的,对现实的大千世界之无限复杂性的知觉,又反映了对存在着错综复杂的依赖关系,变来变去的相互作用和无数“横”的联系的体验。《浮士德》就是这样一部作品,哥德对牛顿的抨击郑重地宣告了对自然界的这种新观点。任何时候也无法用艺术的力量或是某种能力来说出对大千世界的体验。按照爱默生[6]的说法,那个“甚至可以用自己的毛孔”进行观察的哥德就力图把世界包容在其直接的复杂性之中,而不是把它分割为若干单线关系的抽象的链条。他反对提出把局部问题再作进一步分割的那些界限,也不同意对自然界进行抽象的理论上或实验上的分割。哥德把理论分析或是实验认为是拟人化,这样做是把本质上不属于自然界的概念强加给自然界。“朋友,生活的宝树青葱,而一切理论都显得朦胧”(《浮士德》译林出版社1993年版,樊修章译)。这就是哥德的科学的宇宙观的基本原则。对现象的因果性的解释只包含这些现象的某些面,也就是把这些现象分别安置在一些长长的因果关系的链条上。哥德提出:正是在这些链条上忽略了现象的其他联系,即那些没有包括在已经得到的因果链条中的关系。在哥德说这番话的时候,席勒也说过因果性的解释:“只是考虑到自然界的深度,而没有顾及到自然界的广度。”与因果性相反,哥德看见的是“在相互作用中的整个自然界……因而也就避免采用仅仅作为深度的那种因果性,他一直着眼于自然界的广度。”为了使自然界不被外加的抽象范畴所歪曲,必须用其表现的形象,也就是在其全部的,具体的千姿百态的形象上去掌握自然界的真实情况。当然,哥德并没有根据其片面的见解就作出极端的推论。正如有一次罗沙.卢森堡[7]所说的那样:伟大的人物决不会根据其不正确的观点作出荒谬的推论,而是留给其追随者去做出。哥德承认从理论上分割自然界的必要性,但这种办法的相对性将会消除抽象化的危害。“我们可是在世界上众目睽睽之下进行抽象推理的,然而作这件事的时候必须有意识地采取自我批判的态度,要灵活,既可以采用大胆的反映方式,但同时也要持某种揶揄的态度,为了使危险的抽象变成无害的,使经验的结果成为活生生的,有益处的,就必须如此。”

“揶揄”这个词非常准确地表达了哥德的思想。所谓“揶揄”决非不严肃,而是不把抽象的关系绝对化。换句话说,就是要认识到抽象的相对性,局限性,以及用于具体问题时不可避免的改变。同时还要认识到在具体问题上抽象的结果有时会是很“荒诞”的,也就是说会出人意外地不适用。醉心于自然的浪漫派看到许多事物都从正统学者的眼中滑过。哥德在生物学领域中的工作在当时有其重要的意义,但是对于科学思维的性质产生较大影响的还是诗剧《浮士德》。

诚然,这种只借助于抽象的模式预先分割直接观察到的现实的办法,将会认识自然界,并且能够认识到自然界中形形色色的关系和元素这一丰富的内容。[8]因此哥德的观念并未改变十八十九世纪科学发展的基本潮流。这一潮流就是从《自然哲学原理》中最早的抽象上升为更为具体的全部理论体系。然而反对抽象教条化斗争也加速了科学在此方面的发展。

在旧的哲学中,黑格尔的辩证法是十九世纪所特有的顶峰。它完全证明了世界的无限复杂性和矛盾性,抽象的相对性以及其在逻辑上、历史上的局限性。被黑格尔所系统阐述,与普鲁士王国官方的主要观念意图相反的辩证哲学包含着社会革命的论点和在科学中进行革命的纲领。黑格尔所处的那种学究式的、黑暗的、愚蠢的时代隐没了社会革命的论点。[9]新的自然科学观念被埋没于黑格尔的哲学著作之中,然而,倘若十九世纪的科学没有实际上应用了一百年前的自然科学知识而获取了新的概念,那么辩证哲学的影响就不会如此显著了。

恩格斯在写于1843年的题为《十八世纪英国的状况》的文章中说道:“在十八世纪,科学采取属于自己的科学形式,从而把一方面是哲学,另一方面是实践加以集结。唯物主义(和洛克一样,牛顿也有自己的前提),启蒙运动,法兰西政治革命都是科学同哲学接近的结果。英国的社会革命是科学同实践接近的结果。”[10]

把机械论的自然科学归结到哲学中去是整个欧洲在革命前的思想运动的一个重要方面。当列鲁阿[11]把笛卡尔的物理学同形而上学加以对照以后,在法国康金里亚克[12]就用洛克的感觉论去反对十八世纪的形而上学。英国的唯物主义在法国的基础之上又发生了变化,它成为直接反对绝对主义和教会的武器,在这个武器库中就有牛顿的力学。当伏尔泰在法国开始宣传牛顿的思想的时侯,正是教会准确而迅速的认识到它的社会意义。伏尔泰的那本《牛顿的哲学入门》,尽管在书中并没有直接触犯到政治和宗教的教义,可就是不能在法国印刷。大多数人都讥笑通过沙龙传播的牛顿思想,然而这个非行帮阶层的广阔的范围却意味着这是同社会运动联系在一起的。

不单是自然神论者伏尔泰,还有哲学唯物主义者和自然科学家,数学家都从牛顿的思想中摒弃了那些神学的多余物。当在拉格朗日手中古典力学获得了纯数学特征的时候,这一情况有双重的意义。不只是动理论的假说从力学中消失了,而且由于考茨[13]走运,在英国和欧洲大陆得以顺利地,广泛地传播过的,五花八门的宗教情调跟着销声匿迹了。

在法国,在另外一种社会斗争条件下牛顿的古典力学起着一种比在英国更为彻底的革命作用。在这里,政治革命紧接着思想革命进行。就在法国大革命过程中,巴贝夫派[14](他们比其它革命家在更大程度上领悟到十八世纪自然科学和唯物主义的结论),就已看到所谓“理性王国”是要保持社会的不平等并使之永存下去。但是巴贝夫派只是在资产阶级制度取得胜利之后才登上历史舞台的,反对资产阶级制度的新生力量的预言家而已。这种新生力量由于工业革命而成长起来,工业革命发源于英国,而后遍及所有先进国家,并且带来了近代工业以及无产者的阶级决战。

工业上巨大的变革彻底地阐明了对十八世纪物理学来说是为十九世纪物理学所特有的新风格。当然物理学原理的内容与历史条件无关,然而发现这些原理的时间,地点及其方式都同历史条件有关。这就是说物理学史上的重要问题不同于物理学本身的问题。按照这个观点对工业上机器的巨大变革和使用蒸汽而带来的巨大变革就应该以到十八世纪末以致到十九世纪廿年代全部社会和文化的成果加以划分。

十八世纪的机械论也和一百年前的机械发动机(指风力,水力机械——译者)一样使生产变为实用的自然科学。这就是说,把生产技术分割为一些容许作出合理的,能加以因果解释的基本的过程。这就如同单值的力学规律体系把中世纪非理性的概念从科学中驱赶出去一样,(不充分的)行业的秘密也从生活中被驱赶了出去(当然就更不充分了!)可是因使用蒸汽机而导致的革命是把那些用十八世纪人所共知的单值的动力学规律无法解释的力,都列入有意识地加以运用的自然力里面去。最早也是最迅速地显示出这一情况的就是蒸汽的弹性。这是本质上受统计规律所支配的,大量分子运动的宏观结果。相对于十八世纪而言,这件事是新物理概念的相当重要的出发点。使用蒸汽所带来变革的间接结果是扩大了从实验上加以研究的过程的范围,进一步完善物理实验技术,而这些都起到明确力学规律有效范围的作用。在电学和光学现象中,物理学偶尔会遇到一些只容许以有条件的类比形式做出力学解释的过程。对自然科学来说在生产中那些基本上同蒸汽机并没有什么密切关系的变更,同样会使科学在一定程度上背离十八世纪机械论自然科学的教义。这里我们只提一下科学的农业,就是这种科学的农业根据达尔文的思想观察到十九世纪科学思维风格至关重要的自然界中的统计规律性。

在使用蒸汽而产生的革命的基础上(包括这一革命的全部技术的,社会的和文化的成果)成长起来的十九世纪的古典物理学又为新的技术跃进提供了科学的前题。这个跃进是由于使用电而产生的,而且这一应用也没有局限于动力工程,运输,照明,和通讯上面。生产电气化的间接成果表现为专用机床,流水作业和不同形式的生产自动化。此外还有属于新的生产技术上的事例,如强电流的传输,特殊钢材和特殊合金材料的应用等。由于用电而产生的巨大变革的最重要的特点是改变了动力机械和加工机械之间的关系。在风力机械时代,还有蒸汽机时代,动力机械方面这一根本变化造成了加工制造领域,即机械制造上的彻底的变化。因为机械传动装置是动力机械和加工机械之间的中间环节,水轮机和蒸汽机的能量才能够传送到加工机械上去,而生产的电气化则从根本上改变了这一状况,从此以后,能量就以非机械的形式传到用户那里。在电能转化为机械功时,这一情况总是同新的执行机械联系在一起的,这种执行机械可以保证实行更为高级的生产自动化。在另一些情况下,电并没有转化为机械功,而是起着加工工艺的作用,如电热处理,电解加工,并且这也同加工工艺的更为深刻的变革联系在一起的。上述把电能加以转换的功用在生产中具有头等重要的意义。在生产中电的应用不只同生产的规模成正比,而且也同生产中加工过程的速度,技术设备的更新率和工艺变革的快慢成正比。电的应用也同生产技术水平增长的速度成正比,这种由于用电而产生的变革是找不到先例的,其后果也是无法估量的。当把生产变成机械方面的应用科学以后,加工过程就被分解为一些基本的机械操作,这将使手工作坊这种保守的技术基地解体了,从而把生产变为可迁移的了。蒸汽机确实使生产过程的的节奏加快了,但是所有这些同电气化无法比似。在实行电气化时,这种新能源的增加与全部生产部门中实现的根本技术改造密不可分,同时在此进程中前面所说的动力工程的水平和工艺水平增长速度之间的那种比例关系也就充分显示出来了。

首先是蒸汽,以后是电改变了工业生产和科学之间的关系。十八世纪工业的变革(纺织机械)是古典力学在下述意义上的应用,即发动机和机械的计算就是解决纯力学问题。现在问题变了。研究蒸汽机不能只限于力学设计计算,而是要求实验,并且将特别是要求物理实验。蒸汽机把物理学从力学中解放出来,同时使其成为实验科学。物理实验在从前固然作过的,但只是偶一为之,且与生产无关。到了十九世纪,物理实验就要回答生产的质询,首先就是蒸汽机的生产和营运,到十九世纪末就发展到回答电工技术的实际问题。当然,物理实验有其内在规律,正是这种规律使得在一个领域中的实验研究工作的开展就会影响与其邻近的或是相距较远的领域中的实验工作。

正是实验给十九世纪的物理学带来了与十八世纪科学相对立的,反教条主义的特性。当然这并不意味着十八世纪的科学全都是教条主义的。在那个时代,十八世纪科学本身也反对逍遥主义[15]的教条。但是当十九世纪自然科学的机械论的局限性在新的事实压力下行将崩溃的时候,这种局限性又成为一种教条了。并且那些成为新时代特征的基本发现也使新概念,新方法同十八世纪的传统日益对立。这些新的概念和方法是什么样呢?为什么实验又成为这些概念,方法的起源和繁荣的基础呢?

十七世纪机械论的唯理主义曾经郑重宣告:根据某些普遍的,万能的原理原则上可以毫无例外地从逻辑上推导出自然界的一切规律性。要是物理是被上述这种相互关系联系在一起,而且这一关系在不限制这些量的增加或减少时仍保持不变,那么知道这一种关系之后就可以用逻辑的方法建立起包容宇宙和微观领域在内的,整个世界体系。这正是笛卡尔和其他十七--十八世纪的思想家所用的方法。这些思想家们建立了世界的动理论[16]的图景并且把力学规律外推到不能用视觉直接观察到的粒子世界中去。然而这种方法并不能得到单义的结果。其逻辑的实质就是把在有限范围内,进行有限次观察而得到的关系完全当作是对无限范围也是正确的,普遍的判断。逻辑学并不限制从经验上找出规律性。然而只有实验才能划定一种界限,在此界限之中,这种不加限定的办法才不会使单义的物理意义和单值客观数值的关系同规律丧失意义。

对实验的这种观点是同十八世纪占统治地位的概念相矛盾的,并且具有十九世纪的待征。上面所说的实验所起的作用表明,世界的实际的规律性不能归结为一些作为出发点的单纯的模式。对一个确定的现象范围来说力学规律确已被实验所证实,然而这些规律是万能的吗?笛卡尔断言它就是万能的,什么实验证据也不要就可以把宏观的规律性搬到任何一个领域去。牛顿把凡是可以实验证实的现象作为圈定科学知识范围的框框,他只是很勉强地说了说微观世界和以太。然而,对于用实验所发现的规律,根据其在新的领域中的实验证据,根据建立在实验事实基础之上的,对普遍的,作为出发点的模式加以反复审查、改变和丰富,然后对上述规律进行逻辑上的综合概括,这一切已然是属于十九世纪的课题了。

这样,在机械论的范围内就存在着实验和假说的双重关系。笛卡尔派的所谓力学规律万能的观念就把绝对可靠的特性赋予建立在力学规律适用于宇宙和微观世界的动理学假说。实质上,笛卡尔所指的并不是现代意义上的假说,而是一种从普遍模式得出的,不容置疑的推论。牛顿对力学规律的观念是把能够在实验上证实这些定律的现象当作圈定其效用的范围。他对假说是否定的,尽管事实上在《自然哲学原理》的内容中没有排斥假说,但也没有明显地列举出来。无论是笛卡尔派的物理学家,还是牛顿派的物理学家都不知道这种依据变更力学规律的形式和引入不能归结为力学规律却又与其联系在一起的假说到底什么。这种本质上是非机械的假说的实验验证也同样是十九世纪物理学的本质特征之一。这一本质特征是同生产技术的特点紧密地联系在一起的。当古典热力学的创建者们提出了不可逆观念的时候,对其推论的实验验证就无法同研究热机循环分开。当古典电动力学的创始者们,从法拉弟到麦克斯韦以至洛仑兹相继引入了按其本身的客观意义来说是非力学的场的表象的时候,对其结论的实验验证就很接近于研究变压器,电动机,发电机和后来用于无线电工程中的电振荡,电谐振。在中世纪那种偶一为之的实验只是显示了神秘主义的“善”或“恶”。在十七世纪至十八世纪,实验里显示了被研究过程的力学特点,实验工作者的任务就是从对那时的自然科学家来说无关紧要的,非力学的过程中澄清现象的力学实质。在十九世纪,对物理学新的发展方向最重要的实验则显示了物理规律不能归结为力学的特性,我们早就在百科全书派那里碰到过对这种实验理论的某种预见。这并不奇怪。在十九世纪科学的许多方面都起源于十八世纪,虽然整体上百科全书派属于力学唯理主义,可是力学内部的客观发展趋势已然影响到其世界观。这种发展趋势为不能归结为力学的,在改变其普遍模式时得到实验支持的物理学准备了某些观念和资料。1759年,达朗贝尔在《哲学原理或是用于阐明人类认识来源的经验》一书中提出有这样一些领域,在这些领域中“每一个个别的情况差不多都要求一种单独的经验”,在这里“普遍的结果永远是不可靠和不完善的……”[17]十八世纪的思想家们有不少人持有这种见解:他们并不改换对那一时代的宇宙观的普遍的评价,只是再次提出占统治地位的思潮并不意味着就是所谓排他性的思潮。问题是到十九世纪时对实验的必要性已不再需要声明了。实验,正是那些运用于具体问题时证实了普遍模式的规律性的实验在很大程度上已成为自然科学的内容。如所周知,十九世纪所做的,正是人们在十八世纪所说的(社会问题除外,十九世纪德国哲学家所说的,法国人在十八世纪就已经做了)。

十九世纪所特有的物理实验促进了利用这些自然现象的生产的发展。在认识这些现象时,倘若没有额外的,从经验中找到的概念,力学规律就无法使用。表现最鲜明的例子就是不可逆性和热量不能从冷的物体传至热的物体。在研究蒸汽机时才被弄清楚的不可逆性是在统计意义上才能同力学规律联系起来。

当生产一经成为应用力学的时候,它就为生产在一些确定的范围内和在改造机械工作的范围内的迅速发展提供了很大的动力。当生产成为实用的实验物理学,这就为其不受任何范围限制的更加迅速发展提供了更大的动力。借助于实验事实,并对原始的模式加以改变和丰富,以这样的方式研究和利用任何一种自然力,任何一种复杂的运动形态,任何一种离散存在的质点,从原则上来说是完全可行的,而这一切也正是十九世纪科学的重点。由于上面所说的不仅是在范围上,而且在使用方法的复杂性上都不受限制的工业的增长只能使无产者受益。然而,此问题还有另一个方面,即从哲学上对自然科学进行综合概括。

当科学在很多部门从实践中在很大程度上自发地发现分子运动,还有更复杂的电磁波和电荷的运动都无法归结为力学的时候,那么把这些观念加以综合概括也就是把这些观念推广到整个宇宙,自然界和社会上去了。真理是具体的,不能一次就永远给出绝对的解答,这个结论就是从哲学上对十九世纪科学所做的总结。在辩证唯物主义哲学中这种观念已成为系统的严谨的宇宙观。由于产阶级思想的统一。对十九世纪七十年代初的物理学和全部自然科学所进行的,切实的哲学总结也就同时完成了。

这样,十九世纪的科学,它的基本的,特有的原理已成为一种社会力量。这种社会力量为无产阶级革命性的解放准备了物质条件,并在其进行革命的总结过程中提供了无产阶级革命的意识形态。这种情况同以下事实一点也不矛盾;十九世纪绝大多数自然科学家不是无产阶级,在意识形态上也由于自己的阶级偏见不同于无产阶级。他们看不到,也不可能看到他们自己发现的社会价值和哲学意义。

对十九世纪自然科学的哲学总结已落到无产阶级肩上。十九世纪四十年代在无产阶级的意识形态上就已树立起辩证唯物主义的宇宙观,即人类全部科学和实践发展的最重要的总和。在七十年代,阶级斗争和联合无产阶级的首要任务要求从辩证唯物主义的观点更广泛地关注自然科学的问题。以杜林为代表的,以无视十九世纪的科学及其同上个世纪科学的根本区别为依据的形而上学反对马克思主义。以所谓社会主义的改革者出现的欧根. 杜林,即使不是最顽固的,也是在所有情况下最嚣张的辩证法(其中也包含着在数学和自然科学中自发的辩证法倾向)的反对者。由于在恩格斯的不朽著作中,特别是那些包含着在未来具有重大意义的古典物理学观念精华的著作中阐述了马克思主义的这一情况就成为那些投向歌德,“某个”黑格尔,达尔文,当然还有马克思的刺耳的谩骂和强加给德国工人的“系统而又独创”的形而上学尝试的口实了。在《反杜林论》中,同样也在很迟发表的《自然辩证法》的片断中,十九世纪七十年代的古典物理学最终得到了真正的哲学总结,这种总结指明了新的物理学的发展道路。在本书的最后一章,我们将试图指出对这一时代的物理学的基本原理的总结是怎样导致现代的相对论的原理,以及为过渡到相互作用和能量的离散性,微观世界的统计规律和基本粒子的非自身同一性等非古典的物理学原理,做了哪些准备。

 

注释

1. Я.Френкелъ,ДАН СССР,6441949;УФН,4267195044   1041951

2. 拉普拉斯的原话是:“我们应当把宇宙的现状看作是它先前状态得结果和后继状态的原因。假定在某一时刻,有一种智慧动物能够把握自然界所有的力以及组成自然界的一切事物的特定状况--这种智慧博大精深足已对所掌握的资料进行分析--那么,它就能将宇宙从最庞大的物体到最微小的原子的运动全都囊括于同样的公式之中,对于它来说,没有什么是不确定的,未来,一如过去都呈现在它的眼前。”引自《上帝怎样掷骰子》陈克艰著,四川人民出版社,1987年版,第7页。

3. 恩格斯《反杜林论》 人民出版社 中文版,14

4. 穆拉托夫.俄国作家侨居英国.--译者

5. 范尔蒙子爵.法国小说《危险的关系》的主要人物.该书是法国作家拉克洛于1782年写成出版。八十年代还被改编成电影,该书有中译本.湖南人民出版社 1987年出版 匡明译——译者

6. 爱默生(R.W.Emerson1803——1882)美国诗人——译者

7. 卢森堡(1871——1919)女 原藉波兰 革命理论家——译者

8. К.Маркс К критике политической экономии М.,1952 стр.213

9. К.Маркс и Ф.Энгельс Соч.T.XIV. стр.653

10. К.Маркс и Ф.Энгельс Соч.T.I стр.608

11. Le Roy(1898——1679)荷兰医生、哲学家、诗人——译者

12. Condillac1715——1780)法国启蒙主义者——译者

13. R. Cutes1662——1716)英国数学家、物理学家、天文学家

14. 巴贝夫(1760——1797)法国空想共产主义者——译者

15. 逍遥主义,即亚里斯多德学派,因亚里斯多德在逍遥学园传授门徒而得名——译者

16. 动理学,Kinetics(кинетика)钱尚武等人于五十年代翻译《理论力学基本教程》(蒲赫哥尔茨著)时提出这种译法。在该书上册第137页上对动理学做了以下解释:“动理学——联系到运动的性质或规律的因素而研究运动,这些因素依赖于所给物体周围的其他物体,也依赖于所给物体本身。”动理学的观念主要是排斥在一定距离上的力。——译者

17.     []D‘Alambert. Oeuvres 1,p.361881


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