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[哲学]物理哲学VS生物哲学[第1页]

作者:柳艺诚

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摘录提要：
第二次科学革命始于18世纪后期的化学革命，它的两大标志是：
1. 近代西方科学的古典科学传统和培根科学传统融合，西方科学现代化；
2. 科学和技术结合，形成“科技共进”的新关系。
按照这两条标准，第二次科学革命的结束时间似乎定在20世纪60年代为宜，那时候，生命科学和地球科学也都现代化了，并且在理论上和之前已经现代化的化学、物理学、天文学也都【融贯】在了一起，从而实现了所有基础自然科学的现代化和统合。

第一部分：对物理学理论的科学哲学史考察

诺贝尔是瑞典商人，因为发明安全炸药（把硝化甘油与硅藻土之类物质混合，使之安定性大为提高）而发了大财。诺贝尔又是一个具有崇高道德风尚的人，在遗嘱中决定把自己的大部分遗产拿出来作为基金，设立文学奖、和平奖、物理奖、化学奖、生理学或医学奖5个奖项，表彰在这几个领域为全人类做出突出贡献的在世者。1901年这5个诺贝尔奖开始颁发，其中的3个科学奖后来即成为相关学科的最高奖项。1969年，瑞典国家银行又设立“纪念诺贝尔经济学奖”，简称为诺贝尔经济学奖，与另5个诺贝尔奖差不多同时颁发，这样就形成了今天我们熟悉的6个诺贝尔奖。其中，诺贝尔物理奖开始颁发的时候，正好是物理学要发生大变革的时候。因此从一开始，物理奖就见证了物理学历史上这段比牛顿革命更激动人心的伟大时刻。
任何变革都不可能没有因由。19世纪末，物理学理论实现了第一次大一统，但仍然没有解决所有的问题。得意地说“物理大厦已经落成”的英国物理学家开尔文，在1900年4月27日向英国皇家学会所做的报告中，就说道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”正是这两朵“乌云”，分别引发了物理学的两场新革命。

第一朵乌云是“以太”（ether）问题。以太本来是古希腊语词，古希腊人用它来指澄净的高空。高空很容易给人神秘的感觉，所以后来以太这个词就被炼金家和各种神秘主义借去，用来指各种各样的东西。比如炼金家就用它来指一种用酒精制备的、轻盈易挥发、极易燃烧爆炸的液体——乙醚（直到今天，ether还是醚这一类有机化合物的西文通称）。
在传统的亚里士多德物理观的影响下，笛卡尔不承认物体之间有超距作用，认为引力一定要靠某种看不见摸不着、弥漫在宇宙间各处的介质传递，他便把这种介质称为“以太”。当然，牛顿物理观是承认超距作用的，所以这种作为引力介质的“以太”后来就“下岗”了。然而，19世纪初光的本质被重新认为是一种波动之后，因为其他任何波都需要介质来传递，所以包括麦克斯韦在内的物理学家对于光能够在真空中传播的现象百思不得其解，不得不再次假想宇宙中还是有某种看不见摸不着、弥漫于各个角落的介质，是光的传递媒介。他们还是把这种东西叫做“以太”。但是，如果以太是一种物质，它到底有什么性质？它有重量吗？为了能够传递光波这样一种横波，以太必须是一种非常坚硬的物质，然而在以太海洋中运行的日月星辰却一点也看不出运动受阻的迹象，这又是怎么回事？

更重要的是，既然以太是光传播的媒介，那么它一定相对地球在运动，否则无法解释天文学家早已发现的光行差现象。1881年开始，美国物理学家迈克尔逊（Albert A. Michelson, 1852–1931）设计了一个精密的实验，试图检验地球相对于以太的运动，结果毫无发现。1887年他与美国化学家莫雷（Edward Morley, 1838–1923）合作，以更高的精密重复了这个实验，仍是一无所获。到了这个时候，以太这个东西变得愈发神秘难测了。

在世纪之交的物理学家对迈克尔逊–莫雷的实验结果百思不得其解的时候，也有一些人试图从世界图景中消除以太这个讨厌的东西。1892年，荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik A. Lorentz, 1853–1928）提出了洛伦兹变换，使麦克斯韦方程在相对于以太运动和相对于以太静止的两种坐标系中均表现为同一形式，这样一来，地球是不是在相对以太运动就无关紧要了。但是由此却会得出一些诡异的推论，比如在运动方向上物体长度缩短，运动物体的质量会发生变化，其速度以真空光速为上限，等等。

迈克尔逊-莫雷实验说明：一束光从光源发出后，经过一面半透镜分成相互垂直的两束光，最后再会合到一起。如果地球相对于以太（光的传播媒介）漂移，这两束光从分离到会合用的时间是不同的，这会导致它们出现相位差，从而产生干涉现象（显示为屏幕上的明暗条纹）。

1895年，法国数学家庞加莱（Jules Henry Poincaré, 1854–1912）以数学家的那种高度抽象的思维指出，物理学家执着于以太的存在，实际上是执着于一种绝对静止的参照系的存在。但是如果换个思路，认为任何实验手段都不能检测到绝对静止的参照系，只能检测到物质之间的相对运动，那就可以完全抛弃以太这个概念了。这就是所谓“相对性原理”。然而，庞加莱的主职终归不是物理学家，他虽然为物理学革命指明了新方向，但具体构建新世界图景的工作还要有专人来做。这个人，就是伟大的——【爱因斯坦】。

在俗常的概念中，爱因斯坦往往被当成一个虽然没受过良好教育也非学界中人、但一出手就以一人之力颠覆了整个学界的奇侠，因而有很多人（特别是自认为提出了惊世骇俗的新理论却不为学界承认的“民间科学家”）试图用他的经历来证明学界权威不足为据。事实根本不是这样。的确，爱因斯坦中学曾经被劝退学，但那只是因为他偏科太严重，无法被正统的中等教育体系容纳罢了。不要忘了，1896年爱因斯坦成功考取瑞士名校联邦工业大学，因此他是受过严格的高等教育的。不过，爱因斯坦在大学里也还是自由散漫，对物理学非常着迷，数学却落下了，以至于要靠好友格罗斯曼（Marcel Grossmann, 1878–1936）的笔记应付考试。

1900年爱因斯坦大学毕业后即失业，最穷迫的时候，要靠当家庭教师勉强糊口。后来，还是格罗斯曼出手帮忙解决了爱因斯坦的工作问题。格罗斯曼的父亲有一位朋友是瑞士伯尔尼专利局局长，经过一番说情，爱因斯坦终于进入伯尔尼专利局，成为一名技术员，在那里一直工作到1908年。然而，还是不要忘了，爱因斯坦在此期间和学界交往甚多，并不是什么久隐不出的独行侠，而他发表的论文也都是刊载在权威性学术期刊之上，接受了学界同行的评议。他，自始至终都是科学共同体中的一员。

虽然1666年并不是牛顿的“奇迹年”，但1905年却的确是爱因斯坦的“奇迹年”。这一年，26岁的他在学术期刊《物理学年鉴》上连发5篇论文，其中有3篇都是划时代的成就。第一篇是爱因斯坦用新兴的量子物理学对光电效应做出的解释，下面我们还会再介绍；第二篇是从数学上解释了一种叫做“布朗运动”的热学现象；第三篇是最有名的——这是爱因斯坦第一次正式提出相对论。

相对论的基本原理，我们很难在这样一门课中用三言两语讲清楚，但是这并不代表我们不能把握其哲学本质（善于弄清楚一门新理论的性质，而不必非得弄清楚其具体细节，大概是今天这个知识爆炸的时代必须掌握的一门技能）。事实上，相对论是一个公理系统，在这个系统里面，物质的绝对运动不可观测和真空光速不变是打头的两条公理，是不容置疑的。从这两条公理出发，爱因斯坦先是破除了“同时性”的绝对概念——在一个参照系里是同时发生的事情，在运动状况不同的另一个参照系里就可能不同时发生，进而导出了一系列匪夷所思的结论：真空光速（c）是运动的速度上限；在物体运动速度接近光速的时候，其沿运动方向的长度会明显缩短（尺缩效应），时间会明显变慢（钟慢效应），质量会明显增加。在这种情况下，三维空间和一维时间结合成了四维的时空（space-time）。不仅如此，质量（m）和能量（E）还有对应关系，这个对应关系就是著名的质–能方程：

上面这些理论，今天我们称为狭义相对论（special relativity）。狭义相对论并不是一个完备的理论，因为它引发了一个有趣的悖论：假定有一对双生子，其中一个一直待在地球上，另一个乘坐接近光速的宇宙飞船在太空中飞行，按照相对性原理，在地球上看来，宇宙飞船中的时间固然变慢了，但在宇宙飞船所在的参照系看来，地球也在以接近光速运动，因此变慢的反而是地球上的时间。那么，当这艘宇宙回到地球上时，这对双生子里哪一个更老？这个“双生子佯谬”在狭义相对论中是无法解决的。

然而，爱因斯坦再接再厉，在1916年提出了广义相对论（general relativity）的最终形式。广义相对论把加速度和质量考虑进来，提出了又一条公理：引力场等价于非惯性系，原则上人们无法区分一个物体正被加速，还是正处在引力场中，这就是等效原理。广义相对论不仅解决了双生子佯谬，而且让物质、能量和时空建立了密切联系，没有脱离物质的时空存在，也没有脱离时空的物质存在，这就彻底颠覆了牛顿体系的那种超然于物质之外的绝对时空概念，完成了一个与牛顿体系完全不同的新世界图景的构造。

相对论是科学史范式体系造就的巅峰，它那简洁、和谐、统一的理论，它那公理化的体系和严密的定量推导，无不实现了古典科学传统的最高理想。但是，它又不是脱离实证的臆想。无论是狭义相对论和广义相对论，在解释了一些旧现象的同时，又提出了大量新预言，可以用观测或实验来检验。相对来说，广义相对论的预言比较容易检测，比如它预测恒星的光线会被太阳的引力所扭曲，这可以通过在日全食时观测太阳附近恒星的位置变动来检验。1919年5月29日，南半球发生日全食，英国天文学家爱丁顿（Arthur S. Eddington, 1882–1944）派出了两支队伍前往观测，果然观察到了广义相对论预言的光线偏转现象。后来，随着航空航天技术的发展，人类有了高速的飞行器，狭义相对论也得到了直接验证。

第二次科学革命以来，科学家们逐渐形成了比较开放的思维，对于旧范式的坚持不再像哥白尼、伽利略时代的学者那么顽固，因此相对论很快就在学界普及开来。然而，比起牛顿物理学来，相对论离俗常物理观更远了，也就更难为一般人所理解和接受。即使在学界，也还是有不少人反对相对论（虽然他们的表面理由十分荒唐——因为爱因斯坦是犹太人）。1921年爱因斯坦获得诺贝尔奖时，受到表彰的也只是他在光电效应方面的研究，而不是相对论。

遗憾的是，爱因斯坦思想中的思辨性过强，这虽然让他勇于突破物理学旧范式的束缚，却又成了阻碍他获得更大成就的新束缚。由于纳粹分子的迫害，爱因斯坦在1931年被迫移民美国。此后他除了参加一些社会活动之外，就是潜心钻研“统一场论”，试图把引力和电磁力统一起来，但最后也没有成功。爱因斯坦失败的原因，一方面是因为这个研究过于困难，但另一方面也是因为他执意不接受量子物理学的哥本哈根解释，未能把相对论和量子物理学结合起来，从而错失了获得统一场论的正确方向。1955年4月18日，爱因斯坦在普林斯顿的家中病逝，结束了他传奇般的一生。

关键字：量子论革命
开尔文所说的第二朵“乌云”是所谓“紫外灾难”问题。任何物体，只要其温度在绝对零度之上，就会发出电磁波辐射。为了研究这个现象，物理学家设想了一种叫“黑体”的理想物体，把它作为模型来研究热辐射问题。1900年，英国物理学家瑞利（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842–1919）根据经典物理学理论推出了黑体辐射的能量分布公式。这个公式在长波部分和实际观测结果比较吻合，但波长越短，偏离越大。特别是当波长趋近0时，辐射能量也趋近无穷大，这不仅与实际观测不符，本身也是十分荒谬的。这就是“紫外灾难”（“紫外”指的就是短波部分）。

我想过，我反对超越光速能时空旅行，却不会反对相对论，就像有了相对论却不会否定万有引力一样。即双生子一样老。

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