物理学中的哲学思想

和大学生谈心（3）物理学中的哲学思想

物理学中的哲学思想

当我们学到惠更斯原理、热力学第二定律、推迟势和测不准关系等知识时，总觉得物理与哲学紧密相连。热力学系统、量子力学、相对论等，很难不涉及哲学的系统观、实在论、运动观和物质观。其实，许多大物理学家，如牛顿、爱因斯坦也常常陷入哲学的思考。哲学之所以这样有魅力，不仅是物理的发展得益于许多哲学思想，如开普勒的追求外星运动的和谐性，来自毕达哥拉斯主义的启示；牛顿的运动理论，受实在论的影响。更重要的是，哲学希望比物理更接近事物的本质认识，这也是物理从物质基本运动角度所孜孜以求的。记得在学生时代，我们就选过一些带哲学色彩的物理问题进行探讨：

1、无限可以有界，有限可以无界；

2、物质不灭的局限性；

3、热寂说的实质；

4、无时间的存在形式；

5、有无第一推动力；

6、系统与微扰；

7、测不准的实质；

8、灵感的基础……

现在回忆起来，记忆犹新。现在这些问题的讨论，有些尚未有定论。但物理学对我们哲学观的影响，却可以看得出来：

一、经典物理学中的哲学思想

经典物理从牛顿力学开始，力、热、点、光、原，在不同程度上都有实在论、决定论的影响。

物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动,如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。亚里士多德的思想在这一时期起着重要作用。在他的著作中讨论了力学问题，虽然其中的一些观点和真理相去甚远，但由于亚里士多德的权威性如此之大，以致他的这些观点在科学思想上起着重要作用。他的权威在中世纪被认为是至高无上的，直到伽利略的时候仍不可动摇，在中世纪，他的著作阻碍了物理学的进一步发展。

到了文艺复兴时期，以宗教改革闻名的反对教会权威的斗争标志着物理学家开始以实验的语言来研究自然。哥白尼体系的建立是这时第一个伟大的胜利，它推翻了托勒密体系的地球中心说，主张地球是圆的，绕着自己的轴自转，并绕太阳公转。他第一次揭示了季节的变化和行星视扰动的原因。他的体系的一大缺点是认为一切天上的运动都是圆周运动的复合。完全推翻古典的学说的是开普勒，他吸收了哥白尼的思想，建立了著名的开普勒定律，证实了行星运行的真实的轨道——椭圆。

近代力学诞生的标志是伽利略，除了他在天文学和力学方面的一些重大发现之外，更值得强调的是：在人们依靠观察天体运动来研究力学运动的基础上，他开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维（科学假设，数学推理和演绎）相结合，获得了突破性的发现。他的斜面实验在2002年被英国著名的《物理学世界》杂志的大量读者评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一。这些实验的其同处都是用很简单的仪器设备，发现了非常基本、重要的科学概念，获得了重在科学发现，使留在人们头脑中的长期的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界有了更清晰的认识。另外，他所提出的理想实验方法，在近代科学研究中更是起了非常重要的作用。伽利略被后人称为“近代科学之父”。

伽利略认为匀速率运动也是惯性运动，并进一步提出行星正是由于按圆周轨道作匀速率运动，才能永恒地运转，这些看法并不正确。1644年笛卡儿（1596——1650）在《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足，他明确指出，除非物体受到外力作用，物体将永远保持其静止或直线运动状态，也就是惯性运动物体不会使自己趋向曲线运动。他掌握了运动第一定律和第二定律，但没有把他们概括出来（这一不是与牛顿做的）。并且领悟到了离心力，做出了动量的正确定义。

在这一时期，光学、电磁学也有一定的发展。这个时期是一个伟大的试验以及理论活动的时期，虽然伽利略的命运给科学破了冷水，但宗教改革对科学进展的影响却是非常有利的。资本主义生产促进了技术与科学的发展，形成了比较完整的经典物理学体系。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的方法，被引进物理学中，导致了17世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。

牛顿《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。牛顿在这里不仅讲了他研究的目的，实际上还讲了他研究的方法，即从特殊（的现象）到一般（的规律，如自然界的力），再从一般回到特殊。前者被英国哲学家培根强调，称为归纳法，它是以实验为基础的。后者被数学家间哲学家笛卡尔所强调，称为演绎法，它必须依靠数学作为工具。在牛顿以前，一般认为归纳法和演绎法是两种互相排斥的方法。牛顿在科学方法上的重大贡献就是将两种方法结合起来。他用自己的一系列重大成果表明：就科学研究全过程而言，这两种方法是相辅相成不可或缺的。而他的所谓哲学是一种有综合性的统一认识，并不是中世纪哲学那种学院式的空谈了。

实际上，惯性定律的确立，首先应归功于伽利略和笛卡尔，牛顿是继承了他们的思想，把惯性定律作为运动第一定律提出，并提出质量是描述物体惯性大小的量。牛顿的功绩主要在于确立第二和第三定律，而他之所以能做到这一点，又同他对另一自然界的基本定律——万有引力定律——的发现密切的联系在一起。运动第二定律是因万有引力定律的需要才发现的。同样为了比较准确地研究一个天体受的力与云空的关系，必须分析许多有关天体的作用力，这就产生作用于反作用问题，为此牛顿提出了第三定律，这是牛顿重大的创造性贡献。

开普勒三定律的发现已经强烈地暗示在太阳与行星之间，存在着一种随距离增在而减小的引力。另一方向，伽利略也断定：地面上物体加速下坠是由于地球对物体有引力。牛顿则进了一大步，把天上和人间两类现象统一起来，断方言任何两物体之间都存在一种吸引力，这就是万有引力。

经典物理中的系统是最简单的系统，系统内只有少量物体，虽有相互作用，但是只要初始条件定了，规律是一定的，结果就确定了。而结果的正确性又

是试验可以验证的。这一阶段的物理学又提出了简洁、和谐等思想，这在研究天体运动等方面也取得了成功。但是近代物理所提供的却是另一幅景象。

二、近代物理中丰富的哲学思想

在18世纪，物理学的发展出现了与前面相反的情况，物理思辨和少收试验的限制和支配。这一时期没有出现伟大的实验物理学家。数学和数理天文学在18世纪由于伯努利、欧拉、达朗贝尔、拉格朗日、拉普拉斯等人的重要研究而丰富起来。物理研究以科学的唯物论为特征的。那时，人们还不知道能量的概念。力是物质的性质。这个世纪企图以假定“不可称量物”的存在来解释物理学和化学中的隐秘现象。最老的不可称量物质是热质，许多科学家的心目中固守着热是一种物质，并且一直坚持到19世纪中叶。认为热是物质的这种学说的最早的渊源可在古希腊的德谟克利特和伊壁鸠鲁的著作中找到，在近代，又受到了伽桑狄的支持。

19世纪实验开始上升为物理学的重要方法，实验物理学的数学化成了19世纪物理学的特点。19世纪的物理学，在1850年左右，当时物理学的最重大的根基已经明确了：物理现象都可以用一种统一的框架来解释，即以力学解释为原理的出发点，通过数学描述对物理现象作模拟并导出描述现象的数学方程式，再冠之以普遍的定律——能量守恒定律。有了经典力学的支持，加之能量守恒定律的建立，人们对力和能量的认识已经达到了一个较高的高度。可是，当物理学家们试图完善这种以力学为主体的物理体系，并期望依赖这种体系解释自然规律的时候，困难和矛盾出人意料的发生了。在物理学的思辨方面，19世纪推翻了前100年的最重要的学说，并在17世纪奠定的基础上大大作了更新。光的发射说让位给波动说，被称为热质的物质被搁在一边，并确立了热是由于分子的运动的事实。摒弃了由电的单流或双流说的倡导者所假定存在的不可称量的物质，而用某些情况下光以太中存在着脉动和协变来解释电和磁现象。物理学的两大分支光学和电磁学实际上合成为一个分支。18世纪还不知道的能的概念被引入了。辐射能已发展成为重要的课题。物理学在这100年期间做出了不可思议的进展，在这个世纪，化学家用他的天平建立了质量守恒定律，物理学家大胆鲜明的提出了无所不包的能量守恒定律。

迈尔是明确提出“无不能生有”，“有不能变无”的能量守恒与转化思想的第一人。而这理论正是建立热力学第一定律的基础。焦耳精心严谨地进行了热功当量测定等一系列实验，奠定了热力学第一定律的实验基础，得到了人们的认同。亥姆霍兹将能量守恒定律第一次以数学形式提出来。统计物理中系统概念的进一步明确，不仅引出了宏观量、微观量的概念，也引出了后来被哲学广泛引用的平衡态、涨落现象、开放性、耗散结构和混沌现象等等。从物理角度看，决定论不再起作用了，代替它的是耦合作用，即统计分析，而统计肯定是有涨落的。

电在理论上和实践上的发胀是如此迅速，以至于19世纪被称为是电的世纪。19世纪初，科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。与这种传统观念相反，丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想，坚信电与磁之间有着某种联系。经过多年的研究，他终于在1820年发现电流的磁效应：当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。