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1、1物理学危机的产生及其实质内容提要 本文在考察了物理学危机的产生及物理学家对危机反应的基础上，着重论述了物理学危机的实质。作者认为，物理学危机主要是物理学本身的危机，物理学危机在哲学上的表现则是由物理学本身的危机派生出来的，而且，哲学方面的危机也主要是机械唯物主义的危机。一、物理学危机的产生自 1687 年牛顿的集大成著作自然哲学的数学原理出版以来，物理学此后两百年间基本上是在牛顿力学的理论框架内发展起来的。到十九世纪后期，已经形成了经典物理学的严整理论体系，几乎能说明所有已知的物理现象。当时，囿于机械论自然观的物理学家普遍认为，一切物理现象都能够从力学的角度来说明，未来的物理学真理将不得不在
2、小数点后第六位中去寻找。正当物理学家怡然自得、盲目乐观之时，一些实验事实却在他们心头暗暗地投下了阴影。1887 年迈克耳孙和莫雷通过精密的实验，发现在地球和以太之间并没有显著的相对运动，从而动摇了较为流行的菲涅耳的静止以太说。但是，静止以太说不仅为电磁理论所要求，而且也受到早先的光行差现象和斐索实验的支持。这样，作为光现象和电磁现象传播媒质的以太这一力学模型在性质上就难以自圆其说，光学和电磁学的力学基础于是面临着某种危险。经典理论所无法解释的新的实验事实，即所谓的“反常现象”接踵而来，气体比热的实验结果也与能量均分定理发生了尖锐的冲突。十九世纪中叶，玻耳兹曼和麦克斯韦提出的能量均分定理能够解释
3、许多现象，对于常温下的一般固体和单原子气体的比热，也能给出比较满意的答案。但是对于双原子和多原子气体，实测的定2压热容量与定容热容量之比显著地大于理论计算值。开耳芬 1900 年 4 月 27 日在英国皇家学会的讲演中，曾称上述两个疑难为“在热和光的动力理论上空的十九世纪的乌云” 。开耳芬毕竟把物理学的天空看得过于晴朗了。其实，当时物理学的天空并非只有“两朵乌云”，早在他讲演之前，就已经是“黑云压城城欲摧”， “山雨欲来风满楼”了!事实上，在十九世纪末，光电效应、黑体辐射，原子光谱等实验事实也接二连三地和经典物理学理论发生了严重的对立。物理学危机可以说是从 1895 年之后真正开始的。特别是由
4、于放射性的发现和研究，有力地冲击了原子不可分、质量不可变的传统物质观念。就连那些顽固坚持旧观点的人，也无法反对大量确凿的实验证据，至多只能抱一种走着瞧的态度。1895 年 11 月 8 日到 12 月 28 日，伦琴在德国维尔茨堡大学实验室研究阴极射线时发现了 X 射线。伦琴的发现不仅引起了惊讶，而且产生了轰动，它打开了一个奇妙的新世界。随后，铀放射性(1896 年)、电子(1897 年)、放射性元素钋和镭(1898年)等一系列冲击经典物理学理论基础的新发现纷至沓来。在此基础上，卢瑟福和索迪于 1902 年提出了元素嬗变理论。这一系列接踵而至的新发现不仅动摇了整个物理学的基础，而且也震撼了两百
5、多年来在自然科学领域占统治地位的机械自然观，于是出现了所谓的物理学危机。面对着无法纳入力学理论框架的新事物，当时在一些科学家中间曾流行着诸如“物质消失了”， “科学破产了”之类的奇谈怪论。这一切，在物理学界造成了一定的思想混乱，进一步加深了物理学危机的严重性。二、物理学家对危机的反应在世纪之交，物理学家是怎样看待物理学危机的呢?3当时，物理学家一开始都没有觉察到物理学危机，至少是没有意识到危机的严重性。他们依然坚信经典力学的理论框架是整个理论物理学大厦赖以建立的基础，是所有其它科学分支赖以产生的根源。谁也没有想过，整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造。英国科学界元老开耳芬没有觉察到物理学危
6、机。他只是认为，物理学的发展不过是遇到了几个较为严重的困难而已，这些困难能够通过适当的方案逐一加以解决，而无须触动整个物理学的基础。因此他对于动摇这个基础的新实验和新理论往往持怀疑态度，甚至公开站出来反对。引起所谓“紫外灾难”的黑体辐射问题本来大大加剧了经典物理学的危机。可是，就连当时深深卷入这个问题的维恩、瑞利、洛伦兹等人都没有意识到这种危机。他们力图在经典理论的框架内解决难题，因而始终找不到正确的出路。甚至连量子论的创始人普朗克当时也没有认识到这种危机。因此，他的开创性的工作不是自觉的，而是被迫的。难怪普朗克在迈出了关键性的一步后便开始犹豫彷徨，他怀疑自己的推导可能有某种缺陷，竭力设法把量
7、子论与经典理论调和起来。至于维恩、瑞利，直到 1905 年都不同意量子概念，洛伦兹在 1908 年的罗马讲演中也表示难以接受普朗克的理论。在玻耳兹曼看来，实际上存在着一种危机，但它只是哲学危机，而物理学本身不存在危机。玻耳兹曼 1904 年在美国圣路易斯国际技术与科学会议的讲话中表示，问题在于哲学错误而不在于科学研究的不可矫正的缺点。物理学的迅猛发展清楚地表明，错误在于把研究某些普遍特征的问题，如因果性的本质、物质和力的概念等任务托付给哲学了，而“哲学在阐明这些问题时显然是无能为力的。 ” 玻耳兹曼认为，反对哲学的斗争是使物理学获得解放的首要条件，因而他十分激烈地进行了这一斗争。玻耳兹曼是一位
8、坚定的机械唯物主义者，他所反对的当然是一些唯心4主义的哲学流派。他之所以这样做，是因为无论在他生前或死后，以实证论为代表的唯心主义哲学思潮广为流行，许多人错误地认为物理学危机导致了科学的破产和唯物主义的失败，从而引起了一定的思想混乱。例如奥斯特瓦尔德就宣称，物理学的发展已经面临着危机。要消除这种危机，只能借助于物质消失的哲学见解，把实体的属性让给能量(即唯能论)。皮尔逊也声称， “当前的危机实际在于”， “人们把物质看做是物理学的基本概念， ”“现在似乎很显然，电必定比物质吏为根本。 ”皮尔逊由此得出唯心主义的结论：“渴求给每一个概念都赋予客观性，是完全没有必要的。” 这些一度时髦的哲学很容易
9、把物理学引入歧途，玻耳兹曼坚决反对它们是值得称道的。但是，他的作法没有、也不可能取得过大成效，因为作为他的战斗武器的机械唯物主义也正处于深刻的危机之中。而且，他又断然否认物理学本身存在危机，这就使他无法对症下药。因此玻耳兹曼虽然早先为经典物理学的发展做出了杰出的贡献，但是在世纪之交物理学大变革时期，他却看不到变革经典理论及其基础的必要性和紧迫性，未能对已经出现的物理学革命的形势提出有预见性的见解。1905 年之前，爱因斯坦还是一个默默无闻的年轻人，他不可能有多少言论和文章公诸于世。但是，从他后来的追忆以及别人所写的有关材料中，我们可以清楚地看到，爱因斯坦在世纪之交对物理学危机具有深邃的洞察和独
10、到的见解。在前人的实验和研究工作的基础上，爱因斯坦看到物理学危机表现在两个基本方面。其一是力学和电动力学两种理论体系之间严重不协调。在这方面，他认为消除危机的出路是：摆脱居统治地位的教条式的顽固，摈弃绝对空间和绝对时间观念，就能为整个物理学找到一个可靠的新基础。其二是由于普朗克对热辐射的研究而突然使人意识到危机的严重性。这就好像地基从下面给挖掉了，无论在什么地方也看不到能够进行建筑的坚实基础了。值得注意的是，爱因斯坦透过一些实验事实与旧5理论的矛盾，进一步察觉到经典物理学理论基础，即其基本概念和基本原理的危机。因此，他渐渐对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了；他确信
11、，只有发现一个普遍的形式原理，才能使我们得到可靠的结果。由于爱因斯坦对物理学危机和摆脱危机的出路具有真知灼见，因此他能够以破竹之势，于 1905 年一举在上述两方面取得划时代的突破，全面打开了物理学革命的新局面，使物理学有可能消除危机。在当时科学界的知名人士当中，对物理学发展形势看得最为清楚的是法国数学家、物理学家和天文学家昂利彭加勒。他在 1905 年出版的科学的价值中，第一个明确地提出了物理学危机，并对它进行了比较全面的分析和论述。彭加勒认为，物理学危机是新的实验发现与经典物理学的基本原理发生了无法调和的矛盾。危机是好事而不是坏事，它预示着一种行将到来的变革(彭加勒把镭誉为“当代伟大的革命
12、家”)，是物理学进入新阶段的前兆。他正确地指出，要摆脱危机，就要在新实验事实的基础上重新改造物理学，使力学让位于一个更为广泛的概念。他一再肯定经典理论的固有价值，尖锐地批判了“科学破产”的错误论点。他还预见到了新力学的大致图景，对科学的前途满怀信心。鉴于作者对彭加勒关于物理学危机的基本观点已有专文讨论 ，此处不拟赘述。三、物理学危机的实质尽管彭加勒在科学的价值中专用一章(第八章：物理学当前的危机)详尽地论述了物理学危机，但是他主要是从物理学的角度看待这个问题的，他没有彻底地从认识论的角度加以发挥，正如列宁所说， “他对这个问题的哲学方面没有多大兴趣”。可是，法国的哲学问题著作家莱伊在现代物理学
13、家的物理学理论(1907 年)一书中非常详细地论述了这一方面。在谈到物理学危机的实质究竟是什么时，莱伊说，6在十九世纪前六十年中，物理学家在一切根本问题上是彼此一致的。他们相信对自然界的纯粹力学的解释，他们认为物理学无非是比较复杂的力学，即分子力学。他们只是在把物理学归结为力学的方法问题上，在机械论的细节问题上有分歧。现在，物理化学的科学展示给我们的景况看来是完全相反的。严重的分歧代替了从前的一致，而且这种分歧不是在细节上，而是在基本的、主导的思想上。一方面，莱伊指出，物理学危机是“新的大发现所引起的典型的发育上的危机， ”“危机会引起物理学的改革(没有这点就不会有进化和进步)”， “从而新的
14、时期就开始了。 ”“在若干年后观察事件的历史家，会很容易地在现代人只看到冲突、矛盾、分裂成各种学派的地方，看到一种不断的进化。看来，物理学近年来所经历的危机也是属于这类情况的(不管哲学的批判根据这个危机做出什么结论)。 ”另一方面，莱伊又指出， “对传统机械论所作的批判破坏了机械论的这个本体论实在性的前提。在这种批判的基础上，确立了对物理学的一种哲学的看法。 ”“依据这种看法，科学不过是符号的公式，是作记号的方法。 ”(转引自文献5，第 259262，311312 页，以下引用该书只注页码)列宁在分析了物理学危机和莱伊的有关评论后强调指出：“观代物理学危机的实质就是：旧定律和基本原理被推翻，意
15、识之外的客观实在被抛弃，这就是说，唯物主义被唯心主义和不可知论代替了。 ”(第 264 页)对于物理学危机的实质的看法，目前存在着两种不同的见解。第一种见解认为，列宁强调了危机的两个方面，即物理学方面和哲学方面。例如，有人说，这两方面在于：第一，这是旧概念、理论、原则等等与物理学的最新发现相矛盾；第二，这否定了在意识之外存在着客观实在。有人虽然也认为，物理学危机是物理学理论的变革和做出唯心主义认识论的结论相结合所造成的，但是却强调，关键在于做出唯心主义的结论所造成的。第二种见解则断然认为，物理学根本不存在什么危机问7题。例如，有人说：“危机”不是发生在物理学问题上，而是发生在哲学认识论问题上。
16、有人说：危机并不是由自然科学本身引起的，而是唯心主义和不可知论侵入了自然科学领域的结果。第二种见解显然是错误的。首先，它完全违背前述的物理学发展的历史事实，这是最根本的一点。事实上，物理学危机是物理学本身发展过程中出现的一种必然现象，它是新的革命性的发现与旧的基本概念和基本原理发生了尖锐的、不可调和的矛盾的结果，而不是唯心主义和不可知论侵入自然科学领域的结果。要知道，物理学不仅在它的孕育时期，而且从它诞生的第一天起就遭到过唯心主义和不可知论的侵袭(甚至还没有摆脱神学观念)，此后也无时无刻不受到侵袭，但是物理学并没有老是处于危机状态。可见，唯心主义和不可知论侵入物理学并不是物理学危机产生的根本原因。 其次，科学发展的“危机革命”观(恕我用此名词代表彭加勒等人的科学发展观)是符合某些科学部门在某个历史时期的发展实际的。最早提出物理学危机的彭加勒就依据历史事实认为，当前的物理学危机是物理学本身的危机，其实质是新的实验事实与经典物理学的基本原理(卡诺原理、相对性原理、牛顿原理、拉瓦锡原理、迈尔原理)发生了尖锐的矛盾，这些矛盾是在旧理论框架内无法解决的。彭加
