实在论与电磁场理论，本文主要内容关键词为：实在论论文,电磁场论文,理论论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
历来的哲学家们对于科学理论常常抱着实在论和反实在论两种绝然不同的观念。在历史上，实在论和反实在论都演变出多种不同的形态，但其核心问题始终是：成熟科学的理论术语是否有所指称，或曰在真实世界中是否有它的对应物？近几十年来，在国际科学哲学界，实在论与反实在论又成了一个热门话题，它在近年来的国内科学哲学界也激起了一圈圈的涟漪。其实，自然科学家们在他们的工作中也常常不得不思考这些问题。
麦克斯韦在他构建著名的电磁场理论的过程中，对于他所构建的理论是否为实在之摹写的问题上，曾作过摇摆不定的反复思考。考察麦克斯韦伴随着构建电磁场理论将近二十年的关于实在论的思考，将会有许多启发。
一
从一定意义上，“场”的观念和电磁场理论的提出，可以看作是科学史上的一场革命。因为“场”的观念和电磁场理论的提出，意味着为自然界描绘了一幅完全不同于牛顿以来的机械论科学所描绘的那种图景。由此，自然科学，尤其是物理学的理论对于自然界的本体论承诺发生了深刻的变化。但是，对于这场理论变革中关于本体论承诺的变化，究竟应作实在论的理解（例如，按19世纪以前较古典的观念，认为理论是实在之摹写）？还是应当作工具论的理解（例如，认为理论只是为了“拯救现象”）？电磁场理论的创建者们曾为此进行了反复而又摇摆不定的苦心思考。
“场”的观念最初是由法拉第(Michael Faraday 1791-1867)提出来的。为了从理论上说明产生感应电动势的原因，法拉第提出了“力线”的观念，这个观念为阐明电磁领域中一系列定律和现象提供了一幅物理图象。这个图象不但能自然地解释静电或静磁的吸引和排斥，而且还能很自然地解释电流的磁效应。而当要解释电磁感应定律时，他又把回路中所产生的感应电动势与通过回路的磁力线数目的变化联系起来，认为后者正是前者的原因，强调“形成电流的力正比于所切割的磁力线数”。法拉第的这些观念虽然都还比较朴素，而且在很大程度上只是定性的，但它在物理学史上却标志着一个革命性观念的产生。
法拉第关于电磁场的创造性想象不但描绘了一幅不同于机械论的新的物理自然图景，而且还据此设想出电和磁的传播都是以波动方式进行的，并且还是一种“横振动”（横波）。他对电和磁的理论的设想是“打算去掉以太，而不是去掉振动”。[2]法拉第的这些观念为后来麦克斯韦创建他的电磁场理论提供了方法和观念的基础。
法拉第本人比较倾向于认为他所说的力线和场，乃是一种真实的、物理的实在，他强调“磁力线”和“电力线”都是“物理的力线”，他用磁棒作用下铁屑所显示的图案来证明这种力线乃是客观地存在的。所以，他虽然仍相当谨慎地把他的力线或场的学说称之为“假说”，但是他同时也强调：“我倾向于这种想法，磁力线相应于它们的类似物——电力线而物理地存在着”。尽管法拉第后来曾承认：“在引力方面，我们察觉不出存在有足以支持独立的或物理的力线的效应；我们迄今知道的是，引力线只是一种表示力的方向的理想线”。([1]，p.527)但是，对于“物理的电力线是存在的”，([1]，p.529)“在磁体内外，物理力线确实存在”，([1]p.530)等观念却从不含糊。因为在法拉第看来，实验“确能证实真正物理线的存在”。([1]，p.527)
尽管法拉第本人非常强调“场”的实在性，但是，在当时，他的关于“场”的实在性的思想却很少有人接受。科学家们普遍地承认法拉第的“场”的观念是有用的，因为他们很快地认识到，法拉第的场和力线的观念，作为描述电、磁和引力等现象乃是一种十分简便而有效的方法。如果没有这些概念，要解释这些现象就要复杂得多而且常常难于解释。举例来说，如果引进“场”的观念，那就会很容易解释电、磁、引力的平方反比定律。至于在要解释电和磁相互作用的场合，那么这种“场”和“力线”的观念就更有用了。它不但清楚地表达了电流的磁效应，而且对于电磁感应定律也能清晰而简单地表述为“导体中产生出来的感应电动势与导线切割磁力线的速率成正比”。试想，如果没有力线和场的观念，要想表述这条定律将会是多么地困难。事实上，法拉第还曾用场和力线的观念有效地解释了电容器中绝缘介质的作用问题以及其他许多奇异的现象（如偏振面的磁致转动）。但是，对于19世纪的大多数科学家来说，即使他们抱着一种“实在论”的观点，那么他们也宁肯承认机械论的图景是实在的，而不愿意承认法拉第的“场”的图景是实在的。因为在当时，在广阔得多的范围内，机械论图景比场的图景有效得多，“似真”得多。当时的科学家们接受“场”和“力线”的观念，毋宁说仅仅是把它看作对于描述和解释现象来说，是一种方便而有效的方法，而并不把它看作是一种物理实在。至于另外还有一些科学家，则更是努力地要把法拉第的发现和场的观念重新纳入到机械论的框架之中，并且还取得了相当大的成功。例如，对法拉第的电磁感应定律，法拉第本人是用场的观念进行解释的，因而显然是近距作用的，同时，法拉第并未能对这个定律作出定量的数学形式的表达。法国物理学家诺伊曼(F.Neumann,1798-1895)和韦伯(W.Weber,1804-1890)则分别于1845和1846年各自把法拉第的电磁感应定律纳入到他们的超距作用的框架之中，并首次给出了法拉第电磁感应定律的数学表达式。这在电磁理论的发展史上无疑是个杰出的贡献。诺伊曼和韦伯的工作曾经为麦克斯韦建立电磁场理论提供了重要的基础。但是，这些科学家想要把电磁理论完全纳入机械论框架的努力，并未达到完全的成功。因为他们在把电磁相互作用纳入超距作用观念的同时，却又要引出电荷间作用力的大小与它们相互间速度有关的结论，而这显然也是与机械论框架相矛盾的。
二
麦克斯韦关于电磁理论的研究工作，最初也是想把法拉第的观念纳入到机械论的框架之中。他曾高度评价了韦伯和诺伊曼的工作，认为“韦伯和诺伊曼两先生发挥的这种理论，极其巧妙，其应用范围，也特别广阔，所有静电现象、电磁吸引现象、电流感应现象和抗磁现象，都包括在内。这种理论对于我们是更有权威性的”。([1]，p.550)但是，麦克斯韦不满意韦伯和诺伊曼的那种与机械论相矛盾的不和谐的结论。他指出：“然而，这种认为粒子在一定距离的作用力取决于它们速度的假定所牵涉到的力学上的困难，使我不敢认为它是最后的定论”。([1]，p.551)“所以，我宁可向另一方向去找这种事实的解释，那就是，认为这种事实是周围媒质以及受激物体所进行的作用产生出来的。这样，我们毋须假定那能在相当距离起直接作用的力存在，就可说明远距离物体之间所起的作用了”。([1]，p.551)所以，麦克斯韦宁肯回到法拉第的近距作用的观念，而丢弃韦伯和诺伊曼的超距作用的理论。但是，他的目标却仍然是要把法拉第的观念纳入到机械论的框架中。
但是麦克斯韦对于他自己所力图构建起来的建立在力学模型基础上的电磁理论，究竟是一种仅仅作为说明现象之方法的“数学理论”，还是作为物理实在之摹写的“物理理论”，看法是长期摇摆不定的。最后他采取了应作为“数学理论”的态度。
麦克斯韦所说的“数学理论”和“物理理论”究竟是什么意思？这涉及到科学史上历来就有的两种哲学传统，即“拯救现象”的传统和“实在论”的传统。当麦克斯韦说他所要构建的电磁理论是“数学理论”时，他是倾向于认为他的理论只是“由此可以计算出结果”的拯救现象的工具，在哲学上倾向于工具论；当他说他所构建的理论是“物理理论”时，他倾向于认为他的电磁理论是力求揭示自然界物理实在的真实机制的理论，是物理实在之摹写，在哲学上倾向于实在论。
当麦克斯韦开始他的电磁场理论研究并发表他的《论法拉第力线》(1855-1856)一文时，他面临着这样的抉择：究竟是发展一种形式化的数学理论呢，还是去创建一种新的物理假说？他认为：“在第一种情况下，我们完全不可能从形式中获得对现象的解释性说明，……尽管我们能从给出的定律中算出结果来”。([2]，p.3)而物理假说则能以某种先入之见来促进理论。与牛顿一样，按照盖米努斯以来对“物理”一词的传统用法，在麦克斯韦看来，物理理论也就是能揭示出物理上真实实在的理论。但麦克斯韦强调地指出，他并没有把“在那个我们几乎没有进行一次实验的科学领域中，建立某种物理理论”作为自己的目标。认为他的任务仅仅是对“法拉第的思想和方法”赋予某种数学的形式。在《论法拉第力线》一文中他强调：“在这个概述中，我用数学观点研究了法拉第的电理论，把自己的任务仅仅局限于发展下述方法，照我的看法，用这种方法能更好地概括所有的电现象，并能做可行的计算”。为了能用数学形式来表达法拉第的思想和方法，他把电磁场与不可压缩的流体进行类比，以便获得某种力学的模型。从《论法拉第力线》一文来看，麦克斯韦从一开始就十分自觉地要为电磁场理论构建某种力学的模型。“我希望找到这种方法，对于电紧张状态，用这种方法能得到某种可导致普遍结论的力学模型来”。([2]，p.3)麦克斯韦确实通过与不可压缩流体的类比，而构建起了力学模型，并由此得到了一些关于电磁理论的普遍性结论；他借助于流体力学的类比，建立了一组方程，麦克斯韦把它们称作是关于“电紧张状态”的六条定律。这些成果成了他往后建立更系统的电磁场理论的重要基础。但是，在《论法拉第力线》一文中，麦克斯韦尽管非常自觉地要为电磁场理论构造力学模型，但他并不认为这种力学模型是对客体的真实写照；他认为把电磁场看作某种不可压缩的流体，这只是为了帮助理解电磁场而提供的某种图解或例证。至于对这种所假想的液体是否为某种真实的液体，他是毫不介意的，他甚至强调指出：“这里所讲的客体除了能运动和抵抗压缩外，不具有真实液体的其它的性质”。[2]正是从这个意义上，他认为他的任务并不是建立某种“物理理论”。
如果说在《论法拉第力线》一文中，麦克斯韦认为他的目标不是建立“物理理论”，强调他所设想的力学模型并不代表电磁场的真实机制，那末，他在1861-1862年间连续发表的论文《论物理力线》中则有了明显不同的倾向。他开始强调法拉第的“力线”乃是一种物理的存在，而不止是一种描述现象的方法。他同样像法拉第那样用铁屑在磁铁附近的分布图象来作证。认为 这个分布图象“使我们自然地把力线看作是现实的、比两个仅仅作为最后结果的力能表示更多内容的某种东西。……我们不排除下述想法，在我们发现力线的那些点上，应有某种物理状态或效应存在，这些状态或效应有足够的能量，以激发出所提到的现象”。[2]因此，在这篇论文中，他开始强调他的目标是：“我现在希望从力学的角度来考察磁现象，研究究竟是介质的何种张力或 运动激发出了所观察到的现象”[2]也就是说，他的目标是要揭示出现象背后的真实的、客观实在的机制。在这篇论文里，麦克斯韦进一步引进了分子涡漩的概念来精细地构建他的力学模型。在《论法拉第力线》一文中，他还只是把磁的作用与流体运动作某种简单的类比，把磁体看作是一类吸管，在一端吸入流体以太，在另一端放出流体以太，以便能够把流体力学理论用来研究电磁场。现在他则不满意于这种粗陋的类比；新的更为精细的分子涡漩假设成了这篇论文的核心。此外，他还借助于他所精通的机械学知识，拿带有惰轮的齿轮系统作类比而设想出了电磁作用的微观动力学机制。在他看来，这就是电流产生磁力线的机制。麦克斯韦这种机械论的努力，确实取得了巨大的成就。从这种力学模型出发，他不但建立了已知的“全部电科学主要现象之间的联系”，更令人吃惊的是：一方面，他从这个力学机制中初步得出了“位移电流”的概念，而这个概念对于他最终完成电磁理论起着十分关键的作用；另一方面，与这个力学模型相联系，麦克斯韦根据他对涡漩媒质的弹性结构的特殊假设，导出了电磁波是横波，并且其传播速度为光速的结论。进一步，他又把光和电磁波联系起来，强调地指出：“我们不可避免地推论，光是媒质中起源于电磁现象的横波”。[4]当然，麦克斯韦的这个力学模型，实际上还是相当繁琐和牵强的，因而受到了包括彭加勒(T.H.Poincare)和迪昂(Pierre Duhem)在内的许多著名科学家的批评。麦克斯韦自己也不得不承认：想要用这个模型来解释物理现象“是有很大困难的，不能说这种困难现在已经克服了”。这终于又导致了他后来的思想观念的又一次转变。
如果说在《论物理的力线》一文中，麦克斯韦曾倾心于构造电磁场的力学模型并强调它的物理实在性的话，那么，在往后的论文中，他的观念又发生了重要的变化。在其电磁场理论的公认的奠基性著作《电磁场的动力学理论》(1865)一文中，麦克斯韦虽然仍提到，为了研究电磁现象，需要导入某种“复杂的机械结构”，“这样一种机械结构一定是受动力学的一般定律所支配的”。但是实际上他却已不再拘泥于力学的模型。在具体地讨论电磁场理论的时候，他避开力学模型而径直地引进如“电磁矩”、“电磁动量”、“电弹性”、“电磁惯量”等概念；这些概念虽然还保留着力学概念的痕迹，但麦克斯韦已经明白，力学的形式与他的电磁理论的内容并不符合，力学概念与他的电磁概念也并不一致。例如，他强调，电磁惯性与力学上的惯性是不同的，电磁惯性与导体的形状和周围的介质有关。反过来，他又回到当初的观念，强调他所给出的力学模型只是为了帮助理解电磁现象而提供的图解性的说明和类比。在此文中他指出：“在前一工作（指《论物理的力线》——林注）中，我曾试图描述一种特殊的运动和一种特殊的应力，用以解释现象。在本文中，我避免任何此类假设，而使用诸如关于电流感应和介质极化这些熟知现象的电动量和电弹性这样一些词汇，我仅希望指点读者想到一些力学现象，它们将帮助读者理解电现象。本文所有这些用语都应看作是说明性的，而不是解释性的”。[4]《电磁场的动力学理论》被看作是麦克斯韦建立他的电磁场理论的经典性的成熟之作。在那里，他已经建立起了电磁场的普遍方程组，它与我们今天所熟悉的麦克斯韦方程组形式已经相当接近，这是一组包含有20个变量的由20个方程所组成的完备的方程组。麦克斯韦从这组方程中不但证明了电磁场扰动以波的形式传播，在空气中电磁波的传播速度等于光速，而且证明了电磁波只能以横波形式存在，进而还作出了光是一种电磁波的结论。
麦克斯韦于1873年出版的经典巨著《电磁学通论》是他关于电磁学研究的集大成。在那里，他进一步沿着《电磁场的动力学理论》一文中所表明的思想转变，重新强调他的理论是对法拉第方法的数学表述。认为尽管他的理论也可称作电的动力学理论，但是电与动力学的联系只具有外在的、形式的特点，即数学模型上的特点。在《通论》一书中，麦克斯韦不但详细地建立了光的电磁理论，而且还进一步作出了光压的预言。麦克斯韦的伟大理论不但得到了赫兹、列别捷夫等人所作出的许多新实验的支持，而且还开创了19世纪末、20世纪初以来的技术新时代。由于在麦克斯韦的最终形式的理论中，实际上并不求助于机械论的力学模型，因此，麦克斯韦实际上已经提出了一种以近距作用为其特点的、无需力学模型作基础的，因而也可摆脱“以太悖论”的不同于机械论的，新的描述自然的图景。为此，遭到了坚持只有机械论才是自然界实在图景的凯尔文勋爵的非难。但是，电磁场理论毕竟把物理科学大大地推向前进了。
三
麦克斯韦在建立电磁场理论的过程中，围绕着对科学理论（具体地说是电磁场理论）是否应作实在论理解的问题进行了反反复复的思考。它给我们以一些什么样的启示呢？
一、尽管科学家们常常不得不思考，科学理论究竟是实在之摹写抑或仅仅是为了“拯救现象”的说明工具，但是，科学家们采取这种实在论的或反实在论的立场，对于他们实际创造理论的科学研究工作来说，并未发生什么严重的影响。尽管麦克斯韦在将近20年的时间里在实在论与非实在论（工具论）之间摇摇摆摆，但在同一时期里，他在电磁场理论的构建方面却是不断地获得巨大的进展。因为对于构建理论来说，不管是实在论也好，“拯救现象”的工具论也好，在以下这个意义上是相同的：它们都要求所构建的理论与现象相符合。两者之间可能仅仅在这一点上是不等价的：实在论者由于把历史上成功的理论看作是对自然界之实在的逼近或真实的摹写，因而往往比较容易固守原有的理论，特别是在科学革命的时期，他们常常表现出较强烈的保守倾向；而拯救现象论者则不受此类观念的束缚，只要一个新理论在“拯救现象”上表现出优于其他理论（如新理论在与经验相一致以及理论的自洽性和逻辑简单性等方面优于其他理论），他们就会乐于接受新理论而放弃旧理论。在19世纪末、20世纪初的物理学革命中，也曾明显地表现出了这种状况。所以，从这个意义上说，工具论的科学观也许比实在论的科学观更有利于科学的进步。
二、科学理论往往具有极强的预见性，并可运用于技术发明，而那些技术发明已表明是极其有效的。例如，麦克斯韦理论不但预言了赫兹和列别捷夫的实验结果，而且指导了无线电广播、雷达、电视的发明，而这些发明都表现出十分有效和成功，因而对科学理论作实在论的解释往往是十分诱人的。因为实在论在达到了与工具论相同的结论——理论应当“拯救现象”——以后，企图“深入”一步，通过“证明”理论乃是实在之摹写，或本体符合论意义上的“真理”或“近似真理”，来说明理论之所以往往有极强预见性的原因。但实在论的困难恰恰是在逻辑上的，他们永远无法证明他们想要“证明”的命题。在实际的“证明”中，他们实际上又是根据理论在解释和预言上的成功来“证明”理论的真理性（对实在之真实摹写意义下的“真理性”），然后又通过理论的真理性（作为实在之真实摹写）来说明理论为什么能在预言上有效或成功。众所周知，这是一个逻辑上无效的循环论证。逻辑还告诉我们，一个蕴涵式的后件为真并不能证明前件为真，因而一个理论在解释和预言上的成功并不能表明理论一定是真的或近似为真的。当然，一个命题不能被证明并不等于这个命题一定是错的，从这个意义上，逻辑上并没有表明实在论是错的，充其量只表明了它是缺乏根据的。可是，问题还在于实在论无法解释科学历史所表明的某些基本现象，而且与这些基本现象相矛盾。([6]，第15～16页）
三、实在论的一个核心观念是：成熟科学的理论术语典型地有所指称，即在实在世界中有某种实体或关系是它的对应物。法拉第和麦克斯韦正是围绕着实在论的这个核心观念进行了苦心思索。法拉第经过苦心思索，终于通过铁屑图象的启示而断定“磁力线”和“电力线”都是“确实存在”的，相应地，“磁场”和“电场”也都是“确实存在”的，仅仅对于“引力线”的物理存在持有保留的态度，认为“我们迄今知道的是，引力线只是一种表示力的方向的理想线”。麦克斯韦最初在这个问题上比较谨慎，但后来却也象法拉第那样，以铁屑图象为证据断言“电力线”和“磁力线”都是物理的力线，因而都是确实在那里的。相应地认为他所说的“电磁场”以及他用以解释电磁现象而设想的力学机构也是确实在那里的。但是经过进一步的苦心思索，他却又明白，“电力线”、“磁力线”、“电磁场”以及他用以解释电磁现象的“以太管”或“分子涡漩”的力学模型，比起“引力线”来并没有什么特殊的优越地位，它们都仅仅是一些涉及“不可观察物”的理论术语，这些“不可观察物”都是我们理论思维的产物，“证据”（如铁屑图象）的存在并不足以证明它们的实际存在；我们通过发挥丰富的想象力把它们创造出来，以构建理论，仅仅是为了由此就可以解释现象（包括铁屑图象……等等）。但为了解释那些现象，原则上是可以通过引进不同的“理论实体”或理论模型的。麦克斯韦在构建他的电磁场理论的过程中，就曾经不断地引进先后不同的理论实体，或不断地修改他的想象中的理论模型。而今天的科学中，科学家们却已早就抛弃了他所构建的力学模型，尽管这些力学模型在麦克斯韦构建他的电磁场理论过程中曾经起过无比巨大的作用。人们可能会说，麦克斯韦的理论当初还不成熟，所以他所构建的“理论实体”或模型不一定有实在的对应物，然而今天的科学已大大地成熟起来了。对此，我们当然有理由反问：什么叫“成熟”的科学呢？如果麦克斯韦当年所创造的电磁场理论还不是成熟的科学，那么，一百年以后，我们的后辈不也同样会认为我们今天的所有科学都是不成熟的吗？在这个意义上，将永远不会有成熟的科学。既如此，那么实在论主张“成熟科学的理论术语典型地有所指称”还有什么意义呢？
四、有一种最粗陋的实在论，认为真理只有一个，同时认为科学理论的真理性只能由实验观察来予以检验。但是，无论从实际上和逻辑上都表明，对于同一组经验事实，总可以构建出数量上不受限制的多种理论与之相适应。如果科学理论的真假只能由实验观察事实来检验，那么能够与同样的实验观察事实相一致的理论肯定可以有多种（更何况当理论与观察出现某种不一致时，还可以通过修改辅助假说的办法来予以调节，从而使之一致起来）。尽管在实际的科学工作中，要想建立一种好的、能够解释广泛经验事实的理论，乃是一项十分困难的工作，但无论从逻辑上或实际上，我们都必须承认，不管所要解释的经验事实的数量如何增加，都始终存在着建立多种理论与之相适应的可能性，而这些理论关于现象背后的实体和过程的假设却往往十分不同，甚至相互排斥。虽然实践的进一步检验（实验观察事实的检验）和运行中的理论评价机制将会不断淘汰其中的某些理论，然而却永远不会有这样的时候，即最终只能有唯一的一种理论能够解释那组经验事实的集合。既如此，那种“唯一真理”说，在实践检验这种可操作的意义上还会有什么可站得住脚的东西呢？所能剩下的，充其量不过是一种形而上学的空论罢了。
注释：
①我们今天所熟知的由四个方程所组成的麦克斯韦方程组是由英国工程师亥维赛(O.Heaviside)对原麦克斯韦方程组进行简化和改造而提出的。
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