物理学世界图景的变换及其比较，本文主要内容关键词为：图景论文,物理学论文,世界论文，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。
物理学作为人们理解自身所处环境的一种文化活动，它所提供的物理学世界图景在变换着，变换了的世界图景反过来又影响着人们的物理学研究活动。在物理学的发展史上，占主导地位的世界图景主要有亚里士多德物理学的世界图景、牛顿力学的世界图景、电磁理论的世界图景、相对论（这里指狭义相对论）的世界图景和量子物理世界图景等，本文沿着历史的线索考察这些世界图景的变换，并作比较分析。
一 物质组成观念的变化
1.物质构成观念发生的变化
对物质构成的问题，是一个既古老而又前沿的课题。每一次物理学世界图景变换后关于物质构成的观念都发生了变化。
在亚里士多德的物理学中，他把世界分为“月上区”和“月下区”，月上区是完满的圆周运动，由“以太”这种第五种元素组成。月下区是由土、水、气、火这四种元素之一部分或全部组成，每一种元素都有它的天然位置，土在宇宙的中心，即地心，土上是水，水上是气，最上的是火，月下的物体的自然运动就是要返回到它的天然位置。在牛顿力学的世界图景中，再也没有月上和月下之分，宇宙的物质都是由微粒组成，这些微粒具有广延性、不可入性和不变质量，微粒是在绝对时间和绝对空间中运动，微粒间有引力的作用。电磁场理论改变了牛顿宇宙的物质组成的独霸地位。由于认识了一种新的物质形式——场，①实物粒子和场都是物质存在形式，它们都是宇宙的物质组成。爱因斯坦说道：“按照法拉第的概念，除了质点及其运动以外，还有一种新的物理实在，那就是‘场’。”②相对论世界图景却改变了两种物质彼此独立的宇宙物质组成，在一定程度上统一了两种物质形式，通过质能关系揭示了质量和能量的统一，彼此独立再也没有绝对的意义。量子物理世界图景进一步改变了经典物理学的宇宙物质组成。在量子物理学中，粒子也有它的波动性，而场也有它的粒子性，它们都是波动性和粒子性的辩证统一，即波粒二象性，从而进一步统一了实物粒子和场这两种构成宇宙的物质形式。
2.上述变化的认识论分析
从以上我们看到，对于物质构成的观念从亚里士多德的四元素加以太，牛顿的粒子，电磁场理论发现的一种新物质——场，到相对论从质量和能量上的统一，量子物理又从实物粒子和波上加以统一，每一次物理学世界图景的变换对于物质构成的观念都发生了变化。引起这种观念的变化的因素是多方面的，今从认识论上加以讨论。对于物质构成的观念同时也包含实在的观念，我这里从科学实在论的角度加以分析。
在物理学哲学中对实在的讨论特别是相对论和量子物理诞生后已成为一个热点。有人将科学认识中的实在划分为三个层次。③这三个层次是：（1）自在实在，是指独立于人类的活动、 人类的意识而自在存在着的自然现象和自然规律，如人类出现之前的整个自然界、人类活动尚未触及到的领域，它是科学研究的潜在对象。（2）对象性实在， 是指纳入人的认识活动和实践活动之中并成为人的活动对象的实在，它是科学研究的现实对象，有两个特点：客观性和对象性（或人化性）。 （3）科学实在，是指经由人的实践活动和认识活动（包括感性认识和理性认识）而在科学理论中所描绘的实在，它有两个特点：对对象性实在的复制性和人的认识活动中的建构性（或创造性）。对这三个层次的划分并非是创设了三种不同的实在，而是同一实在在认识过程中的不同认识阶段的不同表现。
虽然任何一种科学认识活动都是基于科学认识主体固有的本体论承诺上的，在认识论意义上以科学方法为手段来进行的，但对于自在实在它是一种潜在的对象，不是现实的对象，或者说在现实的实践认识活动过程中，它是用不着的。对象性实在是认识的现实对象，正由于对象性实在是与人的实践活动分不开的，它必然具有人化特点。在这一点上，物理学中在相对论和量子物理诞生之前，人们一直没有认识到或忽略了，而只注意它的客观性一面。因此，相对论、量子物理之前，人们有意无意地坚持一种朴素实在论观点，把对象性实在等同于自在实在，也忽略了科学实在的建构性，把科学实在认为就是对自在实在完全正确或近似正确的描述。只有在相对论和量子物理之后，对象性实在才明显地显示出来，为人们所注意。相对论揭示了“事物的属性总是相对于具体的认识关系而言的，绝对同时性，不变长度，时间间距等不再成立，而由关系中体现出的属性仍保其客观性和共同性。洛克曾试图通过区分事物固有不变的第一性质和与人们感官有关的第二性质并把后者归结为前者，从而把事物的实在性建立在其不依赖于人也不依赖于其他事物的不变的性质的基础上，然而相对论否定了这种独立于其他物体的不变性，第一性质也相对化、关系化，表现在与其他物体的相互关系中。”④在量子物理中，“所谓的实体固有的第一性质正逐步丧失其基本性和绝对实在性——它的实在性及其形式依赖于人们的认识手段和方式，依赖于观测仪器、相关粒子及其环境，依赖于人们的数学、逻辑等概念工具。”⑤当然，在物理学发展过程中的不同时期，不管人们是否意识到，也不管人们持什么样的实在观，在认识过程中对象性实在总是存在的，它总是具有不同时期的人化特征。科学实在就是在对象性实在的基础上建构的，是在人的认识实践活动中由物理操作和心智操作而建构起来的，由于使用的语言符号系统及推理规则不同，进行的思维方式不同，对同一对象性实在也可能建构起不同的科学实在。因此，科学实在总有着创造性，包含着人的主观因素，在物理学中关于宇宙物质组成的观念也同样地包含着人的主观因素。所以，每一次物理学世界图景的变换，对于宇宙物质组成的观念完全可能变化。
二 宇宙结构观念的变化
1.宇宙结构观念发生的变化
由于物理学的特殊性，它的研究必然涉及到宇宙的结构问题，对于每一次物理学世界图景的变换来说，同时也改变了人们对宇宙结构的观念。
在亚里士多德的物理学中，亚里士多德坚信的是地心说，他是地心说的系统化者，认为宇宙是以不动的地球为中心的球体，月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和诸恒星依次按不同大小的轨道绕地球作圆周运动，其中月亮的轨道半径最小。每一个同心圆算一个天层，恒星天层之外的叫原动力天层。这样，地球之外共有九个天层。他假定神是宇宙万物各种原因的始点，神推动原动天后，运动经过恒星天层依次传下来。
牛顿力学世界图景改变了亚里士多德的宇宙结构图景。在牛顿力学体系中，牛顿坚信的是日心说，认为宇宙是由太阳、行星、卫星、彗星和恒星构成的完满体系：六个主要行星都在以太阳为中心的同心圆上绕太阳运转，运转的方向相同，并且几乎在同一个平面之内。十个卫星都在以地球、木星和土星为中心的同心圆上围绕这些行星运转；它们的运动方向相同，并且几乎在这些行星的轨道平面之内。
虽然在麦克斯韦时代人们对宇宙的认识超出了牛顿时代的太阳系，但就太阳系而言，由于牛顿信奉的是绝对空间，因此宇宙就是由天体和虚空组成，天体在虚空中运动。牛顿说道：“我们的感官通过绝对空间对其他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对于地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的。”⑥由于电磁场理论认识了一种新的物质——场，统一了光、电、磁，这样宇宙中除了天体外，还充满着场这种物质，虚空再也不存在，因而改变了牛顿的宇宙结构的观念。
在经典物理学中，信奉的是绝对时空，时间和空间是彼此独立的，因此在宇宙结构上，天体是在空间中分布，而天体的运动是在时间中进行。相对论世界图景由于否定了绝对时空，时间和空间再也不是彼此独立的，它们共同组成四维闵可夫斯基空间，从而也改变了经典物理学的宇宙结构的观念，变成了闵可夫斯基宇宙。在这个宇宙中，一个物理事件是一个点，一个物理事件的进程是一条线，即世界线。
在经典物理学的宇宙结构中，物体或天体是客观的，可分离的，然而量子物理世界图景却又改变了这一观念，量子物理的统计性、波粒二象性、测不准关系以及EPR实验等揭示出宇宙结构的整体性。 “测量结果必须与整个实验情势相联系，或者说，所得结果与仪器如何配置有关。这就必须得出：微观世界的量子实在不可分离地与宏观世界的组织捆绑在一起。换言之，部分如果离开与整体的关系就没有意义。这一意味深长的结论使原来那种宏观和微观整体和部分之间的古典关系彻底改变，它具有鲜明的整体论特点”，“世界，或者说物理实在是不可分离的和非定域的。概而言之，世界是一个不可分割的整体。……这个世界整体中的每个部分是普遍关联的，即使其间不存在物理相互作用。这种普遍关联可能是世界整体的一种存在方式。……相互联系着的每部分都是相对的、短暂的，处在普遍的相互作用和不断的转化之中；……任何一个事物必然以这样或那样的方式与其它事物相联系，或转变为其它事物，用卡普拉的话说：甚至‘每一个粒子都由所有其它粒子组成’！”⑦
2.上述变化的认识论分析
关于宇宙结构观念的改变原因是多方面的，我这里从认识论角度加以分析。世界图景实质上是人们企图从整体上来研究世界、来把握世界的结果。因此它必然要回答“宇宙的结构”是怎样的问题。宇宙结构从整体上描绘出世界图景的宏观画面，它表明了人们对物理世界的整体性理解。因此人们关于世界图景的变化，必然在宇宙结构观念方面的变化上表现出来。这就是宇宙结构观念变化的必然性。
其次，宇宙结构观念变化有其可能性。这是因为人们怎样从整体上看待世界，存在着许多不同的方法和角度。人们对宇宙结构的理解本身是认识论意义上的，由于人们的文化背景不同，对具体观察物理世界所得出的经验事实的理解不同，对科学理论成果把握的不同，等等，都会导致人们从不同的角度或不同的模型去陈述宇宙结构的观念。
三 看待物理对象方式的变化
1.世界图景的变换导致看待物理对象方式发生的变化
世界图景具有方法论的作用，人们总是通过他们所接受的一幅世界图景去观察对象、去解释现象。因此，每次世界图景的变换必然改变人们看待物理对象的方式。当用亚里士多德的物理学和牛顿力学看待他们所研究的对象时，我们发现两者所看待的是完全不同的，甚至相反的。如对自由落体运动，亚里士多德的物理学的解释是，物体都有它的天然位置，重的物体的天然位置在地心，所以它要下落是因为它要回到它的天然位置；而牛顿力学对此的解释是，物体由于受到地球的吸引力，在这个引力的吸引下物体要向地球运动。单摆的运动，对于亚里士多德学派的人来说，他相信，一个重物体是靠它自己的本性，从较高的位置运动到较低的位置上的一种自然静止状态。这个摆动的物体只不过降落有困难。它受到约束，只有在一段曲折的运动和一段相当长的时间以后，才能在它的低点上达到静止。而伽俐略观察这个摆动的物体时，却看到了一个摆，这个物体几乎是连续不断地重复同样的运动，一次又一次以至无穷。
在电磁领域中，从超距作用到场的接触作用，对一些现象会得出不同的结论。例如对于电荷之间的相互作用，在超距作用派看来，这是电荷之间力的作用，用了“力”这个概念，电荷之间就可以不需要任何物质，或者是一种虚空而可以产生瞬间的超距作用，但这在场的观点看来，电荷之间之所以发生作用，是因为电荷周围存在着“电场”，通过这种场和电荷接触传递两电荷之间的作用，这时它们之间不存在虚空，也不会是瞬时超距作用。同样，对于电流之间的相互作用，这在安培等人看来是电流元之间的相互作用，是不需要任何物质传递的瞬时超距作用，但这在场的观点看来，电流之间的相互作用是电流周围产生了一种“磁场”，通过这种场与电流的接触传递电流之间的作用，既在电流之间不存在虚空，也不是瞬时作用的。
在相对论世界图景中，如一个相对观察者运动的物体，这在牛顿力学看来，不论物体的运动速度有多大，物体的大小永远不会变化。但在相对论看来，物体沿运动方向上要缩短，而且随着物体的运动速度的增加，物体收缩得越短。又如相对观察者运动的物体上沿运动方向上不同地点同时发生的事件，在牛顿力学看来仍是同时发生的，但在相对论看来就不是同时发生的，同时性是相对的，再也没有绝对的意义。在牛顿力学中空间和时间是彼此独立的，但在相对论看来它们却不再是独立的，而是组成四维闵可夫斯基空间。
在量子物理世界图景中，对于像电子这样的所谓基本粒子，在经典物理学看来，它是牛顿意义上的微粒，有确定的位置、动量、能量及运动轨道等，而且这些量是可连续变化的。但这在量子物理学看来，电子再也不是经典微粒，它既有粒子性又有波动性，是波粒二象性，要用互补原理来说明，用来描述它的是波函数，根据测不准关系，位置和动量不再具有同时确定的精确值，而且描述它的物理量如动量、能量等物理量再也不是可连续变化的，而是一些分立的可能值。
2.上述变化的认识论分析
世界图景不仅要回答世界万物由什么实体组成，不仅要回答宇宙结构是什么样的，而且还要回答世界万物运动变化的原因是什么。对世界万物运动变化原因的分析是基于如下几个因素的：（1）宇宙结构； （2）世界万物的物质组成，即世界图景中所假定的各种实体及其特征； （3）这些实体相互作用的过程及其规律性。因此， 如果世界图景中上述三个因素有所改变，就必然导致人们对世界万物运动变化原因的分析的改变，也就是说，就必然导致人们看待物理对象的方式的改变。由于世界图景是“规范”的重要组成部分，世界图景的变化便导致规范的变化，所以库恩说：“规范改变确实使科学家们用不同的方式去看待他们的研究工作约定的世界。”⑧
四 物理学世界图景的变化过程和接受过程是“家族相似”⑨
对于物理学世界图景的变换，每一个新的物理学世界图景的产生，不是格式塔的变换，它总有一个过程，这个新的世界图景只有被大多数科学共同体所接受，才能成为主导地位的世界图景。这个过程包括两个阶段：新的世界图景及描绘这幅图景的理论的产生发展阶段和共同体接受阶段。在这两个阶段中世界图景的变化过程和接受过程是“家族相似”。
1.新的世界图景及描绘这幅图景的理论产生发展阶段
通常世界图景的变换总是从由个别或少数科学家提出一种反传统的新的世界图景开始的，开初表现这种新的世界图景的具体理论是较粗糙的，因此表现这种新的世界图景的具体理论总有一个演化过程，这个过程直到出现一个较精致的理论为止，这个较为精致的理论为共同体的接受准备了条件。在物理学的这几次世界图景的变换中，从伽俐略到牛顿，从法拉第到麦克斯韦，从普朗克的量子论经爱因斯坦、玻尔到量子力学的出现，但相对论例外，理论上这是爱因斯坦一次完成的。其中伽俐略——牛顿和法拉第——麦克斯韦这两对在理论的演化上有某些相似处，都主要是前一个人开始，后一个人综合完成。
一般新的世界图景的产生是逐渐完善的。如在牛顿力学世界图景中，首先是伽利略对亚里士多德运动观的否定，最后牛顿的机械论宇宙观全面代替了亚里士多德的目的论宇宙观。在量子物理世界图景中，先是普朗克提出量子概念，后来德布罗意提出物质的相波到最后用统计进行解释。以上两次世界图景的变换就世界图景是逐渐完善这一点上来说又有点相似。
就对每一幅新的世界图景的某些细节（或某一个具体观念）而言，在具体理论的演化过程中也可能发生演化。如在量子物理世界图景中，普朗克最初的量子只不过是他一种计算的手段，而爱因斯坦的光量子则看成是一种物理实在，到量子力学量子概念扩大为一切不连续、分裂间断的现象。在电磁理论世界图景中，法拉第把场理解为真实的、物理的实在，他1846年在皇家科学研究所即兴发表的题为“关于射线振动的杂感”的短论中，坦率地表示空间充满的只是力线，没有引入以太这种特殊媒质的必要。⑩而麦克斯韦的场“是把以太作为特殊情况而包含的电介媒质的某种力学状态来理解的”，“是物质实体所取的一种状态，而只被物质（包括以太）所承担才存在着。”(11)以上两次世界图景的变换就量子和场在理论演化过程中也发生了演化这一点上来说也有点相似。
2.共同体的接受阶段
当每一次物理学世界图景通过前一阶段的理论演化出现一个较精致的理论后，新的理论并不一定马上被共同体接受，有时这种新理论并不受欢迎甚至受到抵制。新理论征服共同体总有一个时间延缓，只有最终大部分科学家接受了这种新理论，这种新理论才占主导地位。牛顿《原理》出现后约经过25到40年的时间才被大多数共同体接受，(12)麦克斯韦电磁场理论延缓到赫兹证实电磁波之后，“大约到1911年，爱因斯坦狭义相对论已有了相当多数的拥护者”，(13)量子力学约在1927年的索尔维会议就被大多数物理学家所承认。这几次世界图景的变换在共同体接受的时间尺度上没有相似之处。
共同体对新理论的接受过程也就是对该理论的评价过程。通常表现新的世界图景的具体理论总有它的竞争理论，牛顿的理论有笛卡尔理论的竞争并最终击败笛卡尔的理论，麦克斯韦的理论与韦伯等人的理论的竞争而击败他们的理论，相对论有洛伦兹——彭加勒理论的竞争但最终取得胜利，量子力学有波动力学和矩阵力学的竞争而最终统一。就共同体对理论的评价标准来说，不应是一元的而是多元的，当一个新的理论满足大部分科学家的评价标准时，这个理论就被大部分科学家所接受。当然，在理论演化过程中，有些理论可能率先满足一部分科学家的评价标准而被这些科学家所接受。如牛顿力学世界图景的变换中，伽俐略的理论当时就有一部分科学家接受。在量子物理世界图景的变换过程中，玻尔的理论在量子力学出现前已有部分科学家承认。这两次世界图景的变换在变换完成之前已有某些理论得到了一部分科学家的接受这一点上又有相似之处，而相对论和电磁场理论只有在世界图景的变换之后才得以承认并成为主导地位的世界图景又有点相似。
在物理学世界图景的变换过程中，对世界图景的变化而言也就是开创者的“个人图景”转变为“共同体的图景”的过程。然而，这种从“个人图景”到“共同体的图景”，有时共同体所接受的世界图景与开创者的“个人图景”并不完全一致，开创者所提出的理论是他的新的世界图景的体现或表述，而共同体所接受的世界图景则是理论所描绘的世界图景，是对新理论的一次再认识，这之间往往有一定的差异。如牛顿提出力的概念他本人并不赞成超距作用，但共同体所接受的却是超距作用的思想；法拉第认为场是一种实在而当时共同体所接受的却是以太机械振动的图象；薛定谔提出了波动方程，他本人对波函数的解释倾向于像电磁波一样是一种真实的波，有某种物质波云“对应”于一个运动电子，就像一个光波对应于一个运动光量子一样，而共同体最终接受的却是玻恩提出的几率波的解释。这三次世界图景的变换就从“个人图景”到“共同体的图景”发生了一点演化这一点上又有点相似之处。
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