9.哲學背景

科學研究成果往往會迫使人們改變對有限科學領域以外的問題的哲學看法。科學的目的是什么？一個試圖描述自然的理論應該滿足什么條件呢？這些問題雖然超越了物理學的界限，但與物理學密切相關，因為正是科學提供了素材，使這些問題得以產生。哲學概括必須以科學成果為基礎。而哲學概括一旦形成并且被廣泛接受，又常常會指出諸多可能道路中的某一條路，從而影響科學思想的進一步發展。等到業已接受的觀點被成功地推翻，又會出現意想不到的全新發展，從這些發展中又會產生新的哲學觀點。若不能從物理學史上引用一些例子來加以說明，這些話聽起來一定是模糊不清和不得要領的。

現在我們就來談談最早的哲學家是如何設想科學的目的的。這些思想極大地影響了物理學的發展，直到近100年前才因為新的事實和理論證據而被拋棄，而這些新的事實和理論證據又成了新的科學背景。

從希臘哲學到現代物理學的整個歷史中，一直有人嘗試把看起來復雜的自然現象歸結為幾個簡單的基本觀念和關系。這正是整個自然哲學的基本原則。它甚至表現在原子論者的著作中。2300年前，德謨克利特（Democritus）寫道：

甜是約定的，苦是約定的，熱是約定的，冷是約定的，顏色也是約定的。但實際上只有原子和虛空。也就是說，我們通常以為感官的對象是實在的，但其實并非如此。只有原子和虛空才是實在的。

在古代哲學中，這種觀念只不過是別出心裁的想象罷了。將陸續發生的事件聯系在一起的自然定律，希臘人是不知道的。事實上，從伽利略開始，科學才把理論與實驗聯系在一起。我們已經追溯了導向運動定律的初始線索。在200年的科學研究中，力和物質始終是理解自然的所有努力中的基本概念。我們想到其中一個概念就必定會想到另一個概念，因為物質通過作用于其他物質而證明自己是力的來源。

讓我們考慮最簡單的例子：兩個粒子，彼此之間有力作用著。最容易設想的力是引力和斥力。在這兩種情況中，力矢量都在質點的連線上。為了滿足簡單性，我們只能設想粒子相互之間吸引或排斥，因為關于作用力方向的任何其他假設都會導致復雜得多的圖像。關于力矢量的長度，我們也能作出同樣簡單的假設嗎？即使想避免過于特殊的假設，我們也仍然可以說：任何兩個已知粒子之間的力就像萬有引力一樣，只與它們之間的距離有關。這看起來已經足夠簡單了。我們還可以把力設想得更為復雜，比如不僅與距離有關，而且與兩個粒子的速度有關。倘若把物質和力當成基本概念，我們幾乎無法設想還有什么假設能比力沿著粒子的連線作用并且只與距離有關更簡單。但僅憑這種力能否描述所有物理現象呢？

力學在其各個分支中所取得的偉大成就，在天文學發展中的驚人成功，以及力學觀念在那些非力學的、明顯不同的問題中的應用，所有這些都使我們相信，可以通過固定不變的對象之間簡單的力來解釋所有自然現象。在伽利略之后的兩個世紀里，這樣一種努力有意無意地表現在幾乎所有科學創造中。大約在19世紀中葉，亥姆霍茲（Helmholtz）明確表達了這一點：

因此我們發現，物理科學的問題在于把自然現象歸結為強度只依賴于距離的不變的引力和斥力。要想完全理解自然，就得解決這個問題。

因此，按照亥姆霍茲的說法，科學發展的路線是已經決定了的，它嚴格遵循著這樣一條固定的路徑：

一旦把自然現象完全歸結為簡單的力，并且證明自然現象只能這樣來歸結，科學的使命就完成了。

在20世紀的物理學家看來，這種觀點是單調而幼稚的。想到偉大的研究工作可能很快就會結束，一幅絕對可靠但卻單調乏味的宇宙圖景被一勞永逸地建立起來，他一定會感到恐懼。

即使這些信條能把對所有事件的描述歸結為簡單的力，也還有一個問題沒有解決，那就是力與距離是什么關系。對于不同的現象來說，這種關系可能是不同的。從哲學的觀點來看，必須為不同的事件引入多種不同類型的力，這肯定不能讓人滿意。盡管如此，亥姆霍茲清晰表述的這種所謂力學觀在當時起了重要作用。物質運動論的發展就是直接受到力學觀影響的最偉大的成就之一。

在敘述力學觀的衰落之前，我們暫且接受19世紀物理學家所持的觀點，看看從他們的外在世界圖景中可以得出什么結論。