錢(qián)時(shí)惕

（河北大學(xué) 河北 保定 071002）

1 機(jī)械自然觀的形成

自然觀（或自然圖景）指的是人們對(duì)自然界總的看法.每一個(gè)時(shí)代，人們根據(jù)那個(gè)時(shí)代的認(rèn)識(shí)水平與認(rèn)識(shí)方法，都會(huì)形成相應(yīng)的自然觀.

在古代，人們憑借對(duì)自然界的直接觀察與猜測(cè)，建立起了原始的唯物主義與樸素辯證的自然觀，即世界在本質(zhì)上是某種從渾濁中產(chǎn)生出來(lái)的東西、某種發(fā)展起來(lái)的東西、某種逐漸生成的東西.中世紀(jì)的歐洲，基督教神學(xué)占據(jù)統(tǒng)治地位，相應(yīng)地，形成了神學(xué)自然觀，即上帝創(chuàng)造了世界，世界是有秩序的，但上帝完成“創(chuàng)世”后，世界就不再變化了.

16～19世紀(jì)，自然科學(xué)擺脫了神權(quán)統(tǒng)治，走上了獨(dú)立發(fā)展道路，同時(shí)，也在很多方面沖破了神學(xué)自然觀.當(dāng)時(shí)，整個(gè)自然科學(xué)主要是在牛頓力學(xué)基礎(chǔ)上展開(kāi)的，把生物、化學(xué)、物理學(xué)等運(yùn)動(dòng)形式都?xì)w結(jié)為簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，各種物體（包括人在內(nèi)）則看成是由宇宙最后的基石——原子通過(guò)各種方式組合而成.因此認(rèn)為，只要掌握了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，原則上就能解釋甚至預(yù)測(cè)世界上的一切自然現(xiàn)象，從而形成了機(jī)械自然觀.

2 機(jī)械自然觀的主要觀點(diǎn)

2.1 原子是宇宙的基石

原子概念的起源可以追溯到古希臘哲學(xué)家留基伯、德謨克利特、伊壁鳩魯（Epikouros，公元前342年～公元前270年）等人.他們從觀察自然現(xiàn)象而抽象與概括出來(lái)的觀點(diǎn)是宇宙萬(wàn)物是由物質(zhì)世界中不可分割的最小微?！訕?gòu)成.

根據(jù)這種原子學(xué)說(shuō)，用原子的運(yùn)動(dòng)解釋宇宙萬(wàn)物的構(gòu)成及變化，反對(duì)那種認(rèn)為宇宙萬(wàn)物是由外在力量（諸如神、天命、上帝……之類的觀念）所創(chuàng)造及保持的觀點(diǎn)，所以帶有明顯的唯物主義性質(zhì).因此，原子學(xué)說(shuō)在神權(quán)統(tǒng)治的中世紀(jì)一直被禁錮與壓抑.

在自然科學(xué)擺脫神權(quán)統(tǒng)治走向獨(dú)立發(fā)展的歷史背景下，17世紀(jì)，法國(guó)先進(jìn)思想家伽桑狄（P.Gassendi，1592～1655年）把“伊壁鳩魯從禁書(shū)里面拯救出來(lái)”，復(fù)興原子論，重新引起了人們對(duì)原子論的關(guān)注.

到19世紀(jì)初，道爾頓把古代的原子學(xué)說(shuō)與最新的實(shí)驗(yàn)資料密切聯(lián)系起來(lái)，強(qiáng)調(diào)了原子量以及原子與原子按定量規(guī)律（定比定律、倍比定律、質(zhì)量不滅定律）相結(jié)合的概念，從而使“化學(xué)可以被稱為研究物體由于量的構(gòu)成的變化而發(fā)生的質(zhì)變科學(xué)”［1］.“化學(xué)中的新時(shí)代是隨著原子論開(kāi)始的.”［1］

原子是組成宇宙基石的觀念，是那個(gè)時(shí)代在科學(xué)中占統(tǒng)治地位的思想.正如著名物理學(xué)家M·波恩在《我這一代的物理學(xué)》一書(shū)中指出那樣，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們都相信：“普通物體可以分割成部分，再分割成更小部分.希臘人的觀念是，這個(gè)程序在某處有個(gè)終點(diǎn)，那時(shí)候，這些部分就成為不可分割的粒子，即原子.”［2］

2.2 絕對(duì)時(shí)空觀

17世紀(jì)，牛頓在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上，建立了經(jīng)典力學(xué)的理論基礎(chǔ).與這種經(jīng)典力學(xué)相適應(yīng)，牛頓還建立了有關(guān)時(shí)間與空間的學(xué)說(shuō).

在牛頓看來(lái)，空間像一個(gè)大容器，為物體運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)場(chǎng)所.物體放進(jìn)去也好，取出來(lái)也好，這個(gè)空間本身并不會(huì)發(fā)生什么變化；這種空間稱為絕對(duì)空間.用牛頓的話來(lái)說(shuō)，這種 “絕對(duì)的空間，按其實(shí)質(zhì)永遠(yuǎn)是均勻的和不動(dòng)的，與任何外界情況無(wú)關(guān).”［3］而時(shí)間像一條川流不息的河流，有事件發(fā)生也好，無(wú)事件發(fā)生也好，這條河流總是不斷地、均勻地、不變地流逝著；這種時(shí)間稱為絕對(duì)時(shí)間.用牛頓的話來(lái)說(shuō)，這種“絕對(duì)的、真的及數(shù)學(xué)的時(shí)間，按其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，在均勻地流動(dòng)著，與外界任何對(duì)象沒(méi)有關(guān)系，此時(shí)亦可稱之為延續(xù)”［3］.總之，按照牛頓的觀點(diǎn)，時(shí)間與空間是獨(dú)立物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之外，不受物質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響的；而具體物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，則是在這種絕對(duì)的時(shí)空背景上進(jìn)行的.

2.3 運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性原理

關(guān)于世界物質(zhì)存在的形態(tài)，在歷史上，一直有所謂“原子”與“虛空”或“原子”與“以太”之說(shuō).但對(duì)于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，從來(lái)都認(rèn)為是連續(xù)的.運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性，將會(huì)導(dǎo)致“飛矢不飛”一類的芝諾佯謬.

文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)以來(lái)，自然科學(xué)得到了蓬勃的發(fā)展.由于伽利略、開(kāi)普勒、牛頓等人的工作，建立了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的理論體系，現(xiàn)在稱之為經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué).這種力學(xué)的理論體系完全建立在運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性原理基礎(chǔ)之上.

我們知道，牛頓力學(xué)是以人類的直接生活經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)而建立起來(lái)的.在牛頓力學(xué)中，機(jī)械運(yùn)動(dòng)指的是物體隨時(shí)間在空間位置的變化.用來(lái)描述這種運(yùn)動(dòng)的物理量，時(shí)間、空間位置、速度、加速度都是連續(xù)性的量，即這些量的數(shù)值變化不會(huì)發(fā)生中斷或跳躍.對(duì)描述力學(xué)運(yùn)動(dòng)量的連續(xù)性追根溯源，在于時(shí)間與空間的連續(xù)性.在牛頓力學(xué)中，空間是運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所，時(shí)間是運(yùn)動(dòng)的延續(xù).用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，時(shí)間的變化可以無(wú)限小，即Δt→0；空間的間隔也可以無(wú)限小，即Δs→0.正是在這種假設(shè)前提下，微積分被應(yīng)用來(lái)作為描寫(xiě)力學(xué)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)工具.速度、加速度也都是連續(xù)可變的.如果再把物體的質(zhì)量以及物體間的相互作用力作為參數(shù)引入，則可以構(gòu)成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量——?jiǎng)幽芗皠?shì)能，它們也都是連續(xù)變化的量，既不存在量上的“中斷”或“飛躍”，也不存在量上的“極限”.速度、加速度都可以無(wú)限地增加.時(shí)間、空間的連續(xù)性，完全符合人類的直覺(jué)經(jīng)驗(yàn).因此，自古以來(lái)，運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性就是一條不證自明的公理.

由于牛頓、萊布尼茲發(fā)明微積分，使這種不證自明的公理得到有效的數(shù)學(xué)表示，解決了許許多多復(fù)雜的力學(xué)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，使它在科學(xué)中形成了一個(gè)牢不可破的傳統(tǒng).

2.4 拉普拉斯決定論

根據(jù)牛頓力學(xué)定律，物體的未來(lái)一切時(shí)刻的行為都由物體在某一給定時(shí)刻的初始位置和初始速度以及作用于物體上的力完全而精確地確定.繼牛頓之后，瑞士物理學(xué)家伯努利（D.Bernoulli，1700～1782年）和歐勒（L.Euler，1707～1783年）采用牛頓的方法研究了多質(zhì)點(diǎn)體系（剛體），進(jìn)一步發(fā)展了牛頓力學(xué).法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯（P.S.Laplace，1749～1827年，圖1）和拉格朗日（J.L.Lagrange，1736～1813年）將他們各自的《天體力學(xué)》、《分析力學(xué)》寫(xiě)成牛頓《原理》的形式，使力學(xué)成了第一個(gè)真正數(shù)學(xué)化的科學(xué).正是在上述自然科學(xué)成就的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了拉普拉斯決定論.按拉普拉斯的說(shuō)法就是“設(shè)想有一‘智神’（Intelligence），當(dāng)知道一定時(shí)刻支配自然界所有的力，以及自然界的一切組成部分的相對(duì)位置，那么，就可以用一個(gè)公式概括宇宙中最大的物體的運(yùn)動(dòng)和最小的原子運(yùn)動(dòng).對(duì)‘智神’來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何東西不能被確切地知道，它對(duì)未來(lái)的東西如同對(duì)過(guò)去的東西一樣了如 指 掌.”［4］正 是 根據(jù)這種思想，拉普拉斯才敢于在他的著作《天體力學(xué)》一書(shū)中刪除了通常著作中都必須提到的“上帝”，當(dāng)他把該書(shū)呈獻(xiàn)給拿破侖（Napoleon）皇帝.拿破侖問(wèn)他，在他的書(shū)中為什么沒(méi)有上帝.拉普拉斯回答說(shuō)：“陛下，我不需要這種假說(shuō)！”因?yàn)樵诶绽箍磥?lái)，宇宙中的一切都由方程式?jīng)Q定了；在這里沒(méi)有上帝的地位與作用.

圖1 拉普拉斯法國(guó)數(shù)學(xué)家與力學(xué)家

2.5 人是機(jī)器

既然世界萬(wàn)事萬(wàn)物皆由原子組成，而原子僅做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此，邏輯的結(jié)論就是整個(gè)自然界只不過(guò)是一臺(tái)巨大的機(jī)器.法國(guó)哲學(xué)家拉梅特里（La Mettrie，1709～1751年）由此作出“人是機(jī)器”的論斷.

3 機(jī)械自然觀的負(fù)面效應(yīng)

16～19世紀(jì)建立起來(lái)的近代自然科學(xué)，其科學(xué)思想的內(nèi)核是一種機(jī)械的自然圖景.這種自然觀認(rèn)為，世界上一切物體的運(yùn)動(dòng)變化都可以用原子的組成及其（機(jī)械）運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋.這種機(jī)械自然觀在反對(duì)神學(xué)自然觀，建立統(tǒng)一的自然圖景起過(guò)積極作用.但這種機(jī)械自然觀也有負(fù)面效應(yīng)，那就是導(dǎo)致“頂峰論”的出現(xiàn)，即認(rèn)為人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，從原則上來(lái)說(shuō)已到達(dá)頂峰，今后的任務(wù)只不過(guò)是在小數(shù)點(diǎn)后求精確化而已.而實(shí)際上，機(jī)械自然觀能解釋的自然現(xiàn)象非常有限，不僅復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物運(yùn)動(dòng)不能歸結(jié)為簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即使在機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，也有許多問(wèn)題是當(dāng)時(shí)的科學(xué)所解決不了的.牛頓引入“第一推動(dòng)力”就是例證.從哲學(xué)上來(lái)說(shuō)，排除了偶然性的拉普拉斯決定論或機(jī)械決定論，必然導(dǎo)致宿命論，逃脫不了“上帝”的“創(chuàng)造”與“設(shè)計(jì)”.

4 科學(xué)危機(jī)的出現(xiàn)

到19世紀(jì)后期，科學(xué)的理論體系的本身似乎已發(fā)展到非常嚴(yán)謹(jǐn)與完善的程度.所以，當(dāng)時(shí)在科學(xué)界流行的觀點(diǎn)是科學(xué)已發(fā)展到了頂峰，今后的任務(wù)，只是在小數(shù)點(diǎn)后面求精確化而已.然而，就在人們慶賀科學(xué)理論大廈完成的時(shí)候，一系列發(fā)現(xiàn)與問(wèn)題令人困惑，引人注目.科學(xué)出現(xiàn)了危機(jī)，特別是物理學(xué)危機(jī)與數(shù)學(xué)危機(jī).

4.1 物理學(xué)危機(jī)

（1）1875年，韋伯通過(guò)測(cè)定金剛石、石墨、硼、硅的克分子熱發(fā)現(xiàn)固體比熱隨溫度降低而變小，而按傳統(tǒng)物理學(xué)的觀點(diǎn)（以能量均分為基礎(chǔ)），固體比熱應(yīng)與溫度無(wú)關(guān).

（2）1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，引起了許多人的注意，希望能找到光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷耐緩?，但涉及到光電效?yīng)的機(jī)理則一直不清楚；到1902年，勒納德發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)中光電子的能量與光強(qiáng)無(wú)關(guān)等經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，這與經(jīng)典電磁場(chǎng)理論直接相矛盾.

（3）1887年，邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)得到了一個(gè)出乎意料的結(jié)果即地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)速度為零；從而引起了人們對(duì)于“以太”是否存在或其性質(zhì)的懷疑與猜測(cè).

（4）1884年，巴耳末發(fā)現(xiàn)了氫光譜的譜線公式.1890年里德伯進(jìn)一步找到了元素（不限于氫）光譜的一個(gè)公式.同年，里茲則發(fā)現(xiàn)了光譜線的并合原理.這些發(fā)現(xiàn)雖然都是經(jīng)驗(yàn)性的，但提出了傳統(tǒng)物理學(xué)難以回答的問(wèn)題：這些光譜是如何形成的？為什么會(huì)有這些規(guī)律？

（5）1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線.1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性.1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子.1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性鐳及釙.這些發(fā)現(xiàn)給原子的不可分性、不可入性、元素的不可轉(zhuǎn)變性等傳統(tǒng)觀念以巨大沖擊，打開(kāi)了人類認(rèn)識(shí)從宏觀世界進(jìn)入微觀世界的大門(mén).

（6）19世紀(jì)末，許多物理學(xué)家致力于黑體輻射問(wèn)題的研究，理論與實(shí)驗(yàn)之間一直不能完全吻合.1900年，瑞利根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)原理所導(dǎo)出的輻射公式在短波部分出現(xiàn)發(fā)散，暴露了經(jīng)典物理學(xué)的嚴(yán)重問(wèn)題.

（7）1901年，考夫曼通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子的質(zhì)量隨速度增加而增大，這是牛頓力學(xué)沒(méi)有考慮過(guò)的.

4.2 數(shù)學(xué)危機(jī)［5］

到19世紀(jì)末，人們把數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論的無(wú)矛盾性，歸結(jié)為集合論的無(wú)矛盾性.當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)家們幾乎都認(rèn)為，集合論是不會(huì)有矛盾的，數(shù)學(xué)的嚴(yán)格性的目標(biāo)快要達(dá)到了；大家都為這一成就自鳴得意.法國(guó)著名數(shù)學(xué)家龐加萊（1854～1912年）于1900年在巴黎召開(kāi)的國(guó)際數(shù)學(xué)家會(huì)議上夸耀道：“現(xiàn)在可以說(shuō)，（數(shù)學(xué)）絕對(duì)的嚴(yán)密性是已經(jīng)達(dá)到了.”然而，1902年，英國(guó)著名數(shù)理邏輯學(xué)家和哲學(xué)家羅素（1872～1970年，圖2）宣布了一條驚人的消息，集合論是自相矛盾的，并不存在什么絕對(duì)的嚴(yán)密性，史稱“羅素悖論”.1918年，羅素把這個(gè)悖論通俗化為理發(fā)師悖論.

圖2 羅素，英國(guó)數(shù)學(xué)家與邏輯學(xué)家

有一位理發(fā)師宣告 “我將為所有不給自己刮臉的人刮臉，也只給這些人刮臉.”來(lái)找他刮臉的人絡(luò)繹不絕，自然都是那些不給自己刮臉的人.可是，有一天，這位理發(fā)師從鏡子里看見(jiàn)自己的胡子長(zhǎng)了，他本能地抓起了剃刀，要給自己刮臉.此時(shí)悖論出現(xiàn)：如果他不給自己刮臉，他就屬于“不給自己刮臉的人”，他就要給自己刮臉；而如果他給自己刮臉，他又屬于“給自己刮臉的人”，他就不該給自己刮臉.

羅素悖論的發(fā)現(xiàn)，無(wú)異于晴天劈靂，把人們從美夢(mèng)中驚醒.羅素悖論以及集合論中其他一些悖論，深入到集合論的理論基礎(chǔ)之中，從而從根本上危及了整個(gè)數(shù)學(xué)體系的確定性和嚴(yán)密性（有悖于拉普拉斯決定論）.于是在數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)界引起了一場(chǎng)軒然大波，形成了“數(shù)學(xué)危機(jī)”.

4.3 科學(xué)危機(jī)的本質(zhì)與啟示

物理學(xué)危機(jī)主要表現(xiàn)為發(fā)現(xiàn)了許多原有理論解釋不了的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，這可稱為理論的外在不可靠性.數(shù)學(xué)危機(jī)主要表現(xiàn)為悖論（在邏輯上推導(dǎo)出互相矛盾之結(jié)論）的出現(xiàn)，這可稱為理論的內(nèi)在不完美性.

理論的外在不可靠性與內(nèi)在不完美性的出現(xiàn)說(shuō)明原有理論體系存在重大缺陷，從本質(zhì)來(lái)說(shuō)，則是由機(jī)械自然觀（科學(xué)思想的內(nèi)核）的局限所引起.“原子：宇宙基石論”堅(jiān)持原子的不可分割，封閉了從宏觀進(jìn)入微觀的道路.絕對(duì)時(shí)空觀割裂了時(shí)空與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，阻擋了從宏觀進(jìn)入高速及宇觀的道路.運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性原理否定了運(yùn)動(dòng)及能量的多樣性（連續(xù)與不連續(xù)），不突破運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性原理就不可能產(chǎn)生量子理論.拉普拉斯決定論否定了因果關(guān)系多樣性，把世界簡(jiǎn)單化.拉普拉斯決定論的“絕對(duì)化”與“數(shù)學(xué)危機(jī)”（內(nèi)在不完美性）現(xiàn)象不相容.“人是機(jī)器”否定了物理、化學(xué)、生物運(yùn)動(dòng)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的區(qū)別，阻止了物理、化學(xué)、生物運(yùn)動(dòng)各自特點(diǎn)的揭示.

如何克服科學(xué)危機(jī)，即消除理論的外在不可靠性與內(nèi)在不完美性，看來(lái)，只有突破機(jī)械自然觀，進(jìn)而科學(xué)才能得到新的飛躍與發(fā)展.

1 恩格斯.自然辯證法.北京：人民出版社，1984.79，275

2 M·波恩.我這一代的物理學(xué).北京：商務(wù)印書(shū)館，1964.174

3 牛頓.自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理.北京：商務(wù)印書(shū)館，1957.8

4 P.S.Laplace.A Philosophical Essay on Probobilities.London，1951.4

5 韓雪濤.數(shù)學(xué)悖論與三次數(shù)學(xué)危機(jī).長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2006.1～5