20世纪时空观、物质观和宇宙观变革的科学背景，本文主要内容关键词为：时空观论文,宇宙观论文,物质论文,背景论文,科学论文，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。
【内容提要】 科学史表明，科学进步是哲学观念变革的基础。伽利略的力学发现最终导致了牛顿的绝对时空观。重新认识时空的本性竟然使物体的电动力学困难迎刃而解。放射性引起过“物质消失了”的惊慌。质能统一与转化又使古老的物质观摆脱了困境。宇宙观的“引力”角色既是古典观念的科学基础，又是矛盾的焦点所在。科学家们发觉，只有重新解释“引力”，才能合理地解释宇宙。由此，新的引力理论产生了新的宇宙观。20世纪的哲学，尤其是科学哲学，与它同时代的科学背景有着千丝万缕的联系；甚或这些哲学本身就是建立在最新科学基础之上的。本文试图勾勒20世纪时空观、物质观和宇宙观变革的科学背景。
一、时空观
时间的古老概念来自对宇宙中一些经验现象的直觉。如昼夜交替、四季更叠、潮汐等。
空间的古老概念则源于上、下、左、右、前、后的位置关系的认识。时间的第一级抽象是年、月、日的划分，空间的第一级抽象是东、南、西、北的确定。最早也最精确的一级抽象成就无可争议地属于古中国。[①]
在伽利略以前，人类对运动的认识局限于经验。包括毕达哥拉斯对琴弦的研究、阿基米德对浮力的研究和斯台文对斜面的研究都是如此。众所周知，琴弦定律、浮力定律和斜面定律都不涉及时间和空间。当然，那时的人们在考察运动时，也用不着思考时间和空间的特性。
从伽利略开始，借助于笛卡尔的坐标几何，对运动的科学研究开始了它实验与数学紧密结合的历程。伽利略在做落体实验时发现了一个秘密：落体的速度只与落体的高度（空间）和它所经历的时间相关联；与物质本身的结构和质量等要素无关。稍后，伽利略对摆的研究也证实了这一观念的正确性。
伽利略的发现具有相当大的哲学诱惑力。这除了它推翻了亚里士多德以来的古老的落体运动观之外，[②]它还牵涉到时间和空间的本性。这是一个比“时计”和“位置”更高抽象层次的哲学疑难。比如，不同时间不同空间中的落体运动是否一致便成了问题。实验表明，具体空间形式不管怎样变化，它总与平直空间相一致；具体的时间无论怎样绵延，它总是均匀的流逝。这样，伽利略便得到了时间和空间的二级抽象：
时间是一维的均匀流逝。
空间是三维的平直延伸。
1687年，牛顿出版了他的《自然哲学的数学原理》，把伽利略的二级抽象赋之以绝对的形式。[③]这就是我们在大部分场合仍在沿用的绝对时间和绝对空间。牛顿提出绝对时间和绝对空间，首先就遭到了差不多与他同时代的惠更斯、莱布尼茨和贝克莱的反对。19世纪的马赫也反对牛顿的绝对时空。[④]他们的反对理由，概括起来有三条：
第一，绝对空间和绝对时间是一种纯粹的假定，既没有客观的可感知性，也不能用来解释任何事物。
第二，在无限大的惯性体系中并不存在安置绝对时空的唯一性方法，即不存在以某个“特定原点”为核心的绝对时空坐标系。
第三，引入一种只影响他物，自己却不受任何影响的“绝对时空”，与常识的科学理解是矛盾的。
兴起于18世纪的辩证哲学，尤其是黑格尔的辩证法，对牛顿的绝对时空观做了外行的辩证批判和解释，既没有对牛顿时空观增添有意义的内容，也没有损伤牛顿的时空观。[⑤]自然科学家对之采取了不屑一顾的蔑视态度。
19世纪中期开始，由于电磁学、电子学的兴起，物理学中出现了一些尖锐的矛盾。其中之一是：运动物体的电动力学与经典力学不协调。举例说：
1.电磁学引入了“电流体”、“磁素”这样的物质，它们不同于经典力学中的物质。这些新引入的物质没有质量，是“不可称量物质”。
2.机械力，比如说万有引力，发生在两物体中心的连线上。而奥斯特发现的电磁力却发生在中心连线平面内且与中心连线垂直的方向上。这一不协调现象被美国物理学会第一任主席罗兰强化证明了一次。
3.光速条件下的速度合成有不遵守经典速度合成的迹象（Fitzcan实验）。
这些不协调仿佛是在说，机械运动中的力学现象属于牛顿力学，与电磁现象有关的力学则属于另外一种力学。这“两种力学”是尖锐对立的。能不能找到一种新的理论或方法，消除这种不协调呢？19世纪末叶，物理学家进行了许多尝试，取得了一些成果（如洛仑兹和彭加勒），但都不大令人满意。[⑥]1905年，26岁的爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》一文，通过修改经典的时空观，便使运动物体的电动力学问题迎刃而解。一切都那样简单，那样合理，那样自洽。从那以后，人类便拥有了相对论性的时空观。
二、物质观
物质观起源于人类对世界存在形式的一种普遍性直觉。古代的物质观许多不具备自然科学价值，只是哲学家们进行概念游戏的工具。也有一些物质概念，因其高度抽象而具有相当大的神秘性。这些“物质”，似乎到处可见，又似乎什么也不是。道家的“易”便是例子。它被释之为“视之不见，听之不闻，搏之不得。”[⑦]科学是以实验和逻辑为基础的。如果哲学家提出的概念，缺乏实验和逻辑的可操作性，则这个概念便不可能对科学产生真正的影响。对于科学来说，没有任何指称的“物质”是经院式的毫无意义的胡诌。科学家没有义务接受那些没有任何指称的“物质”概念。
在古代的物质概念中，“原子”是最好的。德谟克利特提出这个概念时说得非常明白：原子是构成万事万物的不可破的最小单元；不同事物是由少数几种原子构成的；它们的不同组合决定事物的颜色、气味和形式。[⑧]经历黑暗的中世纪之后，伽桑狄最早提出恢复原子论。嗣后，有波义耳、牛顿和息金斯为古希腊的原子学说长入近代自然科学奠定了基础。19世纪的道尔顿、柏尔采留斯和门捷列夫则最后完成了古典原子论的理论大厦。[⑨]概括起来，古典原子论包括以下内容：
1.物质是由不可再分的微粒（即德谟克利特的“原子”）组成的。
2.原子的不同复合构成不同的“原子团”。（笔者按：最初使用“原子团”概念时，经常与分子相混淆，是柏尔采留斯第一个把原子团与分子区分开来）。
3.不同的原子具有不同的重量。化合是根据不同的原子量进行的，其间存在着简单的数字比。
19世纪的化学，从理论上证实了原子的实在性。但是，长期以来关于原子不可破的假定到19世纪末就由放射性和电子的发现打破了。1895年，伦琴发现了X射线；1896年安东尼·贝克莱尔发现了三种放射性现象，恩斯特·卢瑟福将它们分别命名为α、β、υ射线。1897年，J.J.汤姆逊发现了一种阴极射线粒子，他命名为“小球”（corpuscles）。后来洛仑兹提出用乔治·斯通尼的“电子”来命名这种“小球”。
1990年，卢瑟福证实：X射线是电子流；υ射线是高频率的电磁波；α射线是带正电的氦核粒子流；β射线是带正电的氢核粒子流。令人不解的是，放射性元素及其同位素都能释放这种带正电的粒子流。这些放出去的粒子到哪里去了呢？于是，物理学家和化学家同时惊呼：“物质消失了！”
“物质消失了”这一忧虑包含两方面的疑难：
1）放射性物质以及与放射性有关的反应过程出现“质量亏损”，暗示传统的物质守恒定律可能不具有普遍性，抑或需要新的解释。
2）原子被打破后，世界重新变成了“一盘散沙”，科学家面临着寻找新的世界统一的任务。
20世纪初，一些不懂自然科学的哲学家，在没有充分理解“物质消失了”的命题情况下，批评了科学家们的忧虑。[⑩]但是，这些批评和他们提出的拯救方案没有收到任何有价值的科学实效。科学家们是沿着科学自身的逻辑摆脱“物质消失了”的理论阴影的。
相对论性物理学率先揭示了物质转化为能量的规律性（E＝mc[2]），这个规律被粒子物理学所证实。它表明，通常的物质守恒还包括能量守恒。物质守恒和能量守恒不是两个分立的定律，而是统一的一个定律。这个统一的质能守恒定律表明，物质进行核反应时所释放的能量相当于它损耗的物质质量乘以光速的平方。这就是说，物质不是消失了，而是以纯粹能量的形式继续存在着。目前有越来越多的实验证明，这种纯粹的能量也可以反过来产生物质粒子。换句话说，“有”的物质可以转化为“无”的能量；“无”的能量也可以转化为“有”的物质。
至于世界是不是“一盘散沙”的问题，在“旧原子”破开之后，发生过几次戏剧性的变化。(11)目前，它仍然是一个值得继续研究的问题。与旧物质观明显不同的是，物质和能量被当成了既相互分离又相互转化的两个独立的实在。
三、宇宙观
人类对宇宙的认识，在17世纪以前是纯粹猜测性的。只是在牛顿力学建立起来之后，宇宙观才被建立在科学的基础上。
牛顿力学中有一个很重要的角色，这就是“引力”。由于引力的存在，宇宙中的尘埃物质具有向更大的引力中心集中的趋势。发展的结果是宇宙走向“引力崩溃”。避免这一结局的合理想象是，宇宙是无限大的体系，而且宇宙物质的分布是静态的。物质之间是引力平衡的。其中一些组成一个物质团（mass），另外一些组成别的物质团。因此，由牛顿力学得出的宇宙必然是无限大的和静止的。
18世纪中期，宇宙观曾经发生过一次革命性的变化。这就是“宇宙岛”（island unirerses）概念的形成。这种宇宙观把宇宙分成“我们的宇宙”和其它的“别的宇宙”。康德的“星云”（die Nebelflccke）扮演着“宇宙岛”的角色。到1783年，麦锡尔（Charles Messier，1730—1817）罗列了103个“星云”。威廉·赫歇尔（William Herschel,1738-1822）用一只48英寸的高倍反射望远镜观察并描述过至少2500个星云。由此，“宇宙岛”模型得到了空前的支持。这种曾经相当时髦的宇宙观维护着一个错误的哲学信念：部分不能反映整体。换句话说，我们关于“我们的宇宙”的知识不能推广到“我们的宇宙”之外去。但是，这种宇宙观到1925年1月便嘎然而止了。(12)
19世纪下半叶，能量守恒与转化定律和波尔兹曼气体分子的分布定律建立起来之后，希里格尔（Hugo von Seeliger,1948-1924）和纽曼（Carl Gottfried Neumann,1832-1925）应用这些最新成果分析以牛顿力学为基础的静态、无限宇宙模型，出现了不可接受的悖论。1917年爱因斯坦在发表广义相对论之后，也指出了牛顿宇宙观的缺点。(13)科学家们发觉，“引力”是引起古典宇宙学理论困难的主要角色；只有重视解释“引力”，才能合理地解释宇宙。这也是相对论性引力理论的关键性由来。但是，众有所闻，相对论性宇宙观与我们的传统认识大异其趣。
1925年，哈勃借助于一台建在威尔逊山上的100英寸望远镜辨认了三个星云中的星象。由于其中一些是北极仙王星座，所以他能够无可置疑地确定河外星系的距离。1929年，哈勃用“最亮的星”作为距离标准，认真研究了1912年斯利费尔（Earl C.Slipher,1883-1964）最早发现的“红移”现象。最后他宣布了一个著名的定律：（除了微小的随机运动外）所有星系都在离我们而去，其退行速度与离我们的距离成正比。现代宇宙学由此开始。
又过了20多年，100—200英寸的望远镜丰富了我们的宇宙知识。二战中雷达的发展导致了战后无线电天文学的兴起。原子钟和电子计算机使人类获得了数据处理的新方法。卫星使我们摆脱了地球周围大气层的干扰。电子扫描克服了照相胶片的局限性。
由上种种，导致了本世纪宇宙观的根本变革。现代宇宙由下列事实得出：
1.宇宙的尺度。
牛顿的无限宇宙是不能成立的。相对论性引力理论证实，宇宙是一个有限体积的系统。但它究竟有多大，仍有待科学的进一步发展去证实。我们所处的银河系是宇宙中一个典型的星系。它的半径是3×10[4]光年。它与最近的邻居星系相距3×10[6]光年。银河系中大约有10[11]颗星。银河系在旋转，其旋转周期约为100万年。透过这个典型的星系，我可见宇宙之大。
2.宇宙的各向同性。
所有不同的星系都相对于地球具有或多或少的各向同性，即每一个星系都相对于地球退行而去。除“红移”外，1965年发现的3°k微波背景辐射更加强化了这种观念。
3.宇宙的一致性。
宇宙的一致性问题涉及到宇宙的历史。我们现在观察所及的宇宙已经存在几十亿年了。几十亿年前宇宙是否具有一致性，我们的知识能力还不能够理解它。我们目前所知道的是，现实所及的星系云是与一致性相吻合的，即在我们附近10[8]光年半径范围内宇宙具有较好的一致性。这一事实否定了经典的“宇宙岛”理论。
4.宇宙的膨胀率。
1929年，哈勃算出一个数据，说宇宙在一百万秒差距（约等于3.087×10[8]厘米）范围内每秒膨胀540公里。这个数字，通常被称为哈勃常数。这个数字后来被修正了好几次。现在的估算数值是每百万秒差距每秒膨胀50公里。它相当于宇宙两亿年增大百分之一的距离。
5.宇宙的年龄。
宇宙的年龄意味着宇宙在时间上有起点。根据宇宙中放射性物质的衰变测算，宇宙的年龄大于（4.5±0.3）×10[9]年，小于20×10[9]年。
6.宇宙的物质平均密度。
宇宙的平均密度是由星系物质贡献的。星系的物质分布并不均匀。小的星团只有两颗星，大的星团多于一万颗星。据测算，宇宙的平均密度在每立方厘米2—6×10[－31]克之间。
由于以牛顿力学为基础的宇宙观和以相对论性引力理论为基础的宇宙观具有相当大的差异，宇宙学也被分成前星系宇宙学（Pregalactic Cosmology或Cosmogony）和星系宇宙学（Galactic Cosmology）。前者的研究范围限于银河系，后者则涉及到了10[8]光年量级的宇观范围。一个明智的乐于接受新知识的哲人，应该从社会进步的必然性角度去思考问题而不是固守一些陈旧的原则。做到这一点，他就会相信，在星系宇宙学基础上建立起来的新宇宙观比旧宇宙观更科学、更合理。
收稿日期：1996－08－08
注释：
①中国早在商代即确定一年为365.25天（《书经·虞书·尧典》）；不晚于1044年精确测定了地球的正南点（沈括《梦溪笔谈》关于“微偏东”的磁偏角间接证明了这一点）。
②亚里士多德的落体运动观认为，落体的速度与它的质量无关。
③牛顿“绝对时空”的定义见于《自然哲学的数学原理》补注1和补注2。
④Wolfgang Rindler"Essential Relativity"2nd edition,1.7,objietionsto Newton's Absolute Space,Springer-verlag,New York,1977.
⑤我国作者的一些时空论著对黑格尔《自然哲学》中的时空观给予了相当多的誉美之词。然而，事实上黑格尔“辩证的”时空观没有什么科学价值。
⑥张功耀：《洛仑兹和彭加勒何以没有发现相对论？》，《长沙电力学院学报（自然科学版）》，1996年，第2期。
⑦《老子·第四十章》。
⑧关于德谟克利特的原子论及其变革最好参看Edward M.Mackinaon,"Scientific Explanation and Atomic Physics",Charpt 3,Atoms and Conceptual Change.The University of Chicago Press.1982.
⑨柏廷顿：《化学简史》，中译本，商务印书馆，1979年。
⑩回顾一下前苏联和中国一些哲学家的论文，不难发现人们曾经对科学家关于“物质消失了”的忧虑存在过相当大的误解。
(11)参看Andrew Pickering,"Constructing Quarks:A Socialogical History of Particle Physics",Edinburgh University Press.1984.
(12)1932年，Milne曾经找到过一种不违背宇宙一致性和各向同性的新的“宇宙岛模型”，在相对论宇宙学和牛顿宇宙学之间建立了两相容的新牛顿主义宇宙学（Neo-Newtonian Cosmolgy）.对这种新牛顿主义宇宙学的最好评论文献之一可读Pierre Kerszberg,"On the Alleged Equivalence Between Newtonian and Reiativistic Cosmology",Brit,J Phil,Sci,38(1987),347-80.
(13)爱因斯坦：《根据广义相对论对宇宙学的考查》，赵志田、刘一贯译：《狭义相对论和广义相对论经典论文集》，科学出版社，1980年。
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