原子论认识模式发展的三个阶段，本文主要内容关键词为：三个阶段论文,模式论文,原子论论文，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。
原子论是自然科学中的一个基本概念。作为关于自然界物质结构性的一种设想和理性地研究自然界的一种基本理论，它不仅是关于原子及分子学说的一种形式，而且是渊源于原子学说的方法论和认识论的一种模式。这种方法论认识论模式产生于公元前5世纪，2500多年来， 从起初的思辨原子论逐步发展到现代科学前沿的量子论和基本粒子理论。原子论认识模式发展的漫长历程，大致可分为古代、近代和现代三大阶段。本文拟依据科学史和现代科学的大量资料，对这三大阶段的具体内容、特点及其对科学发生、发展的影响等问题作番粗略的论述。
一 古代原子论认识模式
古代原子论是直接从希腊自然哲学的物质始元说发展而来的，其创始人是留基伯和德谟克利特。英国自然科学史家丹皮尔说，留基伯和德谟克利特把“古老的单一元素假说发展成一种原子说”〔1〕。 量子力学的创始人海森伯，在详细分析了古希腊自然哲学之后说：“从这个哲学到原子概念只有一步之遥了，而这一步是由留基伯和阿布德拉的德谟克利特同时迈出的”〔2〕。
这种认识模式认为，世界万物是由无数细小、不可分割的微粒构成；这种具有“不可分割”性质的细小微粒被称为原子。这是原子论认识模式最基本的含义。
这个认识模式主张，客观世界只有原子和虚空。原子就是作为不可分割的小物理实体而存在着。相对于原子的存在来说，虚空是一种非存在；但是这种非存在并不是不存在，虚空也是存在着，它是原子运动的前提条件。原子依据其固有的或“天然的”运动而穿越虚空。这是关于空间的最早理论。
这个认识模式设想，不同种类的原子具有不同大小和形状，它们的不同运动状态和结合方式，决定着各种物质的不同特性。于是，自然现象的无限多样性便可以用原子的大小、形状、运动和结合方式来加以说明，比如，运动最快的原子是小而圆的，它们是“火的原子”，灵魂是精细的原子构成的等等。
这个认识模式还主张，一切事物的产生都具有必然性。留基伯说：“正如世界有产生一样，世界也有成长、衰落和毁灭，这是遵照着一种必然性。”〔3〕由于他们否定偶然性，主张绝对必然性， 导致宿命论。柏拉图、亚里士多德等人正是抓住他们理论上的这些弱点、缺陷对之进行摧毁性的批判、攻击。
公元前3世纪，古希腊哲学家伊壁鸠鲁继承了留基伯、 德谟克利特创立的原子论认识模式。并总结当时科学认识的成果，对古代原子论认识模式作出了如下重大发展。
第一，明确提出原子在重量上有区别。留基伯和德谟克利特认为，原子只有体积（大小）和形状两种区别，伊壁鸠鲁认为，原子之间还有第三种差别，即原子在重量上也各不相同。这就是说，伊壁鸠鲁早在公元前3世纪，已经猜出了道尔顿在19世纪才发现的原子量。
第二，提出原子有偏斜运动。留基伯和德谟克利特认为，原子只有两种运动，直线下落和相互冲击；伊壁鸠鲁认为，除此以外，还存在着第三种运动，即原子离开直线的偏斜运动。马克思在他的博士论文《德谟克利特的自然哲学与伊壁鸠鲁的自然哲学的差别》中指出，伊壁鸠鲁的这一发展，是为了“超出”（纠正）德谟克利特的完全决定论，以便反击柏拉图、亚里士多德的攻击，保卫古代原子论认识模式。
第三，伊壁鸠鲁猜测到“原子概念中存在着的矛盾”，即存在与本质、质料与形式，原子的排斥与聚集以及必然和偶然的客观矛盾。这就是说，他已经猜到了事物运动的原因和源泉在于事物内部的矛盾这一唯物辩证的观点。
伊壁鸠鲁的这些重大贡献，把古代原子论认识模式推进到一个新的发展阶段。
古代原子论认识模式是“自然思辨传统的顶峰”。由于古代的科学与哲学是结合在一起的，因此，古代原子论认识模式同时“标志着希腊科学第一个伟大时期的最高峰”（丹皮尔语），由“它产生出哲学和物理科学”（瓦托夫斯基语）。
可是，古代原子论认识模式却没有得到社会的广泛承认，这主要有两个原因。第一，由于历史条件的限制，当时尚没有确定的观察、实验事实，用来作为建立原子论认识模式的可靠依据；而原子论认识模式建立之后，也无法用实践来检验它的真理性。因此，它虽然“提供了一幅特选图景，一种观察现象的方法，但没有办法核对这幅图景的精确性”〔4〕。第二， 由于当时的权威人士柏拉图和亚里士多德的坚决反对和毁灭性批判。古代原子论认识模式实际上是一种唯物主义哲学，因此，必然招致唯心主义的反对，正如贝尔纳所说：“从一开始原子理论就有革命的政治气味，因为它很坦白地是唯物主义的，避免乞灵于神定的和谐。柏拉图和亚里士多德支持理想的或实形的一些学说，他们的权威就足以阻止原子理论受到普遍承认”〔5〕。
虽然如此，古代原子论认识模式对科学的影响是多方面的。它的“一个有影响的方面是这样的思想：根据在更基本的组织层次上所发生的过程，可解释观察到的变化。这个思想成为17世纪许多自然哲学家的信条。亚宏观的相互作用引起宏观变化这一点被伽桑狄、波义耳和牛顿等人所肯定。”〔6〕这就是说， 古代原子论为科学提供了一种认识模式，人们以观察不到的物质微粒——原子的各种形状、大小和种类，或以支配它们的力和运动的数学定律来解释一切可观察到的形象。比如伽桑狄用一种特殊种类的原子解释热现象。培根、伽利略、波义耳等科学家，把热直接解释为受热物体的原子性微粒的振动，或类似的一种小规模运动。牛顿用微粒（极小物体）观念解释光的直线传播等等，都是古代原子论提供的这一认识模式的应用。
在科学史上，德谟克利特的原子说（即古代原子论）要比它以前或以后的任何学说都更接近于现代观点。古代原子论是所有现代原子理论的直系和公认的始祖。
二 近代原子论认识模式
近代原子论认识模式是在古代原子论认识模式的基础上发展起来的。然而两者大不相同。前者是一种哲学的思辨和臆测，后者是一种确定的科学理论。近代原子论认识模式有着坚实的科学根基，它建立在大量精确的观察、实验事实和经验定律的基础上，不断得到科学事实的证明；并可用来指导新的研究，预言新的现象。它虽然也有其哲学意义，但是这种哲学意义并不是从任何关于宇宙的全面哲学理论中推导出来的，而是从其自身的理论中升华出来的。
近代原子论认识模式产生于三种不同类型的问题：物质特别是气体的物理结构是什么？热的本质是什么？化学现象的基础是什么？乍一看来，这三类课题毫不相干，但采用一定量的原子图式，从热、气体和化学反应的本性中寻找共同的概念——“最小粒子”（原子）——微小的、不可分割的物体，这些问题却同时得到了解答。前两类问题，属于物理学的内容，后一类问题属于化学的内容。因此，近代原子论认识模式，可分为物理原子论认识模式和化学原子论认识模式。
（一）物理原子论认识模式
物理原子论认识模式是从对气体的研究发展起来的。早在17世纪，伽利略、托里拆利、盖利克和波义耳等科学家对大气压强进行了大量实验。1662年，波义耳发表了关于空气压强和容积关系的定量测量结果，从而证实了波义耳定律：一定量的任何气体，在一定温度下的体积与其所受的压强成反比。此后，人们发现温度的变化对气体压强和容积的影响。1800年左右，法国科学家盖—吕萨克在实验基础上提出了盖—吕萨克定律：一定体积中所包含的任何气体，当温度升高一度（摄氏）时，它的压强便增加原来数值的1／273。
为了解释这些实验气体定律，波义耳首先用两种原子论模式提出了两种相反的解释。第一种称为静力学模式：如果空气是由许多静止的彼此毗邻的粒子组成，那么空气微粒本身必须是可压缩的，颇像一个个小弹簧。第二种称为动力学模式：如果气体粒子永远是不接触的，它既不会改变自己的大小也不会保持在静止的集合之中，那么它们必须处在剧烈的运动状态，透过一切有效的空间汇成一种旋涡般“稀疏的流体”。第一种模式，静止粒子弹簧似的压缩性不易于解释气体在各个方向无限膨胀的特性。但牛顿的赫赫威望似乎有助于加强静力学的图景，因为在《原理》一书中，牛顿以数学证明，如果某种气体任何两个粒子之间的排斥力是反比于它们中心点之间的距离，那么这种气体的气压将随着容积的减少而增加，这正好同波义耳定律所表明的一样；还有，道尔顿等科学家对这一观点的坚决赞同。因此，这种物理原子论认识模式流行了相当长一段时间。
大物理学家伯努利，在1738年出版的论著《流体动力学》一书中，则发展了波义耳的这一动力学模式。伯努利认为，气体压强是由亿万个高速粒子的不停碰撞所引起的。并由此出发，推导出气体压强与所占体积成反比的波义耳实验定律。他还写道：“空气的弹力（容器中的压强）不仅随着气体的聚集（容积的减少）而增加，而且随着供给它的热而增加，因为可以把热看作是粒子内部运动的增加，结果是，如果容积不变时（以加热该气体的方法）增加了空气的弹性，这就意味着空气粒子中产生了一种最强的运动。”〔7〕伯努利的这些论述， 从思想认识上作出了两个巨大飞跃：第一，热和内部分子的运动直接等价；第二，从混乱的粒子运动的随机图景中，推导出精确定义的数值关系式，如波义耳的简单定律。虽然伯努利的论述当时被忽视了，但在以后一个多世纪的时间里，经过阿佛加德罗、坎尼查罗等科学家的大量研究，在热的领域里，物理原子论的动力学模式最终取代了静力学模式。
体积、压力、温度等是描述物体宏观物理性质的概念，物体是由分子、原子等物质微粒组成的。物体的压强、热现象等宏观物理特性，是组成物体的大量分子、原子运动的结果。近代物理原子论认识模式，从组成物体的原子、分子的特性出发，为解释和预见物体的宏观性质提供了重要途径。
（二） 化学原子论认识模式
化学原子论认识模式是著名化学家道尔顿提出的。1808年，道尔顿的《化学哲学的新体系》一书出版，在此书及其他著作中，道尔顿系统地阐述了自己的原子论认识模式〔8〕。
（1）物质是由不可分割的原子组成的。 虽然物质在最大程度上是可以分割的，然而不能无限地分割下去。也就是说，在分割物质的时候，肯定有这样的一些点，在这些点之外我们不能继续分割物质。我们决不可能怀疑这些终极粒子的存在，……我选用原子这个词表示这些终极粒子。
（2）原子是不能改变的。 不同元素的原子“决不能以我们所能支配的任何力量使它从一种变成另一种。”
（3）化合物是由分子（复合原子）组成的。 “我们把碳酸的终极粒子称为复合原子。目前看来，虽然这个原子可以分割，但这样的分割使它们分解为碳和氢，而不是碳酸了。”
（4）纯净物质（元素）的所有原子或分子都是相同的。 “所有均质物体的终极粒子在重量、形状等方面都完全相同。”
（5）在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创造或消灭。 “化学的分解和合成不过是粒子的彼此分离和重新结合。新物质的创造或消灭正是在化学作用范围内的事。……我们能够作出的一切变化不过是把结合或化合状态的粒子分开，和把原来分开的粒子结合起来。”
道尔顿的原子论是化学发展中的第一次辩证综合，是一种确定的科学理论，它不仅合理地解释了当时几乎所有的化学现象和经验定律，更重要的是提供了一种从微观的物质结构的角度去揭示宏观化学现象的本质的认识模式，促进了近代化学的迅速发展，开创了化学的新时代。随后的无机化学、有机化学、物理化学等学科所取得的一系列重大发现，都是沿着这个认识模式开辟的思路，在这个理论的基础上实现的。恩格斯对此给予了很高的评价：“道尔顿的发现”是“给整个科学创造一个中心并给研究工作打下巩固基础的发现”，“化学中的新时代是随着原子论开始的（所以，近代化学之父不是拉瓦锡，而是道尔顿）”〔9 〕。
三 现代原子论认识模式
近代原子论认识模式达到了原子这一物质层次，但是它并没有深入到原子内部去。麦克斯·冯·劳厄说，原子这一名称“对于化学变化是成立的，对于气体运动论中所处理的原子跟其他原子的那些碰撞也是成立的。然而，具有较深刻的眼力的研究者经常考虑到原子是由更小的部分组成的问题。”〔10〕现代原子论认识模式是关于原子内部结构的理论，它包括核型原子认识模式、量子化原子认识模式、亚原子或基本粒子认识模式等丰富内容。
（一） 核型原子认识模式
19世纪末，X射线、柏克勒尔射线、电子和放射性元素的发现， 打开了原子世界的大门。1911年，英国物理学家卢瑟福在a 粒子散射实验的基础上，提出了有核原子模型，即我们这里所说的核型原子认识模式。这个著名认识模式的“最重要特征是原子分成两个截然不同的部分：原子核和周围的电子层。在原子中心的原子核只占有空间的非常小的一部分（它的半径小于原子半径的十万分之一），但却几乎包含了原子的全部质量。它的正电荷是所谓基元电荷的整数倍，它决定了周围电子的数目——整个原子在电的性质上是中性的——和它们的轨道的形状。”〔11〕这是一个全新的原子图象，为现代原子结构理论奠定了基础。人们运用它可以说明由原子引起的各种极不相同的现象，核外电子是和化学性质、电、光辐射等等现象相关的，而核却适用于放射现象和解释同位素等等。
（二）量子化原子认识模式
1913年，年青的丹麦物理学家玻尔发表了题为《论原子和分子的结构》一文。在这篇论文中，他创造性地把核型原子概念和量子论概念结合起来，提出了新的原子认识模式。
玻尔假设：原子和普朗克振子一样存在着某些稳定状态，在稳定态中，原子不辐射能量。玻尔还假设：原子的能量状态可以通过发射或吸收光子而发生改变。为了满足能量守恒定律，光子的能量应当等于原子能量的变化：hv＝Ek－Ej（式中hv是光子的能量，Ek－Ej是原子能量的变化）。按照这个假设，光子的频率（v）只与该能量差有关。 因此很自然地就说明了为什么原子发射出来的光线总是具有完全确定的频率及波长。
玻尔量子化原子认识模式，保留了卢瑟福核型原子认识模式中的合理部分——原子具有带正电的核。这个模式的最大特点在于它第一个成功地提出了原子中的量子化问题：原子的能量只能取一系列分立即不连续的数值。这个认识模式不仅能说明原子的稳定性，而且对氢原子的光谱的说明非常成功，它的提出标志着人们对微观世界的认识迈出了重要一步。
但由于玻尔的认识模式仍采用了古典轨道概念，量子化条件只增于电子之上。因此当它对比较复杂的原子现象进行研究时，就碰到了困难。1924年，法国物理学家德布罗意提出了物质波概念，他设想电子的行为不但像粒子而且像波，其波长λ可以按照公式λ＝h／p定量地计算出。德布罗意还指出，玻尔氢原子模型中容许轨道的量子化条件，可以用他的电子波公式推导出来；如果轨道周长正好是波长的整数倍，就会出现连续波形。德布罗意的物质波概念，揭示了物质微粒的波粒二象性。把这一概念用到原子中的电子上去，玻尔量子化原子认识模式中的困难就可以消除，这是修改玻尔模型，建立新的量子化原子认识模式的重要一步。
1925年，海森伯、玻恩和约尔丹等人，以观察到的事实，即原子所吸收或发射的辐射为依据，创立了量子力学的新理论——量子化原子认识模式的新形式。这一新理论新模式和经典力学的体系完全不同，它抛弃了轨道概念，而采用矩阵数学为工具。
1926年，薛定谔从另一个角度进行研究，把德布罗意关于粒子的能量与频率之间的关系引入经典波动方程，并把它广义化，导出了著名的薛定谔方程。这一方程已经不把原子描述为一个原子核和电子系统，而把它描述为一个原子核和一些物质波的系统。
把电子看成波和把物理概念数学化，是新的原子认识模式的两个显著特点。对此，丹皮尔评述说：“在原子被分为电子后三分之一个世纪，电子又被分为一个未知的辐射源或一无形的波动系统了。昔日的坚硬而有质量的质点的最后一点痕迹已经消失，物理学的基本概念似乎已经归结为数学方程式了”〔12〕。美国科学家G·HOLTOH 不仅论述了这一模式的特点，而且论述了它的作用。他说：“新的原子模型是从薛定谔和海森伯的数学表述中产生的。尽管从力学观点来看，它不如经典模型直观，但却远为有效。修正后的模型向我们提供了新的更广泛的统一。这就是说，当代的原子理论成为近代科学共有的基础，物理学、化学、天文学和工程学等领域常常在近代科学中互相渗透和交叉。”〔13〕
（三）亚原子或基本粒子认识模式
1897年，英国物理学家汤姆逊证实了电子的存在，这是人们发现的第一个基本粒子。1919年，卢瑟福通过对第一次人工核裂变的产物进行分析，发现了质子。1932年，查德威克发现了中子。物理学家们以为电子、质子、中子是组成万物的“基石”、“原子物质”，所以称之谓“基本粒子”。从认识论的观点看，“基本粒子”是继原子、原子核之后，人们认识到的又一更小物质层次，它类似古代和近代的原子论认识模式所讲的原子。对于这一点，海森伯曾说：“化学元素的最小粒子仍然是由一些更小的单位组成的颇为复杂的系统。这些更小的东西现今称为粒子，显然，如果现代物理学中有某种东西可与德谟克利特的原子相比较的话，这应当是象质子、中子、电子、介子那样的基本粒子。 ”〔14〕可见， 基本粒子认识模式与历史上的各种原子论认识模式是一脉相承的，是历史上的原子论认识模式在今天知识水平上的发展。为了突出科学思想上的这种密切联系，我们可以把它叫做亚原子认识模式。
人们研究亚原子或基本粒子认识模型的意义，在于它是推进物质统一性问题的重大步骤之一。海森伯说，用基本粒子代替许多不同的化学元素描述物质，“只出现三个基本单元：质子、中子和电子，所有由原子构成的物质，都是这三类基本建筑基石组成。这还不是物质的统一，但确实是朝统一化——或许更重要的——简单化的重大步骤。”〔15〕
基本粒子是不是基本建筑基石——即物质的最终的不毁灭的单位，或德谟克利特意义上的原子？对于这个根本问题，随着基本粒子数目的不断增加，到60年代初，已发现300多种基本粒子， 比化学元素的数目还多；同时，由于新实验事实的发现，学术界的看法出现了严重分歧。
一些物理学家认为，有些基本粒子，比如强子是由一些更为基本的粒子组成的复合体，是有结构的。早在1949年费米和杨振宇就提出π介子是由核子和反核子组成的复合体。随后，坂田昌一提出重子——介子的复合模型，盖尔曼和茨维格提出夸克模型，我国科学工作者提出强子结构的层子模型，等等。总之，持这种观点的科学家认为，基本粒子并不基本，它具有内部结构，或者说它是可分的。
另一些科学家主张，基本粒子不能分成更小的部分，这是因为实验证明，粒子能够从其他粒子中产生出来，或者仅仅由这些粒子的功能产生出来，而它们又能蜕变为其他粒子。实验已经实际证明了物质的完全互换性。因此关于质子由什么组成？它是不是可分？这类问题的提法是错误的，因为“分割”或“组成”等词，在基本粒子领域已在很大程度上失去了意义。
总之，目前已知的各种“基本粒子”是否属于物质结构的同一个层次？是否具有结构？这些问题有待今后进一步研究。
* 收稿日期：1997—05—26
注释：
〔1〕〔12〕丹皮尔：《科学史及其与哲学和宗教的关系》， 商务印书馆1979年版，第57—58、521页。
〔2〕〔11〕〔14〕〔15 〕海森伯：《物理学和哲学——现代科学中的革命》，商务印书馆1981年版，第30、97、101页。
〔3 〕北京大学哲学系外国哲学史教研室编译：《西方哲学原著选读》上册，商务印书馆1981年版，第46页。
〔4〕〔6〕约翰·洛西：《科学哲学历史导论》，华中工学院出版社1982年版，第29、28页。
〔5〕贝尔纳：《历史上的科学》，科学出版社1983年版，第102页。
〔7〕〔8〕〔13〕引自G·HOLTON 著《物理科学的概念和理论导论》下册，人民教育出版社1987年版，第19、28—30、228页。
〔9〕恩格斯：《自然辩证法》，人民出版社1971年版， 第96、 269页。
〔10〕劳厄：《物理学史》，商务印书馆1978年版，第97—98页。
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