機械自然觀的形成及科學危機的出現
——科學發展的人文歷程漫話之十

錢時惕

（河北大學 河北 保定 071002）

1 機械自然觀的形成

自然觀（或自然圖景）指的是人們對自然界總的看法.每一個時代，人們根據那個時代的認識水平與認識方法，都會形成相應的自然觀.

在古代，人們憑借對自然界的直接觀察與猜測，建立起了原始的唯物主義與樸素辯證的自然觀，即世界在本質上是某種從渾濁中產生出來的東西、某種發展起來的東西、某種逐漸生成的東西.中世紀的歐洲，基督教神學占據統治地位，相應地，形成了神學自然觀，即上帝創造了世界，世界是有秩序的，但上帝完成“創世”后，世界就不再變化了.

16～19世紀，自然科學擺脫了神權統治，走上了獨立發展道路，同時，也在很多方面沖破了神學自然觀.當時，整個自然科學主要是在牛頓力學基礎上展開的，把生物、化學、物理學等運動形式都歸結為簡單的機械運動，各種物體（包括人在內）則看成是由宇宙最后的基石——原子通過各種方式組合而成.因此認為，只要掌握了機械運動的規律，原則上就能解釋甚至預測世界上的一切自然現象，從而形成了機械自然觀.

2 機械自然觀的主要觀點

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.他們從觀察自然現象而抽象與概括出來的觀點是宇宙萬物是由物質世界中不可分割的最小微?！訕嫵?

根據這種原子學說，用原子的運動解釋宇宙萬物的構成及變化，反對那種認為宇宙萬物是由外在力量（諸如神、天命、上帝……之類的觀念）所創造及保持的觀點，所以帶有明顯的唯物主義性質.因此，原子學說在神權統治的中世紀一直被禁錮與壓抑.

在自然科學擺脫神權統治走向獨立發展的歷史背景下，17世紀，法國先進思想家伽桑狄（P.Gassendi，1592～1655年）把“伊壁鳩魯從禁書里面拯救出來”，復興原子論，重新引起了人們對原子論的關注.

到19世紀初，道爾頓把古代的原子學說與最新的實驗資料密切聯系起來，強調了原子量以及原子與原子按定量規律（定比定律、倍比定律、質量不滅定律）相結合的概念，從而使“化學可以被稱為研究物體由于量的構成的變化而發生的質變科學”［1］.“化學中的新時代是隨著原子論開始的.”［1］

原子是組成宇宙基石的觀念，是那個時代在科學中占統治地位的思想.正如著名物理學家M·波恩在《我這一代的物理學》一書中指出那樣，當時的科學家們都相信：“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，這個程序在某處有個終點，那時候，這些部分就成為不可分割的粒子，即原子.”［2］

2.2 絕對時空觀

17世紀，牛頓在總結前人研究工作的基礎上，建立了經典力學的理論基礎.與這種經典力學相適應，牛頓還建立了有關時間與空間的學說.

在牛頓看來，空間像一個大容器，為物體運動提供了一個場所.物體放進去也好，取出來也好，這個空間本身并不會發生什么變化；這種空間稱為絕對空間.用牛頓的話來說，這種 “絕對的空間，按其實質永遠是均勻的和不動的，與任何外界情況無關.”［3］而時間像一條川流不息的河流，有事件發生也好，無事件發生也好，這條河流總是不斷地、均勻地、不變地流逝著；這種時間稱為絕對時間.用牛頓的話來說，這種“絕對的、真的及數學的時間，按其本質來說，在均勻地流動著，與外界任何對象沒有關系，此時亦可稱之為延續”［3］.總之，按照牛頓的觀點，時間與空間是獨立物質運動之外，不受物質運動影響的；而具體物體的機械運動，則是在這種絕對的時空背景上進行的.

2.3 運動的連續性原理

關于世界物質存在的形態，在歷史上，一直有所謂“原子”與“虛空”或“原子”與“以太”之說.但對于物質的運動，從來都認為是連續的.運動的不連續性，將會導致“飛矢不飛”一類的芝諾佯謬.

文藝復興運動以來，自然科學得到了蓬勃的發展.由于伽利略、開普勒、牛頓等人的工作，建立了機械運動的理論體系，現在稱之為經典力學或牛頓力學.這種力學的理論體系完全建立在運動的連續性原理基礎之上.

我們知道，牛頓力學是以人類的直接生活經驗為基礎而建立起來的.在牛頓力學中，機械運動指的是物體隨時間在空間位置的變化.用來描述這種運動的物理量，時間、空間位置、速度、加速度都是連續性的量，即這些量的數值變化不會發生中斷或跳躍.對描述力學運動量的連續性追根溯源，在于時間與空間的連續性.在牛頓力學中，空間是運動的場所，時間是運動的延續.用數學語言來說，時間的變化可以無限小，即Δt→0；空間的間隔也可以無限小，即Δs→0.正是在這種假設前提下，微積分被應用來作為描寫力學運動的數學工具.速度、加速度也都是連續可變的.如果再把物體的質量以及物體間的相互作用力作為參數引入，則可以構成機械運動的能量——動能及勢能，它們也都是連續變化的量，既不存在量上的“中斷”或“飛躍”，也不存在量上的“極限”.速度、加速度都可以無限地增加.時間、空間的連續性，完全符合人類的直覺經驗.因此，自古以來，運動的連續性就是一條不證自明的公理.

由于牛頓、萊布尼茲發明微積分，使這種不證自明的公理得到有效的數學表示，解決了許許多多復雜的力學運動問題，使它在科學中形成了一個牢不可破的傳統.

2.4 拉普拉斯決定論

根據牛頓力學定律，物體的未來一切時刻的行為都由物體在某一給定時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點體系（剛體），進一步發展了牛頓力學.法國數學家拉普拉斯（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》、《分析力學》寫成牛頓《原理》的形式，使力學成了第一個真正數學化的科學.正是在上述自然科學成就的基礎上，出現了拉普拉斯決定論.按拉普拉斯的說法就是“設想有一‘智神’（Intelligence），當知道一定時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位置，那么，就可以用一個公式概括宇宙中最大的物體的運動和最小的原子運動.對‘智神’來說沒有任何東西不能被確切地知道，它對未來的東西如同對過去的東西一樣了如 指 掌.”［4］正 是 根據這種思想，拉普拉斯才敢于在他的著作《天體力學》一書中刪除了通常著作中都必須提到的“上帝”，當他把該書呈獻給拿破侖（Napoleon）皇帝.拿破侖問他，在他的書中為什么沒有上帝.拉普拉斯回答說：“陛下，我不需要這種假說！”因為在拉普拉斯看來，宇宙中的一切都由方程式決定了；在這里沒有上帝的地位與作用.

圖1 拉普拉斯法國數學家與力學家

2.5 人是機器

既然世界萬事萬物皆由原子組成，而原子僅做機械運動，因此，邏輯的結論就是整個自然界只不過是一臺巨大的機器.法國哲學家拉梅特里（La Mettrie，1709～1751年）由此作出“人是機器”的論斷.

3 機械自然觀的負面效應

16～19世紀建立起來的近代自然科學，其科學思想的內核是一種機械的自然圖景.這種自然觀認為，世界上一切物體的運動變化都可以用原子的組成及其（機械）運動來解釋.這種機械自然觀在反對神學自然觀，建立統一的自然圖景起過積極作用.但這種機械自然觀也有負面效應，那就是導致“頂峰論”的出現，即認為人類對自然界的認識，從原則上來說已到達頂峰，今后的任務只不過是在小數點后求精確化而已.而實際上，機械自然觀能解釋的自然現象非常有限，不僅復雜的物理、化學、生物運動不能歸結為簡單的機械運動，即使在機械運動范圍內，也有許多問題是當時的科學所解決不了的.牛頓引入“第一推動力”就是例證.從哲學上來說，排除了偶然性的拉普拉斯決定論或機械決定論，必然導致宿命論，逃脫不了“上帝”的“創造”與“設計”.

4 科學危機的出現

到19世紀后期，科學的理論體系的本身似乎已發展到非常嚴謹與完善的程度.所以，當時在科學界流行的觀點是科學已發展到了頂峰，今后的任務，只是在小數點后面求精確化而已.然而，就在人們慶賀科學理論大廈完成的時候，一系列發現與問題令人困惑，引人注目.科學出現了危機，特別是物理學危機與數學危機.

4.1 物理學危機

（1）1875年，韋伯通過測定金剛石、石墨、硼、硅的克分子熱發現固體比熱隨溫度降低而變小，而按傳統物理學的觀點（以能量均分為基礎），固體比熱應與溫度無關.

（2）1887年，赫茲發現了光電效應，引起了許多人的注意，希望能找到光直接轉變為電的途徑，但涉及到光電效應的機理則一直不清楚；到1902年，勒納德發現了光電效應中光電子的能量與光強無關等經驗規律，這與經典電磁場理論直接相矛盾.

（3）1887年，邁克耳孫－莫雷實驗得到了一個出乎意料的結果即地球相對于“以太”的運動速度為零；從而引起了人們對于“以太”是否存在或其性質的懷疑與猜測.

（4）1884年，巴耳末發現了氫光譜的譜線公式.1890年里德伯進一步找到了元素（不限于氫）光譜的一個公式.同年，里茲則發現了光譜線的并合原理.這些發現雖然都是經驗性的，但提出了傳統物理學難以回答的問題：這些光譜是如何形成的？為什么會有這些規律？

（5）1895年，倫琴發現了X射線.1896年，貝克勒爾發現了放射性.1897年，湯姆孫發現了電子.1898年居里夫婦發現了放射性鐳及釙.這些發現給原子的不可分性、不可入性、元素的不可轉變性等傳統觀念以巨大沖擊，打開了人類認識從宏觀世界進入微觀世界的大門.

（6）19世紀末，許多物理學家致力于黑體輻射問題的研究，理論與實驗之間一直不能完全吻合.1900年，瑞利根據經典物理學原理所導出的輻射公式在短波部分出現發散，暴露了經典物理學的嚴重問題.

（7）1901年，考夫曼通過實驗發現，電子的質量隨速度增加而增大，這是牛頓力學沒有考慮過的.

4.2 數學危機［5］

到19世紀末，人們把數學基礎理論的無矛盾性，歸結為集合論的無矛盾性.當時數學家們幾乎都認為，集合論是不會有矛盾的，數學的嚴格性的目標快要達到了；大家都為這一成就自鳴得意.法國著名數學家龐加萊（1854～1912年）于1900年在巴黎召開的國際數學家會議上夸耀道：“現在可以說，（數學）絕對的嚴密性是已經達到了.”然而，1902年，英國著名數理邏輯學家和哲學家羅素（1872～1970年，圖2）宣布了一條驚人的消息，集合論是自相矛盾的，并不存在什么絕對的嚴密性，史稱“羅素悖論”.1918年，羅素把這個悖論通俗化為理發師悖論.

圖2 羅素，英國數學家與邏輯學家

有一位理發師宣告 “我將為所有不給自己刮臉的人刮臉，也只給這些人刮臉.”來找他刮臉的人絡繹不絕，自然都是那些不給自己刮臉的人.可是，有一天，這位理發師從鏡子里看見自己的胡子長了，他本能地抓起了剃刀，要給自己刮臉.此時悖論出現：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.

羅素悖論的發現，無異于晴天劈靂，把人們從美夢中驚醒.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之中，從而從根本上危及了整個數學體系的確定性和嚴密性（有悖于拉普拉斯決定論）.于是在數學和邏輯學界引起了一場軒然大波，形成了“數學危機”.

4.3 科學危機的本質與啟示

物理學危機主要表現為發現了許多原有理論解釋不了的實驗事實，這可稱為理論的外在不可靠性.數學危機主要表現為悖論（在邏輯上推導出互相矛盾之結論）的出現，這可稱為理論的內在不完美性.

理論的外在不可靠性與內在不完美性的出現說明原有理論體系存在重大缺陷，從本質來說，則是由機械自然觀（科學思想的內核）的局限所引起.“原子：宇宙基石論”堅持原子的不可分割，封閉了從宏觀進入微觀的道路.絕對時空觀割裂了時空與物質及其運動的聯系，阻擋了從宏觀進入高速及宇觀的道路.運動的連續性原理否定了運動及能量的多樣性（連續與不連續），不突破運動的連續性原理就不可能產生量子理論.拉普拉斯決定論否定了因果關系多樣性，把世界簡單化.拉普拉斯決定論的“絕對化”與“數學危機”（內在不完美性）現象不相容.“人是機器”否定了物理、化學、生物運動與機械運動的區別，阻止了物理、化學、生物運動各自特點的揭示.

如何克服科學危機，即消除理論的外在不可靠性與內在不完美性，看來，只有突破機械自然觀，進而科學才能得到新的飛躍與發展.

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.北京：商務印書館，1964.174

3 牛頓.自然哲學之數學原理.北京：商務印書館，1957.8

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

5 韓雪濤.數學悖論與三次數學危機.長沙：湖南科學技術出版社，2006.1～5