机械自然观的形成及科学危机的出现
——科学发展的人文历程漫话之十

钱时惕

（河北大学 河北 保定 071002）

1 机械自然观的形成

自然观（或自然图景）指的是人们对自然界总的看法.每一个时代，人们根据那个时代的认识水平与认识方法，都会形成相应的自然观.

在古代，人们凭借对自然界的直接观察与猜测，建立起了原始的唯物主义与朴素辩证的自然观，即世界在本质上是某种从浑浊中产生出来的东西、某种发展起来的东西、某种逐渐生成的东西.中世纪的欧洲，基督教神学占据统治地位，相应地，形成了神学自然观，即上帝创造了世界，世界是有秩序的，但上帝完成“创世”后，世界就不再变化了.

16～19世纪，自然科学摆脱了神权统治，走上了独立发展道路，同时，也在很多方面冲破了神学自然观.当时，整个自然科学主要是在牛顿力学基础上展开的，把生物、化学、物理学等运动形式都归结为简单的机械运动，各种物体（包括人在内）则看成是由宇宙最后的基石——原子通过各种方式组合而成.因此认为，只要掌握了机械运动的规律，原则上就能解释甚至预测世界上的一切自然现象，从而形成了机械自然观.

2 机械自然观的主要观点

2.1 原子是宇宙的基石

原子概念的起源可以追溯到古希腊哲学家留基伯、德谟克利特、伊壁鸠鲁（Epikouros，公元前342年～公元前270年）等人.他们从观察自然现象而抽象与概括出来的观点是宇宙万物是由物质世界中不可分割的最小微粒——原子构成.

根据这种原子学说，用原子的运动解释宇宙万物的构成及变化，反对那种认为宇宙万物是由外在力量（诸如神、天命、上帝……之类的观念）所创造及保持的观点，所以带有明显的唯物主义性质.因此，原子学说在神权统治的中世纪一直被禁锢与压抑.

在自然科学摆脱神权统治走向独立发展的历史背景下，17世纪，法国先进思想家伽桑狄（P.Gassendi，1592～1655年）把“伊壁鸠鲁从禁书里面拯救出来”，复兴原子论，重新引起了人们对原子论的关注.

到19世纪初，道尔顿把古代的原子学说与最新的实验资料密切联系起来，强调了原子量以及原子与原子按定量规律（定比定律、倍比定律、质量不灭定律）相结合的概念，从而使“化学可以被称为研究物体由于量的构成的变化而发生的质变科学”［1］.“化学中的新时代是随着原子论开始的.”［1］

原子是组成宇宙基石的观念，是那个时代在科学中占统治地位的思想.正如著名物理学家M·波恩在《我这一代的物理学》一书中指出那样，当时的科学家们都相信：“普通物体可以分割成部分，再分割成更小部分.希腊人的观念是，这个程序在某处有个终点，那时候，这些部分就成为不可分割的粒子，即原子.”［2］

2.2 绝对时空观

17世纪，牛顿在总结前人研究工作的基础上，建立了经典力学的理论基础.与这种经典力学相适应，牛顿还建立了有关时间与空间的学说.

在牛顿看来，空间像一个大容器，为物体运动提供了一个场所.物体放进去也好，取出来也好，这个空间本身并不会发生什么变化；这种空间称为绝对空间.用牛顿的话来说，这种 “绝对的空间，按其实质永远是均匀的和不动的，与任何外界情况无关.”［3］而时间像一条川流不息的河流，有事件发生也好，无事件发生也好，这条河流总是不断地、均匀地、不变地流逝着；这种时间称为绝对时间.用牛顿的话来说，这种“绝对的、真的及数学的时间，按其本质来说，在均匀地流动着，与外界任何对象没有关系，此时亦可称之为延续”［3］.总之，按照牛顿的观点，时间与空间是独立物质运动之外，不受物质运动影响的；而具体物体的机械运动，则是在这种绝对的时空背景上进行的.

2.3 运动的连续性原理

关于世界物质存在的形态，在历史上，一直有所谓“原子”与“虚空”或“原子”与“以太”之说.但对于物质的运动，从来都认为是连续的.运动的不连续性，将会导致“飞矢不飞”一类的芝诺佯谬.

文艺复兴运动以来，自然科学得到了蓬勃的发展.由于伽利略、开普勒、牛顿等人的工作，建立了机械运动的理论体系，现在称之为经典力学或牛顿力学.这种力学的理论体系完全建立在运动的连续性原理基础之上.

我们知道，牛顿力学是以人类的直接生活经验为基础而建立起来的.在牛顿力学中，机械运动指的是物体随时间在空间位置的变化.用来描述这种运动的物理量，时间、空间位置、速度、加速度都是连续性的量，即这些量的数值变化不会发生中断或跳跃.对描述力学运动量的连续性追根溯源，在于时间与空间的连续性.在牛顿力学中，空间是运动的场所，时间是运动的延续.用数学语言来说，时间的变化可以无限小，即Δt→0；空间的间隔也可以无限小，即Δs→0.正是在这种假设前提下，微积分被应用来作为描写力学运动的数学工具.速度、加速度也都是连续可变的.如果再把物体的质量以及物体间的相互作用力作为参数引入，则可以构成机械运动的能量——动能及势能，它们也都是连续变化的量，既不存在量上的“中断”或“飞跃”，也不存在量上的“极限”.速度、加速度都可以无限地增加.时间、空间的连续性，完全符合人类的直觉经验.因此，自古以来，运动的连续性就是一条不证自明的公理.

由于牛顿、莱布尼兹发明微积分，使这种不证自明的公理得到有效的数学表示，解决了许许多多复杂的力学运动问题，使它在科学中形成了一个牢不可破的传统.

2.4 拉普拉斯决定论

根据牛顿力学定律，物体的未来一切时刻的行为都由物体在某一给定时刻的初始位置和初始速度以及作用于物体上的力完全而精确地确定.继牛顿之后，瑞士物理学家伯努利（D.Bernoulli，1700～1782年）和欧勒（L.Euler，1707～1783年）采用牛顿的方法研究了多质点体系（刚体），进一步发展了牛顿力学.法国数学家拉普拉斯（P.S.Laplace，1749～1827年，图1）和拉格朗日（J.L.Lagrange，1736～1813年）将他们各自的《天体力学》、《分析力学》写成牛顿《原理》的形式，使力学成了第一个真正数学化的科学.正是在上述自然科学成就的基础上，出现了拉普拉斯决定论.按拉普拉斯的说法就是“设想有一‘智神’（Intelligence），当知道一定时刻支配自然界所有的力，以及自然界的一切组成部分的相对位置，那么，就可以用一个公式概括宇宙中最大的物体的运动和最小的原子运动.对‘智神’来说没有任何东西不能被确切地知道，它对未来的东西如同对过去的东西一样了如 指 掌.”［4］正 是 根据这种思想，拉普拉斯才敢于在他的著作《天体力学》一书中删除了通常著作中都必须提到的“上帝”，当他把该书呈献给拿破仑（Napoleon）皇帝.拿破仑问他，在他的书中为什么没有上帝.拉普拉斯回答说：“陛下，我不需要这种假说！”因为在拉普拉斯看来，宇宙中的一切都由方程式决定了；在这里没有上帝的地位与作用.

图1 拉普拉斯法国数学家与力学家

2.5 人是机器

既然世界万事万物皆由原子组成，而原子仅做机械运动，因此，逻辑的结论就是整个自然界只不过是一台巨大的机器.法国哲学家拉梅特里（La Mettrie，1709～1751年）由此作出“人是机器”的论断.

3 机械自然观的负面效应

16～19世纪建立起来的近代自然科学，其科学思想的内核是一种机械的自然图景.这种自然观认为，世界上一切物体的运动变化都可以用原子的组成及其（机械）运动来解释.这种机械自然观在反对神学自然观，建立统一的自然图景起过积极作用.但这种机械自然观也有负面效应，那就是导致“顶峰论”的出现，即认为人类对自然界的认识，从原则上来说已到达顶峰，今后的任务只不过是在小数点后求精确化而已.而实际上，机械自然观能解释的自然现象非常有限，不仅复杂的物理、化学、生物运动不能归结为简单的机械运动，即使在机械运动范围内，也有许多问题是当时的科学所解决不了的.牛顿引入“第一推动力”就是例证.从哲学上来说，排除了偶然性的拉普拉斯决定论或机械决定论，必然导致宿命论，逃脱不了“上帝”的“创造”与“设计”.

4 科学危机的出现

到19世纪后期，科学的理论体系的本身似乎已发展到非常严谨与完善的程度.所以，当时在科学界流行的观点是科学已发展到了顶峰，今后的任务，只是在小数点后面求精确化而已.然而，就在人们庆贺科学理论大厦完成的时候，一系列发现与问题令人困惑，引人注目.科学出现了危机，特别是物理学危机与数学危机.

4.1 物理学危机

（1）1875年，韦伯通过测定金刚石、石墨、硼、硅的克分子热发现固体比热随温度降低而变小，而按传统物理学的观点（以能量均分为基础），固体比热应与温度无关.

（2）1887年，赫兹发现了光电效应，引起了许多人的注意，希望能找到光直接转变为电的途径，但涉及到光电效应的机理则一直不清楚；到1902年，勒纳德发现了光电效应中光电子的能量与光强无关等经验规律，这与经典电磁场理论直接相矛盾.

（3）1887年，迈克耳孙－莫雷实验得到了一个出乎意料的结果即地球相对于“以太”的运动速度为零；从而引起了人们对于“以太”是否存在或其性质的怀疑与猜测.

（4）1884年，巴耳末发现了氢光谱的谱线公式.1890年里德伯进一步找到了元素（不限于氢）光谱的一个公式.同年，里兹则发现了光谱线的并合原理.这些发现虽然都是经验性的，但提出了传统物理学难以回答的问题：这些光谱是如何形成的？为什么会有这些规律？

（5）1895年，伦琴发现了X射线.1896年，贝克勒尔发现了放射性.1897年，汤姆孙发现了电子.1898年居里夫妇发现了放射性镭及钋.这些发现给原子的不可分性、不可入性、元素的不可转变性等传统观念以巨大冲击，打开了人类认识从宏观世界进入微观世界的大门.

（6）19世纪末，许多物理学家致力于黑体辐射问题的研究，理论与实验之间一直不能完全吻合.1900年，瑞利根据经典物理学原理所导出的辐射公式在短波部分出现发散，暴露了经典物理学的严重问题.

（7）1901年，考夫曼通过实验发现，电子的质量随速度增加而增大，这是牛顿力学没有考虑过的.

4.2 数学危机［5］

到19世纪末，人们把数学基础理论的无矛盾性，归结为集合论的无矛盾性.当时数学家们几乎都认为，集合论是不会有矛盾的，数学的严格性的目标快要达到了；大家都为这一成就自鸣得意.法国著名数学家庞加莱（1854～1912年）于1900年在巴黎召开的国际数学家会议上夸耀道：“现在可以说，（数学）绝对的严密性是已经达到了.”然而，1902年，英国著名数理逻辑学家和哲学家罗素（1872～1970年，图2）宣布了一条惊人的消息，集合论是自相矛盾的，并不存在什么绝对的严密性，史称“罗素悖论”.1918年，罗素把这个悖论通俗化为理发师悖论.

图2 罗素，英国数学家与逻辑学家

有一位理发师宣告 “我将为所有不给自己刮脸的人刮脸，也只给这些人刮脸.”来找他刮脸的人络绎不绝，自然都是那些不给自己刮脸的人.可是，有一天，这位理发师从镜子里看见自己的胡子长了，他本能地抓起了剃刀，要给自己刮脸.此时悖论出现：如果他不给自己刮脸，他就属于“不给自己刮脸的人”，他就要给自己刮脸；而如果他给自己刮脸，他又属于“给自己刮脸的人”，他就不该给自己刮脸.

罗素悖论的发现，无异于晴天劈雳，把人们从美梦中惊醒.罗素悖论以及集合论中其他一些悖论，深入到集合论的理论基础之中，从而从根本上危及了整个数学体系的确定性和严密性（有悖于拉普拉斯决定论）.于是在数学和逻辑学界引起了一场轩然大波，形成了“数学危机”.

4.3 科学危机的本质与启示

物理学危机主要表现为发现了许多原有理论解释不了的实验事实，这可称为理论的外在不可靠性.数学危机主要表现为悖论（在逻辑上推导出互相矛盾之结论）的出现，这可称为理论的内在不完美性.

理论的外在不可靠性与内在不完美性的出现说明原有理论体系存在重大缺陷，从本质来说，则是由机械自然观（科学思想的内核）的局限所引起.“原子：宇宙基石论”坚持原子的不可分割，封闭了从宏观进入微观的道路.绝对时空观割裂了时空与物质及其运动的联系，阻挡了从宏观进入高速及宇观的道路.运动的连续性原理否定了运动及能量的多样性（连续与不连续），不突破运动的连续性原理就不可能产生量子理论.拉普拉斯决定论否定了因果关系多样性，把世界简单化.拉普拉斯决定论的“绝对化”与“数学危机”（内在不完美性）现象不相容.“人是机器”否定了物理、化学、生物运动与机械运动的区别，阻止了物理、化学、生物运动各自特点的揭示.

如何克服科学危机，即消除理论的外在不可靠性与内在不完美性，看来，只有突破机械自然观，进而科学才能得到新的飞跃与发展.

1 恩格斯.自然辩证法.北京：人民出版社，1984.79，275

2 M·波恩.我这一代的物理学.北京：商务印书馆，1964.174

3 牛顿.自然哲学之数学原理.北京：商务印书馆，1957.8

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

5 韩雪涛.数学悖论与三次数学危机.长沙：湖南科学技术出版社，2006.1～5