9.哲学背景

科学研究成果往往会迫使人们改变对有限科学领域以外的问题的哲学看法。科学的目的是什么？一个试图描述自然的理论应该满足什么条件呢？这些问题虽然超越了物理学的界限，但与物理学密切相关，因为正是科学提供了素材，使这些问题得以产生。哲学概括必须以科学成果为基础。而哲学概括一旦形成并且被广泛接受，又常常会指出诸多可能道路中的某一条路，从而影响科学思想的进一步发展。等到业已接受的观点被成功地推翻，又会出现意想不到的全新发展，从这些发展中又会产生新的哲学观点。若不能从物理学史上引用一些例子来加以说明，这些话听起来一定是模糊不清和不得要领的。

现在我们就来谈谈最早的哲学家是如何设想科学的目的的。这些思想极大地影响了物理学的发展，直到近100年前才因为新的事实和理论证据而被抛弃，而这些新的事实和理论证据又成了新的科学背景。

从希腊哲学到现代物理学的整个历史中，一直有人尝试把看起来复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。这正是整个自然哲学的基本原则。它甚至表现在原子论者的著作中。2300年前，德谟克利特（Democritus）写道：

甜是约定的，苦是约定的，热是约定的，冷是约定的，颜色也是约定的。但实际上只有原子和虚空。也就是说，我们通常以为感官的对象是实在的，但其实并非如此。只有原子和虚空才是实在的。

在古代哲学中，这种观念只不过是别出心裁的想象罢了。将陆续发生的事件联系在一起的自然定律，希腊人是不知道的。事实上，从伽利略开始，科学才把理论与实验联系在一起。我们已经追溯了导向运动定律的初始线索。在200年的科学研究中，力和物质始终是理解自然的所有努力中的基本概念。我们想到其中一个概念就必定会想到另一个概念，因为物质通过作用于其他物质而证明自己是力的来源。

让我们考虑最简单的例子：两个粒子，彼此之间有力作用着。最容易设想的力是引力和斥力。在这两种情况中，力矢量都在质点的连线上。为了满足简单性，我们只能设想粒子相互之间吸引或排斥，因为关于作用力方向的任何其他假设都会导致复杂得多的图像。关于力矢量的长度，我们也能作出同样简单的假设吗？即使想避免过于特殊的假设，我们也仍然可以说：任何两个已知粒子之间的力就像万有引力一样，只与它们之间的距离有关。这看起来已经足够简单了。我们还可以把力设想得更为复杂，比如不仅与距离有关，而且与两个粒子的速度有关。倘若把物质和力当成基本概念，我们几乎无法设想还有什么假设能比力沿着粒子的连线作用并且只与距离有关更简单。但仅凭这种力能否描述所有物理现象呢？

力学在其各个分支中所取得的伟大成就，在天文学发展中的惊人成功，以及力学观念在那些非力学的、明显不同的问题中的应用，所有这些都使我们相信，可以通过固定不变的对象之间简单的力来解释所有自然现象。在伽利略之后的两个世纪里，这样一种努力有意无意地表现在几乎所有科学创造中。大约在19世纪中叶，亥姆霍兹（Helmholtz）明确表达了这一点：

因此我们发现，物理科学的问题在于把自然现象归结为强度只依赖于距离的不变的引力和斥力。要想完全理解自然，就得解决这个问题。

因此，按照亥姆霍兹的说法，科学发展的路线是已经决定了的，它严格遵循着这样一条固定的路径：

一旦把自然现象完全归结为简单的力，并且证明自然现象只能这样来归结，科学的使命就完成了。

在20世纪的物理学家看来，这种观点是单调而幼稚的。想到伟大的研究工作可能很快就会结束，一幅绝对可靠但却单调乏味的宇宙图景被一劳永逸地建立起来，他一定会感到恐惧。

即使这些信条能把对所有事件的描述归结为简单的力，也还有一个问题没有解决，那就是力与距离是什么关系。对于不同的现象来说，这种关系可能是不同的。从哲学的观点来看，必须为不同的事件引入多种不同类型的力，这肯定不能让人满意。尽管如此，亥姆霍兹清晰表述的这种所谓力学观在当时起了重要作用。物质运动论的发展就是直接受到力学观影响的最伟大的成就之一。

在叙述力学观的衰落之前，我们暂且接受19世纪物理学家所持的观点，看看从他们的外在世界图景中可以得出什么结论。