《19世紀(jì)物理學(xué)概念的發(fā)展——能量,力和物質(zhì)》（[英]彼得·邁克爾·哈曼 著,龔少明 譯 ,復(fù)旦大學(xué)出版社 出版）是《劍橋科學(xué)史》系列叢書中的一本.作者哈恩教授簡(jiǎn)潔地為我們說明了19世紀(jì)物理學(xué)的理論框架,著重講述了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家在機(jī)械論基礎(chǔ)上千方百計(jì)地建立他們的理論的過程.雖然就我目前的物理學(xué)知識(shí)而言,對(duì)整本書的理解只能是一個(gè)大而化之的粗淺印象,可是,我覺得,當(dāng)我們對(duì)兩大物理學(xué)“支柱”虔誠地膜拜,耗盡心力的學(xué)習(xí)和研究其理論知識(shí),鉆研于其中的大量習(xí)題的同時(shí),常識(shí)性地了解19世紀(jì)物理學(xué)——這一完善和孕育著兩大物理學(xué)支柱的關(guān)鍵時(shí)期的知識(shí),不僅必要,而且必須.至少對(duì)我而言,感覺收益非淺.
全書多的是較為平直枯燥的理論解釋,很多涉及到了我們還未接觸過的物理知識(shí).比如以太,分子物理學(xué)等等,可是總有一種意念使我堅(jiān)持看完了此書.因?yàn)檎嬲业囊呀?jīng)不止是這些理論、公式,更重要的是這些物理學(xué)家們?cè)谶@個(gè)物理學(xué)從“經(jīng)典”走向“近代”的過渡時(shí)期的思考的痕跡,我渴望了19世紀(jì)物理學(xué)概念究竟發(fā)展到了一個(gè)什么樣的高度,貫穿與19世紀(jì)物理學(xué)的核心問題又到底是什么呢?
19世紀(jì)的物理——物理與數(shù)學(xué)的完美結(jié)合
起初在讀這本書的時(shí)候,我常常驚奇地發(fā)現(xiàn),為什么在這本物理學(xué)讀物中,出現(xiàn)了這么多的耳熟能詳?shù)臄?shù)學(xué)家的名字——這些名字是我們正在學(xué)習(xí)的高等數(shù)學(xué)書中的常客——拉普拉斯、傅里葉、拉格朗日……他們演算的一系列數(shù)學(xué)公式我們都要花上好長(zhǎng)的時(shí)間才能消化領(lǐng)會(huì)其中的鳳毛麟角,沒想到他們還到物理學(xué)領(lǐng)域“插一腳”.隨著內(nèi)容的深入,我的認(rèn)識(shí)才逐漸豐滿起來：19世紀(jì),“物理學(xué)”這個(gè)術(shù)語的含義發(fā)生了新的重大變化.盡管這個(gè)術(shù)語從傳統(tǒng)意義上有時(shí)仍被用來泛指自然科學(xué),但在19世紀(jì)的早期,“物理學(xué)”已以近代的更加專門的意義,用來表示采用數(shù)學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)方法來研究力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)的科學(xué).而當(dāng)時(shí)的物理研究方法,也主要是采用定量描述,以尋求數(shù)學(xué)規(guī)律為普遍目標(biāo),以建立能量守恒定律為統(tǒng)一原理,以力學(xué)解釋綱領(lǐng)作為物理理論的支柱.
[i]在19世紀(jì)的物理理論中,力學(xué)現(xiàn)象就是在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上加以分析研究的.可以說物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)處理在力學(xué)研究中達(dá)到了登峰造極的地步.主要體現(xiàn)在下述四方面的進(jìn)展.它們?yōu)榻⒔y(tǒng)一的物理學(xué)奠定了可靠的基礎(chǔ)：
1.P.S德.拉普拉斯(P.S.de Laplace)及其追隨者,建立了一種既適用于力學(xué)又適用于熱學(xué)和光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)于粒子之間的力的普遍的數(shù)學(xué)理論.盡管在1815-1825年的10年間,隨著熱學(xué)和光學(xué)的最新進(jìn)展,這一理論已經(jīng)被拋棄了,但是拉普拉斯的數(shù)學(xué)化和公式化對(duì)統(tǒng)一的物理世界觀,乃至對(duì)以后物理學(xué)理論的發(fā)展都產(chǎn)生了深刻的影響.
2.1822年的約瑟夫.傅里葉（Joseph Fourier）關(guān)于熱的數(shù)學(xué)理論的發(fā)表1,把原先只適用于力學(xué)問題的數(shù)學(xué)分析方法,應(yīng)用到熱學(xué)的研究之中.在磨合這種概念上的傳統(tǒng)差別及強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)表述和物理表述的差別時(shí),傅里葉的工作對(duì)建立統(tǒng)一的物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)和廣泛的影響.正是在這種影響下,19世紀(jì)40年代,威廉.湯姆孫（William.Thomson）受到了其熱理論和靜電學(xué)理論兩者數(shù)學(xué)類似的啟發(fā),一方面,研究出了熱學(xué)定律和電學(xué)定律兩者間的數(shù)學(xué)類似性和物理類似性,另一方面又探索了質(zhì)點(diǎn)力學(xué)同流體力學(xué)及彈性力學(xué)之間的數(shù)學(xué)相似性.湯姆孫通過這種物理比較方法,亦通過同一數(shù)學(xué)形式所反映不同現(xiàn)象之間的概念聯(lián)系方法,加深了人們對(duì)物理現(xiàn)象的統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí).
3.A.J.菲涅耳(A.J.Fresnel)關(guān)于光的波動(dòng)說,假定光是依靠力學(xué)以太的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳播的,因而光學(xué)又納入到力學(xué)自然觀的范疇之中了.大約19世紀(jì)30年代,光的波動(dòng)說已被普遍接受,物理學(xué)家試圖尋找一種合乎邏輯的光學(xué)機(jī)械論,為此探索了多種多樣的物理理論和數(shù)學(xué)理論.光學(xué)以太的機(jī)械論又為力學(xué)解釋提供了一個(gè)典型的普遍性事例.
4.19世紀(jì)40年代,能量守恒定律的建立又加強(qiáng)了物理學(xué)的統(tǒng)一性,使熱、光、電、磁的現(xiàn)象都?xì)w并到力學(xué)原理框架之中.赫爾曼.馮.亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)在1847年發(fā)表的一篇極有創(chuàng)意的論文中2,把這些現(xiàn)象表示為能量的不同形式,從而說明了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)之間的關(guān)系.他還強(qiáng)調(diào)指出,能量的概念是力學(xué)自然觀的另一種表述方式,他所建立的能量守恒定律也是數(shù)學(xué)和力學(xué)的一個(gè)定理.
盡管有不少物理學(xué)家曾采取了各種嘗試,試圖從數(shù)學(xué)上解決一些問題并沒有取得成功,可是,總的來說,19世紀(jì)物理發(fā)展是物理學(xué)和數(shù)學(xué)完美結(jié)合.正是數(shù)學(xué)和物理學(xué)雙管齊下的完美結(jié)合,才使的“物理學(xué)”的學(xué)科范圍以及學(xué)科內(nèi)容的協(xié)調(diào)性都極為美妙,物理學(xué)作為一門完整的學(xué)科,不僅外延和內(nèi)涵有了進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善,而且已經(jīng)達(dá)到了概念準(zhǔn)確、邏輯統(tǒng)一的新階段.
19世紀(jì)的物理學(xué)——力學(xué)世界觀的衰落
回顧19世紀(jì)的物理學(xué),在1850年左右,當(dāng)時(shí)物理學(xué)的最重大的根基已經(jīng)明確了：物理現(xiàn)象都可以用一種統(tǒng)一的框架來解釋,即以力學(xué)解釋為原理的出發(fā)點(diǎn),通過數(shù)學(xué)描述對(duì)物理現(xiàn)象作模擬并導(dǎo)出描述現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程式,再冠之以普遍的定律——能量守恒定律.有了經(jīng)典力學(xué)的支持,加之能量守恒定律的建立,人們對(duì)力和能量的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高的高度.可是,當(dāng)物理學(xué)家們?cè)噲D完善這種以力學(xué)為主體的物理體系,并期望依賴這種體系解釋自然規(guī)律的時(shí)候,困難和矛盾出人意料的發(fā)生了.一切的一切就好比W.湯姆孫在1900年的一次題為‘漂浮在熱和光學(xué)的動(dòng)力學(xué)上空的19世紀(jì)烏云’的演講中所指出的：力學(xué)自然觀面臨著兩大難題,一是不能解釋地球穿過以太的運(yùn)動(dòng)機(jī)制；二是能量均分概念提不出分子模型的構(gòu)造.湯姆孫強(qiáng)調(diào)指出,正是這兩朵‘烏云’妨礙他對(duì)物理現(xiàn)象提出力學(xué)模型.但是由于這兩大難題所涉及的范圍比較廣泛,留給物理學(xué)家圍繞力學(xué)自然觀的概念基礎(chǔ)所能現(xiàn)象的空間也比較大.
其實(shí)我覺得傳統(tǒng)的力學(xué)解釋綱領(lǐng)在19世紀(jì)80年代和90年代就已引起了物理學(xué)家的多種多樣的反響.可是在解釋過程中又不可避免的捉襟見肘或困難重重.這似乎成了當(dāng)時(shí)物理研究的瓶頸.比如湯姆孫的以太模型3和波爾茲曼關(guān)于場(chǎng)論的演講,都是盡量把物理現(xiàn)象的模型精雕細(xì)琢,千方百計(jì)的維護(hù)力學(xué)綱領(lǐng).波爾茲曼盡心盡力地對(duì)他的電磁場(chǎng)的力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)做出了及其細(xì)致的描述；而湯姆孫指出,現(xiàn)象的力學(xué)模型結(jié)構(gòu)如何是關(guān)系到對(duì)該現(xiàn)象易于理解的重要判據(jù)；但是與力學(xué)模型相關(guān)的概念困難已被深刻理解4.赫茲也相信力學(xué)解釋綱領(lǐng),強(qiáng)調(diào)他的以太概念是建立在以太各局部之間由機(jī)械結(jié)構(gòu)相連的模型之上的,但由于他把電磁學(xué)的形式同由力學(xué)模型小心的區(qū)別開來,這就促使他產(chǎn)生了電磁場(chǎng)不具有力學(xué)性質(zhì)的觀點(diǎn).在他的關(guān)于電子論的首次描述中,他把電磁場(chǎng)想像為動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),可他最后還是放棄了與解析動(dòng)力學(xué)相關(guān)的形式,朝著非力學(xué)原理范疇建立電子和電磁以太本體論的反方向前進(jìn),而他的電磁以太理論不是建立在力學(xué)綱領(lǐng)的基礎(chǔ)上.洛倫茲從自己的電磁學(xué)自然觀出發(fā),解釋了地球通過以太的運(yùn)動(dòng),這也是回避彈性以太的力學(xué)理論所面臨的困難的一種表述方式.圍繞場(chǎng)論機(jī)制的爭(zhēng)論于圍繞熱力學(xué)的爭(zhēng)論如出一轍.波爾茲曼竭盡全力要維護(hù)力學(xué)自然觀地位不可動(dòng)搖,用分子的統(tǒng)計(jì)原理建立起熵和不可逆性的概念后,又用力學(xué)自然觀的本體論解釋了熱力學(xué)第二定律.普朗克并沒有完全否定機(jī)械論的本體論,但他試圖以純熱力來解釋熵.總之,他們都希望把原子論的概念從物理理論的范疇中清除掉.
由于均分原理和以太模型結(jié)構(gòu)等相關(guān)問題,也就是湯姆孫所謂的力學(xué)自然觀上空的兩朵‘烏云’的出現(xiàn),圍繞著物理學(xué)大廈基本框架的爭(zhēng)論就越來越突出了.無論是在關(guān)于力學(xué)綱領(lǐng)是否由電磁學(xué)本體論替換,還是關(guān)于使能量均分原理符合氣體運(yùn)動(dòng)論,或者是在為熵尋求純力學(xué)解釋的過程中,種種失敗都加快了力學(xué)綱領(lǐng)的衰亡.這種消亡作為物理學(xué)理論演變的一個(gè)范例,深受對(duì)力學(xué)解釋進(jìn)行哲學(xué)批判者的支持.5
我不想在這里討論這種哲學(xué)批判,至少現(xiàn)在我們知道湯姆孫的兩朵‘烏云’終于消散了,而且當(dāng)然并不是通過他對(duì)力學(xué)物理機(jī)制的修正實(shí)現(xiàn)的.在19世紀(jì)的下半葉,隨著物理學(xué)探索者們的認(rèn)識(shí)的不斷深入,力學(xué)綱領(lǐng)的消亡促成了新的物理體系的萌芽,也完成了從依賴力學(xué)綱領(lǐng)的經(jīng)典物理學(xué)到近代物理學(xué)的過渡.
19世紀(jì)的物理學(xué)——貫穿“經(jīng)典”和“近代”的紐帶
這里,我只想站在一個(gè)物理學(xué)初學(xué)者的角度說說我對(duì)19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的感性認(rèn)識(shí).
一直驚嘆于由“經(jīng)典物理學(xué)”和“近代物理學(xué)”所支撐構(gòu)架的物理學(xué)的宏偉宮殿；一直以為,從“經(jīng)典力學(xué)”到“近代物理學(xué)”之間的跨越是為數(shù)不多的幾個(gè)物理天才的靈光一閃——一切好比牛頓的墓志銘上的描述：“Nature and Nature’s law lay hid in night.God said:‘Let Newton be.’and all was light.”6上帝創(chuàng)造了牛頓,又創(chuàng)造了這只落到牛頓頭上的蘋果,于是誕生了牛頓三大力學(xué)定律——天才愛因斯坦也是偶然的靈光一閃,拍腦袋想出了游離于“絕對(duì)空間”之外的“相對(duì)空間”,構(gòu)造了一系列被人們奉為經(jīng)典的時(shí)空觀.殊不知,當(dāng)物理學(xué)與人類文明滾滾向前的車輪從18世紀(jì)駛來,又滾滾而去的這100年間,物理學(xué)觀念、理論、概念發(fā)生了多么巨大的變化.在這猶如滄海一粟般的100年里,物理學(xué)探索者們竟要在截然不同的思維中迂回穿梭,找到得以平衡的支點(diǎn).無論力學(xué)解釋綱領(lǐng)所發(fā)揮的主導(dǎo)地位如何突出,也不管偶然求助“牛頓”理論的實(shí)際情況如何強(qiáng)烈,19世紀(jì)時(shí),當(dāng)把術(shù)語“牛頓的”應(yīng)用到物理學(xué)中時(shí),常被人誤解了.19世紀(jì)物理學(xué)概念涵義——能量守恒、物理場(chǎng)理論、電磁以太震蕩和發(fā)光理論、熵的概念——都不可能再執(zhí)意地表示為“牛頓”的了.真理似乎成了謬誤,而新的理論又好似飄忽于燈火闌珊處.一切似乎都混沌了,茫茫然了無頭緒.網(wǎng)上討論時(shí),有同學(xué)有這樣的疑問：如果有一天,物理學(xué)發(fā)展到以前的所有理論都必須推翻,那該怎么辦?我們的回答都是樂觀的、輕描淡寫的“重頭再來”等等,可試想一下,當(dāng)時(shí)的物理學(xué)探索者們所面對(duì)的不就是與此類似的情況嗎?—— 一些不尋常形式的物理學(xué)與長(zhǎng)期以來被奉為真理的牛頓的自然觀相餑,誰能體會(huì)其中的迷茫和惶惑?是因循守舊還是開拓創(chuàng)性?—— 一邊是苦苦維系的傳統(tǒng)準(zhǔn)則,一邊又是呼之欲出的新興理念,誰能想象兩種意念的碰撞和摩擦?是保留還是擯棄?—— 當(dāng)新的思路開始鋒芒畢露時(shí),又有誰能想象這一過程中所必須經(jīng)歷的懷疑、挑剔、審視的眼睛?而為了維持這些萌芽的觀點(diǎn),又有誰能想象其間需要的大膽構(gòu)想和縝密推論?……
19世紀(jì)的物理發(fā)展,雖然沒有能與“三大力學(xué)定律”或“相對(duì)論”等相提并論的理論的出現(xiàn),但是,我覺得用“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”來形容是不為過的.因?yàn)?它猶如一個(gè)充滿生機(jī)的襁褓,在去偽存真,總結(jié)完善“經(jīng)典力學(xué)”體系的同時(shí),又為新的,同樣偉大的理論蓄勢(shì)；它猶如一條貫穿與經(jīng)典物理與近代物理的紐帶,是物理學(xué)發(fā)展的重要而特殊的階段.
16和17世紀(jì),力學(xué)和天文學(xué)索取得的智力勝利,使人們對(duì)科學(xué)革命的歷史留下了清晰的印象,但是也使人們對(duì)“經(jīng)典”物理留下了堅(jiān)如磐石的統(tǒng)一世界觀的十分錯(cuò)誤的印象；20世紀(jì),愛因斯坦在相對(duì)論中拋棄了絕對(duì)時(shí)空觀,量子力學(xué)中又否定了因果性和決定論；愛因斯坦和普朗克的工作——即相對(duì)論和量子論的發(fā)展,是對(duì)傳統(tǒng)物理理論的一次重大突破,標(biāo)志著20世紀(jì)初期物理學(xué)方向的重大變革.一直以來,我們習(xí)慣上總是將目光關(guān)注于“經(jīng)典力學(xué)”和“量子力學(xué)”這兩根“擎天柱”所支撐的物理學(xué)殿堂,卻并沒有很好地意識(shí)到這兩大支柱是由19世紀(jì)物理學(xué)所緊密維系的.19世紀(jì)的物理學(xué)對(duì)于經(jīng)典力學(xué)體系的發(fā)展和進(jìn)一步完善以及量子力學(xué)和相對(duì)時(shí)空觀的產(chǎn)生和興起,無疑起到了承前啟后,拋磚引玉,去偽存真的重要作用.