形而上学在牛顿力学中的地位和作用

2018-02-28 23:11 来源:《求实》 作者:罗诗裕/周小方/邵明珠

  一、引言

  牛顿力学的影响远远超出了它自身。自从诞生的那一天起,它就象一位纵横驰骋的将军不断向内渗透、向外扩张。在自然科学、社会科学和思维科学领域内都留下了深深的足迹,不愧是人类文明史上一块不朽的丰碑。建立在牛顿力学基础之上的形而上学宇宙观则是科学和哲学史上一块绚丽的瑰宝。本文将从牛顿力学出发,对形而上学在认识论上的地位和作用作一历史回顾和科学反思。

  二、历史回顾

  古希腊哲学的特点是企图从整体上去认识世界和把握世界。正是在这个意义上,我们说古希腊哲学是“整体”哲学,自然也是“思辨”哲学。这是人类认识在经历了漫长的“彷徨”与“困惑”之后的一次飞跃。哲学的整体化特征注定了它一定包含着丰富而朴素的辩证法思想。到了文艺复兴时期,人们已有可能对不同的自然现象进行认识。人类文明进入到伽利略和牛顿时代,科学开始从哲学母体中分化出来,并逐步形成了自然科学的各大门类,物理学也出现了若干分支。人类认识从一般到个别、从抽象到具体,是人类认识的再一次飞跃,也是人类认识从辩证法向形而上学的升华。到了19世纪中期,科学的整体化趋势又见端倪。从此开始,自然科学的研究便一直在综合与分化并存、一般与个别同在的格局下蓬勃发展。

  科学认识是人类认识最深刻和最本质的认识之一。即使是哲学规律(比如对立统一规律)也必须接受科学认识的检验。事实上,科学认识一直就是哲学的重要基础和知识源泉。在古希腊,科学和哲学原本就是一家。到了伽利略和牛顿时代,它们才开始分化。然而,它们之间却存在着千丝万缕的联系。事实上,哲学如果不同科学结合,就只能是一个空架子;而科学要是没有哲学的指导也只能是一堆原始无序的东西。

  自从人类同自然分化以来,为了生存,就不断同自然抗争。人类正是在同自然的抗争中学会了捕鱼和狩猎,学会了制造简单的工具;也正是在同自然的抗争中,最早领悟到了力、机械和机械运动这些原始概念。人类文明进入古希腊,便开始试图回答周围所发生的一切。比如,物质由什么构成?地上的、空中的和天上的物体为什么会运动?德莫克利特用一个猜想回答了第一问题,而亚里斯多德则用了两条假设解释了第二个现象。亚氏的第一条假设是“所有物体都有回归自然状态的趋势”。这条假设是普遍假设,对三种情况都适合。第二条假设是:地上物体的自然状态是静止;空中物体的自然状态是地球;天上物体的自然状态是圆周运动。亚氏用这两条假设指出了空中的物体因为要回归自然状态,它必然要下落。天上的物体(星球)要回归自然状态就一定要作圆周运动,而且以地球为中心。那么,地面上的物体为什么会运动呢?因为地上物体的自然状态是静止,要运动必须对它施“力”。于是,亚氏明确指出了“力”是物体运动的原因。亚氏的这一描述作为近似描述,应该说是对的。到了牛顿时代,人们进一步认识到了“力”不是物体运动的原因,而是物体运动状态变化的原因:而且还认识到了这个力不是主体施力,而是物体受力。但是不管是施力还是受力,这种力必须是外力。基于这种认识,牛顿总结出了支配物体运动的一条动力学规律,这就是牛顿第二定律。牛顿第二定律是描述机械运动的普遍定律。这个定律告诉我们,只要物体受力状态知道,它的运动状态就完全确定。

  三、科学反思

  牛顿力学经过欧拉、莫培督和拉格朗日等人的发展,不断完善,形成了影响深远的经典力学。尽管这样,人们仍然习惯地把它叫做牛顿力学。从牛顿力学可以得到哪些哲学启示呢?

  1、牛顿力学为决定论提供了科学依据。

  牛顿第二定律揭示了“有确定的原因就必然有确定的结果”,这一认识论原则就是因果论原则,也是决定论原则。毫不夸张地说,牛顿力学对物理学、自然科学、哲学和人类文明都有着深远的影响,就是在今天,这种影响都无处不在。牛顿第二定律告诉我们只要知道了作用在物体上的力,它的运动状态就完全确定。这是典型的因果描述。这就是说,在机械运动范围内,物体与物体之间的联系是因果联系。因果联系的特点是有原因就必然有结果,原因和结果一一对应,而且先行后续,不允许颠倒。当牛顿力学向纵横方向渗透时,这种因果联系和决定论原则也在大势扩张,从而形成因果论和决定论的广泛市场。事实上,在伽利略和牛顿时代,人类就开始了从整体认识到个别认识,从抽象认识到具体认识的深化。比如,对机械运动现象的研究有经典力学,对热现象的研究有热力学,对电磁现象的研究有电动力学,对微观世界的研究有量子力学。值得注意的是,同机械运动毫不相关的热现象、电磁现象和微观现象都用了力学模型、力学概念和力学规律。在自然科学的其他门类中也先后产生了天体力学、地质力学和生物力学等二级学科。事实上,凡是被“力”渗透的领域,人们都企图用“力”去解释,或者说用因果律或决定论原则去描述。尽管这种描述显得非常牵强也不愿意主动放弃。

  当然,因果论和决定论并不是一回事,但它们有着深刻的内在联系。正如玻恩在谈到决定论和因果论关系时所说“我认为不应当把决定论和因果论等同起来。”(注:玻恩:“关于因果和机遇的自然哲学”,商务印书馆1964年版,P13.)因为“决定论假定,不同时刻的事件是由一些能够预言未知情况(过去和未来)的规律联系起来的。”(注:玻恩:“关于因果和机遇的自然哲学”,商务印书馆1964年版,P13.)而“因果性假定,存在这样一些规律,按照这些规律,某类实体B的出现依赖于另一类实体A的出现……A称为原因,B称为结果。”(注:玻恩:“关于因果和机遇的自然哲学”,商务印书馆1964年版,P13.)当然,因果论也并不必然导致决定论,但是决定论必定主张因果论。这就是说,肯定因果论不一定就此肯定决定论,但是否定因果论,就一定否定决定论,因果论是构成决定论的必要条件。必要条件假言判断特点是:有前件未必有后件,无前件则一定无后件。相反,否定决定论也不能就此否定因果论,但是,肯定决定论就必然肯定因果论。

  需要指出的是,“决定论”并不是从牛顿时代开始的。古希腊哲学家德莫克利特就认为宇宙中发生的一切都是必然的,人们捏造“偶然”这个术语,只是想掩饰他们的无知或有限的判断力。为了证明这一点他举了一个例子:老鹰叼走乌龟然后将它扔掉,这乌龟正好砸在一个秃子头上,这被一般人认为是偶然现象。而德氏则坚持认为这不是偶然的。因为老鹰常常将乌龟扔在石块上或崖石上,为的是击碎乌龟的硬壳,达到吞食乌龟的目的。不过,这回老鹰的判断出了差错,将秃头误认为石头。德氏的解释是否满意暂且不说,有一点可以肯定,那就是说他只相信必然不相信偶然。到了17世纪,荷兰哲学家斯宾诺莎(Spinoza,1632-1677年)再次断言自然界中没有偶然事件,出现“偶然”只能说明我们的知识还不完善。他认为,展现在人们面前的所有现象(事件)都是按照自然界预先安排好了的特殊方式而存在、而演化的。他深信宇宙的和谐与统一,而一个和谐、统一的宇宙不应当存在偶然的事件。这些观点被传统物理学奉为经典。1929年,爱因斯坦的朋友问他“你信仰上帝吗?”他回答说“我信仰斯宾诺莎的那个存在于事物内部的、有秩序的、和谐中显示出来的上帝。”显然,爱因斯坦也主张决定论,并以此为武器同量子力学的互补原理较量了一生。物理学离不开因果链条,用属性关系提供纬线,因果关系作为经线,把物理学编织成了一张无所不包的大网。事实上,物理学正是以这样的姿态雄踞自然科学之首。

  拉普拉斯把决定论推向了顶峰。他在1812年写到,我们必须把目前的的宇宙状态看作是它以前状态的结果和以后发展的原因。他假设,如果有一位超人能够了解某一瞬间作用于自然界的所有力,能够了解宇宙在那一瞬间的状态,并具有分析这些数据的能力,那么他就可以用牛顿定律描写整个世界,大至宇宙的演化,小至原子的运动。对于这位超人无事不知,无事不晓,过去和未来都宛如眼前。后来,人们就把这位超人称为“拉普拉斯妖”。什么是拉普拉斯妖?其实,拉普拉斯妖就是柏拉图的“理念”,黑格尔的“绝对精神”,宗教的“神”与“上帝”。

  正是拉普拉斯的决定论进一步巩固和确立了形而上学宇宙观,也正是这种决定论支配着人们在寻求世界的普遍联系时,不得不退回到简单的因果关系。当然,也正是由于过于简单,它才碰到了不少障碍。直到19世纪中后期,当波尔兹曼把“几率”概念首次引入物理学时,才引起了人们新的思索。但是,在人们信奉简单、和谐与统一的时代,机械论和决定论确实给了人们以极大的鼓舞。值得注意的是,正当因果论和决定论企图无所不包、囊括整个世界的时候,它却受到了冲击。对经典力学的决定论原则冲击最大的首先是量子力学。须知,事物(或现象)之间的联系除了这种必然联系外,还有偶然联系。量子力学就揭示了偶然性和必然性、或然性和因果性之间的辩证统一。而耗散论、协同论和突变论则进一步挑战了决定论原则。事实上,耗散论就揭示了,即使系统是确定的(比如牛顿第二定律所描述的系统),其行为也可能是不确定的。由于系统的内在随机性导致的完全不确定现象就是“混沌”。于是,科学认识又开始了从有序到无序的转化,人类认识又出现了从个别到一般的整体化趋势。

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(责任编辑:李秀伟)
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