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受哲学思想的启发导致的重要科学发现︱科学史

爱因斯坦说:“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求,那么,哲学可以被认为是全部科学的研究之母。”

在科学史上,一些科学家自觉学习哲学,主动汲取哲人的思想营养,善于吸收优秀的哲学成果,在科学研究中做出了重要的贡献。

奥斯特受自然哲学思想的指引发现电流磁效应

电流磁效应是丹麦哥本哈根大学教授奥斯特 (H. C. Orsted,1777—1851) 发现的。1820年4月的一天,他在课堂上演示实验,他使伏打电池的电流通过一条细铂丝,发现在铂丝近旁的指南针 (磁针) 受到了干扰,尽管效应十分微弱,但是他没放过这一现象。7月,他重新做了实验,一开始使用的导线很细,得到的磁效应仍然很弱,换成粗导线后,磁效应增强。

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奥斯特起初想磁针的运动也许是因为电流通过导线,使导线变热产生的空气流引起的。为了检验这一点,他把一张金箔放在导线和磁针之间,以阻挡气流,但是磁针仍发生偏转。接着,奥斯特在带电导线和磁针之间放上各种介质,如玻璃、金属、木板、陶器等等,发现带电导线对磁针的作用并不减弱。他改变导线中的电流的流动方向,发现磁针的朝向转了180度:磁针的北极指向了原来南极所指的方向。这表明磁针的指向与电流方向有关。

他做了60多次实验,得到的结果是一样的。奥斯特发现了电流磁效应的基本规律:电流产生的磁效应绕电流做圆周运动。

他写成题为“关于电冲突对磁针影响的实验”的论文,在法国杂志《化学与物理学年鉴》上发表。

奥斯特的发现一开始并没受到重视。但很快,法国物理学家阿拉果重复了他的实验,消除了一些人的怀疑。另一位物理学家学家安培对此也饶有兴趣,他得出了电流和激发的磁感线方向间关系的右手螺旋定则;他对平行载流导线之间相互作用做研究,给出了电流元之间相互作用力的公式即安培定律;他又提出了分子电流假设,建立了所谓的“电动力学”。

有人认为奥斯特是碰巧发现电流磁效应的,其实他做出重大发现并非偶然。

奥斯特早在哥本哈根大学求学期间,就对德国哲学家康德的批判哲学深感兴趣,他发表了论文《论自然科学的形而上学基础》,阐述了康德的哲学思想对自然科学的指导作用,他因这篇论文在1799年获得了哲学博士学位,并为他日后的科学研究奠定了基础。

1801年奥斯特在德国柏林逗留了半年。他研究了德国自然哲学家谢林的哲学思想,赞同谢林的基本观点:所有的自然力是由同一原因引起的。他结识了年轻的化学家里特尔,里特尔用电流分解水得到了氢和氧,证明电效应与化学反应是有联系的。谢林认为这是自然哲学的最好依据,并提出了所谓的“动力论”,即“力”这种非物质客观实体是自然界中的最终和最深刻的东西,而且电、磁、热、光等诸种“力”都可以相互转化。

奥斯特和里特尔一起做了许多有关电流的实验,揭示了电、热、光和化学效应之间的联系,坚定了对谢林的“动力论”的信念。但他不赞同谢林热衷于纯思辨、企图以自然哲学取代物理学的做法,他主张关于力的统一的观点必须到丰富的自然界里用实验去证实。

自1803年起,奥斯特在哥本哈根大学承担繁重的教学任务的同时,坚持不懈地进行科学实验研究。

他重复了美国的富兰克林在1751年用莱顿瓶中的电荷使磁针磁化或退磁的实验,他想到电可以实现磁化或退磁,说明电与磁是有联系的。

他还进行了声学的研究,试图发现振动中的电效应。

在1812年,奥斯特出版了《关于化学力和电力的同一性研究》一书,总结了对电、伽伐尼电流、磁、光、热及化学亲和力的研究,他认为所有化学亲和力以及热、光,都是由正负电荷产生的。

奥斯特坚信电力和磁力有着同一性,决心找到电力和磁力之间的联系。他一次次用实验检验他的猜测,一步步逼近伟大的发现。就在1820年4月的那一天,他在去讲课的路上萌发了一个念头:静电对磁针毫无影响,但若用导线把电池的两极联系起来,使电荷在其中运动,将会出现什么情况呢?这个念头竟导致他发现了电流磁效应。

正如美国科学史家斯泰福在评论这一发现时所说的:

“奥斯特从谢林的‘美妙而伟大的思想’和从一般自然哲学原理所接受的激励,以及里特尔的实验和思考的双重影响,应该被承认是物理学中这个重要发现的因素。这可以成为例子,说明在科学王国外的智力因素对科学发展具有潜在的影响。”

贝塔朗菲受辩证法思想的启示创立一般系统论

奥地利学者贝塔朗菲 (L. Von. Bertalanffy,1901—1972) 在1920年代研究理论生物学,发表了《有机生物学》《现代发展理论》《生命问题》等著作。

在《有机生物学》中,他指出生命机体是一个有机的整体或系统、基本特征是它的组织,强调了将活的有机体当作“组织系统”的必要性,指出“生物学的基本任务就是发现生物组织中层次水平上生物系统的规律”。

贝塔朗菲认为传统物理学所处理的只是封闭系统,即被看成与环境相隔离的系统,而每一个生命有机体本质上是一个开放系统,它是在连续不断地吸入与排出、不断构成与破坏组织成分之中维持其自身的。只要它还是活的,就不会处于化学与热力学平衡状态,而是处于稳态之中。显然,传统物理学的公式,原则上不能适用于作为开放系统和稳态的生命有机体。

贝塔朗菲把他的机体论生物学称为“机体系统论”,这个理论的要点是整体性、动态结构、能动性和组织等。他敏锐地觉察到以系统概念为核心的新理论生物学的建立,将导致在生物学领域爆发一场“哥白尼革命”。

用贝塔朗菲的话说,系统“表面上是一种苍白的抽象和空洞的概念,但是充满隐藏的含义、激动的和爆发性的潜力”,这个具有爆发性潜力的“系统”概念,成了他的理论起点,促使他萌生了关于一般系统论的思想。他打算建立一种跨学科的科学,即从更一般的意义上制定出适于各种系统的原理和模型,而不讨论它们的特殊种类、元素以及所包含的各种“力”。

从20世纪30年代末起,贝塔朗菲就开始从机体生物学转向建立一般系统论。

1945年,他发表了论文《关于一般系统论》,这是他建立一般系统论的宣言。他指出,一般系统论要研究各种系统的一般方面、一致性和同构性,要阐述和导出适于一般系统或其子系统的模型、原理和规律。他主要研究了机体系统、开放系统和动态系统的理论,试图以机体系统理论解释生命的本质。

他把开放系统作为系统的一般情形,全面考察了开放系统有关的稳态、等终极以及有序性的增加等问题,从数学上描述了系统的各种性质,如整体性、加和性、竞争性、机械性、集中性、终极性、等终极性等。所有这些工作,为他的一般系统论奠定了理论基础。

1968年贝塔朗菲出版了专著《一般系统论——基础发展应用》,标志着这门学科的成熟和新发展。

贝塔朗菲认为,他提出一般系统论受到了许多先哲思想的启示:“一般系统论的思想渊源可以追溯到莱布尼茨,库萨的对立协合说……马克思和黑格尔的辩证法。”

莱布尼茨从单子彼此的适应中和它们的从属关系中曾经引伸了系统论的原则,他力图揭开与单子固有的内在的相互作用,而且揭开与单子有关的各种外部的联系;

库萨的对立协合说对认识世界种种事物和现象及其相互关系提供了新的视角和方式;

黑格尔首次用系统方法构造了庞大的哲学体系,他认为世界不是表示一成不变的事物的集合体,而是过程的集合体;

马克思把系统思想应用到社会科学领域,他的《资本论》充分体现了系统性原理;

恩格斯用系统思想认识自然界和自然科学,他多次指出,自然界和自然科学就其本质而言,乃是“关系和联系的系统”,并强调,“相互作用是事物的真正的终极原因”。

马克思和恩格斯的辩证法思想极大地启发了贝塔朗菲,成为他的理论先驱。

汤川秀树受老庄思想的影响发现π介子

在20世纪30年代,物理学家已经搞清楚了原子核是由质子和中子组成的,他们在积极思考:核是怎么成为一个整体的、核力是如何形成的?

日本物理学家汤川秀树(1907—1981)也在追究这个问题,他要找到将核世界统一起来的要素和核力生成的原因。

他在与电磁场进行类比的基础上,认为这个要素可能是一种新的力场:“基本粒子的相互作用可以用力场来加以描述,就像带电粒子间的相互作用可以用电磁场来描述一样。”这种场是质子和中子在其周围放出一种特殊的场,他称之“u场”。

u场如同其他场,也是量子的集合,这个u量子是媒介粒子。粒子不断地放出u量子,又不断地把u量子吸收回去,核子之间就是通过交换u量子产生着强大的相互作用力。

u量子到底是一个什么样的粒子呢?汤川秀树想到,新的核力场与电磁场既有类似之处,但是又有区别:作为电磁场的载体,传递电磁力的量子是光子,然而核力却远远超过电磁力,核力的作用范围很小,那么核力场的量子必定是一个有较大质量的“重量子”。

汤川秀树经过艰苦的数学计算推出:“伴随着这种场的量子具有自己的质量mu。我们得到的mu值大约是电子质量的200倍。”电子的质量较小,被人称“轻子”;而质量大约为电子质量l 840倍的质子和中子被称作“重子”,由于这种核力场的量子质量介于轻、重两者之间,汤川秀树把它叫作“介子”。

1937年,安德森在宇宙射线中发现了介子,但质量与汤川秀树预言的不一样,这使汤川秀树深感困惑。然而很快搞清楚了,汤川秀树预言的介子是与核力有关的介子,这种粒子与安德森发现的介子不属于同一种类。

1947年鲍威尔在宇宙射线中果然发现了汤川秀树预言的介子,以后被称为“π介子”,它的发现不仅扩大了基本粒子的种类,而且证实了一种全新的物理观点。汤川秀树因此获得了1949年的诺贝尔物理学奖。

汤川秀树在总结其一生的物理学研究时指出:“与其他物理学家不同,对我来说,长年累月吸引我,给我最深影响的是老子、庄子等人的思想。它虽是一种东方思想,但在我思考有关物理学问题时,它仍不知不觉地进入其中。”

老庄认为事物无时无刻不在变移,盈虚、生死都只是一时的现象,其形态绝不固定。汤川秀树从积极意义上对以上观点加以阐发,他说:“老庄思想的特点可用不同于‘到达’和‘通过’或‘一时停止’来表达,它们是非常独创、有趣的思想。绝无终点的看法是正确的。”

他指出,老庄关于变化、发展的思想与自然科学体现的没有绝对不变的认识或定理,只有不断发现、不断创新,才能寻得新真理的精神是一致的。

老子曰“道可道,非常道。名可名,非常名。”汤川秀树对此解释为,真正的道,即自然法则,不是惯例之道,常识之理。真正的名或概念,不是绝对的,而是具有相对性。如此,可以深刻理解20世纪的物理学正是从超越‘常道’、发现新道开始的。自然科学就是在不断淘汰旧概念旧理论,创造新概念新理论中发展、前进的。

汤川秀树十分赞赏庄子的“知鱼乐”典故。基本粒子比原子还要小,很难用实验手段来识别其内部结构,他坚信用某些冲破现有知识框框的奇妙思维方法可以把握住基本粒子的结构,如庄子“知鱼乐”一类的直觉思维方法,尽管不会像庄子知道鱼的内心那样简单,但经过科学地改造和提高,可以弥补逻辑和实验方法的不足,有助于基本粒子的研究。

汤川秀树说,他在思考基本粒子的过程中深受《庄子》中“混沌”典故的启发:“混沌是和基本粒子世界很相通的。庄子说,如果企图笨拙地把某种样貌强加给混沌,就意味消灭混沌。虽然人们对此有不同的看法,但我看来,它揭示了我们在基本粒子方面遇到的形势。”

现代科学家的工作与哲学思维紧密联系在一起

像奥斯特、贝塔朗菲和汤川秀树一样,不少有重大贡献的自然科学家都有很高的哲学素养,他们既是科学伟人,同时又是科学哲人,或者说,他们都是一些具有哲学气质的自然科学家。开普勒从毕达哥拉斯主义出发建立了行星运动理论;牛顿从经验主义出发建立起古典力学;爱因斯坦从唯理论的唯物论出发建立了广义相对论;海森堡受柏拉图的《蒂迈欧篇》启发,决心寻找反映自然秩序的数学核心,建立了矩阵力学,等等。

德国著名的物理学家玻恩说:“每一个现代科学家,特别是理论物理学家,都深刻地意识到自己的工作是同哲学思维错综复杂地联系在一起的,要是对哲学文献没有充分的认识,他的工作会是无效的。”

在今天,现代科学的发展,出现了前所未有的新特点,人类认识能力不断提高,认识活动从宏观领域向两个方向扩展:一是进入宏观、涨观领域;二是进入微观、渺观领域。一系列新的认识对象出现了,这些对象具有极大的复杂性、综合性和整体性,自然科学正面临着新的突破,孕育着新的革命。

在自然科学各个领域发生深刻的变革时期,要把握如此复杂的认识对象,适合科学发展的新特点,自然科学家转向哲学分析,求得哲学的启迪就变得十分必要。

他们学习优秀的哲学思想成果,从古希腊哲学到文艺复兴时期的哲学,从德国古典哲学到马克思主义的辩证唯物主义哲学,甚至到西方现代哲学,都能为开展正确有效的思维得到有益的启示,拓宽思路,找到破旧立新的思想武器,选择正确的探索途径,建立更宏伟的科学大业。

- 本文摘自《世界科学》2020年第11期;本文作者陈敬全是东华大学人文学院教授 -

本文经授权转载自《世界科学》微信公众号

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