经典力学体系的建立标志着近代科学的形成,其主要原因是什么?

《19世纪物理学概念的发展——能量,力和物质》（[英]彼得·迈克尔·哈曼 著,龚少明 译 ,复旦大学出版社 出版）是《剑桥科学史》系列丛书中的一本.作者哈恩教授简洁地为我们说明了19世纪物理学的理论框架,着重讲述了当时的物理学家在机械论基础上千方百计地建立他们的理论的过程.虽然就我目前的物理学知识而言,对整本书的理解只能是一个大而化之的粗浅印象,可是,我觉得,当我们对两大物理学“支柱”虔诚地膜拜,耗尽心力的学习和研究其理论知识,钻研于其中的大量习题的同时,常识性地了解19世纪物理学——这一完善和孕育着两大物理学支柱的关键时期的知识,不仅必要,而且必须.至少对我而言,感觉收益非浅.
全书多的是较为平直枯燥的理论解释,很多涉及到了我们还未接触过的物理知识.比如以太,分子物理学等等,可是总有一种意念使我坚持看完了此书.因为真正吸引我的已经不止是这些理论、公式,更重要的是这些物理学家们在这个物理学从“经典”走向“近代”的过渡时期的思考的痕迹,我渴望了19世纪物理学概念究竟发展到了一个什么样的高度,贯穿与19世纪物理学的核心问题又到底是什么呢?
19世纪的物理——物理与数学的完美结合
起初在读这本书的时候,我常常惊奇地发现,为什么在这本物理学读物中,出现了这么多的耳熟能详的数学家的名字——这些名字是我们正在学习的高等数学书中的常客——拉普拉斯、傅里叶、拉格朗日……他们演算的一系列数学公式我们都要花上好长的时间才能消化领会其中的凤毛麟角,没想到他们还到物理学领域“插一脚”.随着内容的深入,我的认识才逐渐丰满起来：19世纪,“物理学”这个术语的含义发生了新的重大变化.尽管这个术语从传统意义上有时仍被用来泛指自然科学,但在19世纪的早期,“物理学”已以近代的更加专门的意义,用来表示采用数学方法和实验方法来研究力学、电学和光学的科学.而当时的物理研究方法,也主要是采用定量描述,以寻求数学规律为普遍目标,以建立能量守恒定律为统一原理,以力学解释纲领作为物理理论的支柱.
[i]在19世纪的物理理论中,力学现象就是在数学基础上加以分析研究的.可以说物理现象的数学处理在力学研究中达到了登峰造极的地步.主要体现在下述四方面的进展.它们为建立统一的物理学奠定了可靠的基础：
1.P.S德.拉普拉斯(P.S.de Laplace)及其追随者,建立了一种既适用于力学又适用于热学和光学现象的关于粒子之间的力的普遍的数学理论.尽管在1815-1825年的10年间,随着热学和光学的最新进展,这一理论已经被抛弃了,但是拉普拉斯的数学化和公式化对统一的物理世界观,乃至对以后物理学理论的发展都产生了深刻的影响.
2.1822年的约瑟夫.傅里叶（Joseph Fourier）关于热的数学理论的发表1,把原先只适用于力学问题的数学分析方法,应用到热学的研究之中.在磨合这种概念上的传统差别及强调数学表述和物理表述的差别时,傅里叶的工作对建立统一的物理学产生了深远和广泛的影响.正是在这种影响下,19世纪40年代,威廉.汤姆孙（William.Thomson）受到了其热理论和静电学理论两者数学类似的启发,一方面,研究出了热学定律和电学定律两者间的数学类似性和物理类似性,另一方面又探索了质点力学同流体力学及弹性力学之间的数学相似性.汤姆孙通过这种物理比较方法,亦通过同一数学形式所反映不同现象之间的概念联系方法,加深了人们对物理现象的统一性的认识.
3.A.J.菲涅耳(A.J.Fresnel)关于光的波动说,假定光是依靠力学以太的振动实现传播的,因而光学又纳入到力学自然观的范畴之中了.大约19世纪30年代,光的波动说已被普遍接受,物理学家试图寻找一种合乎逻辑的光学机械论,为此探索了多种多样的物理理论和数学理论.光学以太的机械论又为力学解释提供了一个典型的普遍性事例.
4.19世纪40年代,能量守恒定律的建立又加强了物理学的统一性,使热、光、电、磁的现象都归并到力学原理框架之中.赫尔曼.冯.亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)在1847年发表的一篇极有创意的论文中2,把这些现象表示为能量的不同形式,从而说明了力学、热学、光学、电学和磁学之间的关系.他还强调指出,能量的概念是力学自然观的另一种表述方式,他所建立的能量守恒定律也是数学和力学的一个定理.
尽管有不少物理学家曾采取了各种尝试,试图从数学上解决一些问题并没有取得成功,可是,总的来说,19世纪物理发展是物理学和数学完美结合.正是数学和物理学双管齐下的完美结合,才使的“物理学”的学科范围以及学科内容的协调性都极为美妙,物理学作为一门完整的学科,不仅外延和内涵有了进一步的补充和完善,而且已经达到了概念准确、逻辑统一的新阶段.
19世纪的物理学——力学世界观的衰落
回顾19世纪的物理学,在1850年左右,当时物理学的最重大的根基已经明确了：物理现象都可以用一种统一的框架来解释,即以力学解释为原理的出发点,通过数学描述对物理现象作模拟并导出描述现象的数学方程式,再冠之以普遍的定律——能量守恒定律.有了经典力学的支持,加之能量守恒定律的建立,人们对力和能量的认识已经达到了一个较高的高度.可是,当物理学家们试图完善这种以力学为主体的物理体系,并期望依赖这种体系解释自然规律的时候,困难和矛盾出人意料的发生了.一切的一切就好比W.汤姆孙在1900年的一次题为‘漂浮在热和光学的动力学上空的19世纪乌云’的演讲中所指出的：力学自然观面临着两大难题,一是不能解释地球穿过以太的运动机制；二是能量均分概念提不出分子模型的构造.汤姆孙强调指出,正是这两朵‘乌云’妨碍他对物理现象提出力学模型.但是由于这两大难题所涉及的范围比较广泛,留给物理学家围绕力学自然观的概念基础所能现象的空间也比较大.
其实我觉得传统的力学解释纲领在19世纪80年代和90年代就已引起了物理学家的多种多样的反响.可是在解释过程中又不可避免的捉襟见肘或困难重重.这似乎成了当时物理研究的瓶颈.比如汤姆孙的以太模型3和波尔兹曼关于场论的演讲,都是尽量把物理现象的模型精雕细琢,千方百计的维护力学纲领.波尔兹曼尽心尽力地对他的电磁场的力学模型的结构和运动做出了及其细致的描述；而汤姆孙指出,现象的力学模型结构如何是关系到对该现象易于理解的重要判据；但是与力学模型相关的概念困难已被深刻理解4.赫兹也相信力学解释纲领,强调他的以太概念是建立在以太各局部之间由机械结构相连的模型之上的,但由于他把电磁学的形式同由力学模型小心的区别开来,这就促使他产生了电磁场不具有力学性质的观点.在他的关于电子论的首次描述中,他把电磁场想像为动力学系统,可他最后还是放弃了与解析动力学相关的形式,朝着非力学原理范畴建立电子和电磁以太本体论的反方向前进,而他的电磁以太理论不是建立在力学纲领的基础上.洛伦兹从自己的电磁学自然观出发,解释了地球通过以太的运动,这也是回避弹性以太的力学理论所面临的困难的一种表述方式.围绕场论机制的争论于围绕热力学的争论如出一辙.波尔兹曼竭尽全力要维护力学自然观地位不可动摇,用分子的统计原理建立起熵和不可逆性的概念后,又用力学自然观的本体论解释了热力学第二定律.普朗克并没有完全否定机械论的本体论,但他试图以纯热力来解释熵.总之,他们都希望把原子论的概念从物理理论的范畴中清除掉.
由于均分原理和以太模型结构等相关问题,也就是汤姆孙所谓的力学自然观上空的两朵‘乌云’的出现,围绕着物理学大厦基本框架的争论就越来越突出了.无论是在关于力学纲领是否由电磁学本体论替换,还是关于使能量均分原理符合气体运动论,或者是在为熵寻求纯力学解释的过程中,种种失败都加快了力学纲领的衰亡.这种消亡作为物理学理论演变的一个范例,深受对力学解释进行哲学批判者的支持.5
我不想在这里讨论这种哲学批判,至少现在我们知道汤姆孙的两朵‘乌云’终于消散了,而且当然并不是通过他对力学物理机制的修正实现的.在19世纪的下半叶,随着物理学探索者们的认识的不断深入,力学纲领的消亡促成了新的物理体系的萌芽,也完成了从依赖力学纲领的经典物理学到近代物理学的过渡.
19世纪的物理学——贯穿“经典”和“近代”的纽带
这里,我只想站在一个物理学初学者的角度说说我对19世纪物理学发展的感性认识.
一直惊叹于由“经典物理学”和“近代物理学”所支撑构架的物理学的宏伟宫殿；一直以为,从“经典力学”到“近代物理学”之间的跨越是为数不多的几个物理天才的灵光一闪——一切好比牛顿的墓志铭上的描述：“Nature and Nature’s law lay hid in night.God said:‘Let Newton be.’and all was light.”6上帝创造了牛顿,又创造了这只落到牛顿头上的苹果,于是诞生了牛顿三大力学定律——天才爱因斯坦也是偶然的灵光一闪,拍脑袋想出了游离于“绝对空间”之外的“相对空间”,构造了一系列被人们奉为经典的时空观.殊不知,当物理学与人类文明滚滚向前的车轮从18世纪驶来,又滚滚而去的这100年间,物理学观念、理论、概念发生了多么巨大的变化.在这犹如沧海一粟般的100年里,物理学探索者们竟要在截然不同的思维中迂回穿梭,找到得以平衡的支点.无论力学解释纲领所发挥的主导地位如何突出,也不管偶然求助“牛顿”理论的实际情况如何强烈,19世纪时,当把术语“牛顿的”应用到物理学中时,常被人误解了.19世纪物理学概念涵义——能量守恒、物理场理论、电磁以太震荡和发光理论、熵的概念——都不可能再执意地表示为“牛顿”的了.真理似乎成了谬误,而新的理论又好似飘忽于灯火阑珊处.一切似乎都混沌了,茫茫然了无头绪.网上讨论时,有同学有这样的疑问：如果有一天,物理学发展到以前的所有理论都必须推翻,那该怎么办?我们的回答都是乐观的、轻描淡写的“重头再来”等等,可试想一下,当时的物理学探索者们所面对的不就是与此类似的情况吗?—— 一些不寻常形式的物理学与长期以来被奉为真理的牛顿的自然观相饽,谁能体会其中的迷茫和惶惑?是因循守旧还是开拓创性?—— 一边是苦苦维系的传统准则,一边又是呼之欲出的新兴理念,谁能想象两种意念的碰撞和摩擦?是保留还是摈弃?—— 当新的思路开始锋芒毕露时,又有谁能想象这一过程中所必须经历的怀疑、挑剔、审视的眼睛?而为了维持这些萌芽的观点,又有谁能想象其间需要的大胆构想和缜密推论?……
19世纪的物理发展,虽然没有能与“三大力学定律”或“相对论”等相提并论的理论的出现,但是,我觉得用“百花齐放、百家争鸣”来形容是不为过的.因为,它犹如一个充满生机的襁褓,在去伪存真,总结完善“经典力学”体系的同时,又为新的,同样伟大的理论蓄势；它犹如一条贯穿与经典物理与近代物理的纽带,是物理学发展的重要而特殊的阶段.
16和17世纪,力学和天文学索取得的智力胜利,使人们对科学革命的历史留下了清晰的印象,但是也使人们对“经典”物理留下了坚如磐石的统一世界观的十分错误的印象；20世纪,爱因斯坦在相对论中抛弃了绝对时空观,量子力学中又否定了因果性和决定论；爱因斯坦和普朗克的工作——即相对论和量子论的发展,是对传统物理理论的一次重大突破,标志着20世纪初期物理学方向的重大变革.一直以来,我们习惯上总是将目光关注于“经典力学”和“量子力学”这两根“擎天柱”所支撑的物理学殿堂,却并没有很好地意识到这两大支柱是由19世纪物理学所紧密维系的.19世纪的物理学对于经典力学体系的发展和进一步完善以及量子力学和相对时空观的产生和兴起,无疑起到了承前启后,抛砖引玉,去伪存真的重要作用.