論自然的兩種含義

論自然的兩種含義

1自然資源的本質(zhì)屬性和經(jīng)驗法則根據(jù)健康和道德的劃分，自然科學可分為正義和非正義科學?！暗谝环N方法是根據(jù)內(nèi)在原則來處理它的對象，第二種方法是根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則來處理它的對象。”。(1)質(zhì)料意義上的“感性”康德認為,可以從兩種不同的層面考察“自然”含義。從自然(natur)一詞的形式上的含義來看,它是指“一切屬于一事物定在的東西的內(nèi)在的第一原則”,自然一詞還可以從質(zhì)料上的含義來看待,“只要能成為我們感官的對象,因而也能成為經(jīng)驗的對象,所以它也被理解為一切現(xiàn)象的總和,即除一切非感性的對象之外的感性世界”。這種一切事物的總體都是自然。那么什么是自然科學呢?康德認為:“任何一種學說,如果它可以成為一個系統(tǒng),即成為一個按照原則而整理好的知識整體的話,就叫做科學,而當這些原則可以作為把知識經(jīng)驗性地或理智地聯(lián)結(jié)于一個整體之中的原理時,那么不論是作為物體學說還是作為靈魂學說的自然科學,似乎都必須劃分為歷史的自然科學和理智的自然科學?！?2)哲學理性的描述和原理即后果、后果認清自然和自然科學之后,康德認為,自然科學中的“自然”“這個詞標志著從事物的內(nèi)在原則里推導出屬于這些事物定在的雜多的東西”。因此,“自然一詞要使理性從事物諸關(guān)系中得出的知識成為必然的”,才稱得上自然科學,這樣的話,與其說“自然科學劃分為歷史的自然科學和理智的自然科學”,不如說“自然學說可以劃分為歷史的自然學說和自然科學”,自然學說又分為對自然的描述和博物學?！斑@樣,自然科學又會有本義地或是非本義地稱呼的自然科學,前者完全按照先天原則來處理自己的對象,后者則按照經(jīng)驗法則處理自己的對象?！笨档碌倪@種區(qū)分有深刻的根據(jù)。這就是純粹知識和經(jīng)驗性知識的區(qū)別。也就是說,純粹知識和經(jīng)驗性的知識能夠區(qū)別開來的標志是獨立于各別的具體經(jīng)驗,甚至獨立于一切感官的印象的“先天”知識必須具有的必然性和普遍性。應用到自然科學的劃分上,就有下面這段話,“只有那些其確定性是無可置辯的科學才能成為本義上的科學;僅僅只是具有經(jīng)驗性上的確定性的知識只能在非本義上稱之為學問(wissen)。那種成系統(tǒng)的知識總體正因為成系統(tǒng),就已經(jīng)可以叫做科學(wissenschaft)了,但如果把知識聯(lián)結(jié)在這一系統(tǒng)中的是某種因果關(guān)系,那么它甚至可以稱為理智的科學。不過,如果在科學中,……這些基礎(chǔ)或原則最終不過是經(jīng)驗性,并且理性用來解釋既成事實的那些法則僅僅是經(jīng)驗法則,那么它們就不具有自身必然性的意識(沒有無可置辯的確定性),因而在嚴格意義上來講這個整體也就沒有資格稱為科學”?？梢?只有追求因果關(guān)系、普遍原理的才是本義上的自然科學。顯然,物理學是本義上的自然科學,而經(jīng)驗法則與操作技巧的堆積只能算作技術(shù)。(3)科學的各部分—本義上的自然科學的純粹部分有了本義和非本義自然科學的劃分后,康德進一步認為:“因為自然一詞本身已帶有法則概念,而法則概念又已帶有某事物的定在所要求的它的一切規(guī)定的必然性概念。所以,人們不難看出,為什么自然科學只能由其純粹部分,即包含著其他一切對自然的解釋的先天原則的部分中,推導出這一命名的合法性,并且,只是靠了這純粹部分才成為本義上的科學”,“所以,一切本義上的自然科學都需要一個純粹的部分,在它上面可以建立起理性在其中所尋求的無可置辯的確定性”。下面我們把康德對自然科學的各個部分的劃分圖示如下。實際上,保證本義上的自然科學的無可置辯的確定性的純粹部分,主要包括自然科學的形而上學基礎(chǔ)和數(shù)學基礎(chǔ),由于篇幅所限不作展開。但總的來說在有形而上學和數(shù)學的構(gòu)想(建構(gòu))在其中交互影響的自然科學的純粹部分中,物質(zhì)、運動、時間與空間和相互作用的規(guī)律等往往是最主要的方面。而且我們知道,數(shù)學、形上學、本義上的自然科學也是發(fā)展的。后來的理論往往比前面的理論有更好的體現(xiàn),并存的理論從不同的方面更好地體現(xiàn)本義上的自然科學的純粹部分。2經(jīng)典物理反映了自然的純粹部分(1)《自然哲學的數(shù)學原理》的大量應用,為人類歷史上一種不歸路的自然在康德時代,最能體現(xiàn)本義上的自然科學的純粹部分的典范之作就是牛頓力學原理,甚至康德的相關(guān)概念就是從牛頓力學這個原型中提升出來的。康德的分析和科學史家的考察是一致的,I.B.科恩認為牛頓風格有三個階段,“第一個階段通常開始于對自然界的簡單化、理想化,從而導致數(shù)學領(lǐng)域中一個想象的構(gòu)筑。它是一個幾何空間的系統(tǒng);數(shù)學實體根據(jù)某些可表述為數(shù)學定律或數(shù)學關(guān)系的條件在數(shù)學時間中運動”。牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》對自然的研究是以數(shù)學為基礎(chǔ)的,尤其是他所發(fā)明的微積分,就非常適合于描述自然界中的運動與無窮小的變化。這一步也是人類歷史上的重要一步,微積分的發(fā)明和應用使自然科學走上一條不歸路,后來的微分幾何的發(fā)展就是最好例子。“在第二個階段,將經(jīng)驗數(shù)據(jù)與從這些數(shù)據(jù)得到的定律或法則進行比較和對照?！诘谌齻€階段中,牛頓……精心構(gòu)造了他的‘宇宙體系’(第三編)”。這種風格總的來說就是通過數(shù)學,找到自然科學中的普遍必然性,并且明確把時間、空間和運動放在和“原理”(牛頓術(shù)語)以及原始定義同等地位,并細加說明。事實上,在牛頓力學中,已經(jīng)形成本義的自然科學的研究框架。正如柯瓦雷總結(jié)的,牛頓的世界是由這幾種成分所組成:①物質(zhì),即無限多彼此分離的、堅硬的、不變的但又互不相同的微粒;②運動,即微粒在無限的同質(zhì)的虛空中到處傳遞;③空間,即那種無限的同質(zhì)的虛空;④把物質(zhì)結(jié)合并維持在一起的引力?？傊?牛頓的物質(zhì)、時間、空間、微積分、運動理論,最后用萬有引力構(gòu)造“宇宙體系”并統(tǒng)一說明“月球上運動和月球下運動”,體現(xiàn)了“本義上的自然科學的純粹部分”,因為統(tǒng)一性本身就是普遍性、必然性的突出表現(xiàn)。(2)對規(guī)范場的建構(gòu)體現(xiàn)“本義上的自然科學的純粹部分”的第二個典范之作是麥克斯韋電磁理論。眾所周知,麥克斯韋電磁理論是物理學中繼牛頓力學之后的第二次大綜合,麥克斯韋方程組首次統(tǒng)一地說明了電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象。實際上它是通向現(xiàn)代物理學的必然通路,狹義相對論的開創(chuàng)性論文,不論是H.A.洛倫茲的《速度小于光速運動系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象》,還是A.愛因斯坦的《論運動物體的電動力學》都是以麥克斯韋方程為出發(fā)點,前者以麥克斯韋方程來提出和檢驗洛侖茲變換,后者更是通過思考滿足麥克斯韋方程的協(xié)變性來構(gòu)架相對論體系的。它對原子物理學和量子理論研究的作用也很大。更讓人驚嘆的是,它在規(guī)范場論的發(fā)展史上所起的作用,當H.韋爾試圖把電磁力和引力統(tǒng)一起來時,竟引出了規(guī)范場的觀念,這其實是麥克斯韋方程兩方面的作用的匯合,麥克斯韋方程啟發(fā)下的洛侖茲協(xié)變性,推廣之后導致了廣義相對論,廣義相對論所描述的引力,與麥克斯韋方程本身描述的電磁力和電磁場的綜合產(chǎn)生了規(guī)范場的概念。為什么麥克斯韋電磁理論能走得如此之遠?因為電磁力是迄今人類研究得最清楚的一種相互作用,電磁場也是研究得最清楚的規(guī)范場,這有其深刻的緣由。如此成功的麥克斯韋方程,不僅僅是實驗定律的符號化的問題,而應該說麥克斯韋通過邏輯重構(gòu)很好地再現(xiàn)出了法拉第的物理觀念。這種電磁場理論本身內(nèi)部就有很深的數(shù)學內(nèi)涵。正如麥克斯韋在其名著《電磁通論》的序言中總結(jié)的:“當我繼續(xù)研習法拉第的著作時,我覺察到他對現(xiàn)象的想象方法也是一種數(shù)學的方法,盡管并沒有用習見的數(shù)學符號的形式表示出來。……法拉第的方法類似于我們從整體開始又通過分析而達到部分的那些方法,而普通的數(shù)學方法則是建筑在從部分開始又通過綜合而構(gòu)成全體的那一原則上的”。這幾段文字,很清楚地說明了本義上的自然科學的純粹部分的特征,電磁場論精致嚴密的數(shù)學構(gòu)造,使其直達形上學基礎(chǔ)的先天性,即普遍必然性。3討論和理論反映了從本質(zhì)上講的科學本質(zhì)的純潔性(1)馬克思恩格斯基于廣義相對論的科學性前面我們考察了體現(xiàn)本義上的自然科學的純粹部分的牛頓力學和麥克斯韋電磁理論,它們都揭示了自然界的物質(zhì)、運動、時間和空間、以及相互作用力的基本規(guī)律,尤其是其中包含的數(shù)學基礎(chǔ)和形上學基礎(chǔ)使其具有普遍必然性。狹義相對論和廣義相對論作為現(xiàn)代物理也是在這些方面向前邁進了一步。眾所周知,狹義相對論的突破口就是從同時性的相對性開始的,并且在幾年內(nèi)就發(fā)展出了閔可夫斯基四維時空流形的描述框架。而且,正是在四維時空中,狹義相對論追求物理學定律在一定的坐標變換下保持不變性的思想得到充分的表達。H.閔可夫斯基在經(jīng)典論文《空間和時間》中的討論一開始就明確:“從現(xiàn)在起,孤立的空間和孤立的時間注定要消失成為影子,只有兩者的統(tǒng)一才能保持獨立的存在?！倍懻摰牡谝粋€問題就是“牛頓方程的不變性及其在四維空間中的表示”,該論文通過時空連續(xù)區(qū)的引入,使狹義相對論徹底公理體系化,同時也讓物理學定律真正走上在變換下保持不變性這條康莊大道。其中狹義相對性原理要求:自然定律對于所有慣性系都是一致的,尤其要求一切物理規(guī)律在洛侖茲變換下形式不變,它比牛頓力學原理更與自然界相吻合。然而,狹義相對論中的慣性系還是太特殊,它對自然定律不變性的體現(xiàn)仍不充分、不徹底,因為它把非慣性系排除在外了。廣義相對論在貫徹自然定律的內(nèi)在不變性方面做得更好,因為它引進了等效原理與廣義協(xié)變性的理念,能平權(quán)地對待慣性系與非慣性系。愛因斯坦看到,必須將相對性原理推廣到彼此作非勻速運動的坐標系,這是通過把慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等這一事實化為等效原理而實現(xiàn)的。但是具體實現(xiàn)卻還需要借助于精致而復雜的數(shù)學工具的匹配和應用,愛因斯坦化了七年工夫,“主要原因在于不那么容易從坐標必須有一個直接尺度意義這一概念中解脫出來”。為的是進入到以n維流形的概念為基礎(chǔ)的黎曼幾何。當然,這一步是卓有成效的,廣義相對論因此實現(xiàn)了引力的幾何化,時空的物質(zhì)化。還反過來激發(fā)了一批一流的數(shù)學家對微分幾何的興趣,并最終發(fā)展出纖維叢理論?？梢?相對論通過發(fā)展時空觀和物質(zhì)運動觀更好地體現(xiàn)了本義自然科學的純粹部分。有一種流傳很廣的錯誤觀念,以為由于相對論及非歐幾何的誕生,主觀性、相對性便進入了科學,于是牛頓力學及歐氏幾何不再是康德所設(shè)想的普遍必然惟一的真理,從此科學中再也不會有這樣的真理。然而,科學哲學家石里克在《自然哲學》中則對相對論的科學本性作出了中肯的評價。他說:“相對論(它更有理由被稱為絕對論)的研究方法不允許觀察者有任何程度的主觀性或任意性。相反,相對論比以前的任何描述方法都表現(xiàn)出更多的客觀性?！笨梢?相對論與牛頓力學相比,康德對科學原理所要求獨立于具體經(jīng)驗的普遍必然性以及無可置疑的確定性有增無減。(2)力學中的內(nèi)在不變性量子力學是為了理解原子結(jié)構(gòu)發(fā)展起來的,其中有幾個觀念是量子力學的主要特征,一個是矩陣力學基本方程pq-qp=-ih和波動力學的基本方程i??Ψ/?t=H?Ψ都明顯含有表征量子性的普朗克常數(shù),同時含有虛數(shù)單位i=?1???√,此?1???√意味著量子力學把具有相位的復振幅引入到對大自然的數(shù)學表述中去。另一量子力學的主要特征是如,pq-qp=-ih中不遵守乘法交換律的不對易代數(shù)。并找到希爾伯特空間作為量子力學形式體系的數(shù)學基礎(chǔ)。這些特征不僅是人類打開通向微觀世界大門的鑰匙,還為以后的量子力學和相對論的結(jié)合埋下了伏筆。事實上,當年薛定諤找到i??Ψ/?t=H?Ψ之前,先得到的就是用狹義相對論來處理的量子力學方程,而狄拉克在量子力學建立不久就把量子力學和狹義相對論結(jié)合起來。正是量子力學中的相位概念使受廣義相對論啟發(fā)的韋爾規(guī)范場的觀念復活,從而建立現(xiàn)代規(guī)范場論。正如楊振寧后來強調(diào)的:“如果我們今天要重新命名它(規(guī)范不變性),顯然我們應該叫它相位不變性,而規(guī)范場應當叫做相位場?！彪S著量子力學的誕生連同希爾伯特抽象空間的引入,隨著“觀察者的介入”和不確定性的引入,牛頓力學連同歐氏幾何作為“普遍必然惟一的科學真理”的地位進一步受沖擊。然而,實際上在量子力學中,物理定律及相關(guān)方程的內(nèi)在不變性采取了更為精致的表現(xiàn)形式。盡管在量子力學中物理量及其算符可以有無限多種表象或觀察方式,但正如羅森菲耳德在《量子革命》中所指出,“聯(lián)系著各算符的那些方程卻對一些正則變換為不變,……這些方程就代表著理論的客觀內(nèi)容,代表著自然界量子規(guī)律的客觀表示”。可見,在量子力學中,康德對科學原理所要求的獨立于各別具體經(jīng)驗的普遍必然性以及無可置疑的確定性仍然毫厘無損。4局域規(guī)范場論中的規(guī)范不變性量子場論是狄拉克通過聯(lián)合量子力學和狹義相對論建立起來的,其實,不論是薛定諤還是狄拉克在考察微觀粒子和量子力學時,都自然而然地想到應用狹義相對論來處理微觀粒子。但在理論的拓展時,理論結(jié)果產(chǎn)生無窮大,這顯然是不合理的,這個問題直到20世紀40年代才解決,即著名的重整化,從而產(chǎn)生了量子電動力學。當把量子電動力學的成功向核相互作用拓展時,使韋爾的規(guī)范場論的思想得以復活,形成了以楊-米爾斯理論為核心的現(xiàn)代規(guī)范場論,其中又遇到許多困難,困難的解決形成了所謂的標準模型。先看韋爾的規(guī)范場論。廣義相對論把引力場幾何化后,相對運動的描述變得更復雜,因為它涉及到引力場中的運動,這時參照系只能被“局域”地在引力場中一個單獨的點上定義。這樣一來,在不同時空點中的物理測量如何聯(lián)系起來呢?如果還是用洛侖茲變換,加速度就會與時空點無關(guān)而引力場也不會隨場源遠離而越來越弱,這與實際就不吻合。為此愛因斯坦定義了一種新的數(shù)學關(guān)系叫“聯(lián)絡”?？梢?從規(guī)范場論的角度回過頭來看,狹義相對論與廣義相對論的本質(zhì)區(qū)別是前者是整體理論而后者是局域理論,而這個局域性就是韋爾規(guī)范理論的關(guān)鍵。韋爾正是沿著廣義相對論的方向,進一步提出如下問題:如果引力場的效果能用一個聯(lián)絡描述,這個聯(lián)絡給出時空中局域參照系之間的相對向量,那么自然界中如像電磁場一樣的其他力也跟類似的聯(lián)絡相聯(lián)系嗎?韋爾把物理測量都是相對的這個觀念更加一般化,提出物理量的絕對值或標度將不是一個絕對量,而應依賴于時空中的位置。這樣的話,為了聯(lián)系不同位置的矢量長度,一個新的聯(lián)絡就是必需的。這就引出了著名的“規(guī)范不變性”的思想。盡管韋爾的早期方案(1918)行不通,然而幸運地是,隨著量子力學的發(fā)展,?？?、倫敦和韋爾本人都認識到韋爾早期的規(guī)范理論中的合理思想,經(jīng)過重新解讀后可以賦予新的含義,其基本線索是認識到波函數(shù)的相可能是由一個新局域變量提供的,規(guī)范變換就被重新解釋為在波函數(shù)中的相的改變,它對可觀察量毫無影響。于是,嚴格意義上的規(guī)范不變性就重新被發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在規(guī)范不變性是可以這樣定義的:如果一個理論在變換群作用下,理論中方程的形式保持不變,則這個理論是規(guī)范不變的(這里的不變,實質(zhì)上是指協(xié)變)。在規(guī)范場論中,物理定律獨立于觀察方式的內(nèi)在不變性獲得了比以前任何物理理論更為普遍更為精致的表現(xiàn)形式。在1954年楊振寧和米爾斯又邁出了重大一步,認為核強相互作用可以用像電磁場一樣的規(guī)范不變性的場論描述。他們假設(shè)局域規(guī)范群是SU(2)同位旋群。這個觀念是革命性的,因為這改變了基本粒子的“等同”概念。如果核相互作用是像電磁場一樣的局域規(guī)范理論,那么就存在一個勢,它與如何定義粒子狀態(tài)的直觀概念相沖突。比如,在不考慮電磁力和質(zhì)量上的區(qū)別時,我們可