論湯川秀樹對經驗的依賴和超越
——以π介子理論的建立為例

呂仕儒，郝臨山，李海，高海

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

論湯川秀樹對經驗的依賴和超越
——以π介子理論的建立為例

呂仕儒，郝臨山，李海，高海

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

科學發展的歷程表明，經驗作為認識的基礎和起點，在科學研究當中一直起著十分重要的作用;同時，經驗作為一種非邏輯因素又具有可錯性和局限性。如何既能從經驗中獲得啟示，又不禁錮于經驗的窠臼而不能自拔，一直是科學家面臨的兩難選擇。文章通過日本著名物理學家湯川秀樹建立π介子理論的成功案例，對此進行了深入分析和研究。

湯川秀樹;非邏輯因素;π介子理論

科學發展的歷程表明，科學研究作為一種向未知領域探求的活動，無論誰都無法與經驗割裂。在某種程度上可以說，經驗就是科學家賴以向上攀登的“腳手架”，離開了這個“腳手架”，認識主體就失去了向前跨越的基礎［1］。湯川秀樹(Yukawa Hideki，1907－1981)說:“人是有記憶的，他通過記憶力來把自己的經驗存儲起來。沒有這種記憶的存儲，創造就是不可能的。”［2］104量子論之父M·普朗克(Max Plank，1858－1947)也發表過類似的觀點，他說:“每種認識的開端，從而包括每門科學的出發點。都是我們自己的感官經驗……它們是認識活動最直接的材料，它們形成一個位置最靠前且最真實的鏈環，我們能夠把科學的思想鏈條緊扣其上。”［3］愛因斯坦(A·Einstein，1879－1955)則認為:“一切關于實在的知識，都是從經驗開始，又終結于經驗。”因為“用純粹邏輯方法得到的命題，對于實在來說是空洞的。”［4］313

經驗對科學理論的創新過程之所以如此重要，另外一個因素是由于“經驗始終是數學構造的物理效用的唯一判據。”［4］316，美籍德國心理學家、藝術理論家魯道夫·阿恩海姆(Rudolf Arnheim，1904－2007)從心理學的角度出發給出這樣的解釋:“當人們關照或研究那些普遍性的抽象形式時，就會在他的推理活動中，回想著關于它們的具體存在物的經驗，這些經驗的作用無疑會為這種抽象的思維賦予具體的血肉之軀。”［5］關于經驗在科學研究領域的重要性，不同的科學家和哲學家發表過許多類似的觀點，這里就不再一一贅述，用湯川秀樹的話說:“總之，沒有個人經驗的要素，創造力就會是單調而無生氣的。”［2］112

強調經驗在科學理論研究中的重要性，是從認識主體在向未知領域探究過程當中與其不可分割的角度來講的;但是，經驗作為一種非邏輯因素，又具有可錯性和局限性。科學發展的事實同時證明，僅僅依靠經驗不僅不能有所創新，有時候(甚至在大多數情況)會導向錯誤的路徑。只有那些既能吸納經驗的啟示，又不完全被經驗框制的、敢于超越經驗的探索者，才能在科學研究領域有所建樹和創新。π介子理論的建立者，1949年諾貝爾物理學獎獲得者湯川秀樹就是其中的一位。下面以湯川秀樹先生為例，通過他在π介子理論的建立過程中的表現，分析一下在科學理論的建立中經驗的表現和作用，看看湯川秀樹是如何從經驗中獲得啟示并最終又是怎樣超越經驗而取得成功的。

一π介子理論建立的科學背景

原子作為一種超出人類直接感覺經驗范疇的客觀認識對象，在對其模型的建立過程中，無論誰都只能根據已有的相關信息，結合自己熟悉的宏觀經驗圖景，通過聯想和想象來進行。不論是湯姆遜(Jospeh John Thomson，1857－1940)的“布丁原子”結構模型，還是長岡半太郎(H·Nagaoka，1865－1950)的“土星模型”結構模型，莫不如此。這些原子模型，雖然能夠解釋一些物理現象，但是離原子結構的真相還相去甚遠。

1911年，盧瑟福(Ernest Rutherford，1871－1937)面對α射線的反常漫反射現象，通過把太陽系和原子結構進行類比，提出了原子核式結構模型。緊接著1913年，尼爾斯·玻爾(Niels Bohr，1885－1962)建立了半量子理論，使人們對原子核以外的構造有了一個大致的了解，隨后量子力學理論建立起來，就使得人們對原子外層結構有了進一步的認識，接下來人們就把目光聚集在原子核結構上來。

1919年，盧瑟福作了α粒子轟擊氮原子核實驗，實現了首次原子核人工裂變，結果表明氫原子核是構成各種原子核的組成成分，稱之為質子。隨著出現了一個新的矛盾，那就是原子核的質量并不等于質子質量之和，而且各種元素的原子量不等于氫原子量的整數倍。在同位素被發現之后，非整數倍的矛盾得到了化解，但多余出的原子核質量依然沒法解釋。1920年盧瑟福預言:在原子核內應該有一種中性粒子，質量與質子質量相差無幾。他說:“這種粒子會有新奇的特性，它的外部電場實際上可能等于零，所以能夠自由穿透物質，它應該很容易進入原子核。”［6］193事實表明，預言一種全新的粒子，是很困難的。因為全新的粒子不在經驗范疇之內，所以起初，在盧瑟福看來，這種中性粒子可能僅僅是質子和電子的結合體。20世紀20年代，包括盧瑟福實驗室在內的許多物理實驗室進行了大量的實驗，想證明中子的存在，但是都沒有成功。原因之一是由于中子是電中性的，而以前對亞原子的許多探測方法都要利用到粒子的電荷。后來，盡管德國物理學家博特(Walther Wilhelm Georg Bothe，1891－1957)、法國物理學家艾倫·居里(Irene Curie，1897－1956)等科學家們先后利用天然放射性元素通過實驗均捕捉到了中子，但是由于受到原有經驗的約束，都錯誤地把中子流認為是γ射線，從而錯過了發現中子的機會。用格雷高利(Richard Gregory，1923－)的話解釋就是:“我們非但只相信自己看到的東西”而且“到某種程度，我們也只看到自己相信會有的東西……這些在我們信念上的含意，實在令人感到恐懼。”［6］17“中子”最終于1932年才被英國物理學家查德威克(James Chadwick，1891－1974)捕捉到。

中子的發現，雖然帶來了核物理學的快速發展，但是有一個問題遲遲得不到解決，那就是質子和中子通過怎樣的方式結合成了一個穩定的核?按照量子場論的觀點，兩個帶電粒子的相互作用通過交換虛光子而進行。海森堡(Werner Heisenberg，1901－1976)等人曾企圖沿著類似的方法去建立一個新的原子核理論，但是，費米β理論建立之后，發現想利用電子——中微子一起構成核力場的量子結合力太小，不足以把質子和中子牢固地結合起來。不過這種想法給予湯川秀樹一定啟示，使他開始思考核力本性。

二湯川秀樹對經驗的依賴和超越

湯川秀樹從小就接受過中國傳統文化的熏陶，熟悉《老子》《列子》《莊子》等古典著作。尤其是老子和莊子的思想對他影響很大，譬如，在談到創造性思維的時候，湯川秀樹特別推崇“類比”思想的價值和作用，他說:“我覺得，沒有哪一種關于創造性的理論能夠不把類比——本身就是人類智能之一——當作自己的出發點。”［2］109這種認識最初就源于老莊的影響，因為《老子》和《莊子》中的許多觀點和思想就是通過寓言和比喻的方式闡述和表達的，而寓言和比喻背后隱含的實際上就是“類比”思想。用湯川秀樹的話說，就是在這些有趣的寓言和比喻“表面的下面蘊藏著一種深刻而自洽的哲學。”盡管這種思想體系與古希臘思想完全不同，“但是它們卻構成了一種自洽的、理性主義的看法，它內容豐富，從而就其自身的價值看來作為一種自然哲學至今仍然是值得重視的。”［2］511961年，湯川秀樹在一篇隨筆中回顧自己的思想歷程時，說他在四、五年前思考基本粒子問題時，突然想起了《莊子·內篇·應帝王第七》中的混沌寓言，并對自己當時產生這種思想的原因進行了分析和闡述。后來，這篇文章成了國內許多學者尋找到的老莊思想對湯川秀樹科學研究產生影響的一個確切證據。然而，中國科學院自然科學史研究所副研究員韓健平先生在2009年《科學文化評論》第5期上發表了一篇題為《老莊影響了湯川秀樹的物理學研究?》文章，其中提出了不同的看法。韓先生從時間的角度出發，結合湯川先生的表述，得出這樣的結論:“在湯川回顧的這段思想經歷中，我們沒有看到老莊思想影響了他研究中的哪些環節，反而是他得出的一些物理學看法使他聯想到了老莊思想。”［7］筆者認為這個結論有失偏頗，拋開湯川先生就“基本粒子解釋”的研究方面是否受到老莊思想的影響不談，單從湯川秀樹接受并進一步強化“類比”思想在創造性思維中的作用和地位的角度看，就不難得出湯川秀樹的這種認識與老莊思想的影響是分不開的。因為《莊子·內篇·應帝王第七》中的混沌寓言，不僅僅是一個講述“混沌”的寓言，更是一個典型的用類比的方式講述了一個關于“類比”的寓言。而且，老莊的許多觀點均是通過這種方式表達的。正因如此，湯川先生才不斷地強調“類比”思想的重要性，他說:“在我看來，他們似乎不但用它來勸說別人，而且也用它來找出他們前所未有的真理。”［2］88筆者不敢妄言說，老莊的思想是湯川先生這種認識的唯一來源，但是，說老莊的思想對湯川先生這種認識起碼起到過啟示和強化作用是不容置疑的。而“類比”思想從本質上講就是建立于經驗基礎之上的聯想，湯川秀樹稱之為“等同確認”。

從方法論角度，湯川秀樹的π介子理論的建立，開始就是通過“類比”思想，把核外的兩個帶電粒子作用場景挪移到了核子之間切入的。最初，湯川秀樹同樣想沿著海森伯的思路走下去，認為核力應該是通過交換“電子”相互作用。實際上，在尋找核力之間的作用粒子過程中，由于經驗的束縛，湯川秀樹從已知的“電子”到全新粒子“介子”的跨越，掙扎和猶豫了兩年時間［8］。

1933年4月，日本數學物理學會的年會在仙臺召開，湯川秀樹作了題為《論核內電子》的報告。從報告中可以看出，雖然湯川秀樹意識到用“電子”來充當媒介粒子傳遞核力有難度，可仍然勉強地用符合狄拉克波動方程的電子場來充當核力場。因為湯川秀樹當時還沒能從經驗的窠臼中掙脫出來，懷著一種保守思想，以期在已知的粒子當中尋找傳遞核力的對象。從中不難感受到建立于經驗基礎之上的科學圖景對一個科學家的影響程度。幸運的是，或者說湯川秀樹的非凡之處，就在于他并沒有在經驗的窠臼中逗留太久，而是最終掙脫了經驗的羈絆。1934年10月，他終于以引人注目的方式擴展了海森堡和費米的思想，認為場粒子的粒子質量與力程應該成反比，場粒子的質量大約是電子質量的200倍。湯川秀樹之所以能夠做到這一點，是因為他意識到:“有一種本質上新的特色必須加在類比思維上了，那就是要承認和相似性并列的不相似性。”［2］89

1935年，數理學會會刊刊載了湯川秀樹的論文。湯川秀樹稱新粒子為“重量子”(heavy quanta)，后來又稱之為“中間子”，意思是指這種新粒子的質量在電子和質子兩者之間。從“介子”的命名，可以又一次感受到人類，這種具有視覺功能的認識主體對經驗的那種不離不棄的依戀。雖然湯川秀樹最初用英文撰寫了論文，并刊登于一種影響面很大的學術刊物，但是兩年后仍然沒有引起人們足夠重視。1937年春，當湯川秀樹在大阪大學向訪日的尼耳斯·玻爾談起π介子理論時，玻爾竟說:“難道你喜歡一種新的粒子嗎?”［2］165從這位對經典科學圖景戀戀不舍的科學大師言語中，可以深刻感知經驗在一位科學家心目中的分量。

科學研究作為一種創造性工作是沒有約定俗成的模式去套用的。湯川秀樹認為，很難從歸納法和演繹法中尋覓到真正的創造性根源，因為在科學理論的創新過程中，不存在必然的邏輯通道。那么科學真正的創造性根源在哪兒呢?湯川先生說:“是通過一連串大膽的越軌行為來實現的;這些越軌行為包括從一些比較不充分的數據和一些本身并不怎么精確的測量結果中發現一條簡單的定律。”［2］105可以看出，湯川秀樹所說的“大膽”和“越軌行為”，實際上就是指科學理論建立過程中的創造性思維的主要因素——想象，或者說是建立在視覺化經驗基礎之上的直覺能力。當然，這并不是說湯川秀樹認為科學理論的建立僅僅依靠直覺就夠了，相反，湯川秀樹同樣強調抽象思維在科學理論建立當中的作用，他說:“人類的抽象能力對于創立像物理學這樣一種嚴密科學來說是有決定性的。”［2］92可見在湯川秀樹看來，如何協調和平衡好“直覺”與“抽象”的關系才是科學研究的關鍵因素。湯川秀樹擔心或者說憂慮的，是人們過分地強調抽象思維在科學理論建立當中的重要性，而對建立在視覺化經驗基礎之上的直覺思維能力卻沒有給予足夠的重視。

從湯川秀樹先生在建立π介子理論過程中的表現可以看出，在方法上他也是借鑒了電磁場粒子之間通過交換虛光子的模式進行的，而在交換粒子身份的確定上，一開始和海森堡等人一樣，希望在已有的基本粒子當中尋找。這一切均說明和絕大多數科學家一樣，湯川秀樹在科學理論研究中，也離不開對經驗的依賴。那么他對新粒子的預言又是在怎樣的認識基礎上形成的呢?可以說，最終導致湯川秀樹掙脫固有觀念的束縛，同樣與中國古代老莊哲學的影響與啟迪分不開。

湯川秀樹說老子的哲學“就是一種自然哲學，是接近自然科學的自然哲學”。［9］湯川秀樹把《老子》中的“道，可道，非常道;名，可名，非常名”，轉譯為“真正的道—自然法則—不是慣常的道，不是公認的事物秩序。真正的名稱—真正的概念—不是慣常的名稱，不是公認的名稱。”［2］46從中不難看出他對“道”的理解和認識。他認為對認識客體變化規律和本質的認識過程，是沿著從“慣常的道”到“不是公認的”道的過程，而所謂“慣常的道”實際上就是經驗范疇之內的，已經被認識主體接受和認可的事物或者規律;而“非常道”，即“不是慣常的道”是指經驗范疇之外的、尚未被認識主體接受的、更深層次的事物乃至變化規律。與“可道”對應的“可名”，由于是通常意義層面上的可以理解的“道”，當然也就是可以用認識主體能夠掌握和理解的語言給予命名;而對于“非常道”，由于不是慣常意義的“道”，所以就無法用日常語言給予命名，譬如，微觀粒子的波粒“二象性”就屬此例［10］。正因為在湯川秀樹的眼中，真正的“道”，不是慣常的道，即不一定是人類的經驗能夠直接感知的東西，所以經過兩年的思考，最終放棄了在已知的“基本粒子”當中去尋找目標，而是沿著理性的指導，預言了新作用粒子——π介子。可見老子提出“道”的思想，對其科學發展觀的形成確實起到了舉足輕重的作用。

三結語

粒子物理學是一類把遠離人類直接經驗的認識客體作為研究對象的科學理論，從某種程度上與哲學非常接近。哲學的終極目標就是“道”，莊子說:“吾不知其名，字之曰道”，不知其名實際上就是由于“道”遠離人類的感性知覺，在經驗范疇之外。湯川秀樹說“理論物理學是試圖找出深藏在宇宙深處的東西，因而是非常接近哲學的”［9］。科學發展的過程就是用“非常道”取代“常道”的過程，從亞里士多德到牛頓再到愛因斯坦，無不如此。所以湯川秀樹認為:“極端重要的發現的類型是那樣一種發現，它涉及某種事實，而該事實和我們已知的定律顯然不符，或是極難在現有的理論體系中加以解釋。”［2］96所以，湯川秀樹一方面強調經驗的重要性，同時他又說:“知道許多事情有一個好處，就是至少在理論上可以有一個發現新事物的基礎;但是，它也有一個逐步僵化的效應。”［2］97如果一個科學家永遠掙脫不了經驗的窠臼，他是不會有所創新的。而湯川秀樹卻做到了，因此他獲得了成功。

［1］Miller Arthur．Imagery in Scientific Though［M］．Birkhauger Boston Inc，1984:1．

［2］［日］湯川秀樹．創造力和直覺［M］．周林東，譯．上海:復旦大學出版社，1987．

［3］黃炳線，孟建偉．感覺世界·物理世界·實在世界［J］．自然辯證法研究，2009，25(4):9－13．

［4］愛因斯坦．愛因斯坦文集(第一卷)［M］．許良英，李寶恒，趙中立，等編譯．北京:商務印書館，1983．

［5］［美］魯道夫·阿恩海姆．視覺思維［M］．滕守堯，譯．成都:四川人民出版社，1998:201．

［6］呂仕儒．視覺化經驗與物理學理論的建立［M］．北京:中國輕工業出版社，2011．

［7］韓健平．老莊影響了湯川秀樹的物理學研究?［J］．科學文化評論，2009，6(5):29－37．

［8］Hideki Yukawa．“Tabibite”(The Tyaveler)［M］．Hongkong: World Scientific Publishing，1982:107－195．

［9］蔡明哲．關于老莊的“道”與湯川秀樹的科學觀［J］．科學技術與辯證法，1989(4):7－10．

［10］呂仕儒．論經驗與“概念構架”的更新［J］．科學技術哲學研究，2011，28(3):47－50．

Discussion on Hideki Yukawa’s Dependence on and Transcendence over Experience: taking the establishment of π－Meson theory for example

LV Shi－ru，HAO Lin－shan，LI Hai，GAO Hai
(School of Physics＆Electronic Science，Shanxi Datong University，Datong 037009，China)

The historical process of science development indicates that experience，as the basis and starting point of cognition，plays a very important role in scientific research;Meanwhile，experience contains fallibility and limitation as a kind of illogical factor．Therefore how to draw enlightenment from experience without being entrapped into it has been a dilemma for scientists for a long time．This paper makes a thorough analysis and research of the problem through the successful case of Japanese famous physicist Hideki Yukawa’s establishment of π－meson theory．

Hideki Yukawa;non－logical factor;π－meson theory

N09

A

1000－5935(2012)04－0010－04

(責任編輯李雪楓)

2012－05－15

山西省軟科學研究計劃項目“科學理論建立過程中的非邏輯思維”(2007041050－03)

呂仕儒(1963－)，男，山西懷仁人，山西大同大學物理與電子科學學院副教授，主要從事科學技術史研究。