簡論觀察之演化與物理學革命

李書楊，董春雨

(北京師范大學哲學與社會學學院，北京 100875)

簡論觀察之演化與物理學革命

李書楊，董春雨

(北京師范大學哲學與社會學學院，北京 100875)

亞里士多德的物理學理論滿足日常的觀察經驗，人們在很長的時間里接受了其學說;伽利略在1609年把望遠鏡指向了天空，發現的新現象導致了對亞里士多德物理學體系的顛覆，催生了牛頓物理學體系的誕生;20世紀以來，當物理學研究的對象變為無法直接看見的物體時，只能借助于理論模型來研究自然，隨著研究的深入，很可能孕育出更偉大的發現。從肉眼觀察到工具觀察，從觀察自然到觀察實驗，從被動等待到主動捕捉，觀察的變化，是每一次物理學革命的導火索。

觀察;物理學;革命

本文是在觀察先于理論的前提下來探討物理學革命這一話題的。觀察先于理論是一種很有影響力的觀點，并且易于被人們接受。澳大利亞學者查爾莫斯(A.F.Charlmers)提出一種常識科學觀，認為“科學是從經驗事實中推導出來的知識”［1］，這些經驗事實的獲得，依賴于我們的感官知覺對于大自然素材的收集、積累，其中最主要的感官知覺便是視覺。在人類歷史很長的一段時間內，借助肉眼視覺的觀察，是人們認識世界的主要方式。當然，存在著與之相對的另一種觀點，即認為理論先于觀察。基于20世紀初心理學研究成果而提出的格式塔理論，有學者提出了理論先于觀察這一論點，美國學者N. R.漢森(N.R.Hanson)將其概括為觀察滲透理論，認為“看是一件‘滲透著理論’的事情”［2］。當代理論物理學的發展史也驗證了這一觀點，學者們在標準模型中預言一些粒子的存在，然后設計一些儀器來觀察是否存在某些現象能印證這些粒子的存在，被暫時確認存在的希格斯玻色子便是明顯的一例。美國科普作家艾倫·萊特曼(Alan Lightman)說過:“我們都是盲人，在設想我們看不見的東西。”［3］這是對理論物理學的研究方法非常好的表達，也是對理論先于觀察這種觀點非常好的概括。可以說，觀察先于理論背后的邏輯是歸納推理，理論先于觀察背后的邏輯是溯因推理，但無論是哪種觀點，其實踐環節都離不開觀察，只是觀察在其活動中的順序不同而已，為便于分析，本文從觀察先于理論這一視角下，按照先觀察后得出理論這種自然發生的順序來考察物理學發展中觀察的歷史。

1 觀察介質之擴展:從肉眼觀察到工具觀察

受限于肉眼的觀察范圍，古希臘時期(主要為前蘇格拉底時代)人們觀察的對象多為身邊的自然現象或者目所能及的天體運動。尼羅河水的泛濫引起了當時人們的關注，許多人都把原因歸結到超自然事件之上，公認為第一位哲學家的泰勒斯則認為形成這種現象的原因是風，“他以一種自然現象(沙漠風)來解釋另一種自然現象(尼羅河的泛濫)”［4］，這也奠定了古希臘自然哲學樸素性的風格，用自然來解釋自然。

普遍認為，亞里士多德是古希臘哲學的集大成者。受限于日常生活的觀察經驗，其有些觀點也難免有失偏頗。亞里士多德把運動區分為兩種，一種是“自然運動”，一種是“非自然運動”。自然運動不需要外力的推動，萬物都有趨向其自然位置的本性。火向上運動，土向下運動，就是由其尋找自身自然位置的本性決定的。天體運動也是一種自然運動，其運動軌跡是完美的圓形。非自然運動則必須有外力的推動，“凡運動著的事物必然都有推動者在推動著它運動”［5］，這種觀點被人們普遍解釋為，力是維持物體運動的原因。亞里士多德在《物理學》中以織布機為例，將織布機的活動解釋為推、拉兩種方式，有外力的作用織布機才會運動。可見，古希臘時期人們觀察只要是依靠肉眼的日常經驗觀察，這種觀察的方式與范圍，決定了當時的自然哲學思想是樸素的。

在伽利略之前，亞里士多德的物理學理論被人們廣泛接受。其主要原因可能有二:一是亞里士多德對運動作了區分，不同種類的運動之間是不可比較的;二是在接受對運動作出區分的前提下，亞里士多德的物理學體系與人們日常的觀察經驗相吻合。亞里士多德把宇宙分為月上世界和月下世界。月上世界的天體運動是完美的，天體做勻速圓周運動，沒有起點沒有終點地無限循環運動下去;月下世界的運動在本質上是做直線運動的，有起點和終點，不能無限地運動下去。以上的觀點也與當時人們的日常觀察經驗相符合。太陽每天東升西落，以地球為中心，在天空中勻速地劃過一道圓弧，做著完美的天體運動;一個人推著一輛小車前進，人用力推，小車才沿著推力的方向直線前進，小車的運動原因很容易被理解成是人施加于小車上的力，也就是說，力是維持物體運動的原因。亞里士多德的物理學體系在生活中可以說近乎完美，似乎會一直被人們接受下去，直到中世紀伽利略制作出了高倍的望遠鏡，并且把它對準了天空。

1608年荷蘭商人漢斯·利帕希(Hans Lippershey)制成了望遠鏡。1609年，“伽利略就根據他對光的折射知識，立刻制成一個同樣的儀器，而且很快就制出一個相當好的儀器，能將物體的直徑放大三十倍。”［6］伽利略制造出了高倍的望遠鏡，同時他把望遠鏡對準了月球，并驚奇地發現月球表面是凹凸不平的。“這是通過探索天空的實際結構對天文學研究的一次革命，也是對亞里士多德關于所有天體都是永恒的純正球體這種長期以來從無爭議的說法的一個反駁。”［7］伽利略認為，月球上的丘陵和山嶺是顯然可見的，可用來推翻亞里士多德的天體與地球對立的錯誤，即用來推翻“月上世界”和“月下世界”的區分。對于亞里士多德物理學體系崇拜的磐石開始松動了。伽利略接著又把觀察的范圍指向了其他星體。“他發現了木星有幾個衛星，他認定銀河是一大群各自獨立存在的星體。稍后，他有觀測出金星的周相、土星的環和太陽的黑斑。”［8］木星的幾顆衛星繞著木星作周期性的旋轉，而不是圍繞當時被認為是宇宙的中心地球旋轉，太陽表面的黑斑也不符合太陽是完美的傳統學說，這一切現象堆積在一起，促使伽利略開始懷疑亞里士多德的理論，開始思考新的宇宙模型。

有種觀點認為，工具是人體的延伸。這樣說來，望遠鏡就是人類肉眼的替代與增強，借助于它，伽利略擴大了自己的觀察范圍，并且第一個把望遠鏡指向了天空，因此，“歷史學傳統將伽利略視為‘經典科學之父’，不管怎么說，這種觀點不無道理。”［9］雖然當時有反對者認為“這一切現象全是鏡頭的無聊幻象”［10］，但隨著觀察證據的增加，實驗活動的深入，伽利略的觀點還是被人們廣泛認可了。通過工具進行觀察，大大擴展了人們觀察的范圍，并看到了許多日常觀察所無法看見的事物，積累了越來越多的素材，為學者們在理論方面的突破，奠定了深厚的基礎。由肉眼觀察到工具觀察，這種觀察的演化，是一種物理學革命的導火索，導致了由亞里士多德物理學向牛頓的經典物理學的過渡。

2 觀察內容之提升:從觀察自然到觀察實驗

自牛頓實現了物理學的第一次大綜合以來，整個18世紀，人們在各個學科領域，都嘗試著應用牛頓的數學物理方法進行研究，并屢屢獲得成功。學者們在各自的領域都努力引入數學來進行定量研究，力圖使原領域本來是哲學上的思考，變為可以進行數學操作的科學理論，在形式上追求簡潔、完美。隨著牛頓物理學取得越來越多的成功，人們當時以為物理學的主要框架已經基本完成了(引以后的物理學家只要完成一些修修補補的工作)，以后的研究只要遵循這種方法，就可以按部就班取得最終的結果。然而，學者們在研究時卻觀察到了一些經典物理學理論難以解釋的實驗事實，其中之一便是黑體輻射問題。

任何物體都會吸收和輻射電磁波，不同的物體吸收和輻射電磁波的本領不同，黑色物體比白色物體容易吸收熱，也容易輻射熱。一般來講，外部的電磁波照到一個物體的表面，一部分被物體吸收，一部分被反射。全部吸收外來輻射而不反射的物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。絕對黑體很難獲得，但光從小孔照射進一個不透明的腔體時，每在腔體內反射一次，能量就被吸收一些，經過多次反射，能量幾乎都被吸收，光從小孔逃逸出去的能量可以忽略不計，就成為了實驗中用到的黑體。普朗克對黑體輻射進行了實驗研究，經過分析實驗數據與修改公式相結合的方式，他推導出了黑體輻射公式，并且與后來其他相關實驗的觀測數據高度吻合。在推導的過程中，普朗克引入了不連續的能量子的概念，突破了經典物理學的連續性原理。“經典物理學的信條之一是一切過程和一切物理量都是連續的。連續性是微積分的核心思想，而微積分是處理物理問題最基本的數學工具。”［11］從連續到量子這種思維方式上的變革，也標志了量子論的誕生，標志了新的物理學的誕生。若是沒有設計黑體輻射這一自然界中不存在的實驗對象，那么普朗克無法進行其研究，也不會有后來的學術成就。

從觀察存在于自然界中的自然之物，到觀察經過設計的精巧實驗，這種觀察范圍的擴大與解放，使人們發現了許多舊理論解釋不了的新現象，促使人們采用新的思維方式，新的科學理論體系來進行研究，可以說，這種觀察范圍的解放，是從經典物理學到量子物理學轉變的導火索。

3 觀察行為之質變:從被動等待到主動捕捉

進入20世紀以來，科學活動的大多數觀察已經從在自然界進行觀察進入到以實驗室觀察為主的階段，這一點在第二次世界大戰后，商業公司與實驗室相結合、資本與技術相結合的科技循環加速中變得非常明顯，在國家支持的體系下進行的“大科學”中變得非常明顯。人們是有目的、有選擇地進行特定方向的研究。同時，在實驗室觀察的內部，也有一個轉變，即從以前被動地等待觀察對象的出現，轉變成主動創造條件促使觀察對象的出現，下面以對高能粒子觀察的歷史來具體解釋。

在20世紀30年代，如果人們想要研究高能粒子的碰撞，那么就需要爬到山上去。來自外太空的一些高能粒子流，也就是宇宙線，不間斷地沖擊著高層大氣，其中能量特別高的一部分粒子可以深入到大氣的下層，與山頂的高度正好相當，可以借此研究高能射線與底層大氣粒子的碰撞。“美國物理學家卡爾·安德森(Carl Anderson)在1932年發現了狄拉克所預言的正電子。四年以后，他和他的美國同胞內德邁耶(Seth Neddermeyer)把他們的粒子探測儀器裝上平板卡車，拉到了落基山脈派克斯峰的峰頂，該山峰位于科羅拉多斯普林斯市以西大約16千米處。”［12］44通過宇宙線實驗，科學家們發現了正電子、μ子、π介子和K介子。但是這種研究依賴于對相關粒子的隨機探測，每次探測到的粒子的環境、狀態都是隨機的，因此，很難出現兩個事例處于相同狀態的情形。經驗表明，這種探測是很難重復的。隨著粒子物理學研究的深入，在山頂處被動地觀察來自宇宙的射線已經不能滿足實際的需要，人們嘗試著在實驗設備中主動地轟擊出粒子，然后來觀察這些轟擊出來的粒子，是否就是所尋找的新型粒子，粒子物理學的進一步發展不得不指望越來越強大的粒子加速器。“最早的加速器建造于20世紀20年代晚期，它們屬于直線加速器，是使電子或質子通過一系列振蕩電場來達到加速的效果。”［12］98后來，美國物理學家勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence)設計出了回旋加速器。回旋加速器采用的是固定頻率的電場和強度不變的磁場，與直線加速器相比，它能讓粒子獲得更大的速度與能量，但它也具有不可避免的先天局限性，粒子的能量只能達到1000兆電子伏左右。為了獲得更高的能量，就要引導被加速的粒子束流以環形軌跡運動，電場和磁場沿著環形軌跡同步變化，這樣就制造出了同步加速器。隨著研究的粒子的能量的增加，加速器所能提供給粒子的能量也達到了瓶頸，人們又設想出了粒子對撞機，把被加速的粒子注入兩個相連的存儲環，使得相應的束流相向而行，那么它們就能夠發生迎頭對撞。在這種情況下，被加速的粒子的所有能量都可以用于產生新粒子。就這樣，隨著實驗設備性能的提高，實驗方式的改進，人們發現了越來越多的粒子。2012年7月4日，歐洲核子研究中心(CERN)宣布在大型強子對撞機上發現了一種新的粒子，這種粒子與希格斯玻色子比較吻合。

經過一段時間的檢驗，上述粒子最終被確認為是希格斯玻色子，粒子物理標準模型中的7種粒子就都找到了，而這一切的實現，離不開大型強子對撞機，離不開人們變被動等待為主動捕捉這種觀察模式上質的改變。因此，這種觀察模式的質變，成為了導火索，把人們引向物理學研究的新圖景。

4 結語

以當代物理學為代表的當代科學是從古代至近代的自然哲學的延伸。從古至今，人們一直在思考、研究我們生活在其中的世界究竟是什么樣的，我們該如何看待這個世界，而這些活動的起點便是觀察，進步的焦點也是觀察。從肉眼觀察到工具觀察，這種觀察的演化，使得人們從亞里士多德物理學進步到牛頓的經典物理學;從觀察自然到觀察實驗，這種觀察的解放，使得人們發現了經典物理體系外量子物理的廣闊空間;從被動等待到主動捕捉，這種觀察的質變，讓人們對物理學的新進展充滿了期待。回顧物理學或自然哲學發展的歷史，可以看出，每次科學范式的轉換，每次科學革命的興起，都是源于觀察，觀察的變化，是物理學革命的導火索。

［1］A F查爾莫斯.科學究竟是什么［M］.魯旭東，譯.北京:商務印書館，2011:13.

［2］N R漢森.發現的模式［M］.邢新力，周沛，譯.北京:中國國際廣播出版社，1988:22.

［3］弗里曼·戴森.反叛的科學家［M］.肖明波，楊光松，譯.杭州:浙江大學出版社，2013:275.

［4］唐納德·帕爾瑪.西方哲學導論［M］.楊洋，曹洪洋，譯.上海:上海社會科學院出版社，2011:7.

［5］亞里士多德.物理學［M］.張竹明，譯.北京:商務印書館，2011:189-193.

［6］WC丹皮爾.科學史［M］.李珩，譯.北京:中國人民大學出版社，2010:143.

［7］達娃·索貝爾.伽利略的女兒［M］.謝延光，譯.上海:上海世紀出版集團，2005:37.

［8］鮑·格·庫茲涅佐夫.伽利略傳［M］.陳太先，馬世元，譯.北京:商務印書館，2001:75.

［9］亞歷山大·柯瓦雷.伽利略研究［M］.劉勝利，譯.北京:北京大學出版社，2008:318.

［10］伽利略.兩大世界體系的對話［M］.周煦良，譯.北京:北京大學出版社，2006:248.

［11］金尚年.自然哲學的演化［M］.上海:復旦大學出版社，2001: 174.

［12］吉姆·巴戈特.希格斯:“上帝粒子”的發明與發現［M］.邢志忠，譯.上海:上海科技教育出版社，2013:44.

責任編輯:沈宏梅

Discussion on Evolution of Observation and Physics Revolution

LIShuyang，DONG Chunyu

(College of Philosophy and Sociology，Beijing Normal University，Beijing 100875，China)

Aristotelian physicswas appreciated by scholars for a long time because itmet the daily routine observations.Nevertheless，the heavenly body，which was new ly found through telescope by Galileo in 1609，collapsed Aristotelian physics and gave birth to Newtonian physics.Since the20th century，as the research objects turned into being invisible，physicists had to use themodelmethods to study the nature.We expect new great discovery to come soon.From eye observation to instrumental observation，from natural observation to experimental observation，from passive observation to active observation，each evolution of observations is a blasting fuse in physics revolution.

observation;physics;revolution

B029

A

1009-3907(2014)09-1252-04

2014-06-04

教育部人文社會科學研究基金項目(08JA720001)

李書楊(1985-)，男，吉林白城人，碩士研究生，主要從事物理哲理學及復雜性哲學等研究;董春雨(1963-)，男，遼寧鞍山人，教授，博士，博士研究生導師，主要從事物理哲學及復雜性哲學等研究。