李書楊，董春雨

(北京師范大學(xué)哲學(xué)與社會(huì)學(xué)學(xué)院，北京 100875)

簡論觀察之演化與物理學(xué)革命

李書楊，董春雨

(北京師范大學(xué)哲學(xué)與社會(huì)學(xué)學(xué)院，北京 100875)

亞里士多德的物理學(xué)理論滿足日常的觀察經(jīng)驗(yàn)，人們在很長的時(shí)間里接受了其學(xué)說;伽利略在1609年把望遠(yuǎn)鏡指向了天空，發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象導(dǎo)致了對亞里士多德物理學(xué)體系的顛覆，催生了牛頓物理學(xué)體系的誕生;20世紀(jì)以來，當(dāng)物理學(xué)研究的對象變?yōu)闊o法直接看見的物體時(shí)，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(fā)現(xiàn)。從肉眼觀察到工具觀察，從觀察自然到觀察實(shí)驗(yàn)，從被動(dòng)等待到主動(dòng)捕捉，觀察的變化，是每一次物理學(xué)革命的導(dǎo)火索。

觀察;物理學(xué);革命

本文是在觀察先于理論的前提下來探討物理學(xué)革命這一話題的。觀察先于理論是一種很有影響力的觀點(diǎn)，并且易于被人們接受。澳大利亞學(xué)者查爾莫斯(A.F.Charlmers)提出一種常識科學(xué)觀，認(rèn)為“科學(xué)是從經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中推導(dǎo)出來的知識”［1］，這些經(jīng)驗(yàn)事實(shí)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(shí)間內(nèi)，借助肉眼視覺的觀察，是人們認(rèn)識世界的主要方式。當(dāng)然，存在著與之相對的另一種觀點(diǎn)，即認(rèn)為理論先于觀察?；?0世紀(jì)初心理學(xué)研究成果而提出的格式塔理論，有學(xué)者提出了理論先于觀察這一論點(diǎn)，美國學(xué)者N. R.漢森(N.R.Hanson)將其概括為觀察滲透理論，認(rèn)為“看是一件‘滲透著理論’的事情”［2］。當(dāng)代理論物理學(xué)的發(fā)展史也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)，學(xué)者們在標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言一些粒子的存在，然后設(shè)計(jì)一些儀器來觀察是否存在某些現(xiàn)象能印證這些粒子的存在，被暫時(shí)確認(rèn)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(shè)想我們看不見的東西?！保?］這是對理論物理學(xué)的研究方法非常好的表達(dá)，也是對理論先于觀察這種觀點(diǎn)非常好的概括?？梢哉f，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(diǎn)，其實(shí)踐環(huán)節(jié)都離不開觀察，只是觀察在其活動(dòng)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(fā)生的順序來考察物理學(xué)發(fā)展中觀察的歷史。

1 觀察介質(zhì)之?dāng)U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(shí)期(主要為前蘇格拉底時(shí)代)人們觀察的對象多為身邊的自然現(xiàn)象或者目所能及的天體運(yùn)動(dòng)。尼羅河水的泛濫引起了當(dāng)時(shí)人們的關(guān)注，許多人都把原因歸結(jié)到超自然事件之上，公認(rèn)為第一位哲學(xué)家的泰勒斯則認(rèn)為形成這種現(xiàn)象的原因是風(fēng)，“他以一種自然現(xiàn)象(沙漠風(fēng))來解釋另一種自然現(xiàn)象(尼羅河的泛濫)”［4］，這也奠定了古希臘自然哲學(xué)樸素性的風(fēng)格，用自然來解釋自然。

普遍認(rèn)為，亞里士多德是古希臘哲學(xué)的集大成者。受限于日常生活的觀察經(jīng)驗(yàn)，其有些觀點(diǎn)也難免有失偏頗。亞里士多德把運(yùn)動(dòng)區(qū)分為兩種，一種是“自然運(yùn)動(dòng)”，一種是“非自然運(yùn)動(dòng)”。自然運(yùn)動(dòng)不需要外力的推動(dòng)，萬物都有趨向其自然位置的本性?；鹣蛏线\(yùn)動(dòng)，土向下運(yùn)動(dòng)，就是由其尋找自身自然位置的本性決定的。天體運(yùn)動(dòng)也是一種自然運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是完美的圓形。非自然運(yùn)動(dòng)則必須有外力的推動(dòng)，“凡運(yùn)動(dòng)著的事物必然都有推動(dòng)者在推動(dòng)著它運(yùn)動(dòng)”［5］，這種觀點(diǎn)被人們普遍解釋為，力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。亞里士多德在《物理學(xué)》中以織布機(jī)為例，將織布機(jī)的活動(dòng)解釋為推、拉兩種方式，有外力的作用織布機(jī)才會(huì)運(yùn)動(dòng)?？梢姡畔ＥD時(shí)期人們觀察只要是依靠肉眼的日常經(jīng)驗(yàn)觀察，這種觀察的方式與范圍，決定了當(dāng)時(shí)的自然哲學(xué)思想是樸素的。

在伽利略之前，亞里士多德的物理學(xué)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(yùn)動(dòng)作了區(qū)分，不同種類的運(yùn)動(dòng)之間是不可比較的;二是在接受對運(yùn)動(dòng)作出區(qū)分的前提下，亞里士多德的物理學(xué)體系與人們?nèi)粘５挠^察經(jīng)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)是完美的，天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，沒有起點(diǎn)沒有終點(diǎn)地?zé)o限循環(huán)運(yùn)動(dòng)下去;月下世界的運(yùn)動(dòng)在本質(zhì)上是做直線運(yùn)動(dòng)的，有起點(diǎn)和終點(diǎn)，不能無限地運(yùn)動(dòng)下去。以上的觀點(diǎn)也與當(dāng)時(shí)人們的日常觀察經(jīng)驗(yàn)相符合。太陽每天東升西落，以地球?yàn)橹行模谔炜罩袆蛩俚貏澾^一道圓弧，做著完美的天體運(yùn)動(dòng);一個(gè)人推著一輛小車前進(jìn)，人用力推，小車才沿著推力的方向直線前進(jìn)，小車的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的原因。亞里士多德的物理學(xué)體系在生活中可以說近乎完美，似乎會(huì)一直被人們接受下去，直到中世紀(jì)伽利略制作出了高倍的望遠(yuǎn)鏡，并且把它對準(zhǔn)了天空。

1608年荷蘭商人漢斯·利帕希(Hans Lippershey)制成了望遠(yuǎn)鏡。1609年，“伽利略就根據(jù)他對光的折射知識，立刻制成一個(gè)同樣的儀器，而且很快就制出一個(gè)相當(dāng)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(yuǎn)鏡，同時(shí)他把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了月球，并驚奇地發(fā)現(xiàn)月球表面是凹凸不平的?！斑@是通過探索天空的實(shí)際結(jié)構(gòu)對天文學(xué)研究的一次革命，也是對亞里士多德關(guān)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(gè)反駁。”［7］伽利略認(rèn)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?qū)α⒌腻e(cuò)誤，即用來推翻“月上世界”和“月下世界”的區(qū)分。對于亞里士多德物理學(xué)體系崇拜的磐石開始松動(dòng)了。伽利略接著又把觀察的范圍指向了其他星體?！八l(fā)現(xiàn)了木星有幾個(gè)衛(wèi)星，他認(rèn)定銀河是一大群各自獨(dú)立存在的星體。稍后，他有觀測出金星的周相、土星的環(huán)和太陽的黑斑?！保?］木星的幾顆衛(wèi)星繞著木星作周期性的旋轉(zhuǎn)，而不是圍繞當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是宇宙的中心地球旋轉(zhuǎn)，太陽表面的黑斑也不符合太陽是完美的傳統(tǒng)學(xué)說，這一切現(xiàn)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(diǎn)認(rèn)為，工具是人體的延伸。這樣說來，望遠(yuǎn)鏡就是人類肉眼的替代與增強(qiáng)，借助于它，伽利略擴(kuò)大了自己的觀察范圍，并且第一個(gè)把望遠(yuǎn)鏡指向了天空，因此，“歷史學(xué)傳統(tǒng)將伽利略視為‘經(jīng)典科學(xué)之父’，不管怎么說，這種觀點(diǎn)不無道理?！保?］雖然當(dāng)時(shí)有反對者認(rèn)為“這一切現(xiàn)象全是鏡頭的無聊幻象”［10］，但隨著觀察證據(jù)的增加，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的深入，伽利略的觀點(diǎn)還是被人們廣泛認(rèn)可了。通過工具進(jìn)行觀察，大大擴(kuò)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(xué)者們在理論方面的突破，奠定了深厚的基礎(chǔ)。由肉眼觀察到工具觀察，這種觀察的演化，是一種物理學(xué)革命的導(dǎo)火索，導(dǎo)致了由亞里士多德物理學(xué)向牛頓的經(jīng)典物理學(xué)的過渡。

2 觀察內(nèi)容之提升:從觀察自然到觀察實(shí)驗(yàn)

自牛頓實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的第一次大綜合以來，整個(gè)18世紀(jì)，人們在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，都嘗試著應(yīng)用牛頓的數(shù)學(xué)物理方法進(jìn)行研究，并屢屢獲得成功。學(xué)者們在各自的領(lǐng)域都努力引入數(shù)學(xué)來進(jìn)行定量研究，力圖使原領(lǐng)域本來是哲學(xué)上的思考，變?yōu)榭梢赃M(jìn)行數(shù)學(xué)操作的科學(xué)理論，在形式上追求簡潔、完美。隨著牛頓物理學(xué)取得越來越多的成功，人們當(dāng)時(shí)以為物理學(xué)的主要框架已經(jīng)基本完成了(引以后的物理學(xué)家只要完成一些修修補(bǔ)補(bǔ)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(jié)果。然而，學(xué)者們在研究時(shí)卻觀察到了一些經(jīng)典物理學(xué)理論難以解釋的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，其中之一便是黑體輻射問題。

任何物體都會(huì)吸收和輻射電磁波，不同的物體吸收和輻射電磁波的本領(lǐng)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(gè)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(jìn)一個(gè)不透明的腔體時(shí)，每在腔體內(nèi)反射一次，能量就被吸收一些，經(jīng)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(jì)，就成為了實(shí)驗(yàn)中用到的黑體。普朗克對黑體輻射進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與修改公式相結(jié)合的方式，他推導(dǎo)出了黑體輻射公式，并且與后來其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)的觀測數(shù)據(jù)高度吻合。在推導(dǎo)的過程中，普朗克引入了不連續(xù)的能量子的概念，突破了經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性原理?！敖?jīng)典物理學(xué)的信條之一是一切過程和一切物理量都是連續(xù)的。連續(xù)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(shù)學(xué)工具?！保?1］從連續(xù)到量子這種思維方式上的變革，也標(biāo)志了量子論的誕生，標(biāo)志了新的物理學(xué)的誕生。若是沒有設(shè)計(jì)黑體輻射這一自然界中不存在的實(shí)驗(yàn)對象，那么普朗克無法進(jìn)行其研究，也不會(huì)有后來的學(xué)術(shù)成就。

從觀察存在于自然界中的自然之物，到觀察經(jīng)過設(shè)計(jì)的精巧實(shí)驗(yàn)，這種觀察范圍的擴(kuò)大與解放，使人們發(fā)現(xiàn)了許多舊理論解釋不了的新現(xiàn)象，促使人們采用新的思維方式，新的科學(xué)理論體系來進(jìn)行研究，可以說，這種觀察范圍的解放，是從經(jīng)典物理學(xué)到量子物理學(xué)轉(zhuǎn)變的導(dǎo)火索。

3 觀察行為之質(zhì)變:從被動(dòng)等待到主動(dòng)捕捉

進(jìn)入20世紀(jì)以來，科學(xué)活動(dòng)的大多數(shù)觀察已經(jīng)從在自然界進(jìn)行觀察進(jìn)入到以實(shí)驗(yàn)室觀察為主的階段，這一點(diǎn)在第二次世界大戰(zhàn)后，商業(yè)公司與實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合、資本與技術(shù)相結(jié)合的科技循環(huán)加速中變得非常明顯，在國家支持的體系下進(jìn)行的“大科學(xué)”中變得非常明顯。人們是有目的、有選擇地進(jìn)行特定方向的研究。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室觀察的內(nèi)部，也有一個(gè)轉(zhuǎn)變，即從以前被動(dòng)地等待觀察對象的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)變成主動(dòng)創(chuàng)造條件促使觀察對象的出現(xiàn)，下面以對高能粒子觀察的歷史來具體解釋。

在20世紀(jì)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?shù)母叨日孟喈?dāng)，可以借此研究高能射線與底層大氣粒子的碰撞?！懊绹锢韺W(xué)家卡爾·安德森(Carl Anderson)在1932年發(fā)現(xiàn)了狄拉克所預(yù)言的正電子。四年以后，他和他的美國同胞內(nèi)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?！保?2］44通過宇宙線實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)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(guān)粒子的隨機(jī)探測，每次探測到的粒子的環(huán)境、狀態(tài)都是隨機(jī)的，因此，很難出現(xiàn)兩個(gè)事例處于相同狀態(tài)的情形。經(jīng)驗(yàn)表明，這種探測是很難重復(fù)的。隨著粒子物理學(xué)研究的深入，在山頂處被動(dòng)地觀察來自宇宙的射線已經(jīng)不能滿足實(shí)際的需要，人們嘗試著在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中主動(dòng)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(xué)的進(jìn)一步發(fā)展不得不指望越來越強(qiáng)大的粒子加速器?！白钤绲募铀倨鹘ㄔ煊?0世紀(jì)20年代晚期，它們屬于直線加速器，是使電子或質(zhì)子通過一系列振蕩電場來達(dá)到加速的效果。”［12］98后來，美國物理學(xué)家勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence)設(shè)計(jì)出了回旋加速器?；匦铀倨鞑捎玫氖枪潭l率的電場和強(qiáng)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(dá)到1000兆電子伏左右。為了獲得更高的能量，就要引導(dǎo)被加速的粒子束流以環(huán)形軌跡運(yùn)動(dòng)，電場和磁場沿著環(huán)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(dá)到了瓶頸，人們又設(shè)想出了粒子對撞機(jī)，把被加速的粒子注入兩個(gè)相連的存儲(chǔ)環(huán)，使得相應(yīng)的束流相向而行，那么它們就能夠發(fā)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(chǎn)生新粒子。就這樣，隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能的提高，實(shí)驗(yàn)方式的改進(jìn)，人們發(fā)現(xiàn)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(qiáng)子對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子，這種粒子與希格斯玻色子比較吻合。

經(jīng)過一段時(shí)間的檢驗(yàn)，上述粒子最終被確認(rèn)為是希格斯玻色子，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的7種粒子就都找到了，而這一切的實(shí)現(xiàn)，離不開大型強(qiáng)子對撞機(jī)，離不開人們變被動(dòng)等待為主動(dòng)捕捉這種觀察模式上質(zhì)的改變。因此，這種觀察模式的質(zhì)變，成為了導(dǎo)火索，把人們引向物理學(xué)研究的新圖景。

4 結(jié)語

以當(dāng)代物理學(xué)為代表的當(dāng)代科學(xué)是從古代至近代的自然哲學(xué)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(gè)世界，而這些活動(dòng)的起點(diǎn)便是觀察，進(jìn)步的焦點(diǎn)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(xué)進(jìn)步到牛頓的經(jīng)典物理學(xué);從觀察自然到觀察實(shí)驗(yàn)，這種觀察的解放，使得人們發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典物理體系外量子物理的廣闊空間;從被動(dòng)等待到主動(dòng)捕捉，這種觀察的質(zhì)變，讓人們對物理學(xué)的新進(jìn)展充滿了期待?；仡櫸锢韺W(xué)或自然哲學(xué)發(fā)展的歷史，可以看出，每次科學(xué)范式的轉(zhuǎn)換，每次科學(xué)革命的興起，都是源于觀察，觀察的變化，是物理學(xué)革命的導(dǎo)火索。

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

［2］N R漢森.發(fā)現(xiàn)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(xué)家［M］.肖明波，楊光松，譯.杭州:浙江大學(xué)出版社，2013:275.

［4］唐納德·帕爾瑪.西方哲學(xué)導(dǎo)論［M］.楊洋，曹洪洋，譯.上海:上海社會(huì)科學(xué)院出版社，2011:7.

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

［6］WC丹皮爾.科學(xué)史［M］.李珩，譯.北京:中國人民大學(xué)出版社，2010:143.

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［8］鮑·格·庫茲涅佐夫.伽利略傳［M］.陳太先，馬世元，譯.北京:商務(wù)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(xué)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(xué)出版社，2006:248.

［11］金尚年.自然哲學(xué)的演化［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2001: 174.

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

責(zé)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(huì)科學(xué)研究基金項(xiàng)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(xué)及復(fù)雜性哲學(xué)等研究;董春雨(1963-)，男，遼寧鞍山人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要從事物理哲學(xué)及復(fù)雜性哲學(xué)等研究。