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談物理學思想發展與文化關系的內容
回顧過去二千多年人類社會的發展歷史,為什么歐洲社會可以成為物理學思想萌芽的溫床,而中國社會卻只有強調應用技術的發展,個中原因必然有多種因素。在這里,我們試圖從文化的角度和用科學的觀點來了解這個社會的現象,從而表達對中國物理學未來發展的期待。
一、中國與歐洲文化的對比
1.中國文化是建基于黃河河谷的大農業社會,以“人本”的家族文化為主,“物本”的宗教文化為次。聚河谷而居,居有定所,多見人鄰,少見樹木。人與人的關系比人與自然界的關系更為密切和重要,社會的主要問題和興趣是在于人而不在于物。生活復雜的大農業社會,必須分工合作,自然要建立一個有組織和有權威的中央政府。家族文化是一個整體文化,個體有義務要支持整體的共同性,而整體亦有義務要照顧個體的特殊性。人是來自現實的祖先,必須對祖先負責。中國文化是強調整體、務實、內向、兼容、義務、約束、合作和相對性,重視對個人天賦欲念的自我克制和自我修養的人為能力,稱之為“德”。人的問題只可以靠人自己去了解和處理,發展了人本的“人理(倫理)學”。無論從《易經》、《道家》、《儒家》到《諸子百家》等,都是以人本為基礎來發展。特別是道家所重視以“順其自然”人的“被動性”和“消極性”,而儒家則重視以“事在人為”人的“主動性”和“積極性”。人性有別于物性在于它的辯證特性:失敗是成功之母,成功是失敗之父;好事變壞事,壞事變好事;大亂之后必有大治,大治之后必有大亂等等相對而相反的大循環原理。
復雜的河谷生活,促使物的應用技術發展和宗教信仰發展的多極化。中國的四大發明是屬于技術上的發明,而不是原理上的發現。中國數學的發展也是以實用,而不是以原理為基礎。中國(漢)文字和歐洲數學文字同屬于符號文字。要描述和了解“人本事物”,促使中國文字學的發展;中國文字的對稱和其他特性也可以用來推到人本的可能新事物。當現有的文字不足以了解新事物情況下,自然要創造新的文字。要描述和了解“物本事物”,促使歐洲數學的發展。而數學的對稱其他特性也可以用來推測物本的可能新事物。不同系統的數學有不同的極限性。當現有的數學系統足以了解新事物的情況下,自然要創造新的數學。符號文字與拼音文字是有不同的思維邏輯。所以認識中國文字學的人要學習數學,是有邏輯上的優勢。
2.歐洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居,多見樹木,少見人鄰。人與自然界的關系比人與人的關系更為密切和重要。生活的主要問題和興趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和變化,并非人力可以改變和控制,認為所有自然現象都來自能力最高的主宰。摘食獵魚的簡單生活,各人的功能差別不大,分工制度弱,獨立性強,自由性大,平等性高。生活環境的不斷改變,只有天,才有永恒的意義,傾向上天單極宗教的信仰。
歐洲文化是游牧文化和地中海內海文化(希臘邏輯文化、羅馬帝國文化和中東耶穌宗教文化)的綜合文化,以“物本”的宗教文化為主,“人本”的家族文化為次。它是強調個體、理想、外向、對抗、自由、權利、信仰和絕對性,重視發揮個人天賦欲念的自由和權利。歐洲文化在物質世界的“物性理論”發展,對人類物質生活巳作出了重要的貢獻。中國文化在人類社會的“人性理論”發展,對人類和
二、科學技術科技
科學是物質世界的了解,是一種思想系統,也是一種順其自然的思想活動,其探索的目標是“發現”。技術是物質世界的應用,是一種行動系統,也是一種事在人為的行動活動,其運作的目標是“發明”。早期的技術發展主要是靠嘗試和經驗,與科學的發展并沒有一定的姻親關系。后來的科技就是把科學與技術結合起來,利用科學知識來改進技術的發展,目標是“創新”。物理學是科學的基石。
三、物理學的發展
物理學主要的興趣是探索物質世界的基礎結構和相互作用關系。物理學是一門量化的學問,從事物理量的研究和它們之間的時空基礎關系。不能量化的東西便不是物理量。萌芽時代:物理學的起源是來自古希臘時代(650—330Bc,雅典)的幾個重要思想。
(1)自然現象是根據“固定的自然定律”而發生(賽勒斯Thales,俗稱為科學之父)——定律概念和演繹邏輯。(2)要描述所有自然現象,數字是扮演中心角色(畢達哥拉斯Pythag0ras)——數量描述。(3)要改變自然狀態,必需有起因(柏拉圖Plato)——牛頓第二運動定律的廣泛含意。(4)物質的原子(德謨克利特Democritus)和元素(亞里斯多德Aristotle)的概念——物體結構的基本成份概念。古希臘文化是強調個人自由和思想系統的探索,奠定了基本的科學精神、態度、構思、概念、邏輯、原則和言語。希臘化時代(338—31B.C.亞歷山大港):主要的興趣在解決實用問題,知識分類及技術成就。重要思想發展有:(1)幾何學定理的公理化(歐幾里得Euclid)——演繹邏輯。(2)以地球為中心輸送圓的均速運動為主,運轉圓的均速運動為微擾,可以準確解釋包括太陽在內的各行星在天上的運動。(3)物體“比重”物性的發現(亞基米德Archimedes),后來進一步發展到“密度”物性。
黑暗時代(30B.C.一1300A.D.):這是物理學發展a冬眠時代。(1)羅馬帝國(3OB.C.一476A.D.):羅馬人是實用民族,他們強勢在軍事,行政和工程,而不在學術和科學。大量收集和發展希臘哲學思想,而很少有原始的創作。為了要準確解釋以地球為中心的行星運動,增加了偏心圓的微擾(托勒密ptolemy)。(2)中世紀(476—1200):中世紀的歐洲是一個宗教和封建的封閉保守時代。研究希臘哲學和科學的中心便轉移到阿拉伯和波斯。(3)十字軍東征(1096—1270):二百年十字軍東征運動,動搖了歐洲的封建制度和教會權力。伊斯蘭的優秀文化開始對歐洲人開放。
復興時代(1300—1600):大亂之后必有大治。經歷過十字軍東征的浩劫之后,歐洲從一個保守封閉的教條社會轉入一個改革開放,實事求是和解放思想的文藝復興時代,由神本回歸到人本。文藝復興使歐洲恢復對人,人的成就和人的世界的興趣。文藝復興把歐洲從一個較為落后的社會在五百年內,先后超過伊斯蘭和中國社會。
1.機動力學(Mechan0dynamics)
從希臘時代到黑暗時代這一千六百多年,物理學發展的主要興趣上行星運動。發展以數學的歐幾里得幾何學為基礎,均速圓周運動為核心。到了復興時代,以既定的數學基礎來了解觀測的事實,改變為從事實去尋找事實背后的數學原理。由實是求事改變為實事求是,由以數學為基礎改變為以物理為基礎。
(1)天上行星的日心橢圓運動的發現(開普勒Kepler,1571—1630)和地上物體的重力加速度及拋物線運動的了解(伽利略Galileo,1564—1642)。橢圓和拋物線非均速運動的發現是一個非常重要的突破,是歐幾里得幾何不能解釋的現象。除了物理現象的突破外,更促使后來十七世紀解析幾何的發展(笛卡爾Descartes和費馬Permat)。
(2)機動力學的誕生:為了解決重力問題,牛頓(1642—1724)認為,天上月球圍繞地球的運動與地上物體的拋物線運動是同一根源,及推出它們之間與地球中心距離的關系。他成功發現三個物體的運動定律:慣性定律,動力定律和反作用定律。更由第二和第三個定律推出物體之間的重力定律。為了完成三個運動定律,牛頓創造了兩個重要的物理量:慣性質量=密度×體積和慣性動量=質量×速度。同時他更創造了一條微積分的數學工具,來取代歐氏幾何學的不足。牛頓運動定律的力只是與物體的變速度有關,與物體的速度無關。
(3)牛頓動力定律理論的普遍化,以位能和動能取代外力和加速度:拉格朗日(Lagran—ge,1736—1813)和哈密頓Hamilton,1805—1865)。從物理定律推理到物理理論是符合從幾何公理推理到幾何定理的——演繹邏輯。
(4)牛頓動力學對隨機過程的應用:麥克斯韋(Maxwell,1831—1879),玻耳茲曼(Boltzmann,184 1906)。19世紀未,機動力學已發展成為宏觀物質世界一個完美的理論:完整,合理和前后一致。
2.電動力學(Electrodynamics)電磁現象雖然是人類很早便發現的自然現象,但到了十六世紀才開始從實驗中取得量化的結果。
(1)電磁相互作用的關系:庫侖(Coulomb)電荷與電荷和磁極與磁極的相互作用,奧斯特(Oersted)磁極與電流的相互作用,安培(Ampere)電流與電流的相互作用,法拉第(Faraday)電荷與運動磁極的相互作用。
(2)法拉第提倡電磁的“本地作用”來代替“超距作用”,導致“電磁場”物理量的誕生。
(3)電磁學的基本定律:根據電磁相互作用的關系和以電磁場為基礎,麥克斯韋完成完整的“電磁場定律”,相當于牛頓機動力學中的物體重力定律。后來洛倫茲(Lorentz,1853—1928)更進一步完成電荷在電磁場中運動的“電磁場力定律”。“輻射反作用力定律”也是電磁學一個基本定律,只是直到現在,符合邏輯的定律還未完成。
(4)帶電粒子動力學:洛倫茲的電磁場力是一個與速度有關的力。只有速度為零的情況,才適合牛頓的動力學系統。愛因斯坦(Einstein,1879—1896)采用牛頓動力推出電磁場力在速度為零的情況,再用洛倫茲慣性變換,把速度為零情況的結果變換到速度不等于零的情況。結果推出帶電粒子在電磁場力的洛倫茲動量=v×牛頓動量。v是洛倫茲因子,與速度有關。FL=d(vp)/dt。相當于牛頓機動力學中的物體第二運動重力定律愛因斯坦后來把這方面的理論改稱為“狹義相對論”。在狹義相對論的基礎上,以微分幾何為工具,愛因斯坦用演繹方法建立他的重力場論,稱為“廣義相對論”。可以說是一種重力場的電磁化。到這個階段,除了輻射反作用力定律之外,電動力學基礎的探索已基本完成。
(5)電功力學定律理論的普遍化:相當于拉格朗日和哈密頓對牛頓動力定律的理論推廣和發展。
(6)電動力學對隨機過程的應用:無規則電磁場的統計特性的發展。其結果應該符合量子力學和量子動力學的結果。簡而言之,機動力學的發展是以動力的基礎來發展作用力,而電動力學的發展卻是以作用力的基礎來發展動力。歐洲從牛頓到麥克斯韋這個二百多年的物理學發展時代,正好是歐洲從巴哈(Bach)到華格納(Wagner)的音樂發展時代。這是歐洲自從古希臘時代以后,一個重要的思想創新時代。因此促進了文學,音樂,藝術,哲學和科學的高速發展。
3.輻射動力學(Radiodynamics):輻射反映了物質世界的微觀結構。
在19世紀未,出現了三個有關不相干輻射(隨機性電磁波)與物質作用的物理現象:黑體輻射,光電效應和氫原子光譜。這些現象無法用決定性(Deterministi
c)的電動力學來解釋。到二十世紀,也出現了與輻射作用有關的三個物理現象:離子體,核子一基本粒子和激光(決定性電磁波)作用。這些現象激發了物理理論的發展。
(1)量子論的誕生:普朗克(Planck)創立“量子”的新物理概念,成功解釋黑體輻射的實驗結果。后來,愛因斯坦和玻恩(Born)分別用量子來成功解釋光電效應和氫原子光譜。
(2)量子力學:在數學的基礎上,由海森伯(Heisenberg),薛定諤(SchrOdinger)等所發展的量子數學系統(量子力學),不但可以用來了解原子物理現象,也可以用來了解分子物理現象。
(3)基本粒子物理:基本粒子物理實驗觀察的新結果,促使大量相關理論的發展:量子電動力學,相對性量子力學,楊一 (Yang-Mils)場等,其中楊一米場有更突破性的廣泛意義。
20世紀的世界發生了重大變化。(1)物理學發展已由宏觀的物質世界轉入微觀的物質世界。由以物理為主導的思維轉回到以數學為主導的思維。微觀物質世界發展了兩個很矛盾的物理觀點:在原子分子的領域,越基本的狀態,壽命越長,能量越低;在粒子的領域,越基本的粒子,壽命越短,能量越高。(2)經過兩次世界大戰后,影響人類社會的重心已由歐洲社會,轉移到沒有傳統民族文化的美國移民社會。美國文化是一個以商業為主,物質為重的實用文化,可以說是一個現代化的羅馬帝國文化。
四、中國文化與未來科學發展
雖然科學的發展是源于古希臘,但亦需要通過歐洲各種不同的文化時代,才可以孵育發展出來。歐洲文化對科學發展的優點可能已經到了飽和狀態。科學思想發展的進一步突破,必須要有新的文化來推動。中國文化對人理思想發展雖然是一個有五千多年的舊文化,但對物理思想發展卻是一種很新的文化。中國復雜而辯證的人理思想,吸收和結合歐洲簡單而演繹的物理思想,必定融合成為一種新力量,把科學發展推到更上一層樓,尤其是生命科學,醫理科學和心理科學。由復雜系統去吸納簡單系統易,由簡單系統去吸納復雜系統難。中國文化是一個黑洞文化,善于把吸收的外來文化中國化。例如:印度佛教轉化成為具有中國特色的佛教和歐洲社會主義轉化成為具有中國特色的社會主義。外來文化中國化,是中國傳統文化的一個特色。要再進一步的創新突破,必須把中國傳統文化現代化。
中國社會現在正是一個民族文化復興新時代的開始:改革開放,實事求是,解放思想,自主創新,可以比美歐洲十字軍東征后的文藝復興。中國是一個非常不均勻的大社會。各地區都有不同的方言、生活環境、生活方式、和風俗習慣,自然形成中國社會的多元多樣和多姿多彩。在這種復雜的文化環境,必須要因人制宜,因事制宜,或因地制宜,“一刀切”便會弄巧反拙。相反地,美國是一個非常均勻的大社會,自然形成美國社會的一體化思想。一體化社會并不符合中國社會的實際情況。自從改革開放以來,因為經濟的高速發展,形成社會走向“一刀切”的商業化發展:教育商業化,學術商業化,音樂商業化,生活商業化等等。一個行業以商業利益為主導,便不可能有獨立的自主創新。這是一個不健康的情況。因事制宜:有些事應該商業化,有些事可以商業化;有些事不可以商業化,有些事不應該商業化,才符合科學觀。教育應該教育化,學術應該學術化,音樂應該音樂化,生活應該生活化,中國應該中國化,才能把社會推進到更高境界。我們必須努力改正這個不健康的情況,否則,中華民族復興的前途便會面臨很大的阻力。
物理學還有不少的基礎問題尚待解決。年青一代的中國物理學者,好好把握這個新時代的優勢,不但要努力嘗試去解決仍未解決的問題,更要好好選拔和培育下一代的接班人,把一個完整的、合邏輯的和合符事實的物理思想系統發掘出來
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