哲学背景

科学研究的结果常常会促使哲学观念发生变化，这一变化远远超出科学自身的限定领域。科学的目的是什么？对于一个试图解释自然的理论有什么要求？这些问题，尽管超出了物理学的范畴，却和它密切相关，因为组成科学的材料就是从这些问题产生的。哲学概括必须建立在科学结果的基础上。一旦形成并被广泛接受，反过来它们往往也会影响科学思想的进一步发展，指明诸多可能进程中的一条。广为接受的观点被成功推翻之后，又会产生出人意料且截然不同的进一步发展，从而成为新的哲学分支的来源。这些必要的言论听起来很含糊也很荒诞，除非用物理史来举例说明。

我们要尝试描述的是第一批有关科学目的的哲学观念深刻影响了物理学的发展，在近100年之前都是如此。这些观念迫于新的证据、新的事实和理论不得不被抛弃，从而形成新的科学背景。

在整个科学史上，从古希腊哲学到当代物理学，有一个一以贯之的想法，就是把表面上复杂的自然现象简化成简单的基础理念和它们之间的关联。这是所有自然哲学的基本原则。甚至于在原子论派的著作中也有类似表示。在23个世纪以前，德谟克利特写道：

按常规，甜就是甜，苦就是苦，热就是热，冷就是冷，色彩就是色彩。但是，实际上它们是原子和虚无。即，人们假设感知的对象是真实的，并习以为常地将它们视为真实，但事实上并非如此。只有原子和虚无是真实的。

这个理念在古希腊哲学中不过是巧妙想象。古希腊人自然是不知道后来与之相关的自然法则。科学与理论和实验的结合真正开始于伽利略的研究。我们曾研究过最初的线索，它引出了运动定律。200年来，对力和物质的科学研究贯穿了为理解自然的一切努力的始终。脱离其中一个去理解另一个都是不可能的，因为物质通过作用在其他物质上的力表明自己是力量之源。

让我们来考虑最简单的例子：两个质点之间有相互力的作用。想象中最简单的力就是吸引和排斥。在两个情形中，力的矢量都在联结物质点的线段上。这个要求简化之后的情况是，质点互相吸引或者互相排斥，而任何其他方向的作用力都会让问题变得复杂（见图1-21）。

关于力的矢量的长度，我们能否做出同样简单的假设？即便我们想要规避太特殊的假设，也还是能确定一件事：任意两个已知质点之间的力的大小只取决于二者的距离，就像是引力。这足够简单了。也能设想出更复杂的力，如不止取决于距离还有质点速度的力。有了物质和力作为基础概念，我们很难想出比力沿着联结质点的线段作用并且大小只取决于距离的情况以外更简单的猜想。但有没有可能只用这种形式的力来解释所有物理现象？

经典力学所有分支中最伟大的成就是在天文学上，把理念应用到显然不同而且非经典力学性质的问题上，且获得了令人瞩目的成功，所有成果都归功于一个信念，那就是，用不变物体间简单的力来解释所有自然现象是可行的。伽利略时代后的200年间，这样的尝试，无论是否是有意识的，都明显存在于所有科学发展中。19世纪中叶的亥姆霍兹清楚定义了这一点：

终于，我们发现，物理科学问题都能归结为不变的吸引和排斥力，这些力的强度完全取决于距离。对这个问题的解决是彻底理解自然的条件。

因此，根据亥姆霍兹的说法，科学发展的脉络已经注定，而且严格遵循固定的程序：

一旦自然现象到简单力的简化完成，并有证据可以证明这是自然现象唯一可行的简化方式时，科学的任务就完成了。

对20世纪的物理学家来说，这个观念显然是古板而且天真的。研究的伟大冒险不久就要停止，这个想法真是挺吓人的，如果一劳永逸地建立起终极宇宙图景也很没有意思。

尽管这些信条将所有现象简化成简单的力，但是还有一个疑问，就是力的强度为何取决于距离。很有可能对于不同现象来说，两者的相关程度不同。为不同现象引入许多不同的力，这个必要性从哲学的观念来说显然是不合适的。不过，所谓的机械观倒是在那个时候发挥了重要作用，这个理念主要是由亥姆霍兹建立的。在直接受机械观影响的理论中，物质动力学的发展是最伟大的成就之一。

在见证它的衰落之前，我们先暂且接受过去一个世纪的科学家们持有的观点，再来看看我们能从这些对外部世界的理解中得出什么结论。