恩斯特马赫与原子论论文

2021-04-24 论文

　　恩斯特马赫（Ernst Mach，1838年2月18日~1916年2月19日）是奥地利著名的物理学家，生理学家，心理学家，科学史家和科学哲学家。他的整个工作，他的精湛的实验，他的历史著作，他的科学哲学学说，将列入人类的思想宝库，永远受到人们的怀念与发掘。他的坚定不移的怀疑主义和独立性，他珍惜思想自由胜过珍惜生命安全和对智力财产的占有的高尚品格，他的人道主义的言论和行动所显示的博大胸怀，将作为一种精神财富，永远激励着人类自身的更新和文明社会的进步。

　　然而，反对相对论和原子论，似乎成了马赫科学生涯中的两个污点。关于前者，沃尔特斯在他的近著中一反传统的成见，认为马赫1913年7月所写的《物理光学原理》序言是他的大儿子伪造的。这是否成定论，还有待日后见分晓。至于马赫对原子论的态度，正是本文将要论述的课题。

　　一、马赫对原子论态度的变化

　　马赫在其科学生涯中对原子论的态度前后有所变化，大体可以划分为三个时期。 1．赞同和怀疑时期。从1860年作为维也纳大学的无公薪讲师，直到1863年，马赫对自然现象采取彻底的机械论解释，并且毫无保留地接受了原子论，承认气体动力学理论，至少是把原子论当作有用的工作模型或工作假设。在这个时期，马赫仿效在物理学家中流行的观点，对物理现象作了富于哲学性的原子论的描述。他早期关于原子论的观点包括在关于多普勒效应、毛细现象、气体光谱、共振以及声音在耳中传播的研究中。

　　在1861~1862年的冬季学期，马赫在维也纳大学举行了“医用物理学”讲座，这些讲稿在1863年以《医用物理学纲要》为题出版了。他在书中使用原子理论解释物质的物理性质和化学性质。他把原子分为两类：与相隔距离的平方成反比的力相互吸引的物质原子，比距离平方增加还要急剧减少的相互排斥的以太原子。他觉得物质的原子理论比动力理论和连续理论更能可信地解释各种物理现象，热和光现象也受到原子假设的支持。他认为，以原子论为基础的波动论对物理学而言是有生命力的，因而原子论也是有生命的。

　　在1862年的一个短评中，马赫探讨了化学物质明线光谱纯粹力学解释的可能性，希望能够利用这一研究明确解释原子理论的许多观点；在1863年发表的论述听觉器官的文章中，他借助于可想象的任意维度探讨了原子和分子的性质。

　　也就在马赫赞成并使用原子论的时候，他已对该理论持有某种程度的疑惑。在前述的《医用物理学纲要》中，马赫还是直率地讨论了原子论的不足之处。他评论说，无论将来可能提出什么样的关于物质的形而上学概念，按原子论所得的结果总有可能转变为另一种概念，正如极坐标公式可以在直角坐标中表达出来一样。他指出，作为物理学目标的最高原理还没有找到，我们此时只能满足于所谓的原子理论。他心里很清楚，原子论还没有受到判决实验的检验，所有物理现象是否能够还原为原子的平衡和运动，我们还只能猜测。他虽然借助能量守恒定律和热力学理论在电与原子概念联系起来方面取得了部分成功，但仍觉察到深深的暗影笼罩了电的本性问题。在同年发表的“论听觉器官理论”的文章中，年轻的马赫对把自然现象还原为原子或分子的力学运动的尝试表示怀疑。他开始批判性地审查机械论和原子论在科学理论结构中的作用，把依据二者所进行的解释抛在一边。

　　1863年夏季，马赫就心理物理学发展的系列讲演，标志着他对机械论和原子论已失去兴趣。他证明，精密科学的表达没有必要归结为任何一门特殊科学，我们不能简单地把每一种东西都扔进标有质量、时间和空间的三只桶中。基于原子论无法研究智力活动，原子论甚至不能作为临时假设来处理人的思维过程，他指出，大多数人习惯于使问题实体化，但是这种观点具有内在的困难。他反问道：“我们如何设想原子呢？有色的，灼热的，发声的，坚硬的？”

　　1864年，当马赫到格拉茨大学接受了数学正教授职位后，他对原子论的观点发生了重大的修正。这年，他就炽热气体的光谱发表了第二篇短论。他说：“……我决没有认为原子理论是本质上已经成立的东西；而宁可把它看作是有用的、暂时性的经验处方，看作是接近真理的一种有规则的虚构。” 他在同年的另一篇文章中对原子和力学解释表示失望。但是，在此后的将近10年内，马赫处理感觉心理学和生理学的实验显著增加了，对原子概念并没有表现出特别的关心，原子似乎在马赫的考虑中消失了。

　　2．批判时期。1872年，马赫出版了《功的守恒定律的历史和根源》，这本小册子标志着批判时期的开始。它囊括了马赫青年时期所思考的重要问题，也是他有生之年继续深入探讨的课题：科学理论的意义和作用，生理学和感觉心理学对一般自然科学认识论的重要性，思维经济原则，牛顿力学的不妥之处，原子论的毫无结果，对古典派的因果关系的尖锐批判，物理还原论，机械论，唯物论，以及一切形而上学臆测的形式。在这本著作中，马赫把他批判原子论的观点明显地与他的自然观、科学观和方法论联系起来，他通过对历史的考察，提出了明确抛弃力学自然观的结论，他坚决反对亥姆霍兹和克劳修斯用原子，分子论解释热理论的观点。

　　对原子论的尖锐批判也出现在他80年代和90年代的主要专题著作中。例如，在《力学力评》（1883年）的“科学的经济功能”一节中，马赫写道：“但是原子这一精神设计物并不是根据连续性原理形成的；恰恰相反，这是为着一定的目的而专门设计的产物。原子不能被感官感知；像一切物质一样，它们是思维的东西。而且，原子被赋予了与迄今在物体中观察到的属性绝对矛盾的性质。原子论尽管很适宜于摹写某些事实，但是熟悉牛顿定律的物理学家只能把它看成是暂时的帮助，还要努力以更自然的方式求得一种令人满意的理论来代替它。在《感觉的分析》（1886年）中，他断言原子论并不能适应统一科学的需要。他认为，“物理学和化学中那些人造的、假设的原子和分子”只是表示“感性要素相对稳定的复合体”的“一种不自觉地构成的、很自然的思想符号”。“这些理智方法的价值对于物理学和化学的特殊的、有限的目标所起的作用是无可非议的。它们永远是把物理学和化学的经验符号化的方法。”但是，它们并不能给予我们对经验更多的东西。

　　3．在他—生的最后20年，马赫曾做出某些尝试，试图使他的观点系统化，并使之与新证据相一致。1908年，让佩兰以出色的实验证实了分子的实在性。此后，尤其是1910年后，马赫对原子理论的功效的估计发生了重大变化，他在新著作中再也没有出现过否定原子论的言论，并多次说过原子理论的经济性。其中有三件事颇值一提。

　　其一，据维也纳物理学家斯忒藩迈耶尔（Stefan Meyer）报道，有一次他向马赫演示α粒子在荧光屏上产生的可见痕迹时，马赫喊道：“现在我相信原子的存在了，在短短的两三分钟内，我的整个世界观改变了。”这插曲有人说发生在1903年，但很可能发生在1910年（是年维也纳镭研究所建立）。这是否能说明马赫承认原子的实在性，还是有疑问的，因为对马赫这样的人来说，接受一个理论决不意味着接受相应的本体论。

　　其二，1910年9月爱因斯坦到维也纳访问马赫，他向马赫提了这样一个问题：如果证明了由假定原子的存在就有可能预测气体的一种性质——这种性质不用原子假设就不能预测，而且这是一种可以观察到的性质——那么该采取怎样的立场呢？当时，马赫是这样回答的：如果原子假设有可能使某些可观察到的性质在逻辑上联系起来，而要是没有这种假设就永远无法联系，那么就不得不接受原子假设。在这样的情况下，假定原子可能存在，那该是经济的，因为人们能够由此推导出观察之间的关系。

　　其三，马赫1914年6月在写给奥地利的化学家的信中指出，他已重新评价自己在《功的守恒定律的历史和根源》中关于科学史和科学哲学的早期研究。他把这本书说成“与事实不符，过时的和怪癖的”。沃尔特斯认为，从信的上下文推断，马赫在这里意指在原子理论方面的进展。这些事例虽不能充分说明马赫明确承认了原子存在，但起码可以说明他的态度有所转变，说明他晚年还保持着内心的自由。

　　二、马赫不赞成原子论的理由

　　关于马赫不赞成原子论的理由，有人从哲学（感觉论）上找原因，有人从科学上找原因，有人认为二者兼而有之。L．劳登认为，这种寻找理由的途径虽然也有一定的道理，但并不是令人满意的。

　　从马赫感觉论的认识论找原因的人认为，马赫断言世界仅仅是由感觉（或要素）构成的，任何超越于感觉的实在都是不合理的，我们就外部客体所能说的一切只是我们实际或可能的感知的速记方式。因为原子和分子原则上超越于我们感官所能达到的范围，它们根本是不可感知的，所以原子和分子论是没有意义的。

　　劳登指出，—上述看法从年代上是讲不通的，因为在马赫成为虔诚的感觉论者之前很久，他就对原子论的存活力和有效性发生了严重的怀疑。几乎在他《感觉的分析》之前1／4世纪，以及现象论的认识论之前10年，马赫就对原子、分子论持有重要的保留意见。作为马赫反对原子论基础的感觉论缺乏任何实质性的证据。否则，便要宣称马赫早在发表任何认识论问题或一般哲学问题之前很久就采纳感觉论了。其次，马赫对原子和原子论的大量保留与原子不能还原为感觉毫无关系。他的论据来自各个方面，而不在于他的哲学体系。最后，这种解释无法指出，冒犯马赫哲学的敏感性的问题特别是原子论。因为马赫本人曾坚定地指出，每一种科学理论都假定超越于我们感觉经验的客体，都要把精神的概念添加到我们的感觉经验上。可是，马赫并未因此而反对化学元素理论、静力学和天体力学等理论。他既不一般地反对理论化，也没有反对他所处时代的大多数科学理论。

　　E．希伯特提出，马赫抛弃原子论有两个直接的科学理由（[2]）。一是马赫发现某些经验现象（尤其是元素光谱）似乎不能用原子论来解释；二是在1865年后，马赫大部分科学工作与宏观水平的问题有关，而原子，分子则涉及到微观问题。希伯特宣称，假如马赫致力于物理学的其他领域，他会十分乐于容忍原子论。劳登认为，这并未言中马赫反对原子论的基本理由。假使希伯特的说法是对的，那么马赫对原子论的态度就应该与他的科学研究内容一致。这就很难解释，马赫为何在他早期工作中利用原子论时就对原子论发生了怀疑。说马赫反对原子论是基于实验上的反对，那么奇怪的是，在马赫论及原子论的大多数场合，都没有详述支持原子论的实验是软弱无力的，他也没有列出与他所处时代的微观物理学冲突的经验异常的详细清单，而19世纪后期大多数反原子论者都是这样做的。这是因为，马赫并不关心仅仅证明原子论是假的，他更想证明原子论作为一种理论化是不恰当的和危险的。

　　据此，劳登得出结论说，马赫反对原子论既不是由于抽象的认识论，也不是由于具体的物理学，其根源在于马赫关于科学探索的目的和方法的观点，这提供了马赫对原子、分子假设提出大多数批评的框架。他逐一分析了马赫反对原子论的四个主要理由，目的—理论的反对理由，解释的反对理由，纲领的反对理由，推论的反对理由。

　　劳登的'分析能给人以有益的启示。我觉得，探讨马赫不赞成原子论的原因，必须在抽象的哲学和具体的科学之间的中介层次去寻找，即在马赫的自然观、科学观和方法论中去寻拔。这是因为，19世纪的原子论既不是抽象的哲学理论，也不完全是纯粹的物理学和化学理论，它是一种带有强烈哲学色彩的科学理论。因而，在哲学与科学的结合部探讨马赫不赞成原子论的原因是恰当的。另外，这样作对解释马赫在科学生涯中对原子论态度的变化也是自然的。假如马赫从感觉论出发反对原子论，那么他晚年的态度就不会有微妙的变化，因为人们至今也不能直接感觉到原子，假如马赫以科学的理由反对原子论，那么在佩兰实验之后，他就应该像奥斯特瓦尔德和彭加勒等人那样，痛快地承认原子的存在，而他并没有这样做。以此看来，从马赫的自然观、科学观和方法论入手，也许可以找到马赫不赞成原子论的思想真谛。

　　1．对于马赫来说，抛弃力学自然观是与怀疑批评原子论同步进行的，因为原子论本来就是力学自然观在物质结构方面的具体体现，是力学解释的基础之一。早在马赫在维也纳大学作无公薪讲师时，他就对把力学作为整个物理学基础以及一切物理现象都要用力学来解释的力学自然观发生了疑问。他指出力学没有明确在什么是先验的、什么是经验的、什么是假设的之间作出区分，并批评了牛顿的质量定义（物质的量）。在《功的守恒定律的历史和根源》中，他通过历史的考察，明确提出要否定力学自然观，因为这种自然观是误想的后果。《力学史评》是马赫系统批判牛顿力学体系的著作。他在书中强调，力学原理尽管在一些领域是有效的，但决不能把它们推广到经验界限之外。“把力学作为物理学其余分支的基础以及用力学观念来解释所有现象的观点”（力学自然观）是一种“偏见”和“神话”。马赫由对原子论的赞成到否认，是与他的自然观的转变密切相关的。在19世纪中叶，还原论的观点也颇为流行，它实际上也属于力学自然观的思想范畴。在马赫看来，原子论这一特殊企图只是更为普遍的自然科学还原纲领的一部分。一方面，原子被看作是把自然界的一切还原为力学的媒介物，尤其是对那些难以直接还原为力学的热、化学变化等现象，不可见的原子的行为就起着这种作用。另一方面，在把第二性的质还原为第一性的质时，原子同样起媒介物的作用。

　　因此，马赫批判原子论的论据是与直接反对机械论和还原论的自然观联系在—起的。企图把一切自然现象还原为力学原子的行为，就是要人们承认一切变化都是力学变化，一切质统统是力学的质。然而，马赫断然否认世界上有纯粹的力学现象，不认为我们关于时间和空间关系的经验对我们关于颜色、声音、温度等等的经验更具有客观意义，也不认为把所谓客观物体的第二性的质还原为不可感知的物质的猜测性的第一性之质是有健全意义的。热、光、功、压力等是可感觉的物体的明显的质，没有必要加以还原。马赫强烈地感到力学的原子论的局限性，尤其是把它用于生物学和心理学时。他认为费希纳和其他科学家试图用原子、分子术语解释智力现象是“臭名昭著的荒谬”。作为一位心理—物理学家，马赫明智地避开了费希纳关于所有心理现象都能够还原为物理现象的路线；作为一位物理学家，他坚定地认为物理学中的每一事物并不能被力学穷竭。马赫相信，各种现象并不处于相互还原的关系中，每一门科学都有自己的领域、概念、方法。这是马赫对原子论持异议的一个前提条件。

　　2．从科学观上考察，马赫不赞成原子论的理由可以在他关于科学理论的目的和结构的观点，即在现象论的描述观和实证论的构造观中去寻找。

　　马赫认为，科学的任务不是别的，仅是对事实作概要的陈述；科学的目标广就是用直接可测量的诸量的函数关系来描述各种现象。这种现象论的描述观对科学理论的要求是：通过作出尽可能少的关于存在的许诺，能够解释已知的自然规律，并导致发现新的自然规律。为了达到这一目的，理论完全可以有效地超越我们已知的世界，可以断言我们还未探索的现象的关联。不过，它们必须受到两个因素的制约：其一是，理论应该导致我们正确预期观察材料之间的关联，即它们应该预言后来的实验可以证实的某些定律；其二是，如果它们是科学体系中相对永久的部分，我们就必须能够得到这样的理论所假设的所有实体存在的直接证据。

　　马赫承认，原子论曾经帮助科学家发现了现象之间的关联（如化学中的定比定律和倍比定律），它曾具有巨大的启发功能。但是，原子论早就耗尽了它的有用性，它对热现象的描述就不如现象论的热力学，况且人们并没有原子存在的直接证据。马赫的立场很明确：理论仅就能够在实验上确定或测量的实体或性质作出描述和断言。但是，马赫在对原子论的使用上并不是教条的。只要理论能导致发观新的经验上可检验的关系，马赫就认为它们在科学上是有用的，而不管我们是否能够观察到理论所假定的实体。如果我们无论如何也看不到理论所涉及的一些实在存在的直接经验证据，那么我们就应该认为这些实体是方便的虚构，而不认为它们暴露了自然界的真实本体。在马赫所处的年代，原子和分子明显地属于这个范畴，马赫在1882年的讲演中强调了这一点。

　　19世纪的实证论，并不反对推测性的理论构造，从孔德到马赫，都热情地接受了康德的能动认知者的观点，轻视18世纪那种认为理论是以某种方式从材料中机械地产生出来的经验主义和归纳主义的观点，都强调理论和假设对于连贯地收集实验证据是先决条件。但是，实证论者对科学理论化的看法毕竟是保守的。他们认为，一旦给定理论的目的是把事实关联起来，一旦给定关联的过程必须采取超越于事实的过程，就不应该假设任何对于关联任务来说是不必要的实体或过程。为了整理和关联已知的现象，就要提出假设和理论，这样做就要使用机械论和实体，它们原则上超越了实验分析所能接近的东西，这便把科学和形而上学混为一谈了。

　　马赫挥起实证论的奥卡姆剃刀，从科学思维的经济原理出发，要求把一切形而上学的东西从科学中统统排除掉。他指出，不受实验分析和控制的任何理论实体都应删除，或者作为虚构物、作为临时性的技巧来看待。马赫认为原子概念就是这种形而上学的理论实体，自然应在删除之列。

　　3．从方法论的角度看，马赫反对原子的原因在于他对假设的看法及原子论者的错误推论上。

　　对于假设在科学中的作用，马赫向来是持肯定态度的。但是，他也强调指出，不能把假设的内容看得比事实更有价值；如果对假设的信赖超过了对事实的信赖，那对科学进步是有害的和危险的。关于假设的作用，马赫告诫说：一旦假设通过代替比较熟悉的观念，而尽最大努力推进了我们关于新事实的观点，它的功能就耗尽了。一旦脚手架达到了它的目的，就应该迅速地拆除它。假设并不是我们的目的，它仅仅是通向描述性的物理学理论的准备步骤。他认为原子和分子假设是建立在形象抽象的基础上，它们作为一种不可见的实在还没有从外部被规定。而且，它与实际的物理经验相矛盾，与物质连续性的观念相对，它是一个很不经济的概念。

　　在把原子论看作是一种启发性假设这一点上，马赫并没有否认原子论，而且肯定了它的价值。所谓启发性假设，即不具有存在的意义，而仅对作进一步的实验、新的观测或探索纲领有启发意义；启发性假设仅仅是一种工具，或者是一种手段。但是，马赫反对把原子假设视为实在论的假设，即认为原子论具有实在论或本体论的意义。他正是在这个意义上否定原子论的。

　　原子论的拥护者常常假定，他们的理论行得通的事实是这个理论真理性的推论证据（presumptive evidence）。马赫认为，这是靠不住的，因为在物理学和化学领域，有非原子论的理论（如热力学理论）也符合事实。在马赫看来，科学理论必须满足两个条件：它能够精确地解释事实，它应该内在地一致。在原则上有许多不同的关于世界的理论或概念，它们都能满足这两个条件。在这种条件下，优先选择一种模式构想世界而不选择另一种模式构想世界，完全是任意的。不同的概念能够以同样的精确性表示观察领域的事实，原子论者的推论证据是站不住脚的。

　　马赫对原子论的另一重要保留意见是该理论涉及到“超验”推理。在这里，马赫的中心论据出自他对牛顿著名的哲学推理第三法则的解释。该法则试图指定条件，在这个条件下我们可以从我们已知的世界的宏观结构推论出他的微观结构的性质。但是，归因于原子的许多性质（如刚性、不可分性等）都不是实验室的物体所显示出来的性质。由此可见，原子沦者犯了一个基本的归纳推理、理论推理的谬误，这只能引起马赫对它的怀疑。

　　综上所述，可以看出，马赫对原子论的保留意见既不是起因于他的感觉论，也不起因于他的物理学，而是源于他对自然界和自然科学的总的看法，以及他对科学的作用、意义和方法的理解，换句话谈，源于他的自然观、科学观和方法论。

　　三、最后几点说明

　　1．严格地讲，马赫并不是一般地反对原子论，而是对原子论持有保留意见。这不仅表现在他早年对原子论的基本赞同上和晚年对原子论的态度转变上，即使在他批评原子论最激烈的时期，他也只是不同意把原子看作本体论意义上的实在，他仍肯定了原子论作为一种“作业假设”和“辅助概念”的价值。马赫这一看法不仅仅是一种历史的观点，用这种观点来看待今天的场论和基本粒子理论，岂不是富有启发意义吗？

　　2．马赫和批判学派的其他代表人物在批判力学自然观方面是步调一致的，这也是他们成其为批判学派的主要依据。但是，在对原子论的态度上却不尽相同，不能混为一谈。马赫的态度前已述及，他对奥斯特瓦尔德的能量学和唯能论并不赞成。彭加勒在科学共同体内既避免把他与能量学联系起来，也避免把他与力学物理学联系起来，他偏爱热力学，但并没有否定原子论。他只是认为原子、分子论不能解释所有已知的实验事实，既不能把它视为真实的，也不能把它视为虚假的，它作为助发现的工具是贫乏还是丰富，依然是一个悬而未决的问题。他在“中性假设”的意义上承认原子论的价值，并在佩兰实验之后承认了原子的实在性。奥斯特瓦尔德早年也是一位原子论者，后来他才转向能量学和唯能论而反对原子论。在佩兰实验之后，他承认了自己反原子论的错误，但并没有放弃唯能论的立场。迪昂由于专注于热力学，由于他对科学方法论的一般解释，他彻底地反对力学模型和原子论。他不相信实际已知的物理现象能够方便地从粒子假设中推导出来，他认为分子和原子实在性的问题是纯粹的形而上学，都在科学辖域之外。

　　3．在辩论原子和分子的解释中，在反对19世纪原子论固有的力学纲领中，在坚持科学从根本上是描述的，在要求微观理论必须在观察和测量水平上是富有成效的，马赫讲的并不仅仅是个人的看法，而是整个一代物理学家和哲学家的渴望与忧虑。即使在原子论的最热情的信徒中间，也普遍接受了马赫关于科学理论是健全的和合理的方法论标准，玻耳兹曼和普朗克便是如此。

　　参考文献

　　G．Wolters，MachⅠ，MachⅡ ，Einstein und die Relativittstheotie，Eine F1schung und ihfc Folgen，1987。其内容大要见《自然辩证法通讯》1988年第2期作者的文章：“现象论、相对论和原子：为恩斯特马赫的科学哲学恢复名誉”。

　　E．N．Hlbert，The Genesis of Mach’s Early View On Atomism，Boston Studies in the Philosophy of Science VI，pp．79~105。

　　E．Mach， The Science of Mechanics， a Critical and Historical Account of Its Development，6th ed。， Translated by T。 J。 McCormack， Open Court Publishing Company， U。S。A。 1960， p。559。

　　马赫：《感觉的分析》，洪谦等译，商务印书馆，1986年第2版，第24，239页。

　　参见Motion and Time，Space and Matter， Edited by P。 K．Machamer and R。 G。Turnbull， Ohio State University Press，1976中Laurens Laudan所写的Chapter Fourteen。

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