论汤川秀树对经验的依赖和超越——以π介子理论的建立为例

吕仕儒，郝临山，李海，高海

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

论汤川秀树对经验的依赖和超越
——以π介子理论的建立为例

吕仕儒，郝临山，李海，高海

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

科学发展的历程表明，经验作为认识的基础和起点，在科学研究当中一直起着十分重要的作用;同时，经验作为一种非逻辑因素又具有可错性和局限性。如何既能从经验中获得启示，又不禁锢于经验的窠臼而不能自拔，一直是科学家面临的两难选择。文章通过日本著名物理学家汤川秀树建立π介子理论的成功案例，对此进行了深入分析和研究。

汤川秀树;非逻辑因素;π介子理论

科学发展的历程表明，科学研究作为一种向未知领域探求的活动，无论谁都无法与经验割裂。在某种程度上可以说，经验就是科学家赖以向上攀登的“脚手架”，离开了这个“脚手架”，认识主体就失去了向前跨越的基础［1］。汤川秀树(Yukawa Hideki，1907－1981)说:“人是有记忆的，他通过记忆力来把自己的经验存储起来。没有这种记忆的存储，创造就是不可能的。”［2］104量子论之父M·普朗克(Max Plank，1858－1947)也发表过类似的观点，他说:“每种认识的开端，从而包括每门科学的出发点。都是我们自己的感官经验……它们是认识活动最直接的材料，它们形成一个位置最靠前且最真实的链环，我们能够把科学的思想链条紧扣其上。”［3］爱因斯坦(A·Einstein，1879－1955)则认为:“一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于经验。”因为“用纯粹逻辑方法得到的命题，对于实在来说是空洞的。”［4］313

经验对科学理论的创新过程之所以如此重要，另外一个因素是由于“经验始终是数学构造的物理效用的唯一判据。”［4］316，美籍德国心理学家、艺术理论家鲁道夫·阿恩海姆(Rudolf Arnheim，1904－2007)从心理学的角度出发给出这样的解释:“当人们关照或研究那些普遍性的抽象形式时，就会在他的推理活动中，回想着关于它们的具体存在物的经验，这些经验的作用无疑会为这种抽象的思维赋予具体的血肉之躯。”［5］关于经验在科学研究领域的重要性，不同的科学家和哲学家发表过许多类似的观点，这里就不再一一赘述，用汤川秀树的话说:“总之，没有个人经验的要素，创造力就会是单调而无生气的。”［2］112

强调经验在科学理论研究中的重要性，是从认识主体在向未知领域探究过程当中与其不可分割的角度来讲的;但是，经验作为一种非逻辑因素，又具有可错性和局限性。科学发展的事实同时证明，仅仅依靠经验不仅不能有所创新，有时候(甚至在大多数情况)会导向错误的路径。只有那些既能吸纳经验的启示，又不完全被经验框制的、敢于超越经验的探索者，才能在科学研究领域有所建树和创新。π介子理论的建立者，1949年诺贝尔物理学奖获得者汤川秀树就是其中的一位。下面以汤川秀树先生为例，通过他在π介子理论的建立过程中的表现，分析一下在科学理论的建立中经验的表现和作用，看看汤川秀树是如何从经验中获得启示并最终又是怎样超越经验而取得成功的。

一π介子理论建立的科学背景

原子作为一种超出人类直接感觉经验范畴的客观认识对象，在对其模型的建立过程中，无论谁都只能根据已有的相关信息，结合自己熟悉的宏观经验图景，通过联想和想象来进行。不论是汤姆逊(Jospeh John Thomson，1857－1940)的“布丁原子”结构模型，还是长冈半太郎(H·Nagaoka，1865－1950)的“土星模型”结构模型，莫不如此。这些原子模型，虽然能够解释一些物理现象，但是离原子结构的真相还相去甚远。

1911年，卢瑟福(Ernest Rutherford，1871－1937)面对α射线的反常漫反射现象，通过把太阳系和原子结构进行类比，提出了原子核式结构模型。紧接着1913年，尼尔斯·玻尔(Niels Bohr，1885－1962)建立了半量子理论，使人们对原子核以外的构造有了一个大致的了解，随后量子力学理论建立起来，就使得人们对原子外层结构有了进一步的认识，接下来人们就把目光聚集在原子核结构上来。

1919年，卢瑟福作了α粒子轰击氮原子核实验，实现了首次原子核人工裂变，结果表明氢原子核是构成各种原子核的组成成分，称之为质子。随着出现了一个新的矛盾，那就是原子核的质量并不等于质子质量之和，而且各种元素的原子量不等于氢原子量的整数倍。在同位素被发现之后，非整数倍的矛盾得到了化解，但多余出的原子核质量依然没法解释。1920年卢瑟福预言:在原子核内应该有一种中性粒子，质量与质子质量相差无几。他说:“这种粒子会有新奇的特性，它的外部电场实际上可能等于零，所以能够自由穿透物质，它应该很容易进入原子核。”［6］193事实表明，预言一种全新的粒子，是很困难的。因为全新的粒子不在经验范畴之内，所以起初，在卢瑟福看来，这种中性粒子可能仅仅是质子和电子的结合体。20世纪20年代，包括卢瑟福实验室在内的许多物理实验室进行了大量的实验，想证明中子的存在，但是都没有成功。原因之一是由于中子是电中性的，而以前对亚原子的许多探测方法都要利用到粒子的电荷。后来，尽管德国物理学家博特(Walther Wilhelm Georg Bothe，1891－1957)、法国物理学家艾伦·居里(Irene Curie，1897－1956)等科学家们先后利用天然放射性元素通过实验均捕捉到了中子，但是由于受到原有经验的约束，都错误地把中子流认为是γ射线，从而错过了发现中子的机会。用格雷高利(Richard Gregory，1923－)的话解释就是:“我们非但只相信自己看到的东西”而且“到某种程度，我们也只看到自己相信会有的东西……这些在我们信念上的含意，实在令人感到恐惧。”［6］17“中子”最终于1932年才被英国物理学家查德威克(James Chadwick，1891－1974)捕捉到。

中子的发现，虽然带来了核物理学的快速发展，但是有一个问题迟迟得不到解决，那就是质子和中子通过怎样的方式结合成了一个稳定的核?按照量子场论的观点，两个带电粒子的相互作用通过交换虚光子而进行。海森堡(Werner Heisenberg，1901－1976)等人曾企图沿着类似的方法去建立一个新的原子核理论，但是，费米β理论建立之后，发现想利用电子——中微子一起构成核力场的量子结合力太小，不足以把质子和中子牢固地结合起来。不过这种想法给予汤川秀树一定启示，使他开始思考核力本性。

二汤川秀树对经验的依赖和超越

汤川秀树从小就接受过中国传统文化的熏陶，熟悉《老子》《列子》《庄子》等古典著作。尤其是老子和庄子的思想对他影响很大，譬如，在谈到创造性思维的时候，汤川秀树特别推崇“类比”思想的价值和作用，他说:“我觉得，没有哪一种关于创造性的理论能够不把类比——本身就是人类智能之一——当作自己的出发点。”［2］109这种认识最初就源于老庄的影响，因为《老子》和《庄子》中的许多观点和思想就是通过寓言和比喻的方式阐述和表达的，而寓言和比喻背后隐含的实际上就是“类比”思想。用汤川秀树的话说，就是在这些有趣的寓言和比喻“表面的下面蕴藏着一种深刻而自洽的哲学。”尽管这种思想体系与古希腊思想完全不同，“但是它们却构成了一种自洽的、理性主义的看法，它内容丰富，从而就其自身的价值看来作为一种自然哲学至今仍然是值得重视的。”［2］511961年，汤川秀树在一篇随笔中回顾自己的思想历程时，说他在四、五年前思考基本粒子问题时，突然想起了《庄子·内篇·应帝王第七》中的混沌寓言，并对自己当时产生这种思想的原因进行了分析和阐述。后来，这篇文章成了国内许多学者寻找到的老庄思想对汤川秀树科学研究产生影响的一个确切证据。然而，中国科学院自然科学史研究所副研究员韩健平先生在2009年《科学文化评论》第5期上发表了一篇题为《老庄影响了汤川秀树的物理学研究?》文章，其中提出了不同的看法。韩先生从时间的角度出发，结合汤川先生的表述，得出这样的结论:“在汤川回顾的这段思想经历中，我们没有看到老庄思想影响了他研究中的哪些环节，反而是他得出的一些物理学看法使他联想到了老庄思想。”［7］笔者认为这个结论有失偏颇，抛开汤川先生就“基本粒子解释”的研究方面是否受到老庄思想的影响不谈，单从汤川秀树接受并进一步强化“类比”思想在创造性思维中的作用和地位的角度看，就不难得出汤川秀树的这种认识与老庄思想的影响是分不开的。因为《庄子·内篇·应帝王第七》中的混沌寓言，不仅仅是一个讲述“混沌”的寓言，更是一个典型的用类比的方式讲述了一个关于“类比”的寓言。而且，老庄的许多观点均是通过这种方式表达的。正因如此，汤川先生才不断地强调“类比”思想的重要性，他说:“在我看来，他们似乎不但用它来劝说别人，而且也用它来找出他们前所未有的真理。”［2］88笔者不敢妄言说，老庄的思想是汤川先生这种认识的唯一来源，但是，说老庄的思想对汤川先生这种认识起码起到过启示和强化作用是不容置疑的。而“类比”思想从本质上讲就是建立于经验基础之上的联想，汤川秀树称之为“等同确认”。

从方法论角度，汤川秀树的π介子理论的建立，开始就是通过“类比”思想，把核外的两个带电粒子作用场景挪移到了核子之间切入的。最初，汤川秀树同样想沿着海森伯的思路走下去，认为核力应该是通过交换“电子”相互作用。实际上，在寻找核力之间的作用粒子过程中，由于经验的束缚，汤川秀树从已知的“电子”到全新粒子“介子”的跨越，挣扎和犹豫了两年时间［8］。

1933年4月，日本数学物理学会的年会在仙台召开，汤川秀树作了题为《论核内电子》的报告。从报告中可以看出，虽然汤川秀树意识到用“电子”来充当媒介粒子传递核力有难度，可仍然勉强地用符合狄拉克波动方程的电子场来充当核力场。因为汤川秀树当时还没能从经验的窠臼中挣脱出来，怀着一种保守思想，以期在已知的粒子当中寻找传递核力的对象。从中不难感受到建立于经验基础之上的科学图景对一个科学家的影响程度。幸运的是，或者说汤川秀树的非凡之处，就在于他并没有在经验的窠臼中逗留太久，而是最终挣脱了经验的羁绊。1934年10月，他终于以引人注目的方式扩展了海森堡和费米的思想，认为场粒子的粒子质量与力程应该成反比，场粒子的质量大约是电子质量的200倍。汤川秀树之所以能够做到这一点，是因为他意识到:“有一种本质上新的特色必须加在类比思维上了，那就是要承认和相似性并列的不相似性。”［2］89

1935年，数理学会会刊刊载了汤川秀树的论文。汤川秀树称新粒子为“重量子”(heavy quanta)，后来又称之为“中间子”，意思是指这种新粒子的质量在电子和质子两者之间。从“介子”的命名，可以又一次感受到人类，这种具有视觉功能的认识主体对经验的那种不离不弃的依恋。虽然汤川秀树最初用英文撰写了论文，并刊登于一种影响面很大的学术刊物，但是两年后仍然没有引起人们足够重视。1937年春，当汤川秀树在大阪大学向访日的尼耳斯·玻尔谈起π介子理论时，玻尔竟说:“难道你喜欢一种新的粒子吗?”［2］165从这位对经典科学图景恋恋不舍的科学大师言语中，可以深刻感知经验在一位科学家心目中的分量。

科学研究作为一种创造性工作是没有约定俗成的模式去套用的。汤川秀树认为，很难从归纳法和演绎法中寻觅到真正的创造性根源，因为在科学理论的创新过程中，不存在必然的逻辑通道。那么科学真正的创造性根源在哪儿呢?汤川先生说:“是通过一连串大胆的越轨行为来实现的;这些越轨行为包括从一些比较不充分的数据和一些本身并不怎么精确的测量结果中发现一条简单的定律。”［2］105可以看出，汤川秀树所说的“大胆”和“越轨行为”，实际上就是指科学理论建立过程中的创造性思维的主要因素——想象，或者说是建立在视觉化经验基础之上的直觉能力。当然，这并不是说汤川秀树认为科学理论的建立仅仅依靠直觉就够了，相反，汤川秀树同样强调抽象思维在科学理论建立当中的作用，他说:“人类的抽象能力对于创立像物理学这样一种严密科学来说是有决定性的。”［2］92可见在汤川秀树看来，如何协调和平衡好“直觉”与“抽象”的关系才是科学研究的关键因素。汤川秀树担心或者说忧虑的，是人们过分地强调抽象思维在科学理论建立当中的重要性，而对建立在视觉化经验基础之上的直觉思维能力却没有给予足够的重视。

从汤川秀树先生在建立π介子理论过程中的表现可以看出，在方法上他也是借鉴了电磁场粒子之间通过交换虚光子的模式进行的，而在交换粒子身份的确定上，一开始和海森堡等人一样，希望在已有的基本粒子当中寻找。这一切均说明和绝大多数科学家一样，汤川秀树在科学理论研究中，也离不开对经验的依赖。那么他对新粒子的预言又是在怎样的认识基础上形成的呢?可以说，最终导致汤川秀树挣脱固有观念的束缚，同样与中国古代老庄哲学的影响与启迪分不开。

汤川秀树说老子的哲学“就是一种自然哲学，是接近自然科学的自然哲学”。［9］汤川秀树把《老子》中的“道，可道，非常道;名，可名，非常名”，转译为“真正的道—自然法则—不是惯常的道，不是公认的事物秩序。真正的名称—真正的概念—不是惯常的名称，不是公认的名称。”［2］46从中不难看出他对“道”的理解和认识。他认为对认识客体变化规律和本质的认识过程，是沿着从“惯常的道”到“不是公认的”道的过程，而所谓“惯常的道”实际上就是经验范畴之内的，已经被认识主体接受和认可的事物或者规律;而“非常道”，即“不是惯常的道”是指经验范畴之外的、尚未被认识主体接受的、更深层次的事物乃至变化规律。与“可道”对应的“可名”，由于是通常意义层面上的可以理解的“道”，当然也就是可以用认识主体能够掌握和理解的语言给予命名;而对于“非常道”，由于不是惯常意义的“道”，所以就无法用日常语言给予命名，譬如，微观粒子的波粒“二象性”就属此例［10］。正因为在汤川秀树的眼中，真正的“道”，不是惯常的道，即不一定是人类的经验能够直接感知的东西，所以经过两年的思考，最终放弃了在已知的“基本粒子”当中去寻找目标，而是沿着理性的指导，预言了新作用粒子——π介子。可见老子提出“道”的思想，对其科学发展观的形成确实起到了举足轻重的作用。

三结语

粒子物理学是一类把远离人类直接经验的认识客体作为研究对象的科学理论，从某种程度上与哲学非常接近。哲学的终极目标就是“道”，庄子说:“吾不知其名，字之曰道”，不知其名实际上就是由于“道”远离人类的感性知觉，在经验范畴之外。汤川秀树说“理论物理学是试图找出深藏在宇宙深处的东西，因而是非常接近哲学的”［9］。科学发展的过程就是用“非常道”取代“常道”的过程，从亚里士多德到牛顿再到爱因斯坦，无不如此。所以汤川秀树认为:“极端重要的发现的类型是那样一种发现，它涉及某种事实，而该事实和我们已知的定律显然不符，或是极难在现有的理论体系中加以解释。”［2］96所以，汤川秀树一方面强调经验的重要性，同时他又说:“知道许多事情有一个好处，就是至少在理论上可以有一个发现新事物的基础;但是，它也有一个逐步僵化的效应。”［2］97如果一个科学家永远挣脱不了经验的窠臼，他是不会有所创新的。而汤川秀树却做到了，因此他获得了成功。

［1］Miller Arthur．Imagery in Scientific Though［M］．Birkhauger Boston Inc，1984:1．

［2］［日］汤川秀树．创造力和直觉［M］．周林东，译．上海:复旦大学出版社，1987．

［3］黄炳线，孟建伟．感觉世界·物理世界·实在世界［J］．自然辩证法研究，2009，25(4):9－13．

［4］爱因斯坦．爱因斯坦文集(第一卷)［M］．许良英，李宝恒，赵中立，等编译．北京:商务印书馆，1983．

［5］［美］鲁道夫·阿恩海姆．视觉思维［M］．滕守尧，译．成都:四川人民出版社，1998:201．

［6］吕仕儒．视觉化经验与物理学理论的建立［M］．北京:中国轻工业出版社，2011．

［7］韩健平．老庄影响了汤川秀树的物理学研究?［J］．科学文化评论，2009，6(5):29－37．

［8］Hideki Yukawa．“Tabibite”(The Tyaveler)［M］．Hongkong: World Scientific Publishing，1982:107－195．

［9］蔡明哲．关于老庄的“道”与汤川秀树的科学观［J］．科学技术与辩证法，1989(4):7－10．

［10］吕仕儒．论经验与“概念构架”的更新［J］．科学技术哲学研究，2011，28(3):47－50．

Discussion on Hideki Yukawa’s Dependence on and Transcendence over Experience: taking the establishment of π－Meson theory for example

LV Shi－ru，HAO Lin－shan，LI Hai，GAO Hai
(School of Physics＆Electronic Science，Shanxi Datong University，Datong 037009，China)

The historical process of science development indicates that experience，as the basis and starting point of cognition，plays a very important role in scientific research;Meanwhile，experience contains fallibility and limitation as a kind of illogical factor．Therefore how to draw enlightenment from experience without being entrapped into it has been a dilemma for scientists for a long time．This paper makes a thorough analysis and research of the problem through the successful case of Japanese famous physicist Hideki Yukawa’s establishment of π－meson theory．

Hideki Yukawa;non－logical factor;π－meson theory

N09

A

1000－5935(2012)04－0010－04

(责任编辑李雪枫)

2012－05－15

山西省软科学研究计划项目“科学理论建立过程中的非逻辑思维”(2007041050－03)

吕仕儒(1963－)，男，山西怀仁人，山西大同大学物理与电子科学学院副教授，主要从事科学技术史研究。