简论观察之演化与物理学革命

李书杨，董春雨

(北京师范大学哲学与社会学学院，北京 100875)

简论观察之演化与物理学革命

李书杨，董春雨

(北京师范大学哲学与社会学学院，北京 100875)

亚里士多德的物理学理论满足日常的观察经验，人们在很长的时间里接受了其学说;伽利略在1609年把望远镜指向了天空，发现的新现象导致了对亚里士多德物理学体系的颠覆，催生了牛顿物理学体系的诞生;20世纪以来，当物理学研究的对象变为无法直接看见的物体时，只能借助于理论模型来研究自然，随着研究的深入，很可能孕育出更伟大的发现。从肉眼观察到工具观察，从观察自然到观察实验，从被动等待到主动捕捉，观察的变化，是每一次物理学革命的导火索。

观察;物理学;革命

本文是在观察先于理论的前提下来探讨物理学革命这一话题的。观察先于理论是一种很有影响力的观点，并且易于被人们接受。澳大利亚学者查尔莫斯(A.F.Charlmers)提出一种常识科学观，认为“科学是从经验事实中推导出来的知识”［1］，这些经验事实的获得，依赖于我们的感官知觉对于大自然素材的收集、积累，其中最主要的感官知觉便是视觉。在人类历史很长的一段时间内，借助肉眼视觉的观察，是人们认识世界的主要方式。当然，存在着与之相对的另一种观点，即认为理论先于观察。基于20世纪初心理学研究成果而提出的格式塔理论，有学者提出了理论先于观察这一论点，美国学者N. R.汉森(N.R.Hanson)将其概括为观察渗透理论，认为“看是一件‘渗透着理论’的事情”［2］。当代理论物理学的发展史也验证了这一观点，学者们在标准模型中预言一些粒子的存在，然后设计一些仪器来观察是否存在某些现象能印证这些粒子的存在，被暂时确认存在的希格斯玻色子便是明显的一例。美国科普作家艾伦·莱特曼(Alan Lightman)说过:“我们都是盲人，在设想我们看不见的东西。”［3］这是对理论物理学的研究方法非常好的表达，也是对理论先于观察这种观点非常好的概括。可以说，观察先于理论背后的逻辑是归纳推理，理论先于观察背后的逻辑是溯因推理，但无论是哪种观点，其实践环节都离不开观察，只是观察在其活动中的顺序不同而已，为便于分析，本文从观察先于理论这一视角下，按照先观察后得出理论这种自然发生的顺序来考察物理学发展中观察的历史。

1 观察介质之扩展:从肉眼观察到工具观察

受限于肉眼的观察范围，古希腊时期(主要为前苏格拉底时代)人们观察的对象多为身边的自然现象或者目所能及的天体运动。尼罗河水的泛滥引起了当时人们的关注，许多人都把原因归结到超自然事件之上，公认为第一位哲学家的泰勒斯则认为形成这种现象的原因是风，“他以一种自然现象(沙漠风)来解释另一种自然现象(尼罗河的泛滥)”［4］，这也奠定了古希腊自然哲学朴素性的风格，用自然来解释自然。

普遍认为，亚里士多德是古希腊哲学的集大成者。受限于日常生活的观察经验，其有些观点也难免有失偏颇。亚里士多德把运动区分为两种，一种是“自然运动”，一种是“非自然运动”。自然运动不需要外力的推动，万物都有趋向其自然位置的本性。火向上运动，土向下运动，就是由其寻找自身自然位置的本性决定的。天体运动也是一种自然运动，其运动轨迹是完美的圆形。非自然运动则必须有外力的推动，“凡运动着的事物必然都有推动者在推动着它运动”［5］，这种观点被人们普遍解释为，力是维持物体运动的原因。亚里士多德在《物理学》中以织布机为例，将织布机的活动解释为推、拉两种方式，有外力的作用织布机才会运动。可见，古希腊时期人们观察只要是依靠肉眼的日常经验观察，这种观察的方式与范围，决定了当时的自然哲学思想是朴素的。

在伽利略之前，亚里士多德的物理学理论被人们广泛接受。其主要原因可能有二:一是亚里士多德对运动作了区分，不同种类的运动之间是不可比较的;二是在接受对运动作出区分的前提下，亚里士多德的物理学体系与人们日常的观察经验相吻合。亚里士多德把宇宙分为月上世界和月下世界。月上世界的天体运动是完美的，天体做匀速圆周运动，没有起点没有终点地无限循环运动下去;月下世界的运动在本质上是做直线运动的，有起点和终点，不能无限地运动下去。以上的观点也与当时人们的日常观察经验相符合。太阳每天东升西落，以地球为中心，在天空中匀速地划过一道圆弧，做着完美的天体运动;一个人推着一辆小车前进，人用力推，小车才沿着推力的方向直线前进，小车的运动原因很容易被理解成是人施加于小车上的力，也就是说，力是维持物体运动的原因。亚里士多德的物理学体系在生活中可以说近乎完美，似乎会一直被人们接受下去，直到中世纪伽利略制作出了高倍的望远镜，并且把它对准了天空。

1608年荷兰商人汉斯·利帕希(Hans Lippershey)制成了望远镜。1609年，“伽利略就根据他对光的折射知识，立刻制成一个同样的仪器，而且很快就制出一个相当好的仪器，能将物体的直径放大三十倍。”［6］伽利略制造出了高倍的望远镜，同时他把望远镜对准了月球，并惊奇地发现月球表面是凹凸不平的。“这是通过探索天空的实际结构对天文学研究的一次革命，也是对亚里士多德关于所有天体都是永恒的纯正球体这种长期以来从无争议的说法的一个反驳。”［7］伽利略认为，月球上的丘陵和山岭是显然可见的，可用来推翻亚里士多德的天体与地球对立的错误，即用来推翻“月上世界”和“月下世界”的区分。对于亚里士多德物理学体系崇拜的磐石开始松动了。伽利略接着又把观察的范围指向了其他星体。“他发现了木星有几个卫星，他认定银河是一大群各自独立存在的星体。稍后，他有观测出金星的周相、土星的环和太阳的黑斑。”［8］木星的几颗卫星绕着木星作周期性的旋转，而不是围绕当时被认为是宇宙的中心地球旋转，太阳表面的黑斑也不符合太阳是完美的传统学说，这一切现象堆积在一起，促使伽利略开始怀疑亚里士多德的理论，开始思考新的宇宙模型。

有种观点认为，工具是人体的延伸。这样说来，望远镜就是人类肉眼的替代与增强，借助于它，伽利略扩大了自己的观察范围，并且第一个把望远镜指向了天空，因此，“历史学传统将伽利略视为‘经典科学之父’，不管怎么说，这种观点不无道理。”［9］虽然当时有反对者认为“这一切现象全是镜头的无聊幻象”［10］，但随着观察证据的增加，实验活动的深入，伽利略的观点还是被人们广泛认可了。通过工具进行观察，大大扩展了人们观察的范围，并看到了许多日常观察所无法看见的事物，积累了越来越多的素材，为学者们在理论方面的突破，奠定了深厚的基础。由肉眼观察到工具观察，这种观察的演化，是一种物理学革命的导火索，导致了由亚里士多德物理学向牛顿的经典物理学的过渡。

2 观察内容之提升:从观察自然到观察实验

自牛顿实现了物理学的第一次大综合以来，整个18世纪，人们在各个学科领域，都尝试着应用牛顿的数学物理方法进行研究，并屡屡获得成功。学者们在各自的领域都努力引入数学来进行定量研究，力图使原领域本来是哲学上的思考，变为可以进行数学操作的科学理论，在形式上追求简洁、完美。随着牛顿物理学取得越来越多的成功，人们当时以为物理学的主要框架已经基本完成了(引以后的物理学家只要完成一些修修补补的工作)，以后的研究只要遵循这种方法，就可以按部就班取得最终的结果。然而，学者们在研究时却观察到了一些经典物理学理论难以解释的实验事实，其中之一便是黑体辐射问题。

任何物体都会吸收和辐射电磁波，不同的物体吸收和辐射电磁波的本领不同，黑色物体比白色物体容易吸收热，也容易辐射热。一般来讲，外部的电磁波照到一个物体的表面，一部分被物体吸收，一部分被反射。全部吸收外来辐射而不反射的物体称为绝对黑体，简称黑体。绝对黑体很难获得，但光从小孔照射进一个不透明的腔体时，每在腔体内反射一次，能量就被吸收一些，经过多次反射，能量几乎都被吸收，光从小孔逃逸出去的能量可以忽略不计，就成为了实验中用到的黑体。普朗克对黑体辐射进行了实验研究，经过分析实验数据与修改公式相结合的方式，他推导出了黑体辐射公式，并且与后来其他相关实验的观测数据高度吻合。在推导的过程中，普朗克引入了不连续的能量子的概念，突破了经典物理学的连续性原理。“经典物理学的信条之一是一切过程和一切物理量都是连续的。连续性是微积分的核心思想，而微积分是处理物理问题最基本的数学工具。”［11］从连续到量子这种思维方式上的变革，也标志了量子论的诞生，标志了新的物理学的诞生。若是没有设计黑体辐射这一自然界中不存在的实验对象，那么普朗克无法进行其研究，也不会有后来的学术成就。

从观察存在于自然界中的自然之物，到观察经过设计的精巧实验，这种观察范围的扩大与解放，使人们发现了许多旧理论解释不了的新现象，促使人们采用新的思维方式，新的科学理论体系来进行研究，可以说，这种观察范围的解放，是从经典物理学到量子物理学转变的导火索。

3 观察行为之质变:从被动等待到主动捕捉

进入20世纪以来，科学活动的大多数观察已经从在自然界进行观察进入到以实验室观察为主的阶段，这一点在第二次世界大战后，商业公司与实验室相结合、资本与技术相结合的科技循环加速中变得非常明显，在国家支持的体系下进行的“大科学”中变得非常明显。人们是有目的、有选择地进行特定方向的研究。同时，在实验室观察的内部，也有一个转变，即从以前被动地等待观察对象的出现，转变成主动创造条件促使观察对象的出现，下面以对高能粒子观察的历史来具体解释。

在20世纪30年代，如果人们想要研究高能粒子的碰撞，那么就需要爬到山上去。来自外太空的一些高能粒子流，也就是宇宙线，不间断地冲击着高层大气，其中能量特别高的一部分粒子可以深入到大气的下层，与山顶的高度正好相当，可以借此研究高能射线与底层大气粒子的碰撞。“美国物理学家卡尔·安德森(Carl Anderson)在1932年发现了狄拉克所预言的正电子。四年以后，他和他的美国同胞内德迈耶(Seth Neddermeyer)把他们的粒子探测仪器装上平板卡车，拉到了落基山脉派克斯峰的峰顶，该山峰位于科罗拉多斯普林斯市以西大约16千米处。”［12］44通过宇宙线实验，科学家们发现了正电子、μ子、π介子和K介子。但是这种研究依赖于对相关粒子的随机探测，每次探测到的粒子的环境、状态都是随机的，因此，很难出现两个事例处于相同状态的情形。经验表明，这种探测是很难重复的。随着粒子物理学研究的深入，在山顶处被动地观察来自宇宙的射线已经不能满足实际的需要，人们尝试着在实验设备中主动地轰击出粒子，然后来观察这些轰击出来的粒子，是否就是所寻找的新型粒子，粒子物理学的进一步发展不得不指望越来越强大的粒子加速器。“最早的加速器建造于20世纪20年代晚期，它们属于直线加速器，是使电子或质子通过一系列振荡电场来达到加速的效果。”［12］98后来，美国物理学家劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence)设计出了回旋加速器。回旋加速器采用的是固定频率的电场和强度不变的磁场，与直线加速器相比，它能让粒子获得更大的速度与能量，但它也具有不可避免的先天局限性，粒子的能量只能达到1000兆电子伏左右。为了获得更高的能量，就要引导被加速的粒子束流以环形轨迹运动，电场和磁场沿着环形轨迹同步变化，这样就制造出了同步加速器。随着研究的粒子的能量的增加，加速器所能提供给粒子的能量也达到了瓶颈，人们又设想出了粒子对撞机，把被加速的粒子注入两个相连的存储环，使得相应的束流相向而行，那么它们就能够发生迎头对撞。在这种情况下，被加速的粒子的所有能量都可以用于产生新粒子。就这样，随着实验设备性能的提高，实验方式的改进，人们发现了越来越多的粒子。2012年7月4日，欧洲核子研究中心(CERN)宣布在大型强子对撞机上发现了一种新的粒子，这种粒子与希格斯玻色子比较吻合。

经过一段时间的检验，上述粒子最终被确认为是希格斯玻色子，粒子物理标准模型中的7种粒子就都找到了，而这一切的实现，离不开大型强子对撞机，离不开人们变被动等待为主动捕捉这种观察模式上质的改变。因此，这种观察模式的质变，成为了导火索，把人们引向物理学研究的新图景。

4 结语

以当代物理学为代表的当代科学是从古代至近代的自然哲学的延伸。从古至今，人们一直在思考、研究我们生活在其中的世界究竟是什么样的，我们该如何看待这个世界，而这些活动的起点便是观察，进步的焦点也是观察。从肉眼观察到工具观察，这种观察的演化，使得人们从亚里士多德物理学进步到牛顿的经典物理学;从观察自然到观察实验，这种观察的解放，使得人们发现了经典物理体系外量子物理的广阔空间;从被动等待到主动捕捉，这种观察的质变，让人们对物理学的新进展充满了期待。回顾物理学或自然哲学发展的历史，可以看出，每次科学范式的转换，每次科学革命的兴起，都是源于观察，观察的变化，是物理学革命的导火索。

［1］A F查尔莫斯.科学究竟是什么［M］.鲁旭东，译.北京:商务印书馆，2011:13.

［2］N R汉森.发现的模式［M］.邢新力，周沛，译.北京:中国国际广播出版社，1988:22.

［3］弗里曼·戴森.反叛的科学家［M］.肖明波，杨光松，译.杭州:浙江大学出版社，2013:275.

［4］唐纳德·帕尔玛.西方哲学导论［M］.杨洋，曹洪洋，译.上海:上海社会科学院出版社，2011:7.

［5］亚里士多德.物理学［M］.张竹明，译.北京:商务印书馆，2011:189-193.

［6］WC丹皮尔.科学史［M］.李珩，译.北京:中国人民大学出版社，2010:143.

［7］达娃·索贝尔.伽利略的女儿［M］.谢延光，译.上海:上海世纪出版集团，2005:37.

［8］鲍·格·库兹涅佐夫.伽利略传［M］.陈太先，马世元，译.北京:商务印书馆，2001:75.

［9］亚历山大·柯瓦雷.伽利略研究［M］.刘胜利，译.北京:北京大学出版社，2008:318.

［10］伽利略.两大世界体系的对话［M］.周煦良，译.北京:北京大学出版社，2006:248.

［11］金尚年.自然哲学的演化［M］.上海:复旦大学出版社，2001: 174.

［12］吉姆·巴戈特.希格斯:“上帝粒子”的发明与发现［M］.邢志忠，译.上海:上海科技教育出版社，2013:44.

责任编辑: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

教育部人文社会科学研究基金项目(08JA720001)

李书杨(1985-)，男，吉林白城人，硕士研究生，主要从事物理哲理学及复杂性哲学等研究;董春雨(1963-)，男，辽宁鞍山人，教授，博士，博士研究生导师，主要从事物理哲学及复杂性哲学等研究。