第3章 科学发展与自然观的变革

3.1 复习笔记

一、古代自然观与中世纪自然观

1．史前神话自然观和古希腊自然观

（1）史前神话自然观

①史前人类已经能制造工具，进行狩猎等活动，但是，那时没有任何具有严格确定性特征的理论知识，没有文字，只有口头文化。

②这种状况使得他们只有通过想象来认识事物，把宇宙万物看成是自己生命生活的一部分。

③他们往往把人和生物的特性投射到那些在人们看来不但与人性无关而且与生命无关的物体或世界上去，认为自然是一个茫茫有生命的、自我运动的、有感觉和有意识的有机体，其中人类和其他生物被置于渗透一切的灵魂实体的中心。

④宇宙中所发生的事情是由那些看不见的力量，如神所控制的，对这种力量进行某种仪式操作，就能够控制自然和社会。

⑤在他们的自然观中，拟人化的神对自然以及人类的干涉具有无限性，因此对任何事情不可能得到可靠的预测，世界反复无常，自然现象被人格化和神化了，被看作是神意下的壮举。

（2）古希腊自然观

到了公元前6世纪，在神话宗教自然观盛行的同时，一种新的哲学思维模式——古希腊哲学诞生了。

①科学还处于萌芽状态，人们对自然的认识是以思辨和直观的方式进行的，自然哲学和自然科学没有区分开来，最古老的希腊哲学家同时也是自然科学家。

②他们探寻世界的成分、组成和它的运行等，开始仔细思考、推论和证明自然的法则，形成了对自然的独特的看法。

③早期希腊哲学（又称前苏格拉底哲学）开始于公元前6世纪之初的米利都。在这里产生了古希腊哲学的第一个哲学流派——米利都学派。该学派的泰勒斯（Thales，约公元前624～前547）提出了第一个真正意义上的哲学命题——“万物的本原是水”，即万物的开端、开始和起源是水；水是生命的本原，渗透在万事万物之中，使得宇宙成为有机体。根据他的这一命题，宇宙作为生长、生成、生活的生命整体的本质就揭示出来了。

④自然中的事物有其内在的固有本性，由本性或本原生长而来。万物皆为有机体，皆在生长，皆有灵魂。世界是一个有其自身生命、渗透着神性、处于生长过程中的有机体，世间万物都由其生长出来。这是希腊人“自然”观念的原型和要旨，是一种有机论的世界观。

2．古希腊本质论自然观的肇始

（1）泰勒斯的学生、富有科学探索精神的阿那克西曼德认为世界的本原不是水，而是“无规定者”。这是一个在总量上无限、在性质上没有特殊规定性的东西，它是能动的，从中可以分离出冷与热、干与湿，由此形成万物及其运动。这样一个东西在现实中是不存在的，这是哲人的超越经验思维的抽象，是一种真正意义上的理性思考。

（2）米利都学派的最后一位重要代表人物是阿那克西米尼。他在吸收了老师阿那克西曼德的“无规定者”的思想之后，将世界的本原归结为“无规定的气”。气蒸发就生成火，凝结时就变成风，然后形成云，再凝结就化成水，继而是土，最后变成石头，其他一切事物如太阳、月亮、星辰等都在此基础上生成，众神和神圣的东西也不例外。

（3）毕达哥拉斯创立了毕达哥拉斯学派。这个学派把数当作世界的本原，主张“万物皆数”，数是现实的基础，是决定一切事物的形式和实质的根据，是世界的法则和关系。不仅如此，这个学派把自然界和人类社会的奥秘更多地归结为数学奥秘。

（4）赫拉克利特认为，万物的本原是“火”，万物都按照对立的斗争和必然性生成，“一出于万物，万物出于一”。

（5）巴门尼德提出了不同的哲学思想，他声称，只存在一样东西，那就是不可分的整体。它没有时间和变化。他反对感觉证据，认为感觉是人们产生变化和独立于唯一者的存在的幻象。他认为，自然虽然处在不断的生灭变化之中，但是支配这种表象的是一种根本的存在，即现象背后的本质。

（6）德谟克利特提出了“原子论”。其主要内容是：宇宙的本原是原子和虚空，原子不可再分，原子有两种属性：大小和形状。它们在数量上是无限的；原子按一定的形状、次序和位置结合与分离，形成万物；存在着静止的、绝对的虚空，原子在其中运动。

（7）柏拉图认为，存在着两个世界：一个是理念或相的世界，它包含着任何个别事物的完美的理念；另一个是经验的或物质的世界，这是理念或相的不完美的复制。现实中的经验世界完全是虚假的，充满着似是而非的假象，而只有理念世界才是真实的，是真正的世界，是通过运用概念思维所独立建构起来的一个理论世界。现实世界只是理念世界的具体体现，现实事物是因为“分有”了理念才存在的。柏拉图认为，自然界运动变化的原因寓于造物主模仿理念刨造自然界的过程之中。

（8）亚里士多德是古希腊哲学的集大成者。

①亚里士多德对“存在”有深入的研究，认为存在的意义是多重的，应当对它加以区分。他认为，像“白”“大”“小”这样一些概念反映的是事物偶性的方面，而像“苏格拉底”“人”“动物”等这样一些概念反映的是事物实体方面的存在。偶性存在不能独立存在而必须依赖于实体存在。所以，实体是“作为存在的存在”。

②亚里士多德认为，相对于一般性的实体如“人”，个别性的实体如“苏格拉底”则更真实，应该是第一实体。

③对于这第一实体，他用“四因说”来说明它存在的原因，四因即质料因、动力因、目的因和形式因。质料因和形式因是最基本的，没有无形式的质料，任何质料都要以特定的形式存在，也没有无质料的形式，任何形式都以质料为物质基础，它们两者的结合就生成了具体的、个别的事物。宇宙万物的生灭过程就是由质料向形式不断生成、转化的过程。这种转化是有目的的。在这里，“所有的自然物都有某种本性，那就是它们的形式，形式使它们趋向于发展。这种自然发展就是目的”。

④亚里士多德认为，天上的物体与地上的物体有高低贵贱之分，地上的物体也有高低贵贱之分，它们各有自己的“自然位置”，并且自然地运动到这一位置上面。

⑤亚里士多德的世界不是一个偶然的世界，而是一个有序的、有组织的、有目的的世界，其中的所有事物都有内在的运动趋向，向着由它们的本性决定了的目标运动发展。

3．中世纪神学自然观

（1）公元4世纪，作为中世纪思想的先驱者，哲学和基督教教义的奠基人，西罗马主教奥古斯丁诅咒泰勒斯等人关于物质始基的观点，把柏拉图的理念变成了在造物之前就永恒存在的思想——上帝的原型，认为由于永恒思想的运动，才从虚无中产生了水、火、土、气、原子以至宇宙万物。上帝是终极的、全能的造物主。他认为，上帝创世之前没有时间和空间，时空是从上帝创世开始的，时空是有限的，上帝是永恒的并超越于时空之外。

（2）随着公元4世纪末基督教的胜利，“至公元500年，基督教会攫取了绝大多数有才华的人来为它服务，包括传教、组织管理事务、教义探讨及纯粹的思辨活动，荣耀不再来自客观和科学地理解自然现象，而是来自实现教会的目标”。从此，神学自然观占据了主导地位，自然哲学被改造成为神学和宗教的婢女，柏拉图和其他古人的宇宙论和物理学被用于阐明创世纪。对自然及其运动变化的本性、原理或形式的探讨的最终目的也是为了证明上帝的全能、至上和仁慈。

（3）到了11世纪末，十字军东征后，欧洲人开始把阿拉伯文的希腊、印度科学著作译本以及阿拉伯人自己的著作大量译成拉丁文，特别是1200年至1225年，亚里士多德全集被发现并翻译，他的自然哲学和科学被宗教神学所接受，成为了宗教神学的教条。

（4）意大利的托马斯·阿奎那研究并注释了亚里士多德的著作，并对之加以神学改造。他把亚里士多德的自然观用来作为表述神学自然观的根据，同时又把古罗马天文学家托勒密的地心学和天主教的教义结合起来，以形成他的自然观。在他看来，自然是一个由目的论制约的等级制的有序整体。在这个上帝——天使——人——动物——植物——山川江河从高级到低级的实体等级体系中，每一等级都以趋向上一等级作为自身完美的目的，而起始的原因和终极的目标就是上帝。自然界的一切运动和变化都合乎造物主的目的。世界上的万物都是上帝按照一定的目的创造出来的。

（5）至于事物运动的原因，宗教神学继承了亚里士多德的目的论。认为事物的本性是该事物具备它自身特征和行为方式的内在原因，正是本性引起了事物所有的、自然的变化。自然作为一个集合概念，包括了拥有这一本性的所有事物。物理学家就是考察这些事物及其自然变化的人。这是中世纪物理学与近代物理学共用“物理学”这一名称的原因，也是中世纪物理学家不能取得成功的—个重要原因。

（6）希腊时代以后，先是关注彼岸世界——理念世界的柏拉图主义在基督教世界中占据统治地位，后来亚里士多德主义逐渐代替了柏拉图主义。接受亚里士多德的思想本身没有过错，错的是将他的思想教条化、绝对化。可以说，亚里士多德哲学更注重研究实际的事物，鼓励对经验的研究。而且，不断增加的经验知识又越来越与依附于基督教的亚里士多德主义发生冲突，促使人们努力去摆脱它。

4．文艺复兴运动时期的自然观

（1）文艺复兴时期在佛罗伦萨重新发现柏拉图是一个重要事件。

①柏拉图认为，学习数学能迫使灵魂达到抽象的数的理性，排斥可感知的对象。数学是进入哲学的阶梯，是认识理念世界的工具。数是理念，甚至是最基本的理念。它是一切事物的实在的原因，并离开可感觉的事物而独立存在。这样，数学思维就变成了纯粹的理性思维过程。

②柏拉图学派发展了对自然界进行定量研究的自然哲学传统，主张神在创造世界时已将数学规律放人其中，因而通过心智活动所认识到的数学规律能够成功地说明自然现象。自然哲学家的任务就是找出隐藏在自然现象后面的数学规律，并从中认识神的伟大。

③到了文艺复兴时期，柏拉图主义再次流行起来。但这时的柏拉图主义不再否定世俗世界和可感知世界，而是在肯定它们的基础上，追求事物背后的数理结构或数学规律。

④文艺复兴时期的科学家对观察的依赖不断增长，而且逐渐接近人们把实验理解成对理论的一种精心设计的并可重复的检验。

（2）考察文艺复兴时期的自然哲学，盛行的是自然主义泛灵论宇宙观（或赫尔墨斯传统）。

“文艺复兴时期的自然主义是人类灵魂映射在自然平面上的折光，而且整个自然界被描述成是灵魂之力的一个巨大的幻影。”这种观点认为：

①心灵和物质，精神和肉体被看作是不能分离的统一体。

②就每一物体而言，终极实在是其活的要素，这种活的要素至少在一定程度上带有心灵或精神的特征。

③所有的物质都是有生命的，宇宙中存在着各种隐秘力，自然界的各种难以理解的力可用灵魂术表达出来，它是物体运动的原因。

二、近代科学的兴起与机械论自然图景

1．开普勒、伽利略和笛卡儿

（1）17世纪的科学革命的两个主题：

①通过机械论哲学得以实现，极力从自然哲学体系中剔除所有带有神秘色彩的内容。这种情况被现代人称为自然的祛魅。它与古代原子论紧密关联，没有哪个科学领域不受到它的影响。

②第二个主题以几何关系看待自然界，确信宇宙是按照数学秩序原理建构的。它的历史可追溯到毕达哥拉斯学派，之后柏拉图主义发挥了这一思想。

（2）开普勒

开普勒受惠于文艺复兴时期的新柏拉图主义，并且吸纳了“宇宙按和谐原理建构”的思想。他开始寻求揭示世界真实本质的数学结构和真实的物理原因，认为，天文学理论不仅仅是说明观察现象的一套数学方法，它也必须依赖于合理的物理学原理，从导致行星运动的原因推知行星的运动。开普勒提出了行星运动三定律，在天文学上摆脱了圆的限制。不仅如此，他确信自然的统一性，试图运用地上力学中的相同原理来说明天上的各种现象。他进一步探求行星运动的原因。一开始他认为灵魂是行星运动的原因，后来就正式抛弃了泛灵论的自然观，接受了宇宙是一部机器的观念。他的思想发展预示着17世纪科学的进程。

（3）伽利略

伽利略的思想和工作可能就更有意义了。在科学史上，伽利略可以看作是在科学实践中建立科学方法、打开科学大门的第一人。他不墨守成规，不盲目迷信，而是向自然学习，对自然进行直接的研究，努力打破亚里士多德学说以及经院哲学和圣经的教条。他拒绝“目的论”和亚里士多德的“四因说”，将研究重心转移到物质的外在物理特征上面，对事物进行机械论的因果解释。“在伽利略的分析下，色、声、热化为单纯的感觉，实在的世界只不过是运动中的物质微粒而已，表面上同真、善、美或其反面没有关系。”在他的眼中，宇宙不仅失去了目的，而且也失去了直接的趋向、价值、意义和变化。随着在第一性（形状、尺寸、重量）和第二性（味道、质地、气味等）之间的区分，自然被还原成为一个呆滞的存在：没有声音，没有感觉，没有颜色，仅仅是一个匆匆离去的、无穷尽的、毫无意义的物质。

（4）笛卡尔

在著名的笛卡尔的二元论哲学中，他用形而上学的理由反对文艺复兴时期的自然主义。他认为，人是由精神和肉体组成的，精神是不朽的和永存的，肉体是短暂的和易逝的。人类的精神——自由意识和自由意志可以摆脱自然的束缚，认识把握自然的奥秘。而自然不具有精神，是一部机器，自然中的具体事物仅由惰性的物质微粒构成，这些微粒的运动引起了所有的自然现象，这种现象均可由因果性的机制来解释；自然界中的事物按物理必然性运动变化；一切运动变化都可归结为物质的机械运动，与各种思维存在物无关。他宣称：“给我物质和运动，我就能造出整个世界。”

2．牛顿机械论纲领的确立

正确地提出力的概念，并由此对机械论哲学作了根本上的修改并赋予其以更深刻思想的是伟大的英国科学家牛顿。

（1）牛顿所提出的“力”并不是一个像文艺复兴时期自然主义中“爱”和“憎”一样含糊的、起定性作用的词，也不完全是那种解释碰撞作用的“一个物体对另一个物体的压力”，而是改变物体机械运动状态的、能够精确度量的力学上的一种物理量。

（2）牛顿不仅根据“自然的一致性（或简单性）原则”“同因同果的线性因果决定论原则”“物体属性的普遍性原则”和“归纳主义原则”，从现象中推出普遍的规律，而且明确提出了他的核心研究纲领。

（3）牛顿在他的著作中很好地贯彻了他的研究纲领。他在其经典名著《自然哲学的数学原理》中清楚地定义了涉及物质运动的“质量”“动量”“惯性”“时空”等基本概念，提出了运动三定律和万有引力定律，从而将天上的运动和地上的运动统一了起来，构建起严谨的经典力学体系。而且他开始把表面看来并非力学现象的“自然界的其余现象”也与力学原理联系起来，要从力学原理中导出它们。

3．机械论纲领的成长和影响

为了进一步“合理地”贯彻牛顿的机械论纲领，18、19世纪的许多杰出的科学家们力图构建隐藏在现象背后的某种假想实体，并赋予这种实体以纯机械的（力学的）性质，以便对复杂的自然现象作出统一的机械论解释。

（1）考察18世纪科学发展的历史，不难发现，科学中几乎每一个重大发现都是对牛顿自然哲学及他的科学纲领的支持，都在证实着机械自然观而不是相反，在科学家中没有出现重要的机械论的反对派。不过，就机械论的社会影响来说，在18世纪，它还只是少数科学家和先进学者的信念，在广大群众和知识阶层中流行的，仍然是中世纪的世界观。要使机械论成为时代的精神，还需要那一时期的哲学家将它发展成熟并加以宣传。

（2）与牛顿几乎同时，英国唯物主义哲学家霍布斯和洛克把科学中的机械论自然观上升为机械唯物论哲学，使机械观的概念范畴，如物质、运动、组成等得到进一步的概括和精练，并发展成为经典形态的成熟的机械观。

（3）牛顿的经典力学和英国的机械论哲学传到法国后，对18世纪法国思想界的启蒙运动起了决定性的影响。他们将公开的、战斗的无神论思想引入机械论，使经典的机械论进一步发展为极端化的机械唯物论。他们把物质看作是唯一的实体，是存在和认识的唯一根据，不依赖于思维和造物主而存在；把物质的运动归结为机械运动，具有机械的因果必然性；把人对物质世界的认识看作是刺激反应式的反映论，把人看作是机器，从而走向了机械论的一元论。

（4）到了19世纪，情况就有所不同了。不但那些从事科学研究的绝大多数自然科学家对于机械论深信不疑，而且机械论自然观也获得了广泛的社会影响，成为了人们普遍接受的世界观。正因为这样，19世纪的科学，特别是物理学和化学的那些最伟大的成就，也几乎都是在机械论自然观的指导下取得的。对于任何稍有科学教养的知识阶层来说，相信自然现象最终应当从力学角度上获得解释，被看成是一种常识。不但在光学、统计力学等领域建立起了机械论科学的楷模，而且整个物理科学也都已建立于力学原理的基础之上，以至于已能合理地把力学科学看做是整个经典物理学的理论基础。

4．统—物理学的基础

下列四方面的进展为建立统一的物理学奠定了可靠的基础：

（1）拉普拉斯及其追随者，建立了一种既适用于力学，又适用于热学和光学现象的关于粒子间的力的普遍的数学理论。

（2）1822年傅立叶关于热的数学理论的发表，把原先只适用于力学问题的数学分析方法，应用于热学的研究之中。这一工作对建立统一的物理学产生了深远和广泛的影响。19世纪40年代，汤姆孙在热学和电学、质点力学与流体力学及弹性力学之间所作的数学相似性和物理类似性的比较，加深了人们对物理现象统一性的认识。

（3）菲涅耳关于光的波动说，他假定光是依靠以太的振动进行传播的，因而光学又被纳入到力学自然观的范畴之中了。光以太的机械论又为力学解释提供了一个典型的普遍性事例。

（4）19世纪40年代的能量守恒定律的建立又加强了物理学的统一性，它使热、光、电、磁的现象都被归并到力学原理的框架之中。

5．19世纪科学的发展对机械论自然观的挑战

（1）这种挑战首先来自于光学偏振现象的发现，曾迫使托马斯·杨和菲涅耳作出了光是横波的假定，横波假说仍然是从机械论框架中提出来的，然而一旦引入这一假定，机械论框架就失去了内部的和谐，由此产生了它无法摆脱的“以太悖论”困境。这个“以太悖论”终于在这个僵硬的机械论框架（机械论自然观）内部爆发出来，并打开了它的第一个巨大的缺口。机械论在光学领域遇到了第一个沉重打击之后，在电磁领域它又遭到了接二连三的致命打击。

（2）机械论自然观面临危机的真正标志是出现了一种新的自然图景与之相对抗，这就是以法拉第和麦克斯韦为代表的科学家所提出的“场”的观念。虽然在这个“场”的观念的形成和发展过程中，机械论自然观曾经起过重大的，甚至是非常杰出的作用，但“场”的观念的形成和发展，最终却导致了机械论自身的衰落。

6．场的观念

到了19世纪90年代前后，对物理“场”的概念有多种多样的解释：

（1）洛伦兹认为，能够给物理学提供概念基础的是电动力学，而不是力学。他明确指出，“场”完全摆脱了力学的所有性质并与普通物质完全分离了，“场”完全是一种独立的物理实在。这对20世纪的科学家产生了很大的影响。

（2）普朗克强调指出，从气体分子运动论导出的熵是很难解释和理解的。熵的概念是绝对合理的，但玻尔兹曼用统计概念来解释熵的观点是不对的。对这种用物质运动的力学原理来解释对熵的观点的否定，又构成了对力学解释的全部原则的威胁。

（3）“19世纪物理学概念含义——能量守恒、物理场的理论、电磁以太振荡的发光理论，熵的概念——都不可能再执意表示为‘牛顿的’了”。

（4）辩证自然观主要内容是：

①自然界中的各种事物是普遍联系的。

②自然界的物质和运动是不可分离的，物质和运动不仅有量的差别和变化，还有机械论者不愿意承认的质的差别和变化，是多样性的统一。

③高级运动形式由低级运动形式转化而来，它包含低级运动形式，但不能完全还原为低级运动形式。

④物质是发展演化和永恒循环的，在这个循环中，物质的任何有限的存在方式，不论是太阳或星云，个别的动物或动物种属，化学的化合或分解，都同样是暂时的，而且除永恒变化着、永恒运动着的物质以及这一物质运动变化所依据的规律外，再没有什么永恒的东西。

三、当代科学突破与自然观的新探索

1．自然的简单性与复杂性

（1）大多数古代的哲学家和科学家都认为自然的本质是简单的，而不是复杂的。这种简单性主要反映在两个方面：一是物质构成上的简单性；二是物质运动上的简单性。自然的简单性主要表现在以下几方面：

①自然的规律性。它表明自然具有机械性的确定性、固有的秩序、决定性、必然性和单一因果关联等。它在古代就被人们所持有，并且植根于一神教的思想和社会管理的实践中。

②自然的外在分离性。它包括两个方面：一是自然与人是完全分离和独立的，二者之间只存在外在关系，而没有内在关联；二是自然可以尽可能地还原成一组基本要素，其中一要素与另一要素之间仅有外在关系而无内在关联，它们不受周围环境中事物的内在影响。系统的性质等于各要素之和。

③自然的还原性。它包含两个方面：一是以无限可分的思想探求物质的基本构成。如分子可以分成原子，原子可以分成原子核和核外电子，原子核又可分为质子和中子……由此走向无穷；二是认为整体或高层次的性质可以还原为部分的或低层次的性质，认识了部分的或低层次的性质，也就可以认识整体的或高层次的性质。

④自然的祛魅。一般而言，自然的经验性与复杂性是紧密相关的，也是人们难以认识的。近代科学正是在一定程度上消除了自然的经验性的基础上产生和发展起来的。

⑤自然的简单性除了表现在上述几方面外，还表现在下列一些方面：绝对的时空观；时间的外在性、非生命性和对称性；自然的对称性、可逆性、相似性、最优性等。所有这些方面都表明自然在本体论意义上是简单的。

（2）自然界存在结构的复杂性、边界的复杂性、运动的复杂性，具体体现在不稳定性、多连通性、非集中控制性、不可分解性、非加和性、涌现性、进化过程的多样性以及进化能力上。自然具有一些不同于简单性特征的复杂性：不可分离性、不可还原性、不可完全祛魅等。

（3）爱因斯坦的相对论时空观和量子力学的建立为人们打破这种绝对的时空观创造了条件：

①同时性的相对性。绝对时间能独立存在而与任何特定的客观事件和物理过程无关。但是，爱因斯坦的相对论认为，时间并非处处相同，而是随运动情况的不同而不同。对于整个宇宙来说，不存在同一的时间。以有限速度传播的相互作用，使得在某一坐标系中同时发生的两个事件，在另一相对于此坐标系运动的坐标系中，将不同时，因此，是否“同时”与所选择的参照物有关，参照系变化时，不同时的事件可能变得同时，同时的事件也可能变得不同时。

②时间与空间不可分离。时间离不开空间，时间通过空间的变动来测量。如古代的观象授时就是这样。反过来，空间的测量也可以用来表示时间。在天文学家的观念里，天体之间的空间距离就是时间，即光年。在现实世界中，时空又是不可分割地联系在一起的，人们说明一个物体在一个地点时，无不处于一定的时刻；说明某一物体在某一时刻时，无不位于一定的地点。因此，传统的三维空间结构存在着严重的缺陷，如果没有时间作为第四维的时空，那么，三维空间结构便是静止的、不动的、呆滞的，而这样的时空不能反映客观存在着的真实世界。在一个真实的、运动着的世界中，时空是统一的，两者之间不存在本质的差别。

③时间、空间与物质不可分离。爱因斯坦的狭义相对论所揭示的尺缩钟慢效应表明，时间、空间与物体的运动状态有关；而他的广义相对论所揭示的时空弯曲效应表明，时间、空间与物质有着内在的联系，物质密度越大的地方引力场的强度越大，黎曼空间的曲率越大，时间节奏的变化越快，时空弯曲得也就越厉害。时空随物质存在的不同而不同。

2．时间测量观上的革命

时间、空间与物质的不可分离性带来了时间测量观上的革命，具体表现在以下三方面：

（1）时间测量与时钟运动状态是相关的。狭义相对论表明，对某个观察来说，时钟相对于观察者静止时走得最快，相对于观察者运动时会变慢。运动越快，它的时针、分针、秒针就走得越慢。也就是说，时间膨胀了。

（2）时间测量与时钟所处场所是有关的。广义相对论认为，时间的流逝与引力场有关，引力场越强，钟也就走得越慢。这样，离一个大质量天体如太阳（或地球）很近的钟，比起另一放置很远的钟来，要走得慢。

（3）时闻测量的精度会受到被测对象的限制。对一个处在某一特定量子态的原子，能量测得越准，时间将测得越不准；能量测得越不准，时间将测得越准，但不可能达到绝对精确的程度。这不是由于时钟的精度所限，而是由于客观对象（如基本粒子）的本性限制使然。

3．自然的构成性与生成性

（1）构成论的基本思想

宇宙及其万物的运动、变化、发展都是宇宙中基本构成要素的分离和结合。可以说，古希腊自然观和机械论自然观都含有这种思想。它们否定宇宙万物真正意义上的“生成”思想，把宇宙看作是机械决定论的，否定了事物本身的随机性，否定了世界的历史性和创造性，由此在自然科学中表现为无时间性（无论是牛顿力学还是量子力学，方程两边的时间t都可消去）。

（2）事实是怎样的呢？康德的星云演化学说、达尔文的进化论冲击着这种自然观，相对论量子力学所揭示的客体的性质与在其环境的整体关系中的生成性，粒子物理和场论所揭示的大多数基本粒子的不稳定性和生灭转化性；非平衡态热力学所揭示的系统开放和远离平衡态条件下借以形成新的稳定的宏观有序结构的自组织性，尤其是宇宙大爆炸理论在对宇宙早期热历史的“考古”中所揭示的物质的种种形式（如粒子、辐射、真空等）和性质（不对称、时空等）的生成和演化，都回应着古希腊“自然”一词的本义，成为生成论转向的标志。

（3）现代科学对于实体论和还原论的拒斥，就是对于空间化思维和表态的结构分析、性质阐明的拒斥。现代科学转而去关注四维流形中随着时间而来的事件序列、动态的关系网络、生成的量子现象、演进的整体动力学机制等，也就是说，去关注更为具体的、本真的、具有某种主动性的自然。

4．粒子生成的新观念

（1）19世纪末通过研究放射性，发现一个原子核发生β衰变，放出一个电子。当时的物理学家按照传统的构成论的观点，认为观察到的电子必定就是原来那个原子核的组成部分，或者说先前的原子核中必定含有那个电子。正是由于这种观念，在1932年发现中子之前的20年里，一些人认为原子核是由质子和电子构成的。

（2）1934年，费米发明了用量子场论方法处理β衰变的工作方法。这是场论里的产生算符和湮灭算符的第一次成功运用。费米说，在他的理论里，“电子可以创生也可以消灭”。此后，物理学家们就开始使用旧粒子吸收和新粒子产生的语言，配上适当的守恒定律，去描写各种微观过程。在新的理论中，不再认为现今看到的东西早先必定已经存在。这是关于新粒子生成的新观念。如在外场的影响下，一个γ光子可以转化为电子一正电子对：

γ→e+e+

这就是粒子对产生的过程。这一对电子并不是原先那个γ光子的构成成分，而是在这一过程中生成的。

（3）在哲学上，法国哲学家柏格森试图用崭新的时间观念表达一种全新的进化观念。

①柏格森分析批判了达尔文的进化论，认为达尔文的进化论过分强调了生物体对外界环境的依赖作用而彻底忽视了有机体的自主性力量。

②柏格森认为，达尔文的进化概念虽然是一个简单明晰的概念，但是，他将适应现象的产生完全归于外在的原因，即环境对不适者的淘汰，而没有考虑有机体内在的主动性；达尔文的物种变异则是建立在偶然性、随机性基础之上的，变异的发生与有机体的整体功能无关。

（4）由英国数学家、哲学家和教育理论家怀特海创立并由建设性的后现代主义者继承和发扬的过程哲学对上述思想做了进一步的发挥。它的基本要义是：

①“事件”这一术语表明现实的基本单位不是“永久不变”的事物或物质，而是瞬间事件。

②那些在现代哲学看来是“永久不变”的事物，诸如一个电子、一个原子、一个细胞或一种精神，实际上都是一种短暂性的社会，是由一系列瞬间事件所构成的。

③每一事件都接受了先前事件的影响。

5．世界的决定性与非决定性

（1）机械论自然观是决定论的自然观。

①法国数学家和天文学家拉普拉斯看到牛顿力学不仅把天上和地上的物体的运动统一到力学原理之中，而且根据力学大量地数学地推导出其他自然现象，因此，他认为，可以“用相同的分析表达式去理解宇宙系统的过去状态和未来状态。

②把同一方法应用于某些其他的知识对象。它可能将观察到的现象归结为一般规律，并且预见到在给定的条件下应当产生的结果”。在他看来，一切事物的运动变化都存在着确定的、必然的联系，都服从某种规律。

③这种机械论自然观随着科学的发展日益表现出它的局限性。19世纪发展起来的统计物理学表明，由大量微观客体组成的宏观客体所服从的是概率论规律，而不是牛顿力学定律。

④1850年，德国物理学家克劳修斯发现了热力学第二定律，并将此表述为“熵增原理”，它说明自然界中存在不可逆过程，而牛顿力学方程关于时间反演是对称的，即过程是可逆的。

⑤这样，拉普拉斯所断言的，知道系统目前状态，就可以推知它过去的状态以及未来的状态，就不再适用了。相对论表明，牛顿力学不适用于物体宏观高速运动的情况，这直接冲击了建立在牛顿力学基础上的拉普拉斯机械决定论自然观，说明它没有反映物体在高速运动情况下的时间空间新特性。

⑥量子理论在表明牛顿理论在宏观领域有效性的同时，也暴露了在新的亚原子的领域非决定论的普遍存在。在亚原子世界中，实在的最基本构成不可能像它们真正所是的那样被分离，被准确地鉴定、预言或者理解。在认识和分析亚原子粒子的过程中，测不准原理起着基本的作用。如此由经典物理学所倡导的准确的预言以及观测对象的中立性和客观世界的稳定性就不可能获得了。

（2）混沌学

①混沌运动具有内在随机性、对初值的敏感依赖性和奇异性。

a．内在随机性是指，混沌的产生既不是因为系统中存在的随机力或受环境外噪声源的影响，也不是由于无穷多自由度的相互作用，更不是与量子力学不确定性有关，而是来自确定性系统内部的随机性。

b．对初始值的敏感依赖性是指，当初始值出现微小偏差时，便引起轨道按指数速度分离，“蝴蝶效应”就是其生动体现。

c．奇异性是指，从整体看，系统是稳定的，但从局部看，吸引子内部的运动又是不稳定的，即相邻运动轨线互相排斥，而且按指数速率分离；混沌吸引子具有无穷层次的自相似结构；它的空间图形具有分形的几何结构，其综合利用数一般是非整数维。

②混沌学表明，非线性确定论方程存在着内在随机性，或者说必然性中潜藏着偶然性；由于混沌运动具有对初始条件的敏感性，所以使得预测变得不可能。

这就从根本上动摇了机械决定论的理论基础。它表明拉普拉斯机械决定论只能适用于日常生活和线性科学。

3.2 课后习题详解

1．史前神话自然观的主要内涵是什么？

答：（1）史前人类已经能制造工具，进行狩猎等活动，但是，那时没有任何具有严格确定性特征的理论知识，没有文字，只有口头文化。

（2）这种状况使得他们只有通过想象来认识事物，把宇宙万物看成是自己生命生活的一部分。

（3）他们往往把人和生物的特性投射到那些在人们看来不但与人性无关而且与生命无关的物体或世界上去，认为自然是一个茫茫有生命的、自我运动的、有感觉和有意识的有机体，其中人类和其他生物被置于渗透一切的灵魂实体的中心。

（4）他们认为，宇宙中所发生的事情是由那些看不见的力量，如神所控制的，对这种力量进行某种仪式操作，就能够控制自然和社会。

（5）在他们的自然观中，拟人化的神对自然以及人类的干涉具有无限性，因此对任何事情不可能得到可靠的预测。

2．古希腊自然观的主要内涵是什么？

答：到了公元前6世纪，在神话宗教自然观盛行的同时，一种新的哲学思维模式——古希腊哲学诞生了。

（1）科学还处于萌芽状态，人们对自然的认识是以思辨和直观的方式进行的，自然哲学和自然科学没有区分开来，最古老的希腊哲学家同时也是自然科学家。

（2）他们探寻世界的成分、组成和它的运行等，开始仔细思考、推论和证明自然的法则，形成了对自然的独特的看法。

（3）早期希腊哲学开始于公元前6世纪之初的米利都。在这里产生了古希腊哲学的第一个哲学流派——米利都学派。该学派的泰勒斯提出了第一个真正意义上的哲学命题——“万物的本原是水”，即万物的开端、开始和起源是水；水是生命的本原，渗透在万事万物之中，使得宇宙成为有机体。根据他的这一命题，宇宙作为生长、生成、生活的生命整体的本质就揭示出来了。

（4）自然中的事物有其内在的固有本性，由本性或本原生长而来。万物皆为有机体，皆在生长，皆有灵魂。世界是一个有其自身生命、渗透着神性、处于生长过程中的有机体，世间万物都由其生长出来。这是希腊人“自然”观念的原型和要旨，是一种有机论的世界观。

3．中世纪神学自然观的主要内容是什么？

答：（1）公元4世纪，作为中世纪思想的先驱者，哲学和基督教教义的奠基人，西罗马主教奥古斯丁诅咒泰勒斯等人关于物质始基的观点，把柏拉图的理念变成了在造物之前就永恒存在的思想——上帝的原型，认为由于这个永恒思想的运动，才从虚无中产生了水、火、土、气、原子以至宇宙万物。上帝是终极的、全能的造物主。他认为，上帝创世之前没有时间和空间，时空是从上帝创世开始的，时空是有限的，上帝是永恒的并超越于时空之外。

（2）随着公元4世纪末基督教的胜利，“至公元500年，基督教会攫取了绝大多数有才华的人来为它服务，包括传教、组织管理事务、教义探讨及纯粹的思辨活动，荣耀不再来自客观和科学地理解自然现象，而是来自实现教会的目标”。从此，神学自然观占据了主导地位，自然哲学被改造成为神学和宗教的婢女，柏拉图和其他古人的宇宙论和物理学被用于阐明创世纪。对自然及其运动变化的本性、原理或形式的探讨的最终目的也是为了证明上帝的全能、至上和仁慈。

（3）到了11世纪末，十字军东征后，欧洲人开始把阿拉伯文的希腊、印度科学著作译本以及阿拉伯人自己的著作大量译成拉丁文，特别是1200年至1225年，亚里士多德全集被发现并翻译，他的自然哲学和科学被宗教神学所接受，成为了宗教神学的教条。

（4）意大利的托马斯·阿奎那研究并注释了亚里士多德的著作，并对之加以神学改造。他把亚里士多德的自然观用来作为表述神学自然观的根据，同时又把古罗马天文学家托勒密的地心学和天主教的教义结合起来，以形成他的自然观。在他看来，自然是一个由目的论制约的等级制的有序整体。在这个上帝——天使——人——动物——植物——山川江河从高级到低级的实体等级体系中，每一等级都以趋向上一等级作为自身完美的目的，而起始的原因和终极的目标就是上帝。自然界的一切运动和变化都合乎造物主的目的。世界上的万物都是上帝按照一定的目的创造出来的。

（5）至于事物运动的原因，宗教神学继承了亚里士多德的目的论。认为事物的本性是该事物具备它自身特征和行为方式的内在原因，正是本性引起了事物所有的、自然的变化。自然作为一个集合概念，包括了拥有这一本性的所有事物。物理学家就是考察这些事物及其自然变化的人。这是中世纪物理学与近代物理学共用“物理学”这一名称的原因，也是中世纪物理学家不能取得成功的—个重要原因。

（6）希腊时代以后，先是关注彼岸世界——理念世界的柏拉图主义在基督教世界中占据统治地位，后来亚里士多德主义逐渐代替了柏拉图主义。接受亚里士多德的思想本身没有过错，错的是将他的思想教条化、绝对化。可以说，亚里士多德哲学更注重研究实际的事物，鼓励了经验的研究。而且，不断增加的经验知识又越来越与依附于基督教的亚里士多德主义发生冲突，促使人们努力去摆脱它。

4．古希腊自然观与近代科学的兴起有什么关联？

答：（1）早期希腊哲学开始于公元前6世纪之初的米利都。在这里产生了古希腊哲学的第一个哲学流派——米利都学派。泰勒斯“水是世界的本原”，即万物的开端、开始和起源是水；水是生命的本原，渗透在万事万物之中，使得宇宙成为有机体。奠定了西方哲学追究本源的形上精神。阿拉克西米尼认为万物由气所构成，不同的物质乃由气的浓密稀疏所致，这开辟了把握世界的实体构成主义传统。毕达哥拉斯学派把数当作世界的本原，主张“万物皆数”，数是现实的基础，是决定一切事物的形式和实质的根据，是世界的法则和关系。赫拉克利特认为万物的本原是“火”，万物都按照对立的斗争和必然性生成，“一出于万物，万物出于一。”德谟克利特主张原子论。宇宙的本原是原子和虚空，原子不可再分，原子有两种属性；大小和形状。

（2）毕达哥拉斯学派与近代科学的关联：这个学派对科学发展的影响是重大的，它开创了从数学角度说明自然规律的先河，科学数学化的潮流正是从这里发源的。当然，以今天的观点来看，世界的本原并非是数，科学也不能等同于数学，但是，科学的起源和发展离不开数学，数学是认识世界必不可少的工具。近代的科学家，如哥白尼、伽利略、开普勒等人，都曾承认受到毕达哥拉斯学派的启发。考察科学发展的历史可以发现，17世纪科学兴起的“微粒说”“原子论”与上述古希腊的原子论就有着紧密的关联，机械自然观的形成与古代原子论的复活是分不开的。原子论所代表的以基本的物质微粒的运动来解释宏观经验的思想路线，是近现代科学研究所遵循的主要路线；原子论试图通过少数基本假定来统一解释自然界的各种现象，以实现科学理论的统一性的方法论原则，同样被近代科学所继承和发展，成为它的研究纲领。原子论所内含的自然观与近代科学中的机械论自然观基本一致。

5．机械论自然观的主要内涵是什么？

答：机械论自然观正确地提出力的概念，并由此对机械论哲学作了根本上的修改并赋予其以更深刻思想的是伟大的英国科学家牛顿。

（1）牛顿所提出的“力”并不是一个像文艺复兴时期自然主义中“爱”和“憎”一样含糊的、起定性作用的词，也不完全是那种解释碰撞作用的“一个物体对另一个物体的压力”，而是改变物体机械运动状态的、能够精确度量的力学上的一种物理量。

（2）牛顿不仅根据“自然的一致性（或简单性）原则”“同因同果的线性因果决定论原则”“物体属性的普遍性原则”和“归纳主义原则”，从现象中推出普遍的规律，而且明确提出了他的核心研究纲领。

（3）牛顿在他的著作中很好地贯彻了他的研究纲领。他在其经典名著《自然哲学的数学原理》中清楚地定义了涉及物质运动的“质量”“动量”“惯性”“时空”等基本概念，提出了运动三定律和万有引力定律，从而将天上的运动和地上的运动统一了起来，构建起严谨的经典力学体系。而且他开始把表面看来并非力学现象的“自然界的其余现象”也与力学原理联系起来，要从力学原理中导出它们。

6．机械论自然观与近代科学革命的发生有什么关联？

答：机械论自然观已经不适合近代科学发展的需要了。因此，机械论的自然观面临着诸多挑战。

（1）这种挑战首先来自于光学偏振现象的发现，曾迫使托马斯·杨和菲涅耳作出了光是横波的假定，横波假说仍然是从机械论框架中提出来的，然而一旦引入这一假定，机械论框架就失去了内部的和谐，由此产生了它无法摆脱的“以太悖论”困境。这个“以太悖论”终于在这个僵硬的机械论框架（机械论自然观）内部爆发出来，并打开了它的第一个巨大的缺口。机械论在光学领域遇到了第一个沉重打击之后，在电磁领域它又遭到了接二连三的致命打击。

（2）机械论自然观面临危机的真正标志是出现了一种新的自然图景与之相对抗，这就是以法拉第和麦克斯韦为代表的科学家所提出的“场”的观念。虽然在这个“场”的观念的形成和发展过程中，机械论自然观曾经起过重大的，甚至是非常杰出的作用，但“场”的观念的形成和发展，最终却导致了机械论自身的衰落。

7．牛顿的自然哲学与18、19世纪科学的发展有何关联？

答：为了进一步“合理地”贯彻牛顿的机械论纲领，18、19世纪的许多杰出的科学家们力图构建隐藏在现象背后的某种假想实体，并赋予这种实体以纯机械的（力学的）性质，以便对复杂的自然现象作出统一的机械论解释。

（1）考察18世纪科学发展的历史，不难发现，科学中几乎每一个重大发现都是对牛顿自然哲学及他的科学纲领的支持，都在证实着机械自然观而不是相反，在科学家中没有出现重要的机械论的反对派。不过，就机械论的社会影响来说，在18世纪，它还只是少数科学家和先进学者的信念，在广大群众和知识阶层中流行的，仍然是中世纪的世界观。要使机械论成为时代的精神，还需要那一时期的哲学家将它发展成熟并加以宣传。

（2）与牛顿几乎同时，英国唯物主义哲学家霍布斯和洛克把科学中的机械论自然观上升为机械唯物论哲学，使机械观的概念范畴，如物质、运动、组成等得到进一步的概括和精练，并发展成为经典形态的成熟的机械观。

（3）牛顿的经典力学和英国的机械论哲学传到法国后，对18世纪法国思想界的启蒙运动起了决定性的影响。他们将公开的、战斗的无神论思想引入机械论，使经典的机械论进一步发展为极端化的机械唯物论。他们把物质看作是唯一的实体，是存在和认识的唯一根据，不依赖于思维和造物主而存在；把物质的运动归结为机械运动，具有机械的因果必然性；把人对物质世界的认识看作是刺激反应式的反映论，把人看作是机器，从而走向了机械论的一元论。

8．科学的进一步发展是如何一次次冲击机械论自然观的？

答：（1）这种挑战首先来自于光学偏振现象的发现，曾迫使托马斯·杨和菲涅耳作出了光是横波的假定，横波假说仍然是从机械论框架中提出来的，然而一旦引入这一假定，机械论框架就失去了内部的和谐，由此产生了它无法摆脱的“以太悖论”困境。这个“以太悖论”终于在这个僵硬的机械论框架（机械论自然观）内部爆发出来，并打开了它的第一个巨大的缺口。机械论在光学领域遇到了第一个沉重打击之后，在电磁领域它又遭到了接二连三的致命打击。

（2）机械论自然观面临危机的真正标志是出现了一种新的自然图景与之相对抗，这就是以法拉第和麦克斯韦为代表的科学家所提出的“场”的观念。虽然在这个“场”的观念的形成和发展过程中，机械论自然观曾经起过重大的，甚至是非常杰出的作用，但“场”的观念的形成和发展，最终却导致了机械论自身的衰落。

9．新自然观的主要内涵怎样？对此有何评价？

答：（1）新自然观的主要内涵

新自然观即辩证自然观的主要内容是：自然界中的各种事物是普遍联系的。自然界的物质和运动是不可分离的，物质和运动不仅有量的差别和变化，还有机械论者不愿意承认的质的差别和变化是多样性的统一。高级运动形式由低级运动形式转化而来，它包含低级运动形式，但不能完全还原为低级运动形式；物质是发展演化和永恒循环的，在这个循环中，物质的任何有限的存在方式，不论是太阳或星云，个别的动物或动物种属，化学的化合或分解，都同样是暂时的，而且除永恒变化着、永恒运动着的物质以及这一物质运动变化所依据的规律外，再没有什么永恒的东西。

（2）评价

辩证自然观的提出具有重要意义，是对古希腊有机论自然观和机械论自然观的扬弃。它消除了神秘主义、神创论、目的论、物种不变论的自然观，批判了自然（对人类这个唯一的主体而言）依赖于外部作用而运动的观点，指出了机械唯物论的某些不足之处。辩证自然观不是人类自然观的终结，也没有终结机械论自然观。