物理學(xué)論文-萊布尼茨對(duì)真空的研究及其現(xiàn)代價(jià)值.doc

物理學(xué)論文-萊布尼茨對(duì)真空的研究及其現(xiàn)代價(jià)值摘要:萊布尼茨繼承笛卡爾關(guān)于空間與物質(zhì)關(guān)聯(lián)的觀念,并提出相對(duì)時(shí)空觀以反對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀,從而否認(rèn)空無(wú)一物的真空的存在。萊布尼茨對(duì)真空的研究成果在他那個(gè)時(shí)代并沒(méi)產(chǎn)生太大的影響,但卻為20世紀(jì)物理學(xué)革命擯棄牛頓的絕對(duì)時(shí)空提供了思想資源。關(guān)鍵詞:萊布尼茨；真空；時(shí)空觀Abstract:LeibnizinheritedCartesianconceptontherelevancebetweenspaceandmaterialandputforwardrelativeviewofspace-timetoopposeNewtonsabsoluteviewofspace-time,sohedeniedtheexistenceofthevacuumwhichisnothing.Leibnizsresearchresultsonthevacuumdidnothavemucheffectinhisera,butitprovidedtheresourcesofthinkingtogetridofNewtonsabsolutespace-timeinthephysicsrevolutioninthe20thcentury.Keywords:Leibniz；vacuum；viewofspace-time萊布尼茨生活于被科學(xué)史家譽(yù)為“天才的世紀(jì)”的17世紀(jì),與開(kāi)普勒、伽利略、笛卡爾、帕斯卡、波義耳、牛頓等科學(xué)巨匠處于科學(xué)史上的同一個(gè)時(shí)代。萊布尼茨不僅是一位偉大的數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家,而且是近代一位(也許是唯一一位)可比肩亞里士多德的百科全書(shū)式學(xué)者。他在自然科學(xué)以外的其它人類理智領(lǐng)域,比他同時(shí)代的其他科學(xué)巨匠取得了更多的成就。他被譽(yù)為德國(guó)的科學(xué)、哲學(xué)之父,還在神學(xué)、技術(shù)發(fā)明、法學(xué)、歷史學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、政治學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著堪稱同時(shí)代一流的建樹(shù)。西方的一位學(xué)者曾這樣評(píng)價(jià):“萊布尼茨可能是近代世界最全面的天才,觸及了現(xiàn)代知識(shí)的幾乎每一個(gè)分支。他是最后一位希望掌握現(xiàn)代知識(shí)的所有領(lǐng)域,并且是百科全書(shū)式人物的人?！币苍S正因?yàn)槿R布尼茨所涉及的研究領(lǐng)域過(guò)于寬泛、龐雜,他的許多研究成果的重要價(jià)值在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未得到重視,譬如他對(duì)真空問(wèn)題的研究。盡管由于當(dāng)時(shí)的客觀條件所限,萊布尼茨在真空研究中更多的依靠科學(xué)的猜測(cè)和哲學(xué)的思辨,但其結(jié)論竟與200多年后的科學(xué)大師愛(ài)因斯坦、狄拉克等人對(duì)真空研究的成果暗合,確是令人不得不感嘆其思想之天才。1“真空問(wèn)題”的歷史脈絡(luò)對(duì)真空問(wèn)題的研究及爭(zhēng)論可追溯到古希臘。德謨克利特等原子論者認(rèn)為,世界是由原子和虛空構(gòu)成的,提出了真空這一命題；而亞里士多德則認(rèn)為,宇宙中充滿了“以太”,因而真正的虛空是不存在的,他的名言是“大自然厭惡真空”。這可以說(shuō)是人類對(duì)真空問(wèn)題探討和爭(zhēng)論的源頭,并一直延續(xù)至今。不過(guò),在這里有一點(diǎn)必須指出,真空的概念是有歧義的,有所謂“物理真空”和“哲學(xué)真空(或稱形而上學(xué)真空)”之分,而“物理真空”又有“經(jīng)典真空”與“量子真空”之別。歷史上對(duì)真空概念不同時(shí)期也各有側(cè)重,古希臘的真空概念更多是哲學(xué)意義上的,偏向于“虛空”、“虛無(wú)”的含義；17世紀(jì)的真空概念是“物理真空”和“哲學(xué)真空”兩者兼而有之；而現(xiàn)代的真空概念更多地是指“物理真空”。當(dāng)然,“物理真空”和“哲學(xué)真空”的概念區(qū)分并不是完全清晰的,也無(wú)法成為在該領(lǐng)域嚴(yán)格區(qū)分科學(xué)問(wèn)題和形而上學(xué)問(wèn)題的依據(jù),真空問(wèn)題依然是(也許會(huì)永遠(yuǎn)是)科學(xué)、形而上學(xué)糾纏在一起的一個(gè)前沿領(lǐng)域。17世紀(jì)的真空研究與笛卡爾有很大的關(guān)系。實(shí)際上,人們對(duì)自然的看法總是首先基于自身的日常經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于物質(zhì)與空間的關(guān)系也不例外。按照常規(guī)思維,人們很自然地把空間想像為一個(gè)巨大、不動(dòng)的空房子,物質(zhì)就是被一件件搬到這座房子里的東西,因而空間必然是先于物質(zhì)存在的。這樣,空無(wú)一物的真空就是可能的。這就是所謂的絕對(duì)空間的觀念。于是有人就想像地球到太陽(yáng)間的地帶是真空。但笛卡爾不這么認(rèn)為。在他看來(lái),空間與物質(zhì)不可分,空間只存在于已有某些物質(zhì)的地方,是物質(zhì)的存在才使空間得以存在；空無(wú)一物的真空是不存在的。他說(shuō):“實(shí)際上,我們無(wú)法想像一個(gè)空無(wú)一物的容器,一如無(wú)法想像一個(gè)沒(méi)有谷的山:這將意味著無(wú)需廣延就能設(shè)想容器的內(nèi)容,或者無(wú)需實(shí)體就能設(shè)想廣延:確實(shí),沒(méi)有什么東西能夠不具有廣延?！敝劣谛请H間的地帶,笛卡爾認(rèn)為不是真空,而是充滿了物質(zhì)的,這種物質(zhì)就是以太。笛卡爾從以太演繹出了他的宇宙學(xué)說(shuō)。笛卡爾否認(rèn)真空存在的學(xué)說(shuō)受到了托里拆利、帕斯卡等人的強(qiáng)有力挑戰(zhàn)。他們兩人分別做的“托里拆利實(shí)驗(yàn)”、“真空實(shí)驗(yàn)”使人們“眼見(jiàn)為實(shí)”地相信實(shí)驗(yàn)中水銀柱上方的玻璃管中存在著一段真空。近代原子論者及牛頓學(xué)派也都相信真空的存在。從那時(shí)起,贊成真空存在一派似乎占了上風(fēng)。2萊布尼茨“相對(duì)時(shí)空”與牛頓“絕對(duì)時(shí)空”的對(duì)立萊布尼茨是笛卡爾之后否認(rèn)真空存在的代表人物,為此他與堅(jiān)持真空存在的牛頓學(xué)派發(fā)生了激烈的爭(zhēng)論。他認(rèn)為,真空即是虛無(wú)。牛頓學(xué)派的克拉克就曾指責(zé)笛卡爾和萊布尼茨把真空與虛無(wú)等同了起來(lái)?？死苏J(rèn)為,沒(méi)有物質(zhì)的空間無(wú)疑是一無(wú)所有的空間,但并不表示空間本身也被消除了。在克拉克看來(lái),“如果廣延是物質(zhì)的本質(zhì),那么物質(zhì)就等同于空間本身；由此可以推出,物質(zhì)必然是無(wú)處不在的、無(wú)限的和永恒的,并且它們是既不能被創(chuàng)造,也不能回歸虛無(wú),這是荒謬的?！币簿褪钦f(shuō),依牛頓學(xué)派,笛卡爾和萊布尼茨的錯(cuò)誤之癥結(jié)就在于把空間與物質(zhì)等同了起來(lái)。我們知道,經(jīng)典力學(xué)大廈賴以建立的基石是牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀,其精要可概括為“時(shí)空獨(dú)立于物質(zhì)而存在”。萊布尼茨明確反對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。他曾寫道:“我把空間看作某種純粹相對(duì)的東西,就像時(shí)間一樣；看作一種并存的秩序,正如時(shí)間是一種接續(xù)的秩序一樣。因?yàn)橐钥赡苄詠?lái)說(shuō),空間標(biāo)志著同時(shí)存在事物的一種秩序,只要這些事物一起存在,而不必涉及它們特殊的存在方式；當(dāng)我們看到幾件事物在一起時(shí),我們就察覺(jué)到事物彼此之間的這種秩序?！痹谶@里,萊布尼茨把空間看作是一種“并存的秩序”；把時(shí)間看作是“接續(xù)的秩序”。所謂“并存的秩序”、“接續(xù)的秩序”,更通俗的理解即為一種關(guān)系,即相對(duì)時(shí)空觀。萊布尼茨認(rèn)為,空間、時(shí)間本身不是如牛頓理論所言是絕對(duì)的、實(shí)在的存在。時(shí)空與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)密不可分,離開(kāi)了物質(zhì)就無(wú)所謂空間,同樣離開(kāi)了物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)也就無(wú)所謂時(shí)間。空間并不是邏輯上先于和獨(dú)立于物質(zhì)存在的容器。他認(rèn)為,物質(zhì)在邏輯上先于空間的存在,并以空間的形式排列,空間只不過(guò)是一種關(guān)系,除此之外沒(méi)有什么空間存在。因而萊布尼茨認(rèn)為,牛頓理論中的絕對(duì)空間是不存在的,一個(gè)物體僅能改變其與另一物體的相對(duì)位置,它不能改變其在絕對(duì)空間中的位置,因?yàn)榭臻g是非實(shí)在的,除了物體間的位置關(guān)系,不存在絕對(duì)意義上的參照系,也即不存在所謂的絕對(duì)空間本身。時(shí)間也是如此,除了是事件之間的關(guān)系外,它什么都不是,也就不存在絕對(duì)時(shí)間。由于反對(duì)絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間,萊布尼茨自然也反對(duì)牛頓理論中的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)概念。與他的相對(duì)空間觀念對(duì)應(yīng),他認(rèn)為,運(yùn)動(dòng)也不過(guò)只是一個(gè)物體相對(duì)于另一個(gè)物體的位置變化,因此,運(yùn)動(dòng)根本不是什么絕對(duì)的東西,它只存在于關(guān)系之中。也即,那種依托于不動(dòng)的絕對(duì)空間背景之上的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)根本是不存在的,任何物體的運(yùn)動(dòng)必然與其它物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)。與以上的這些觀點(diǎn)相關(guān)聯(lián),萊布尼茨自然否認(rèn)虛空的存在,因?yàn)樗欠磳?duì)原子論的,同時(shí)他認(rèn)為空間既可以被充滿也可以是空的這種觀念是無(wú)法接受的。3萊布尼茨對(duì)真空研究的現(xiàn)代價(jià)值針對(duì)真空存在派的托里拆利、帕斯卡等人的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn),萊布尼茨也試圖從更多科學(xué)的角度及“物理真空”的方面去否定真空。他指出,托里拆利實(shí)驗(yàn)中水銀柱上方玻璃管中的那段根本就不是真空,那里不過(guò)是排除了粗大的物質(zhì),但仍充滿了精細(xì)的物質(zhì),如光線仍可透過(guò)進(jìn)入其內(nèi)。因而,他認(rèn)定其中并不是真空,因?yàn)楣庖彩俏镔|(zhì)。萊布尼茨還為此作了一個(gè)形象的比喻。他說(shuō)容器就好比是一個(gè)滿是細(xì)孔的箱子,將它放到水里,箱子里有魚(yú)和其他粗大的東西,把這些粗大的東西拿掉,這箱子里仍然還是充滿水的。萊布尼茨實(shí)際上在這里是通俗講解了笛卡爾的充滿以太的宇宙模型。因而,萊布尼茨認(rèn)為空的空間不過(guò)是一種想象。20世紀(jì)初物理學(xué)革命后,人們開(kāi)始重新審視真空問(wèn)題,愛(ài)因斯坦和狄拉克分別基于相對(duì)論和量子力學(xué)對(duì)真空進(jìn)行了研究,愛(ài)因斯坦認(rèn)為真空是“廣義相對(duì)論的以太”；而狄拉克把真空看作是“量子場(chǎng)的基態(tài)”。這樣,這兩位20世紀(jì)的物理學(xué)大師就為現(xiàn)代真空研究奠定了“真空不空”這一基本結(jié)論框架。實(shí)際上,不管是在愛(ài)因斯坦還是在狄拉克那里,真空都被當(dāng)成是宇宙背景。應(yīng)該說(shuō),萊布尼茨的上述關(guān)于真空的看法今天看來(lái)在某種程度上是正確的,它正與現(xiàn)代的愛(ài)因斯坦和狄拉克的把真空看作是宇宙背景的理論暗合,的確是天才性的猜測(cè)。但由于萊布尼茨實(shí)證研究力度不夠,牛頓學(xué)派對(duì)萊布尼茨的上述論證深不以為然,因而也不可能改變牛頓學(xué)派關(guān)于真空的觀點(diǎn)。不過(guò),萊布尼茨的相對(duì)時(shí)空的理念及對(duì)真空的研究成果給20世紀(jì)物理學(xué)革命中擯棄牛頓的絕對(duì)時(shí)空提供了思想資源。此外,他在與牛頓學(xué)派有關(guān)真空問(wèn)題的爭(zhēng)論中,還廣泛涉及了近代科學(xué)中一些非常重要的概念,如原子、以太、引力、物質(zhì)等,實(shí)際上為后世留下了極其寶貴的思想遺產(chǎn),寫下了科學(xué)思想史上璀璨的一頁(yè)。當(dāng)然,愛(ài)因斯坦和狄拉克的上述真空概念也是屬于“物理真空”層面,只是再歸細(xì)類的話,愛(ài)因斯坦的屬于“經(jīng)典真空”,狄拉克的屬于“量子真空”。因而,像任何其他“物理真空”的概念一樣,它們也逃脫不掉似胡攪蠻纏的“哲學(xué)真空”的追問(wèn):既然真空是空無(wú)一物,也就是無(wú),那又何來(lái)真空的概念?即是宇宙背景那還是真空嗎?真空的宇宙背景到底是什么?當(dāng)然,對(duì)立者也可反問(wèn):真空什么也不是,但什么也不是的東西經(jīng)過(guò)確定就真的不存在嗎?實(shí)際上有關(guān)真空的此類問(wèn)題在古希臘愛(ài)利亞學(xué)派的巴門尼德提出他的關(guān)于“存在”與“非存在”的學(xué)說(shuō)時(shí)就存在著,后世的不同僅僅在表述方式上。而有關(guān)真空問(wèn)題的研究將會(huì)繼續(xù)(甚至可能永遠(yuǎn)是)如萊布尼茨與牛頓學(xué)派論爭(zhēng)的那樣是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題與形而上學(xué)問(wèn)題糾纏在一起的獨(dú)特領(lǐng)域。因?yàn)?如果認(rèn)為真空被愛(ài)因斯坦和狄拉克認(rèn)定為宇宙背景而似已得到解決不再是問(wèn)題的話,那么,人類的理性必然會(huì)再