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论形象思维在物理学发展中的作用 华东师范大学 2004届硕士学位论文 论形象思维在物理学发展中的作用系 别:哲学系专 业:科学技术史研究方向:物理学思想史指导老师:徐毅毅副教授研 究 生:吕仕儒学 号:2004年 5月目录 内容提要ABSTRACT 引 言 一、 形象思维在古典物理学发展中的作用(一)、 自然哲学时期 (二)、 从天体运行论到牛顿的综合 (三)、 电磁场理论的建立 二、 从狭义相对论到广义相对论的历程(一)、 相对论产生的历史背景 (二)、 狭义相对论的建立 (三)、 广义相对论的建立 (四)、 从静态宇宙模型到动态宇宙模型的演化 三、 从量子论到量子力学的建立 (一)、 量子论的早期发展 1、“能量子”概念的提出2、卢瑟福原子有核模型的建立(二)、 玻尔的半量子化原子结构理论 (三)、 量子力学的建立 1、德布罗意波的提出3、海森堡矩阵力学的建立 (四)、 量子力学的正统解释及其争论 四、从电子到夸克的探求-(一)、从电子的发现到对粒子的预言 1、四个“基本粒子”的发现2、理论对中微子、正电子和 介子的预言 3、混乱中寻找秩序 (二)、夸克模型的建立 (三)、走向统一 ? 超弦理论结 语 注释:参考文献:内容提要 科学研究离不开创造性思维。而人作为具有视觉感官的认识主体,在科学研究中总要受到来自经验的视觉图像的影响。这样,形象思维便以其特有的、建立在形象化基础上的联想和想象成为这种创造性思维的主要形式之一。 本论文从科学史的角度出发,结合形象思维的特点、人类的感觉特征以及科学语言的特性,论述了形象思维在物理科学发展中的表现形式和演变过程,并通过典型的科学案例对这种思维形态进行了较为具体的分析和刻画。全文共分四部分: 一、 形象思维在古典物理学发展中的作用; 二、 从狭义相对论到广义相对论的历程; 三、 从量子论到量子力学的建立; 四、 从电子到夸克的探求。 本论文的创新之处在于把形象思维放在整个物理学的发展进程当中,系统地论述和分析了这种创造性思维形态的演变和发展过程,并对其在不同的科学阶段和不同的科学家身上所反映出的异同点,进行了比较细致的对照和分析,以便对形象思维的内在机理有个深入的了解和认识,从而在认识论乃至方法论的层面上为人们提供一些有益的参考。关键词:形象思维、逻辑思维、心智图像 IAbstract Science research can not go without creativity. People, as cognitive subjects with the visual sense., can not always avoid the influence of the visual image from their experiences. The association and imagination based on visualization is one main form of creativityThis paper, beginning from the perspective of scientific history, combining with the characteristics of thinking in images, with the characteristics of human senses as well as the characteristics of science language, discusses the manifesting form and evolving process of thinking images in the development of physics science. This paper also specifically analyzes and describes the thinking through typical examplesThis paper includes four parts: 1. the role of thinking in mage in the development of classic physics 2. the process from relative theory in narrow sense to relative theory in broad sense 3. the building of quantum mechanics from quantum theory 4. the exploration from electrons to quarksThe creative side of this paper lies in putting the thinking in image in the process of physics science development, systematically discoursing upon and analyzing the evolutional and developmental process of this type of creative thinking mode, and contrasting and analyzing in comparative detail the revealing common points and different points of creative thinking mode in different scientific stages and different scientists, so as to get a deep understanding of the internal mechanism of thinking in image; hence provides people with some useful reference from the perspective of epistemology and methodologyKey words:thinking in images、logical thinking、mental picturesII引 言形象思维是创造性思维的一种主要形态,它和逻辑思维(抽象思维)相互渗透,相互补充,在人类科学认识活动中起着主要的作用。 我们知道逻辑思维是科学认识活动中的一种基本和普遍的思维类型,它通过概念、判断和推理概括事物的本质,把握事物的内部联系。没有逻辑思维,就没有严谨的科学理论。正是逻辑思维,通过严密而精确的推理,保证了科学理论的正确性。我们就是通过逻辑推理结论与经验事实相比较的方法,来检验有关事物本质的概念和判断正确与否。尤其是逻辑推理的最高形式?数学方法,以其高度的抽象性、精确性以及应用的普遍性,使之成为不受具体内容限制的形式科学,它建立在严格逻辑基础之上的数学公理化方法,为自然科学建立严谨的公理化体系树立了光辉典范。 然而,对于科学而言,仅有抽象的逻辑思维是远远不够的,因为感性知觉永远是以实验和观察手段为基础的科学研究的出发点,纯粹的抽象思维本身不能给我们带来关于外界客体的知识,只有考虑到理论思维同经验感觉材料的全部关系的总和,才能达到理论思维的真理性。这便是科学活动离不开形象思维的根本所在。 形象思维比逻辑思维具有更大的灵活性和发散性,它能在思维过程中,将意象“随意地”再生和组合,从而突破现实的局限,抓住事物的主要矛盾,揭示出认识对象的本质和规律。对此,许多身临其境的科学家都深有感触,爱因斯坦就此曾说:“想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。1严格地说,想象力是科学研究中的实在的因素。” 英国物理学家廷德尔(John Tynodoll,1810? 1893)在谈到形象思维的重要性时则说:“有了精确的实验和观察作为研究2的依据,想象力便成为自然科学理论的设计师。”波尔兹曼L?Boltzmann,1844?1906也发表过同样的看法,他说:“思维法则应该按照我们的视觉器官眼睛、听觉器官耳朵?的发展而发展,我们一定不要渴望通过我们的概念而得出有关自然的性质,而必须让后者去适3应前者。”人类作为具有视觉器官的认识主体,在科学探索中,始终摆脱不掉来自经验的视觉图像的影响,把自己熟悉的事物带入未知的研究领域是物理学家一贯的心态和做法。在一定程14度上可以说“认知是用以前储存的心像来看待现在的事物”的过程,这不仅因为视觉化的心像,可以帮助我们思考和认识那些陌生的想象不到的东西,而且正如英国心理学家格雷高利(Richard Gregory)说的那样“我们非但只相信自己看到的东西”而且“到某种程度,5我们也只看到自己相信会有的东西?这些在我们信念上的涵意,实在令人感到恐惧。”有唯理论倾向的科学家甚至认为,科学最初只对这种“心智图像”操作,然后才涉及经验事实。因为“没有哪一个理论可以实实在在地与自然完全一致,任何一个理论只是现象的心智图像,6作为指称符号与它们相关”尽管这种说法有失偏颇,但却也反映出了来自经验的图景式的暗示在科学活动中对科学家所产生的影响。同时,我们所运用的语言也总是不时地把视觉化的图景带入我们的潜意识。所有这一切就使得科学家在科学研究当中一再地与形象思维发生着联系。 在科学活动中,形象思维的表现形态不是一成不变的,随着科学研究的不断深入,它的表现形态,也从最初仅仅建立在感性直观基础上的,对研究对象简单而朴素的猜测和形象化的描绘,渐渐发展到后来以科学实验和科学理论为背景,通过直觉去建立形象化的科学的物理模型和图景。 本文就是沿着物理科学的发展路经,从科学史的角度来论述和分析形象思维在物理学当中的重要性,看它如何和抽象思维结合起来,在物理学发展过程中发挥作用。 2一、 形象思维在古典物理学发展中的作用 恩格斯说过:“在古希腊哲学的多种多样的形式中,差不多可以找到以后各种观点的胚胎、萌芽。因此,如果理论自然科学想要追溯自己今天的一般原理发生和发展的历史,它也7不得不回到希腊人那里去。”那么就让我们从公元前五世纪古希腊的毕达哥拉斯学派开始,来探寻形象思维在自然科学当中(主要是物理学)的作用。 (一)、 自然哲学时期 人类作为从动物群体进化来的具有视觉器官的认识主体,通过自身感觉器官(主要是视觉器官)对外部世界的直接感受,是对世界产生认识的最初也是最根本的出发点。 毕达哥拉斯学派是早在柏拉图、亚里士多德之前古希腊颇具神秘色彩的一个学派,其领袖人物是毕达哥拉斯(Pythagoras,约前 571?前 497)。这个学派崇尚数学,讲究数学传统。他们认为数是万物的本源,圆形和球形是世界上最完美的几何图形。虽然,我无法准确地说出他们最初是如何认识到数与数之间的和谐关系即是宇宙的真实秩序;但是,据说他们经常在沙滩上用小石子排列各种各样的图形来对数进行研究。结果他们把 3,6,10,15叫做三角形数, 把 4,9,16,25?叫做正方形数,因为用前者数目的小石子可以规则地拼成正三角形,用后者数目的小石子可以规则地拼成正方形。而当他们发现由 1+2+3+410颗小石子能排成赏心悦目的正三角形时,就把 10这个数称为“圣数”,即最完美的数,因为在他们眼中正三角形看上去是对称的、和谐的。而他们之所以把圆形和球形看作是最完美的几何形体,最初可能也是缘于对天体形状观察的结果。他们通过观察,认为月光是阳光反射的结果,月面明暗交界处的圆弧形,表明月球是球形的;而通过月食时大地投射到月球上的影子的观察,认为圆形的阴影正好说明地球也是球形的;而给世界带来温暖和光明的太阳则显然是球形的。并进一步在对日升日落的体验和观察中,得出这些天体都在绕着地球作着昼夜不停的匀速圆周运动的结论。正是在这种认识的基础和前提下,怀着对大自然的深深的敬畏,才从内心产生出圆形和球形是最完美的图形,而匀速圆周运动是最完美的运动的观念。由此可见,崇尚数学的毕达哥拉斯学派的科学家们的基本理论和观点,尽管属于抽象的数学范畴,但是其背后仍然受着来自经验的形象化的自然图景的暗示和启发。 同样,深受毕达哥拉斯学派影响的柏拉图(Platon,前 427?前 347),虽然他认为数学38“?能迫使灵魂使用纯粹理性通向真理本身”然而,他在用数学模型来构造和解释世界时,用的却是由两个不同的三角形组成的五个凸正多面体 ,并让这五个凸正多面体分别与四个物理元素以及他所谓的“第五元素(quintessence)”相对应。从这儿可以明显地看出这位崇尚数学的哲学家对来自经验的和谐对称的形象化图景的嗜好和偏爱。 而亚里士多德(Aristoteles,前 384?前 322年),这位崇尚演绎逻辑,提出了通过演绎去获得科学知识的认识方法的 “百科全书式的学者”。他的许多命题依然是在对生活现象观察的基础上,通过形象思维的联想和想象获得的。譬如,他的物体运动的速度与外力成正比的命题;力是使物体产生运动的原因的命题等等。而他主张地球的形状是球形的,是因为他认为“世人能够从感觉上体会到的一些现象也可以作为地球为球形的证据。当月食的时候,其显明部分恰带有球形的形状,这还有什么可以解释的呢?但是月食的原因乃是由于地9球掩蔽地球之固,因而这就是说,地球表面的球形确定了月球的轮廓。”接下来了解托勒密(Claudius Ptolemaeus,约 90? 168)的“地心说”思想。托勒密把地球当作宇宙的中心。他认为,我们每天都可以看到太阳的东升西落,都可以看到自由落体总是垂直下落。这些现象说明地球是静止的。如果地球是运动的,那么物体就应该斜着下落,而且天空中的飞鸟和云朵也不会是自由地飞翔和飘浮,并且我们还会感到从地球运动的方向吹来强劲的风,而实际上这些现象都没有发生,那么就可以想象得到地球肯定是静止的。显然,他的理论框架也是建立在自然的形象直观的图景之上。不过,虽然作为假说,“地心说”包含许多思辨的成分,但同毕达哥拉斯以及亚里士多德相比要少得多。托勒密更加注重事实和观察,为了让自己的理论尽量符合观察数据,他引入了偏心圆,并运用了大量均轮和本轮,从而使他的体系显得过分繁杂;但他的这种尊重事实的态度无疑是科学的。他的这种对自然形象直观的描绘,无论从感性经验还是认识水平都和当时人们的接受能力相一致,这也是他的理论之所以能被人们长期认可的一个主要因素。 甚至像欧几里德Euclid,前 330?前 270年这样以其所建立的几何严密而完整的逻辑体系而著称的科学家,在他的理论中仍然可以窥探到形象思维的影子。譬如,在证明两个图形全等时,他就是通过诉诸叠合的形象化手段来进行的。而事实上,几何学所以比代数学发展得更快、更早,也与其自身所具备的形象直观的特性分不开。 和处于地中海岸边的古希腊相对应,位于黄河流域的中国,是古代世界两个文化和科这五个正凸多面体是:正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体;除了正十二面体外,o o o其余均可用柏拉图的两种三角形构成。柏拉图的两种三角形分别是等腰直角三角形和内角为 30 ? 60 ? 90的三角形。正十二面体的构成需要一个两个底角各为顶角两倍的等腰三角形。 4学中心的另一个发源地。古代中国学者的许多思想同样来源于形象思维的联想和想象,同样是在对大自然形象化的感性直观的观察和体验之上建立起来的,譬如,盖天说中的“天圆如张盖,地方如棋局。”(晋书?天文志);浑天说中的“天如倚盖,地若浮舟。”(浑天赋);地动说中的“地恒动不止,而人不知,譬如人在大舟中闭牖而坐,舟行不觉也。”(尚书纬?考灵曜)这些无一不是感性直观的产物。他们看到水总是从高处流向低处,而当各处一样平时,就停止流动的现象时,马上就联想到大地应当是一个巨大的平面?。抛开这些结论正确与否不说,单从其描述来看就知道纯粹是对形象化的自然图景的一种朴素的联想和想象。 可见,无论是古希腊还是古中国的学者,他们的自然哲学思想,基本上来源于对外部客观世界的直观印象。他们从客观事物的表象和感性直观体验出发,通过简单而朴素的联想和想象去认识和把握自己的研究对象。虽然,这些建立在纯粹的观察和思辨之上的朴素观点是粗糙的,而且其中包含有许多错误的东西,但是从其认识角度和方法来看,他们的思想和手段对后来科学的发展确实产生着巨大而深远的影响。 (二)、 从天体运行论到牛顿的综合 自然科学诞生的标志是 1543年哥白尼Nikolaus Copernicus, 1473? 1543天体运行论的发表。天体运行论把托勒密本末倒置的“地心说”重新颠倒了过来,指出太阳是宇宙的中心,地球只不过是其中一颗普通的行星。那么哥白尼对托勒密 “地心说”的否定是缘何作出的呢?是逻辑思维的推理呢,还是来自形象思维的想象呢? 哥白尼受毕达哥拉斯和柏拉图影响较大,他认为上帝是按照完美的球形和匀速运动的方式创造世界的,他说:“首先,我们应当指出,宇宙是球形的 。这是否因为这种形状是万物中最完美的形状,它无需进行任何粘合,就形成完整的整体,既不能添加什么,也不能减10少什么?” 他的表述使我们看到了哥白尼对这种对称图景的偏爱。所以当他看到托勒密模型用了 80多个本轮和均轮,而且还使用了偏心圆时说:“想到哲学家们不能更确切地理解11最美好和最灵巧的造物主为我们创造的世界机器的运动,我感到懊恼。” 因此:“我看到这些缺点,时常想,也许能够找出这些圆形更合理的一种安排,使每一个出现的差异都可以从它推导出来,根据这种安排,每个天体都绕着它合适的中心均匀转动,正如绝对运动规律所12要求的那样。” 可见,哥白尼从内心对托勒密的理论产生排斥,最初是由托勒密所描绘的这种繁杂和不协调的图景引起的。 5而他在建立“日心说”时,虽然声称是由于受古人著作的启发而产生的,但我们还是很容易看到其中仍然离不开他对自然现象中的运动相对性现象的较深刻的体验和细心的观察。他说:“无论观察对象运动,还是观察者运动,或者两者同时运动但不一致,都会使观察对象的视位置发生变化(等速平行运动是不能互相察觉的)。要知道,我们是在地球上看13天穹的旋转;如果假定是地球在运动,也会显得地外物体作方向相反的运动。” 因此“为什么我们不承认看起来是天穹的周日旋转,实际上是地球运动的反映呢?这种情况正如维尔吉耳(Vergil)在史诗艾尼斯(Aeneas)中所说的:我们离港向前航行,陆地和城市悄14悄退向后方。” 可见,正是这种来自经验的形象化图景的提示才使他对自己的理论充满信心,从而有勇气去否定直观感觉,进而诉诸毕达哥拉斯主义的理性。 开普勒和伽利略是近代自然科学史上两位至关重要的人物,他们对“日心说”理论的进一步证实和完善做出了主要成绩。 开普勒(J?Kapler,1571? 1630)坚信宇宙是和谐的。他在神秘的宇宙结构学中写道:“我企图去证明上帝在创造宇宙并且调节宇宙的次序时,看到了从毕达哥拉斯和柏拉图时代起就为人们熟知的五种正多面体,他按照这些形体安排了天体的数目,它们的比例和15它们运动间的关系” 。这种认识促使他曾通过把五个正多面体和当时所认识的六个行星相互组合的方法,来建立宇宙结构的模型,尽管结论不正确,但他的这种从对称性出发通过形象思维进行科学探索的精神和方法,确实具有借鉴之处。他自己也承认,后来行星运行三定律的建立,仍然从中深受启发。开普勒的过人之处在于他更加尊重事实,当发现假说和事实相矛盾时,他选择用事实去修正由猜测和想象建立起的假说。这是他最终能够获得成功之根本原因。不过他的那种对天体结构的形象化的美学情结始终没有从内心消失,后来他所以能2 3怀着一种十足的耐心和信心,从一大堆看似杂乱无章的数据中寻找到:T R的关系,即行星运动第三定律,皆缘于此。他说:“现在我终于揭示出它的真相。认识到这一真理,这超16出了我的最美好的期望。” 开普勒行星运行三定律,抛弃了匀速、正圆的两个传统概念,修正了哥白尼“日心说”体系,是天文学研究过程中的一次重大突破,为牛顿万有引力定律的建立奠定了坚实的基础。 伽利略(G? Calilei,1564? 1642)十分崇拜阿基米德(Archimedes,前 287?前 212),并以阿基米德的学生自居。他强调实验在科学认识中的作用和地位,他认为自然科学本质上是实验科学,观察和实验才是科学真正的出发点;而且特别强调定量实验的研究,努力运用亚历山大里亚时期的天文学家阿利斯塔克(前 310?前 230)被恩格斯称为“古代的哥白尼”。著有论太阳同月球的大小和距离,他认为既然太阳是宇宙中最大的一个天体,那么宇宙的中心就应该是太阳。 6数学的语言去概括和总结实验规律,从而把数学引进物理学。因为伽利略认为实验和数学才是揭示自然规律的确定而可靠的手段。他认为感觉和经验是有局限性的,所以在实验当中他17极力诉诸理性和论证。他称赞“哥白尼信赖理性,而不信赖感觉经验。” 但是,在理论建立过程中,他的思想实验或理性推断都是借助于形象化的图景进行的,譬如,他对亚里士多德自由落体观念的否定就是一个典型的例子:他设想用一根绳子把两块重量不同的石头联系在一起,然后让它们自由下落,那它们将以什么速度下落呢?借助一幅形象化的图景,伽利略运用简单的逻辑推理很快就推翻了亚里士多德的结论。此外,他借助斜面实验建立惯性定律过程中,所运用的逻辑推理也是在形象化的想象的图景中完成的。这些都是逻辑思维和形象思维相互糅合的产物。其实伽利略虽然在实验当中极力诉诸理性和论证,但是他并不否认感觉经验在科学认识当中的作用,譬如,他虽然对亚里士多德的许多科学观点持反对意见,18可认为亚里士多德“把感觉经验放在自然理性之上是很对的。” 还有,他在提出运动相对性原理时所描绘的做匀速运动的密封船舱里物体运动的情形,同样是在经验的视觉化的物理图景的提示下作出的。其风格和爱因斯坦在广义相对论的建立当中就“等价原理”所作的“思想实验”颇有相似之处,都是典型的形象思维的运用。 牛顿I?Newton,1642? 1727坚信自然界是“用数学语言写成的”。所以,他在自然哲学的数学原理序言中写道:“由于古代人在研究自然事物方面,把力学看得最为重要,而现代人则抛弃实体形式与隐秘的质,力图将自然现象诉诸数学定律,所以我将在本书中致19 力于发展与哲学相关的数学”。同时,牛顿也强调实验和归纳在科学理论建立中的作用,他说:“在自然科学里,应当像在数学里一样,在研究困难的事物时,总是应当先用分析的方法,然后才用综合的方法。20这种分析方法包括做实验和观察,用归纳法去从中作出普遍结论。” 在实验和观察过程中,牛顿同样擅长运用形象化的联想和想象来揭示事物运动变化的规律,譬如,万有引力定律的建立,虽然我们没有确凿的证据证明牛顿最初的灵感就是由苹果落地引发的,但是从牛顿的原理和他的声明中我们可以看出,他确实是通过观察和实验发现在地面很高的范围内,重力的大小并无明显的变化,于是他想:重力的作用是否可以延伸到月球所在的地方呢?如果能,那么月球为什么不象地面附近的物体在重力作用下向地球坠落呢?为此他设计了一个形象化的思想实验,他说:“如果用火药力从山顶上发射铅弹,给定其速度,方向与地平面平行,铅弹将沿曲线在落地前飞行二英里;同样,如果没有空气阻力,发射速度加倍或加到十倍,则铅弹飞行距离也加倍或加十倍。通过增大发射速度,即可以随意增加它的抛射距离,7减轻它的轨迹的弯曲度,直至它最终落在 10度,30度或 90度的距离处,甚至在落地之前环绕地球一周;或者,使它再也不返回地球,直入苍穹太空而去,作 infinitum(无限的)运21动。” 显然,牛顿的推理是借助形象化的图像完成的。此外,他的证明绝对空间和运动的“水桶实验”, 他的关于物质结构的“微粒说”等等都是通过形象思维巧妙设计出来的。即使在运用公理化的逻辑方法构建他的理论体系的具体过程中,牛顿同样善于通过形象的模式化的手段来进行,譬如,他把质点想象为一种可移动的物体,但剥夺了它的广延性、形状等特性及一切“内部”的性质,只留下质量和可移动性。这样无论是地面上的物体,还是宇宙中的天体,只要相互作用的距离比它们自身的体积大得多,都可以用这种只有质量而无几何形状和大小的质点来表示,从而为他的理论找到了一种简便而又实用的逻辑表述方式。 形象思维和抽象思维在伽利略牛顿等人身上完美地结合在了一起;但十八世纪中叶以后,这种情形在一些科学家身上开始出现分化。他们为了寻找一种比牛顿定律更广泛和简便的普遍原理,从具有更广泛意义的概念和必要公设出发,运用纯粹的数学手段把已有的力学知识组织成为一个更加严密、系统和抽象的逻辑演绎体系。这种方法后来形成了一种新的科学研究方法,对推动理论力学的发展,起到了积极作用。 (三)、 电磁场理论的建立 电磁场理论比牛顿的经典力学更抽象,那么这种更加抽象的理论在建立过程中是仅仅依赖抽象的逻辑推理呢,还是仍然离不开形象思维的运作呢? 虽然很久以前人类就对电、磁现象有了认识,但直到 1820 年奥斯特(H?C?Dersted,1777? 1851)发现了电流磁效应才“猛然打开了科学中一个黑暗领域的大门”,随后又把电磁理论向前推进了一大步的是法国科学家安培和英国科学家法拉第。安培和法拉第的研究风格颇有差异,一个热中逻辑推理,一个擅长形象思维。 安培A?M?Ampere,1775? 1836的研究风格颇似牛顿,他想把一切诉诸数学形式加以表征,因此被麦克斯韦称之为是“电学中的牛顿”。尽管如此,安培的研究仍有运用形象思维的地方,分子电流假说就是一例。而法拉第M?Faraday,1791? 1867则相反,他不善数学推理,却具有天才般的想象力。他凭借精巧的实验手段和充满想象力的智慧大脑,提出了意义非凡的“力线”和“场”的概念,从而对电磁学乃至整个物理学的发展产生了巨大影响。此当指地球表面经度,因剑桥地处经度 0度。 8正像汤姆逊(J?J?Thomson,1856? 1940)评论的那样:“在法拉第的许多伟大的贡献之中,最伟大的一个就是力线概念了,我想电场和磁场的许多性质借助于它就可以简明而极富有启22发性地表示出来。” 为了对电场和磁场的物理图景给予直观的描述,他设计了一个十分形象的实验:把铁屑撒在一张纸上,然后在纸下面用磁体轻轻振动,于是铁屑就纹路清晰地呈现出磁场的力线图像。值得我们注意的是,这是法拉第预先储存在内心的“心智图像”的再现。也就是说,这种图像早已在他的头脑中形成了。正像廷德尔说的那样:“对于法拉第来说,他在全部实验之前和实验中,想象力都不断作用和指导着他的全部实验。作为一个发明23家,他的力量和多产,在很大程度上应归功于想象力给他的激励。”库仑定律、高斯定律、电磁感应定律和安培定律先后建立后,系统地梳理电磁场理论的条件已经具备。麦克斯韦(J?C?well,1831?1879)就是在这时候开始自己的总结工作的。虽然他的电磁场理论主要是通过数学的方式进行并最终完成的,但形象思维在其中同样起着不可低估甚至是关键性的作用。 首先,他进行的是把法拉第力线数学化的工作,但他是通过类比的方法进行的。他借助流体的形象把磁体想象成一类吸管,从一端吸入流体以太,从另一端放出流体以太,两个这类吸管之间的流体的流动与两个磁体之间的力线相似。这样他通过把力线、力管、电场强度与流体力学中的流线、流管、流速的类比,来描述他的电磁场,导出了电磁场的力和通量之间的关系。不管这种类比思想是在什么样的背景下产生的,但是两种物理图像的相似形无疑是最初把二者联系起来的触发点。 1856年他发表了第一篇划时代的论文论法拉第力线,给出了电场和磁场理论。 1862年,麦克斯韦在他的第二篇论文论物理力线中,提出了一个十分重要的概念“位移电流”。这个来自形象思维的形象化的概念,把概念与形象、具体与抽象、科学和幻想巧妙地联系在了一起,通过它们,变化的电场和变化的磁场之间相互转变的生动景象已经隐约可见。麦克斯韦受 W?汤姆逊(W?Thomson,1822? 1892)的启发,他认为磁是一种旋转效应,然后他把“磁旋转假设”从普通物质引申到“以太”,认为充满空间的以太在磁作用下同样具有旋转的性质,并借用兰金(W?J?Rankine)的术语“分子涡旋(molecular vortices)”来表达他的磁以太力学模型。他的模型通过分子涡旋和介于分子涡旋之间并与之啮合的惰轮性细微粒子的作用机制来解释和说明电磁现象。他说如果由于某种原因,使粒子所受的电力发生了变化,粒子的平衡便会遭到破坏,粒子就会出现弹性位移,直至达到新的平衡;而粒子的位移必将导致涡旋的旋转,产生磁力线。这样即使在没有电流的地方,由于电力的变化引起的电粒子的弹性位移所导致的涡旋旋转同样能产生磁场。“位移电流”就是9这样通过麦克斯韦想象出得一幅形象化的图景的提示而形成认识并提出的。他把自己熟悉的机械力学图景搬运到电磁空间,形成磁以太的力学模型,联想的丰富以及构思的微妙,确实令人叹服。因此,如果说“涡旋电场”是麦克斯韦在法拉第的物理思想和诺埃曼(F?E?Neumann,1798? 1895)的定量表达的基础上,通过近距作用观点的指引而提出来的话;那么“位移电流”则纯粹是麦克斯韦的独创,而且这种创造并无任何实验依据,完全是麦克斯韦直觉思维的创造性的产物,是麦克斯韦对形象思维大胆而精巧得运用的结果。“位移电流”的提出意义十分重大,它为电磁场的传播?电磁波提供了理论依据。 1864年,麦克斯韦向英国皇家学会提交了第三篇划时代的论文电磁场的动力学理论,把从奥斯特到法拉第以及他自己的研究成果,用一组简洁优美的方程(即著名的麦克斯韦方程组)表示了出来。简洁的形式中蕴藏着完美的对称结构:电场和磁场的对称性,时间和空间的对称性。最后他又用拉格朗日和哈密顿的数学方法,推出了电磁场的波动方程,并通过方程的提示,预言了电磁波的存在,指出光本身就是一种电磁波,从而把电、磁、光统一起来,完成了自牛顿以来物理学的又一次大综合。 法拉第和麦克斯韦的结合是完美的。法拉第凭借超凡的直觉和想象力提出了“场”和“力线”的概念;麦克斯韦随后用严谨的数学推理和天才般的洞察力使这一切最终形成了结构精美的逻辑体系。虽然形象思维和抽象思维在他们身上表现不同,却始终是相互渗透和交错在一起的。譬如,麦克斯韦注重数学,但是形象思维始终贯穿其中,特别是“涡流电场”和“位移电流”这两个至关重要概念,都是借助形象思维提出的。 从形象思维在古典物理学中的表现,我们发现,科学起步阶段,形象思维一般是以客观事物的直观表象和常识性的感性经验为背景和基础的,显得朴素而又粗浅,并且含有许多思辨和类似神化的宗教崇拜的成份。其中好多观点和模型简直可以说就是对自然现象和感性经验的直接描摹,像亚里士多德的物体下落的速度与其质量成正比的观点,以及中国古代的“盖天说”和“宣夜说”对宇宙的描绘等等,均属此类。从近代自然科学开始,特别是伽利略倡导数学和实验相结合的科学模式以来,科学实验以及在科学实验提示下通过精神创造的“思想实验”,便成了引发形象思维的主要因素。这时候的形象思维已不象最初那样,仅从事物的直观表象出发作简单的联想和想象,而是开始在科学实验和理性分析的基础上,按照客观事物的固有逻辑通过直觉建立科学的形象的理论模型和体系。对此,我们可以从牛顿创建万有引力理论中的表现,明显地看出来。另一方面,随着精密的数学方法在科学研究中的成功运用,使人们认识到了数学在科学中的巨大作用。于是有一些人便完全抛弃形象的东西,企图单独凭借数学构建科学理论,比如拉格朗日(Josehp Lajrargl,1736? 1813)和哈密顿10(WilliamR Hamilton,1805? 1865)就是典型的例子。但是绝大多数物理学家,尽管他们崇尚数学,可对来自经验的图景式的东西终究难以割舍,形象思维作为一种创造性思维方式在他们的研究过程中不时地被使用着。 二、 从狭义相对论到广义相对论的历程相对论是二十世纪自然科学所取得的最伟大的成就之一。作为一种宇宙结构和运动规律的基本理论它是自成一体的。我们很难把它归属于物理学的某个分支,因为它程度不同地涉及和影响着物理学所有内容和领域,乃至深入到哲学的层面。而且“相对论与物理学中的通常情况相反,它基本上不是由实验引出来的,也不是出于使分歧的观点统一起来这一目的而寻找到的。相对论的出现可以说是对众所周知,而又被普遍接受的物理概念进行缜密审查24 的结果。” 同时,相对论作为一种原理性理论,它几乎又是由爱因斯坦单独完成的。作为人类认识大自然的最伟大的成果之一,相对论把深奥的哲学和形象直观的物理图景以及精密严谨的数学令人叹为观止地结合在一起。下面仅从形象思维的角度来分析,这一思维模式在相对论理论的创建过程中的表现和作用。 (一)、 相对论产生的历史背景 十九世纪末,经历了三百多年发展的经典物理学看上去似乎已达到了系统、严密和完善的程度。它的三个重要组成部分?经典力学、电磁场理论和经典统计力学完整地建立起来了,常见的物理现象几乎能够得到圆满的解释。迈克耳逊(A?A? Michelson, 1852?1931)在 1894年的一次演讲中,谈到当时物理学的前景时说:“?绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了,?一位杰出的物理学家(德国物理学家基尔霍夫)指出未来物理学25的真理将不得不在小数点后第六位去寻找。” 然而一些目光敏锐的科学家却从理论上看出了经典物理学的破绽和矛盾。同时,一大批新实验和新发现也不断冲击着经典物理学看似坚固的基石。 困扰经典物理学的一个首要问题是“以太之谜”。自古希腊开始,人们就把“以太”作为一种特殊的物质请进了物理学,从此,它就像一个神秘的幽灵,一直忽隐忽现,令人捉摸不透。麦克斯韦电磁场理论建立之后,按经典物理学的观点,光的波动必须有一个载体,这11个载体应该是“以太” 。因此寻找以太,测定以太与地球的相对速度,便成为经典物理学所面临的一个至关重要的问题。当时,针对以太与可称量物质之间的关系,有两种说法。一种是以菲涅耳(A? J? Fresnel, 1788?1872)为代表的静止以太说;一种是以斯托克斯(George Gabriel Stokes,1819?1903)为代表的以太拽引说。由于静止以太说成功地解释了光行差现象,得到当时人们普遍赞同和认可。为此,人们做了一系列以太漂移实验,企图测量地球在静止以太中的相对运动,但所有实验都得出了否定的结果。可是,如果承认静止以太不存在,这又直接与当时普遍承认的光行差实验相矛盾。为了维护经典物理学理论不受侵害,爱尔兰物理学家菲茨杰拉德G?Fitzgerald,1851?1901和荷兰物理学家洛仑兹(H?A?Lorentz,1853?1928)针对迈克耳逊?莫雷实验的“零”结果,分别独立地提出了收缩假说,洛仑兹还从动力学的角度给予了解释和说明。 另一个难题是光速问题。十七世纪以前光速被认为是无限的。后来实验表明光的速度不是无限的,而是有限的。同时发现光速同光源的运动、光的频率以及光的传播方向都没有关系。这又和经典力学的速度合成公式发生了尖锐矛盾。速度合成公式是伽利略变换的结果,伽利略变换又和相对性原理一致,那么人们就问相对性原理是否正确呢?电磁学是否应该符合相对性原理呢?为了解决这一难题,洛仑兹又提出了一种新的变换来代替伽利略变换,这就是著名的洛仑兹变换。洛仑兹变换包含着深刻的物理思想,对后来狭义相对论的建立意义十分重大;但洛仑兹当时是从静止以太出发,在保持麦克斯韦方程不变的条件下建立起来的“构造性”理论,所以他没有认识到其中的深刻含义,从而与相对论失之交臂。 科学语言是从日常生活语言提炼出来的,在使用过程中,这种语言常常会为我们提供一种视觉化的“心智图像”,人们为光波寻找以太就是这种提示的结果。因为一说到“波”,我们总会想到水波,总会在脑海中幻化出一幅水波的图景;而“光波”既然是一种波,人们马上就会联想它也应和水波一样有一种媒质,就像水是水波的媒质一样。那么光波的媒质是什么呢?当时人们认为就是以太。因为人们无法想象没有媒质的光波是任何传播的,就像水波离开水就无法传播一样。所以这是语言使我们产生了这样的联想。(二)、 狭义相对论的建立 狭义相对论是以两条基本公设为基础的。这两条基本公设是:相对论性原理和光速不变原理。那么爱因斯坦又是出于何种考虑把相对论原理和光速不变原理作为狭义相对论的基本公设呢?他又是如何解决由此而引出的经典力学的速度相加原理和光速不变原理之间的12矛盾呢? 德国是一个盛产音乐家的国度,像莫扎特、贝多芬和勃拉姆斯这样的音乐家早已家喻户晓。阿尔伯特?爱因斯坦(A?Einstein,1879?1955)就出生于德国符腾堡的乌尔姆。同样,作为伟大的物理学家爱因斯坦同时也是一位杰出的小提琴家。于是有人猜测是否是音乐那优美的旋律培养了爱因斯坦耽于幻想的大脑呢。据说前苏联的库兹涅佐夫曾对爱因斯坦和莫扎特的思维模式进行过比较,结果发现前者的科学思维与后者的艺术思维竟有许多相通相似之处。这些尽管不足为证,然而从爱因斯坦在对客观事物的认识过程中所表现出的,那种总喜欢先通过直觉的方式对研究对象进行整体把握,然后再回到逻辑轨道上的风格来看,确实有点艺术家的风格。正如B?霍夫曼(Banesh Hoffmann)说的“爱因斯坦的方法,虽然以渊博的物理学知识为基础,但在本质上,是美学的,直觉的。?我们可以说,他是科学26家,更是个科学的艺术家。” 爱因斯坦之子汉斯?爱因斯坦回忆说:“他常常告诉我,他生命中最重要的事情之一就是音乐。每当他觉得找不到解决办法或在工作中处于困难境况时,27他都会逃到音乐中,音乐通常都会解决他的所有困难。” 爱因斯坦自己也说过:“艺术作品28给我最高的幸福感受。我从中汲取的精神力量是任何其他领域所不及的?” 不过究竟音乐在何种程度上又是以什么方式对爱因斯坦的科学研究产生过影响,这是很难讲清楚的。 1895年,爱因斯坦 16岁。当时,在考虑光速问题的时候,他曾幻想过这样一幅图景:假如我追赶着一束光线跑,会看到什么呢?面对这样一幅形

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