论自然的两种含义

论自然的两种含义

1自然资源的本质属性和经验法则根据健康和道德的划分，自然科学可分为正义和非正义科学。“第一种方法是根据内在原则来处理它的对象，第二种方法是根据经验规则来处理它的对象。”。(1)质料意义上的“感性”康德认为,可以从两种不同的层面考察“自然”含义。从自然(natur)一词的形式上的含义来看,它是指“一切属于一事物定在的东西的内在的第一原则”,自然一词还可以从质料上的含义来看待,“只要能成为我们感官的对象,因而也能成为经验的对象,所以它也被理解为一切现象的总和,即除一切非感性的对象之外的感性世界”。这种一切事物的总体都是自然。那么什么是自然科学呢?康德认为:“任何一种学说,如果它可以成为一个系统,即成为一个按照原则而整理好的知识整体的话,就叫做科学,而当这些原则可以作为把知识经验性地或理智地联结于一个整体之中的原理时,那么不论是作为物体学说还是作为灵魂学说的自然科学,似乎都必须划分为历史的自然科学和理智的自然科学。”(2)哲学理性的描述和原理即后果、后果认清自然和自然科学之后,康德认为,自然科学中的“自然”“这个词标志着从事物的内在原则里推导出属于这些事物定在的杂多的东西”。因此,“自然一词要使理性从事物诸关系中得出的知识成为必然的”,才称得上自然科学,这样的话,与其说“自然科学划分为历史的自然科学和理智的自然科学”,不如说“自然学说可以划分为历史的自然学说和自然科学”,自然学说又分为对自然的描述和博物学。“这样,自然科学又会有本义地或是非本义地称呼的自然科学,前者完全按照先天原则来处理自己的对象,后者则按照经验法则处理自己的对象。”康德的这种区分有深刻的根据。这就是纯粹知识和经验性知识的区别。也就是说,纯粹知识和经验性的知识能够区别开来的标志是独立于各别的具体经验,甚至独立于一切感官的印象的“先天”知识必须具有的必然性和普遍性。应用到自然科学的划分上,就有下面这段话,“只有那些其确定性是无可置辩的科学才能成为本义上的科学;仅仅只是具有经验性上的确定性的知识只能在非本义上称之为学问(wissen)。那种成系统的知识总体正因为成系统,就已经可以叫做科学(wissenschaft)了,但如果把知识联结在这一系统中的是某种因果关系,那么它甚至可以称为理智的科学。不过,如果在科学中,……这些基础或原则最终不过是经验性,并且理性用来解释既成事实的那些法则仅仅是经验法则,那么它们就不具有自身必然性的意识(没有无可置辩的确定性),因而在严格意义上来讲这个整体也就没有资格称为科学”。可见,只有追求因果关系、普遍原理的才是本义上的自然科学。显然,物理学是本义上的自然科学,而经验法则与操作技巧的堆积只能算作技术。(3)科学的各部分—本义上的自然科学的纯粹部分有了本义和非本义自然科学的划分后,康德进一步认为:“因为自然一词本身已带有法则概念,而法则概念又已带有某事物的定在所要求的它的一切规定的必然性概念。所以,人们不难看出,为什么自然科学只能由其纯粹部分,即包含着其他一切对自然的解释的先天原则的部分中,推导出这一命名的合法性,并且,只是靠了这纯粹部分才成为本义上的科学”,“所以,一切本义上的自然科学都需要一个纯粹的部分,在它上面可以建立起理性在其中所寻求的无可置辩的确定性”。下面我们把康德对自然科学的各个部分的划分图示如下。实际上,保证本义上的自然科学的无可置辩的确定性的纯粹部分,主要包括自然科学的形而上学基础和数学基础,由于篇幅所限不作展开。但总的来说在有形而上学和数学的构想(建构)在其中交互影响的自然科学的纯粹部分中,物质、运动、时间与空间和相互作用的规律等往往是最主要的方面。而且我们知道,数学、形上学、本义上的自然科学也是发展的。后来的理论往往比前面的理论有更好的体现,并存的理论从不同的方面更好地体现本义上的自然科学的纯粹部分。2经典物理反映了自然的纯粹部分(1)《自然哲学的数学原理》的大量应用,为人类历史上一种不归路的自然在康德时代,最能体现本义上的自然科学的纯粹部分的典范之作就是牛顿力学原理,甚至康德的相关概念就是从牛顿力学这个原型中提升出来的。康德的分析和科学史家的考察是一致的,I.B.科恩认为牛顿风格有三个阶段,“第一个阶段通常开始于对自然界的简单化、理想化,从而导致数学领域中一个想象的构筑。它是一个几何空间的系统;数学实体根据某些可表述为数学定律或数学关系的条件在数学时间中运动”。牛顿的《自然哲学的数学原理》对自然的研究是以数学为基础的,尤其是他所发明的微积分,就非常适合于描述自然界中的运动与无穷小的变化。这一步也是人类历史上的重要一步,微积分的发明和应用使自然科学走上一条不归路,后来的微分几何的发展就是最好例子。“在第二个阶段,将经验数据与从这些数据得到的定律或法则进行比较和对照。……在第三个阶段中,牛顿……精心构造了他的‘宇宙体系’(第三编)”。这种风格总的来说就是通过数学,找到自然科学中的普遍必然性,并且明确把时间、空间和运动放在和“原理”(牛顿术语)以及原始定义同等地位,并细加说明。事实上,在牛顿力学中,已经形成本义的自然科学的研究框架。正如柯瓦雷总结的,牛顿的世界是由这几种成分所组成:①物质,即无限多彼此分离的、坚硬的、不变的但又互不相同的微粒;②运动,即微粒在无限的同质的虚空中到处传递;③空间,即那种无限的同质的虚空;④把物质结合并维持在一起的引力。总之,牛顿的物质、时间、空间、微积分、运动理论,最后用万有引力构造“宇宙体系”并统一说明“月球上运动和月球下运动”,体现了“本义上的自然科学的纯粹部分”,因为统一性本身就是普遍性、必然性的突出表现。(2)对规范场的建构体现“本义上的自然科学的纯粹部分”的第二个典范之作是麦克斯韦电磁理论。众所周知,麦克斯韦电磁理论是物理学中继牛顿力学之后的第二次大综合,麦克斯韦方程组首次统一地说明了电现象、磁现象和光现象。实际上它是通向现代物理学的必然通路,狭义相对论的开创性论文,不论是H.A.洛伦兹的《速度小于光速运动系统中的电磁现象》,还是A.爱因斯坦的《论运动物体的电动力学》都是以麦克斯韦方程为出发点,前者以麦克斯韦方程来提出和检验洛仑兹变换,后者更是通过思考满足麦克斯韦方程的协变性来构架相对论体系的。它对原子物理学和量子理论研究的作用也很大。更让人惊叹的是,它在规范场论的发展史上所起的作用,当H.韦尔试图把电磁力和引力统一起来时,竟引出了规范场的观念,这其实是麦克斯韦方程两方面的作用的汇合,麦克斯韦方程启发下的洛仑兹协变性,推广之后导致了广义相对论,广义相对论所描述的引力,与麦克斯韦方程本身描述的电磁力和电磁场的综合产生了规范场的概念。为什么麦克斯韦电磁理论能走得如此之远?因为电磁力是迄今人类研究得最清楚的一种相互作用,电磁场也是研究得最清楚的规范场,这有其深刻的缘由。如此成功的麦克斯韦方程,不仅仅是实验定律的符号化的问题,而应该说麦克斯韦通过逻辑重构很好地再现出了法拉第的物理观念。这种电磁场理论本身内部就有很深的数学内涵。正如麦克斯韦在其名著《电磁通论》的序言中总结的:“当我继续研习法拉第的著作时,我觉察到他对现象的想象方法也是一种数学的方法,尽管并没有用习见的数学符号的形式表示出来。……法拉第的方法类似于我们从整体开始又通过分析而达到部分的那些方法,而普通的数学方法则是建筑在从部分开始又通过综合而构成全体的那一原则上的”。这几段文字,很清楚地说明了本义上的自然科学的纯粹部分的特征,电磁场论精致严密的数学构造,使其直达形上学基础的先天性,即普遍必然性。3讨论和理论反映了从本质上讲的科学本质的纯洁性(1)马克思恩格斯基于广义相对论的科学性前面我们考察了体现本义上的自然科学的纯粹部分的牛顿力学和麦克斯韦电磁理论,它们都揭示了自然界的物质、运动、时间和空间、以及相互作用力的基本规律,尤其是其中包含的数学基础和形上学基础使其具有普遍必然性。狭义相对论和广义相对论作为现代物理也是在这些方面向前迈进了一步。众所周知,狭义相对论的突破口就是从同时性的相对性开始的,并且在几年内就发展出了闵可夫斯基四维时空流形的描述框架。而且,正是在四维时空中,狭义相对论追求物理学定律在一定的坐标变换下保持不变性的思想得到充分的表达。H.闵可夫斯基在经典论文《空间和时间》中的讨论一开始就明确:“从现在起,孤立的空间和孤立的时间注定要消失成为影子,只有两者的统一才能保持独立的存在。”而讨论的第一个问题就是“牛顿方程的不变性及其在四维空间中的表示”,该论文通过时空连续区的引入,使狭义相对论彻底公理体系化,同时也让物理学定律真正走上在变换下保持不变性这条康庄大道。其中狭义相对性原理要求:自然定律对于所有惯性系都是一致的,尤其要求一切物理规律在洛仑兹变换下形式不变,它比牛顿力学原理更与自然界相吻合。然而,狭义相对论中的惯性系还是太特殊,它对自然定律不变性的体现仍不充分、不彻底,因为它把非惯性系排除在外了。广义相对论在贯彻自然定律的内在不变性方面做得更好,因为它引进了等效原理与广义协变性的理念,能平权地对待惯性系与非惯性系。爱因斯坦看到,必须将相对性原理推广到彼此作非匀速运动的坐标系,这是通过把惯性质量与引力质量相等这一事实化为等效原理而实现的。但是具体实现却还需要借助于精致而复杂的数学工具的匹配和应用,爱因斯坦化了七年工夫,“主要原因在于不那么容易从坐标必须有一个直接尺度意义这一概念中解脱出来”。为的是进入到以n维流形的概念为基础的黎曼几何。当然,这一步是卓有成效的,广义相对论因此实现了引力的几何化,时空的物质化。还反过来激发了一批一流的数学家对微分几何的兴趣,并最终发展出纤维丛理论。可见,相对论通过发展时空观和物质运动观更好地体现了本义自然科学的纯粹部分。有一种流传很广的错误观念,以为由于相对论及非欧几何的诞生,主观性、相对性便进入了科学,于是牛顿力学及欧氏几何不再是康德所设想的普遍必然惟一的真理,从此科学中再也不会有这样的真理。然而,科学哲学家石里克在《自然哲学》中则对相对论的科学本性作出了中肯的评价。他说:“相对论(它更有理由被称为绝对论)的研究方法不允许观察者有任何程度的主观性或任意性。相反,相对论比以前的任何描述方法都表现出更多的客观性。”可见,相对论与牛顿力学相比,康德对科学原理所要求独立于具体经验的普遍必然性以及无可置疑的确定性有增无减。(2)力学中的内在不变性量子力学是为了理解原子结构发展起来的,其中有几个观念是量子力学的主要特征,一个是矩阵力学基本方程pq-qp=-ih和波动力学的基本方程iℏ∂Ψ/∂t=HˆΨ都明显含有表征量子性的普朗克常数,同时含有虚数单位i=−1−−−√,此−1−−−√意味着量子力学把具有相位的复振幅引入到对大自然的数学表述中去。另一量子力学的主要特征是如,pq-qp=-ih中不遵守乘法交换律的不对易代数。并找到希尔伯特空间作为量子力学形式体系的数学基础。这些特征不仅是人类打开通向微观世界大门的钥匙,还为以后的量子力学和相对论的结合埋下了伏笔。事实上,当年薛定谔找到iℏ∂Ψ/∂t=HˆΨ之前,先得到的就是用狭义相对论来处理的量子力学方程,而狄拉克在量子力学建立不久就把量子力学和狭义相对论结合起来。正是量子力学中的相位概念使受广义相对论启发的韦尔规范场的观念复活,从而建立现代规范场论。正如杨振宁后来强调的:“如果我们今天要重新命名它(规范不变性),显然我们应该叫它相位不变性,而规范场应当叫做相位场。”随着量子力学的诞生连同希尔伯特抽象空间的引入,随着“观察者的介入”和不确定性的引入,牛顿力学连同欧氏几何作为“普遍必然惟一的科学真理”的地位进一步受冲击。然而,实际上在量子力学中,物理定律及相关方程的内在不变性采取了更为精致的表现形式。尽管在量子力学中物理量及其算符可以有无限多种表象或观察方式,但正如罗森菲耳德在《量子革命》中所指出,“联系着各算符的那些方程却对一些正则变换为不变,……这些方程就代表着理论的客观内容,代表着自然界量子规律的客观表示”。可见,在量子力学中,康德对科学原理所要求的独立于各别具体经验的普遍必然性以及无可置疑的确定性仍然毫厘无损。4局域规范场论中的规范不变性量子场论是狄拉克通过联合量子力学和狭义相对论建立起来的,其实,不论是薛定谔还是狄拉克在考察微观粒子和量子力学时,都自然而然地想到应用狭义相对论来处理微观粒子。但在理论的拓展时,理论结果产生无穷大,这显然是不合理的,这个问题直到20世纪40年代才解决,即著名的重整化,从而产生了量子电动力学。当把量子电动力学的成功向核相互作用拓展时,使韦尔的规范场论的思想得以复活,形成了以杨-米尔斯理论为核心的现代规范场论,其中又遇到许多困难,困难的解决形成了所谓的标准模型。先看韦尔的规范场论。广义相对论把引力场几何化后,相对运动的描述变得更复杂,因为它涉及到引力场中的运动,这时参照系只能被“局域”地在引力场中一个单独的点上定义。这样一来,在不同时空点中的物理测量如何联系起来呢?如果还是用洛仑兹变换,加速度就会与时空点无关而引力场也不会随场源远离而越来越弱,这与实际就不吻合。为此爱因斯坦定义了一种新的数学关系叫“联络”。可见,从规范场论的角度回过头来看,狭义相对论与广义相对论的本质区别是前者是整体理论而后者是局域理论,而这个局域性就是韦尔规范理论的关键。韦尔正是沿着广义相对论的方向,进一步提出如下问题:如果引力场的效果能用一个联络描述,这个联络给出时空中局域参照系之间的相对向量,那么自然界中如像电磁场一样的其他力也跟类似的联络相联系吗?韦尔把物理测量都是相对的这个观念更加一般化,提出物理量的绝对值或标度将不是一个绝对量,而应依赖于时空中的位置。这样的话,为了联系不同位置的矢量长度,一个新的联络就是必需的。这就引出了著名的“规范不变性”的思想。尽管韦尔的早期方案(1918)行不通,然而幸运地是,随着量子力学的发展,福克、伦敦和韦尔本人都认识到韦尔早期的规范理论中的合理思想,经过重新解读后可以赋予新的含义,其基本线索是认识到波函数的相可能是由一个新局域变量提供的,规范变换就被重新解释为在波函数中的相的改变,它对可观察量毫无影响。于是,严格意义上的规范不变性就重新被发现。现在规范不变性是可以这样定义的:如果一个理论在变换群作用下,理论中方程的形式保持不变,则这个理论是规范不变的(这里的不变,实质上是指协变)。在规范场论中,物理定律独立于观察方式的内在不变性获得了比以前任何物理理论更为普遍更为精致的表现形式。在1954年杨振宁和米尔斯又迈出了重大一步,认为核强相互作用可以用像电磁场一样的规范不变性的场论描述。他们假设局域规范群是SU(2)同位旋群。这个观念是革命性的,因为这改变了基本粒子的“等同”概念。如果核相互作用是像电磁场一样的局域规范理论,那么就存在一个势,它与如何定义粒子状态的直观概念相冲突。比如,在不考虑电磁力和质量上的区别时,我们可