自然哲学-第8部分

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　　新理论赖以建立的基础概念是从电学理论中汲取过来的；由于后者的帮助，原子理论吸收了新的内容。物质的原子结构已被化学的及其他的材料证实到了这种程度，以至于这种或那种形式的原子理论已成为任何一种物理世界图象所不可或缺的东西了。虽然如此，这也并不就一定要把原子理论说成是最终的说明原则，就象在德谟克利特和博斯科维奇的观念中那样。它很可以是派生的，并与这样一种假设相协调，该假设认为最终的实在并非原子的结构而是一种连续的结构物。在涡旋原子假设中我们已熟悉了该后一可能性的一个实例。
　　对这一新理论的推动来自于把原子论引入电学理论。无数经验材料越来越肯定地证实了这一假设——电也是由微细而不可分的粒子所组成的；而且可以十分成功地证明，物质的原子——即化学元素的原子——完全由这些带电粒子所组成。按照这一假设，每个化学原子都是由一个带正电的“核”和多个带负电的粒子——所谓“电子”所组成，这些电子以极大速度绕核旋转。一切电子都是相似的——也就是说，每一个电子代表了相同的微量负电。核的基本的正电荷数等于（在原子的正常状态下）绕核旋转的电子数。这样，整个原子所带的正电与所带的负电是相等的，——因此就显得是电中性的。化学元素相互之间的区别仅仅是在于核内的正电荷数。氢原子是最简单的原子，它的核带一个正电荷，伴有一个对应的电子。氦原子的核带两个正电荷并伴有两个电子——如此等等经过整个化学元素序列而一直到铀，它的原子拥有一大群电子——不少于92个——和对应的正电荷。
　　这儿并没有必要深入这一理论的细节，只要强调这样一点也就够了，那就是借这一理论的帮助，已经说明并部分预言了如此庞大数量的物理及化学材料，以至于可以说，这一理论概念的内容一定具有很高的真理价值。附带说，这一理论也为我们大量地提供了某种科学知识；但在这儿，我们唯一关心的是它的哲学意义。≮更多好书请访问。。≯
　　初看起来，这一理论似乎一定标志着实体概念的巨大胜利，这一实体现在被认为是电。看来把实体的特性归之于电比以前所考虑的归之于质量或能量似乎更为合理。今天我们十分肯定地知道，质量——这个量（通常由其“重量”来度量）在所有机械的世界图象中充当着实体的角色——不是一个不变量。虽然“质量守恒定律”——该定律过去曾被认为是基础定律——通常近似地是对的，但它却不是精确无误的。特别是相对论告诉我们，物体的质量依赖于其速度，而且当物体的速度接近光速时其质量就巨大地增加。这样，从我们现阶段的科学知识来看，质量不能再在旧有的意义上被看作是实体了。——此外，就我们所讨论过的能量而言，有两点理由使我们认为它不如电那么有资格自称为具有“实质性”。首先，任何闭合系统的恒定的总能量随着该系统相对于进行测量的系统的运动状态而变化。当然，没有必要把这一不利条件当作是决定性的。其次，在量子论领域内，最新的实验使我们对能量原理的绝对有效性产生重大的怀疑。的确，看来已几乎不可能避免下列的假定，即能量只有平均说来才是恒定的，而能量原理对于发生在原子内部的十分精细的过程来说也不是永远为真的；小量的能量甚至可能整个儿消失，而又再次重新出现——于此必须注意，所失与所得结果正好互相抵销。这类怀疑不会在电的量值方面发生。根据我们目前的知识，正电荷与负电荷永远不能创生或消失①；它们的量也不依赖于观察者的处境或运动。事实上，它们的恒定性或不变性似乎是无条件的——而这就是为什么电的基本粒子确曾被认为代表着自然的真正实体。我将在此摘引一位伟大的物理学家素未菲的话。这些话引自他的《原子结构与谱线》一书②。“今天我们认为电是一种具有实体性的东西，这当然是对的。它是唯一能与另一种称为荷正电物的基本实体并列的普遍而基本的实体。。与质量相反，电荷以它的恒定性证明它是真正的实体。”在一部现代物理学教程①中我们找到大意如下的论述：“现代物理学可以有根据地认为电是真正的原始实体，一切知觉可及的事物均由它而衍生。它是自然探索者寻找了几千年的东西。”
①　当代研究提供了一种“弥散辐射”，这是由一正一负两种组分组成的一对电子的统一。
②　不伦瑞克1919，第三版1922。
①　阿图尔·哈斯：“Einfuhrungindie　theoretische　Physik”（《理论物理学引论》），莱比锡1919—21　第五、六版，柏林1930。
　　当人们发现在运动中的电的量子——即如电子——其行为就好象该粒子具有机械质量一样（因为按照电学原理，它以一种有特征的方式抵抗任何加速——亦即它呈现出惯性的性质，恰如惯性机械质量一样），于是就谈到电的“表现”质量。结果，就出现了把一切机械质量都说成是“表观”质量的可能性——亦即，把一切机械质量均归结为电的质量。这样，“电动力学的物质论”发展起来了，这一理论被认为是旧机械论的继承者；而且还流行着这样一种见解，认为这样一来，力学就还原为电学了。
　　但是，必须注意“电的物质论”这种提法未免有点儿为时过早，因为举例来说究竟核的质量（该质量结合于带正电的粒子，其值约为电子质量的1，800倍）是否能被看作纯粹电的质量似乎还是一个很大的问题。虽然，从原则上来说，这是非常可能的，但该事实通常却以如下的方式来构写，即认为（参见上引索末菲的话）正电仅当与“普通”物质结合的时候才表现出来——亦即正电只有在与质量结合的时候才表现出来，而该质量的电性质并不能被认为是已证明了的。其次，是否电子本身的全部质量都可以被阐明为在性质上纯粹是电的，或者是否那些存在于电子内部的定域“内聚能”也许不应被看作是一种有贡献的因素（亦即，有时引入某些内聚力来说明为什么负电荷不因排斥而爆炸性地散裂，却在电子内保持集中状态），这些都还是疑问。——最后，而且是最重要的，物质的最根本的性质——即相互吸引，或万有引力——还是作为牛顿力学的不可归并的剩余物而保留下来了。这样，力学的和电动力学的基本概念在世界图象中还是没有统一起来。物理世界的所有其他领域似乎——就象我们刚才说过的那样——已最后被还原为力学和电的理论。但物理体系这两个方面的最后统一似乎不能通过力学被电动力学同化而获得。要达到这种统一似乎应将力学与电动力学都吸收到一个包罗一切的体系之中，而在此体系内它们二者将结合为更高的统一体。
　　和机械论相反，电原子论涉及到的是些完全非感性的基本概念，——因为电和电磁力的“本质”都是无法在知觉中呈现的。当然，人们确是把一定的广延归之于电子和原子核，这种广延在数值上甚至可以估计；但这并不因此就断言电子应被设想为一种独特的带电的体积，就象德滇克利特原子被想象为不可人的充满实体的空间一样；相反，对这类粒子直径的数值估计只能被看作是下列距离的一个平均值，该距离代表各粒子假定中心之间互相接近的极限。就象博斯科维奇的动力原子论那样，这一事实应被看作为表现了事件的确定的规则性，而不应被看作是“不可入实体”存在的标志或诸如此类的东西存在的标志。电粒子不能被看成某种可与其环境清楚明晰地分离开来的东西，在这儿内部与外界很难区别，可以说，粒子逐渐消融在其环境中了。
　　这一环境就是“电磁场”，一种充满了电磁力的真空。对于这种电磁力我们则必须想象为是完全非图象性的“向量”。但在这一理论中，电磁场所扮演角色的重要性，正不亚于嵌入在该电磁场中的那些电子的行为。

附录三　宇宙的时间性演化（第十一章的补充）

　　宇宙的时间性演化问题把我们引入与宇宙的广延性或空间性完全不同的另一个自然哲学领域。在一些天文学的普及读物里，这一问题当然是很简单地提出来的。天作物理学把星体演化划分为两个阶段，并认为恒星是由宇宙星云物质凝聚而形成的。正是以这种方式形成了许多明亮的炽热气态球体和许多太阳，它们逐渐凝固和冷却——这一发展过程表现为下列事实，即它们放出的白光先是变得越来越黄，之后又变红，最后就完全熄灭。星体经历的这种演化过程可以认为是确实的，但还是会产生这样的问题：原始的气态星云是从哪儿来的？看来最令人满意的假设似乎是，冷却了的天体又以某种方式再度转变为星云——如果是这样，那么宇宙的全部演化将成为一个永恒的循环：从星云到恒星，从恒星到星云。但是，困难就在于要构写这样一种假设，它既与物理定律一致，又能说明固态物体如何转变为星云。要想构写这样的假设是非常困难的。而且即使我们同意某些科学家的意见，假定两个这类物体的偶然碰撞，有时会由于碰撞所产生的热而使它们都蒸发而变为气态；即使我们同意这种说法，也还是存在如下的问题：这类事件是否能重复无限多次？宇宙演化是否真能被看作是这一类的循环过程？有一条确实的定律似乎是驳斥了这一假设——即熵定律或“熵增加定律”，它也称为热学第二原理”（第一原理是能量原理）。
　　比之于我们所讨论过的其他定律，熵定律完全是一条新型的原理。这定律有不止一个理由值得我们对之作一番哲学上的考察。
　　如果说能量原理否定了能量无中生有的可能性，那么熵原理则否定了各种能量相互之间任意转化的可能性。按照这一原理，热能只有在一定的特殊的条件下才能转变为功；而其他形式的能量转变为热则不需任何条件。这样的结果就是宇宙中全部能量都在持续不断地转变为热，而热则永远不能再全部转变为功。
①　见前引书，第451—456页。*即热力学第二定律。——译注
　　在我们刚才所描述的宇宙过程中，热必须不断地产生出来，而消耗星体运动的动能。星体形成过程的每一次重复将伴随着动能的减少而发生；最后就会完全停止。熵原理的普遍推论就是宇宙将在“热寂”中死亡——这也就是说，宇宙将进入一种状态，在该状态中，通过一切温差的均衡，全部能量将转变为热，而且再也不能从热这种形式中释放出来。在这种情况下，所有宇宙事件和过程都将停止——一切都将溶化为我们称之为热的那种振动。人们作出了努力想由此来演绎出世界的“开始”和“末日”。在这方面进行的一系列思考刺激了自然哲学家来更细致地审察熵定律或熵原理。
　　首先，可以认为熵原理指明的事实禁止我们甩上面描述过的那种简单的方式来对待世界上的事件——亦即不能把这些事件看作是从星云到恒星，从恒星到星云的一种交替循环。事实上，宇宙的演化过程要远为复杂。但是，另一方面，我们目前的知识以及第二原理的观念似乎指出从整体上说，该原理与宇宙事件的循环性质也并不是不相容的。但如果熵原理实际上是具有普遍有效性的严格的自然律，那么事情就不同了。因为在那种情况下，宇宙过程将是不可逆的，事件的一个确定的方向被区别出来作为可能的方向，而其相反的方向则是不可能的。虽然如此，玻尔兹曼所进行的研究使我们有理由相信——而且这一信念在当代科学中占有优势——熵定律不是一条必然的定律，它仅仅只具有可几的有效性。
　　换句话说，宇宙事件井非总是按熵原理所规定的方式进行，只能说，按这一方式进行的情况平均来说占有压倒优势。举例来说，当这一原理断言：“两个温度不同的物体相接触，热的传递方向是从较热的物体传向较冷的物体而不是相反。”这一种陈述之为真其意义正如同下一断言之为真：“一颗正常的骰子连掷一百万次，没有一个人会次次掷到六点。”现在，尽管这种百万次重复出现六点并不与任何自然律相抵触，但我们不认为会出现这种情况，而我们却是对的。按照玻尔兹曼的考虑，虽然违反熵定律而发生的事件其概率永不为零，但这一概率通常要大大地小于上述掷骰子的概率。因此，如果我们仅把极大的概率（在某些情况下该概率可以从数值上加以确定）归之于熵定律而不宣称它是严格的自然律，那么我们和那些依赖于熵定律的物理材料就仍然保持一致。
　　由于熵原理仅仅是一个概率性定律，并因而可以包括矛盾的过程，那么这样的过程就一定会发生——尽管是很罕见的。而时间的流逝越长，这种过程发生的可能性也就越大。现在对宇宙来说，由于有无限悠久的时间供其支配，因此存在于世上的任何状态——从理论上说——没有一种是不能重复或不可逆的。因此，如果宇宙中曾一度发生过象热寂那样的事情，那么，这种普遍未分化的状态必将（有“机会”）自动地再次产生新的分化，到处均匀分布的热也必将（有“机会”）自动地转化为其他形式的能量。那时，相对于在目前宇宙状态中我们所习惯的状况，所有自然过程都会以相反的次序或方向来进行。这样，基于把熵定律当作绝对有效的自然律而作出的一切宇宙学推测就都是站不住脚的。——目前，这一陈述对我们的目的来说已经足够；因此，再去考虑什么即使保留了熵定律绝对有效的假设，上述推测是否仍没有足够的根据等等，则是多余的了。
　　从过去到将来这一时间方向的特殊性——亦即下列奇怪的事实：较早到较晚的方向完全不同于相反的方向，前者很显然不能与后者调换——无疑是与自然过程的单向进行有关，而后者又为“第二原理”所制约。或者宁可这么说：过程的不可逆性和时间方向的单向性归根到底是一回事——这一点早已为玻尔兹曼所注意。如果世界上或某部分世界上的所有过程一旦都与墒定律背道而驰，那么过去与将来就将在这一点上交换它们的角色；那时我们就能说时间进程本身发生了逆转。如果我们生活在这种状况之中或被送入了这种状况，我们也许会觉得它异乎寻常——对我们来说有点儿象一部倒过来放映的影片。但另一方面，也很可能我们根本就没有意识到这一切，很可能我们还认为自己仍然是活在正常的世界里。因为很明显，我们所谓的“过去事件”是我们对之有“记忆印象”的事件，而“将来事件”是我们所不知道的事件。归根到底，记忆是我们所拥有的唯一判据，而这只是一个主观的判据。因此，关于哪一些事件是“客观地”在实际上“先于”另一些事件，这样的问题不是我们所能够作出判断的。的确，至于是否我们看来的“过去”是真的“过去”，还是很可能是“将来”，只是因为一切过程（我们的记忆也属于其中）都已反向从而对我们来说错误地显得象是过去，——要问这样的问题，可能是毫无意义的。
　　象这一类思考，至少能使我们懂得，只有在十分专门的谨慎的办法或假定的帮助下，我们才能在事件的发展中区分“向前”和“向后”，或赋予时间方向以客观的意义。——但对这一思想的进一步深究，性质上将是认识论的，不再属于自然哲学的范围。
　　另一方面，我们愿意来讨论这样一个问题，这个问题处在认识论边界的我们这边。这问题就是一般说来，我们何以只有过去事件的而无将来事件的精确的知识。曾经有人提出说，这一事实的说明只能在熵定律中找到；而且很显然，事情一定就是如此，因为只有该原理才对过去将来这一可疑的区别提供了理由。事实上，对那种不产生可感知的热从而熵定律不起作用的可逆自然过程来说——就象对于天体运动的情况，——推知将来正好和推知过去一样地容易。但通盘看来，这个问题还没有能弄清楚。
　　实际上我们可以指望——在熵原理的帮助下——将来要比过去更易于演算；因为很明显，详细说明一个未分化的状态（该状态是一种不规则分布的状态所力求趋向的）要比详细说明一个更剧烈地分化的状态（从该状态中发展出一种分化较弱的状态）来得容易得多。如果我们考虑到这一事实，即过去的结构是由客体的空间位形而不是由能量分布的均衡程度来推断的，那么矛盾之处就会解决。过去的事件能被认知和重建，因为它们留下了“痕迹”。我能够看看海滩而知道不久前刚有人走过，但我不可能从海滩上看出在很近的将来是不是会有人走来。最广义的“痕迹”总是以这样一种方式造成的：处于分化形式下的能量（在上述情况下是人足运动的动能）造成物质粒子（海滩上的沙粒）的重新排列并在其上印下确定的形状（足印），该形状是持久的，因为按照熵定律，能量被转换为分散的形式（砂粒分子的不规则运动），并因而不能使粗大的砂粒发生进一步的位置变化。如果能量保存为一种有规则的形式（如砂粒的动能），那么砂粒在接受足印之后将不会保持静止状态——从而不会留下任何痕迹。——因为我们的“记忆”无疑是以某些留在我们脑子里的痕迹为基础的，此处给出的说明一般说来可以适用，并从而似乎表明了下述事实，即我们的回忆只涉及过去（借助于第二原理所定义的过去）而不涉及将来。

译后记
　　本书初稿译于1962年，译者是陈国维同志。1964年由陈恩池同志在陈国维同志译稿的基础上重译，张承谟同志和我参加了对译稿的讨论和修改。由于十年浩劫，该稿始终未能出版。1979年，经征得原译者同意，由我在前二稿基础上再次重译。现在印出的就是这第三稿。
　　胡文耕同志曾帮助校订全稿。洪谦教授自始至终关心本书的翻译，给了译者以巨大的帮助。谨此表示衷心的感谢。

陈维杭
一九八四年四月于复旦大学

【由文，】