《世界觀：現(xiàn)代人必須要懂的科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)史》是美國(guó)學(xué)者理查德?德威特撰寫的科學(xué)哲學(xué)著作，2018年由機(jī)械工業(yè)出版社出版。作者基于費(fèi)爾菲爾德大學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)圖表輔助與通俗化表述，系統(tǒng)梳理科學(xué)認(rèn)知體系的演進(jìn)歷程。

全書以科學(xué)史為主線，解析人類世界觀從亞里士多德地心說(shuō)、牛頓經(jīng)典力學(xué)到相對(duì)論與量子力學(xué)的變革過(guò)程。第一部分探討科學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)命題，包括真理本質(zhì)與實(shí)證方法；第二部分分析古代至近代科學(xué)范式轉(zhuǎn)換，聚焦托勒密至伽利略的理論突破；第三部分評(píng)述現(xiàn)代科學(xué)對(duì)傳統(tǒng)世界觀的沖擊，揭示科學(xué)理論與認(rèn)知框架的動(dòng)態(tài)發(fā)展。通過(guò)跨學(xué)科視角，闡釋科學(xué)思維如何重構(gòu)人類對(duì)世界的理解。

第22章　1700～1900年牛頓世界觀的發(fā)展

與亞里士多德世界觀一樣，牛頓世界觀也不是一系列完全靜態(tài)的觀點(diǎn)。在17世紀(jì)以后的幾個(gè)世紀(jì)里，牛頓世界觀得到了修改和發(fā)展，但盡管如此，這個(gè)新世界觀的核心元素，也就是17世紀(jì)眾多科學(xué)家的研究所得，特別是與17世紀(jì)末面世的牛頓的《原理》緊密相關(guān)的內(nèi)容，仍然基本保持不變。牛頓最有影響力的研究成果集中在物理學(xué)領(lǐng)域，而在17世紀(jì)之后的幾個(gè)世紀(jì)里，總體趨勢(shì)則是其他學(xué)科，包括化學(xué)、生物學(xué)以及我們現(xiàn)在所說(shuō)的電動(dòng)力學(xué)等，都發(fā)生了重大變化，從而或多或少地具備了牛頓科學(xué)體系的一些特征。

在本章，我們的主要目標(biāo)就是對(duì)發(fā)生在1700～1900年的某些關(guān)鍵科學(xué)發(fā)展進(jìn)行說(shuō)明，然后，在本章結(jié)尾處，我們會(huì)簡(jiǎn)要探討在跨入20世紀(jì)之時(shí)仍未解決的兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。在這200多年間出現(xiàn)了大量的科學(xué)發(fā)展，我們只能大概了解其中某些發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，我們的切入點(diǎn)將是試圖展現(xiàn)牛頓世界觀在這一時(shí)期的發(fā)展是多么讓人歡欣鼓舞，展現(xiàn)幾個(gè)科學(xué)主要學(xué)科是如何發(fā)展變化，并最終進(jìn)入廣闊的牛頓體系的大傘之下的。從某種意義上說(shuō)，這些科學(xué)領(lǐng)域都“被牛頓化”了。這一時(shí)期特別讓人振奮，以至于到了大約1900年，似乎大多數(shù)有關(guān)這個(gè)世界的主要問(wèn)題都已經(jīng)在牛頓科學(xué)體系中得到了解答。讓我們首先對(duì)幾個(gè)科學(xué)主要學(xué)科所取得的發(fā)展進(jìn)行概括的了解。

對(duì)科學(xué)主要學(xué)科發(fā)展的評(píng)述，1700～1900年

我們的第一個(gè)任務(wù)將是對(duì)科學(xué)的某些主要學(xué)科進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述，比如化學(xué)和生物學(xué)，并探討這些科學(xué)主要學(xué)科在1700～1900年是如何發(fā)展的。這些評(píng)述將有助于說(shuō)明科學(xué)的不同學(xué)科是如何在范圍廣闊的牛頓科學(xué)體系中變化發(fā)展的。我們將從現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展開始。

化學(xué)

現(xiàn)代化學(xué)的起源可以追溯到18世紀(jì)晚期，以安托萬(wàn)·拉瓦錫（1743—1794）的研究為標(biāo)志。要理解為什么這是現(xiàn)代化學(xué)的起源，首先了解一下17世紀(jì)以前的化學(xué)研究將很有幫助。今天，當(dāng)我們談到化學(xué)時(shí)，通常所想到的，在很大程度上說(shuō)是一個(gè)以定量研究為主的學(xué)科。如果你在高中或大學(xué)上過(guò)包括實(shí)驗(yàn)的化學(xué)課，那么你無(wú)疑對(duì)化學(xué)的定量研究有過(guò)一些體會(huì)。今天的實(shí)驗(yàn)室工作通常涉及對(duì)重量、體積、溫度等因素的精確測(cè)量。簡(jiǎn)言之，今天的化學(xué)基本上是一門定量學(xué)科。

在17世紀(jì)以前，情況并非如此。相比之下，當(dāng)時(shí)的化學(xué)更多地被認(rèn)為是一門定性科學(xué)。也就是說(shuō)，化學(xué)家所關(guān)心的主要是定性的變化，比如顏色的變化。眾所周知，煉金術(shù)士的目標(biāo)之一是將鉛變成黃金，這可以作為范例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。定性地說(shuō)，鉛和黃金很相似。兩者都是密度很高且具有高度延展性的金屬。事實(shí)上，鉛和黃金主要質(zhì)的區(qū)別在于顏色，鉛是暗灰色，而黃金是閃亮的淡黃色。

如果你可以讓鉛發(fā)生一個(gè)相對(duì)較小的質(zhì)變，具體來(lái)說(shuō)，就是將黃金淡黃色的性質(zhì)引入鉛，那么所得結(jié)果應(yīng)該就是黃金（至少按照當(dāng)時(shí)已有的觀點(diǎn)是如此）。請(qǐng)注意，火焰通常是淡黃色的，因此認(rèn)為與火焰有關(guān)的元素都和淡黃色的性質(zhì)有關(guān)聯(lián)是合理的。所以，也許我們可以用火把淡黃色的性質(zhì)傳遞給鉛，從而把鉛變成黃金。

以上是對(duì)煉金術(shù)士的部分理論及其所進(jìn)行的部分活動(dòng)的簡(jiǎn)化描述，不過(guò)，關(guān)鍵點(diǎn)是要注意其中對(duì)定性的強(qiáng)調(diào)。順帶提一下，煉金術(shù)士的方法從化學(xué)的角度看來(lái)可能相當(dāng)原始，至少按照現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)是如此。但是，如果考慮到當(dāng)時(shí)的科學(xué)水平，他們的做法就相當(dāng)合理了（牛頓也是煉金術(shù)的研究人員之一，他在這一領(lǐng)域做了大量研究）。如果我們把現(xiàn)在最前沿的科學(xué)放到500年以后，按照那時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，可能看起來(lái)也很原始。也就是，你只能利用自己所處時(shí)代的全部知識(shí)來(lái)盡自己之所能。

不管怎樣，化學(xué)的定性研究方法在18世紀(jì)晚期發(fā)生了巨大變化。安托萬(wàn)·拉瓦錫開始以天平作為主要實(shí)驗(yàn)工具來(lái)進(jìn)行大量化學(xué)研究。通過(guò)這種做法，拉瓦錫提出了新的觀點(diǎn)，這些觀點(diǎn)的解釋和預(yù)測(cè)能力要優(yōu)于當(dāng)時(shí)現(xiàn)有理論，很快他的定量研究方法就開始成為化學(xué)研究的主流。

到了19世紀(jì)早期，化學(xué)家已經(jīng)可以明確闡述許多定量規(guī)律。舉個(gè)例子，此時(shí)，約翰·道爾頓（1766—1844）構(gòu)建了他的原子理論，這是一個(gè)基本在牛頓科學(xué)體系內(nèi)的理論。道爾頓認(rèn)為理解氣體運(yùn)動(dòng)模式最好的方法是，把它們看作粒子因互斥力而相互作用的結(jié)果。請(qǐng)注意這種研究方法與牛頓的研究方法之間的相似之處。比如，牛頓認(rèn)為行星的運(yùn)動(dòng)是天體受外力影響的結(jié)果。類似地，道爾頓認(rèn)為氣體的運(yùn)動(dòng)從根本上說(shuō)，所涉及的就是物體和作用于物體上的力。

這些相互作用可以用（過(guò)去確實(shí)也是用）定量的規(guī)律來(lái)描述，最終，這些規(guī)律都通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)出來(lái)。在這里，我們看到化學(xué)被納入了特色鮮明的牛頓方法，也就是把物體受外力影響的思路運(yùn)用到化學(xué)中，并且用數(shù)學(xué)對(duì)其中的外力進(jìn)行了描述。最終，在整個(gè)19世紀(jì)以及20世紀(jì)初，通過(guò)運(yùn)用牛頓方法，化學(xué)研究取得了卓著成果，化學(xué)的某些分支甚至逐漸變成了物理學(xué)的分支，從而使物理學(xué)和化學(xué)不再是兩個(gè)完全分離的學(xué)科，而是在不同層級(jí)來(lái)研究這個(gè)世界的方法。不管是化學(xué)還是物理學(xué)，它們所研究的世界基本上被構(gòu)建為一個(gè)可用牛頓科學(xué)體系來(lái)探究的世界，也就是在這個(gè)世界中，物體都受到外力影響，而這些外力都可以通過(guò)數(shù)學(xué)法則來(lái)精確描述。

生物學(xué)

在這段時(shí)期，生物學(xué)同樣轉(zhuǎn)變成了現(xiàn)代生物學(xué)。生物學(xué)是一門范圍頗廣的學(xué)科，值得注意的是，生物學(xué)中很多非常重要的著作都完成于16世紀(jì)和17世紀(jì)。但是，直到18世紀(jì)和19世紀(jì)，“生物學(xué)現(xiàn)象并沒(méi)有脫離牛頓宇宙觀”的認(rèn)識(shí)才變得清晰起來(lái)。

要簡(jiǎn)明地說(shuō)明這一點(diǎn)，可以簡(jiǎn)要探討一下生物活力論者與生物機(jī)械論者所爭(zhēng)論的命題?；盍φ撜叩挠^點(diǎn)是，有生命的物質(zhì)和無(wú)生命的物質(zhì)是不同的，因此適用于無(wú)生命物體的規(guī)律（比如牛頓定律）并不一定也適用于有生命的物體。憑直覺(jué)來(lái)看，活力論者的觀點(diǎn)很容易理解。比如，看看你的胳膊，然后把你的胳膊與一塊石頭進(jìn)行對(duì)比。從表面上看，兩者似乎全然不同?？偟膩?lái)說(shuō)，有生命的物體看起來(lái)與無(wú)生命的物體非常不同，所以，用來(lái)解釋無(wú)生命物體的規(guī)律是否同樣可以解釋生命，這一點(diǎn)還遠(yuǎn)不明確。

然而，從18世紀(jì)開始，一直延續(xù)到19世紀(jì)和20世紀(jì)，生物學(xué)領(lǐng)域的研究都清楚地表明，活力論者的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。這些研究涉及許多領(lǐng)域，有許多研究人員參與其中。接下來(lái)，我們將僅簡(jiǎn)要探討其中兩個(gè)例子，但這已足以讓你很好地體會(huì)一下，究竟什么樣的研究結(jié)果可以讓人們意識(shí)到生物現(xiàn)象與生物學(xué)以外的現(xiàn)象都是同類型的。

第一個(gè)簡(jiǎn)要例子，讓我們思考一下有關(guān)神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的某些發(fā)現(xiàn)。對(duì)神經(jīng)的研究，包括對(duì)神經(jīng)纖維的解剖研究，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和感覺(jué)神經(jīng)元之間區(qū)別的認(rèn)識(shí)，可以至少追溯到公元前500年。神經(jīng)纖維長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是維持生命所需的液體或生命力在流動(dòng)時(shí)所經(jīng)過(guò)的通路或管道，而關(guān)于神經(jīng)纖維的這種觀點(diǎn)可以與活力論者的主張拼合到一起。然而，在18世紀(jì)晚期，路易吉·伽伐尼（1737—1798）進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流會(huì)使青蛙腿部肌肉收縮。不久之后，亞歷山德羅·伏特（1745—1827）延續(xù)了伽伐尼的研究工作，并且有所擴(kuò)展。隨著伽伐尼和伏特（還有其他許多人）研究的深入，“神經(jīng)傳導(dǎo)是一種電現(xiàn)象”的觀點(diǎn)很快就建立起來(lái)了，這與過(guò)去關(guān)于“神經(jīng)是維持生命所需的液體或生命力的通路或管道”的觀點(diǎn)相比相當(dāng)不同。

隨著相關(guān)研究在19世紀(jì)不斷深入，與神經(jīng)有關(guān)的電波活動(dòng)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)都將會(huì)被很好地理解。我們討論的關(guān)鍵點(diǎn)是，這些現(xiàn)象最初被認(rèn)為是純粹的生物學(xué)現(xiàn)象，而且可以與活力論者的觀點(diǎn)拼合在一起，但此時(shí)已開始被認(rèn)為是一種電學(xué)現(xiàn)象，而且引起這種現(xiàn)象的物理、化學(xué)過(guò)程與生物學(xué)之外的物理、化學(xué)過(guò)程是相同種類的。事實(shí)上，人們普遍認(rèn)為生物學(xué)的這個(gè)領(lǐng)域，可以與牛頓世界觀對(duì)物理、化學(xué)過(guò)程的機(jī)械論理解拼合在一起。

第二個(gè)簡(jiǎn)要例子是早期的有機(jī)化學(xué)。在19世紀(jì)初，標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)是通常所說(shuō)的“有機(jī)”化合物只能由活的有機(jī)體產(chǎn)生。除此之外，有機(jī)化學(xué)最初被認(rèn)為與活力論緊密相連，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為產(chǎn)生有機(jī)化合物需要維持生命所必需的液體或生命力。在一段時(shí)間內(nèi)，這個(gè)觀點(diǎn)似乎很有道理，事實(shí)上，沒(méi)有人曾經(jīng)利用活的有機(jī)體之外的物質(zhì)成功產(chǎn)出有機(jī)化合物，這在很大程度上也支持了這個(gè)觀點(diǎn)。

然而，1828年，弗里德里希·維勒（1800—1882）成功用一種無(wú)機(jī)化合物合成了尿素，也就是一種很明確的有機(jī)化合物。不久之后，化學(xué)家就具備了用無(wú)機(jī)化合物合成其他有機(jī)化合物的能力，所能合成的有機(jī)物也變得越來(lái)越復(fù)雜了。到19世紀(jì)50年代中期，這項(xiàng)技藝成了日常工作，也嚴(yán)重動(dòng)搖了活力論者關(guān)于“有生命和無(wú)生命物體之間存在顯著差異”的觀點(diǎn)。

最后一個(gè)例子涉及演化理論研究，主要在19世紀(jì)早期到中期開展。最終結(jié)果是廣義的生命，比如物種的多樣性，開始被視為依據(jù)自然法則展開的自然過(guò)程所產(chǎn)生的結(jié)果。達(dá)爾文本人特意用了牛頓體系的方法來(lái)進(jìn)行研究。就像牛頓運(yùn)動(dòng)定律是物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)（運(yùn)動(dòng)著的行星、下落的物體等）所遵循的規(guī)律，達(dá)爾文想過(guò)要找到物種隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)所遵循的規(guī)律。關(guān)于演化理論的發(fā)展歷程，我們將在第三部分中對(duì)其中部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)討論，因此，在這里我們不會(huì)繼續(xù)深入討論，而只需要看到達(dá)爾文的研究很好地表明了牛頓科學(xué)和相對(duì)較新的牛頓世界觀對(duì)其他科學(xué)主要學(xué)科所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。牛頓的研究方法，也就是在自己所屬的研究領(lǐng)域內(nèi)探尋并精確闡述研究對(duì)象的行為所遵循的規(guī)律，已經(jīng)被視作進(jìn)行科學(xué)研究的正確方法了。

以上是對(duì)這些發(fā)展的一個(gè)簡(jiǎn)要概括，但已可以說(shuō)明在1700～1900年生物學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的主要發(fā)展。重點(diǎn)是，這些例子說(shuō)明了人們是如何逐漸認(rèn)識(shí)到生物現(xiàn)象與非生物現(xiàn)象實(shí)際上并無(wú)差異的。甚至到了20世紀(jì)初，仍然有一小部分人堅(jiān)持為活力論辯護(hù)，但此時(shí)已經(jīng)很明顯的是，機(jī)械論觀點(diǎn)才是正確的。20世紀(jì)的發(fā)現(xiàn)（比如在遺傳學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)），使這一點(diǎn)成為定論，并讓人們很好地理解了生命活動(dòng)是如何從分子層面產(chǎn)生出來(lái)的?？偟膩?lái)說(shuō)，到20世紀(jì)初，生物、化學(xué)和物理出現(xiàn)了融合，并開始被視為在不同層面對(duì)同一個(gè)處于牛頓科學(xué)體系內(nèi)的世界所進(jìn)行的研究。

電磁理論

最后再舉一個(gè)例子，這個(gè)例子將足以說(shuō)明多種現(xiàn)象是如何融入牛頓科學(xué)體系的。對(duì)于電和磁相關(guān)現(xiàn)象的研究，至少?gòu)墓畔ＥD時(shí)期就已經(jīng)開始了，然而，我們對(duì)這些現(xiàn)象的理解最為引人注目的進(jìn)展則是出現(xiàn)在18和19世紀(jì)。

在18世紀(jì)中期，本杰明·富蘭克林（1706—1790）證明了閃電是一種電學(xué)現(xiàn)象，同時(shí)還證明了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間存在一系列有趣的聯(lián)系。然后，在18世紀(jì)晚期和19世紀(jì)早期，研究人員，包括查爾斯·庫(kù)侖（1736—1806）和邁克爾·法拉第（1791—1867），當(dāng)然還有其他很多人，讓我們對(duì)電和磁的認(rèn)識(shí)有了重大進(jìn)展。舉個(gè)例子，庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)磁和電的斥力和引力遵循平方反比的規(guī)律，也就是說(shuō)，兩個(gè)物體之間的電引力/斥力或磁引力/斥力與兩個(gè)物體之間距離的平方成反比。值得注意的是，庫(kù)侖定律平方反比的性質(zhì)與牛頓萬(wàn)有引力定律力平方反比的性質(zhì)非常類似。回憶一下，根據(jù)牛頓對(duì)引力的描述，兩個(gè)物體之間重力吸引力的大小與兩個(gè)物體間距離的平方成反比。庫(kù)侖定律也是如此，因此庫(kù)侖定律與牛頓世界觀的本質(zhì)精神非常一致。更概括地說(shuō)，此時(shí)研究電磁現(xiàn)象的方法出現(xiàn)了變化。在人類大多數(shù)歷史中，至少追溯到古希臘時(shí)期，對(duì)電磁現(xiàn)象都是進(jìn)行定性描述。然而，此時(shí)這些現(xiàn)象開始被認(rèn)為是遵循精確的數(shù)學(xué)規(guī)律，從本質(zhì)上說(shuō)與牛頓世界觀的方法是一致的。

在19世紀(jì)上半葉，法拉第發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間更多的聯(lián)系。到目前為止，從實(shí)際生活的角度來(lái)看，法拉第最有影響力的發(fā)現(xiàn)是磁場(chǎng)可以通過(guò)感應(yīng)產(chǎn)生電流。這個(gè)原理至今仍然是發(fā)電的基本原理，在我們每天使用的電力中，實(shí)際上有很大一部分來(lái)源于法拉第的發(fā)現(xiàn)。

盡管這可能是法拉第對(duì)實(shí)際生活最有影響力的發(fā)現(xiàn)，但是法拉第的另一個(gè)觀點(diǎn)，也就是“電、磁和光可能是同一潛在源頭的不同形態(tài)”，則具有深遠(yuǎn)的理論影響力（盡管這個(gè)想法其實(shí)也很快就廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活了）。法拉第的這個(gè)觀點(diǎn)，很快得到了發(fā)展，成了由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1831—1879）在19世紀(jì)中期提出的電磁理論。法拉第的發(fā)現(xiàn)主要是定性描述，但是麥克斯韋則發(fā)現(xiàn)了光、電力和磁力現(xiàn)象背后的基本數(shù)學(xué)方程式。這些方程式通常被稱為“麥克斯韋方程組”，它們將光、電力和磁力現(xiàn)象統(tǒng)一了起來(lái)，被廣泛認(rèn)為是這一時(shí)期最重要的發(fā)現(xiàn)。

再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，以上對(duì)有關(guān)電力、磁力和光的部分關(guān)鍵研究發(fā)展的概述是非常簡(jiǎn)短且有所選擇的。但是，請(qǐng)?jiān)俅巫⒁庖幌缕渲写笾孪嗤哪Ｊ剑涸谶@段時(shí)期，這些領(lǐng)域都出現(xiàn)了超乎尋常的發(fā)展，許多現(xiàn)象過(guò)去都曾經(jīng)被認(rèn)為是獨(dú)特的，而且要用定性的方法進(jìn)行研究，此時(shí)卻逐漸統(tǒng)一了起來(lái)，而且都可以用牛頓科學(xué)體系中的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)定量方法來(lái)進(jìn)行研究。

概括評(píng)述

盡管我們只是具體研究了三個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，但也應(yīng)該已經(jīng)足以讓我們體會(huì)到，在1700～1900年，科學(xué)的諸多領(lǐng)域是如何被納入牛頓科學(xué)體系中的。值得注意的是，這一時(shí)期長(zhǎng)達(dá)200年，其間許多不同的科學(xué)領(lǐng)域都出現(xiàn)了令人印象深刻的成果和發(fā)現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，到了1900年，多個(gè)學(xué)科都在快速發(fā)展。牛頓科學(xué)體系中具有普遍性的方法被證明極富成效。到了大約1900年，有一種感覺(jué)是我們已經(jīng)幾乎完全了解自然，只剩下幾個(gè)無(wú)足輕重的問(wèn)題還有待解決。接下來(lái)，讓我們對(duì)其中幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討。

幾朵小烏云

英國(guó)著名物理學(xué)家之一開爾文勛爵在1900年發(fā)表了一段經(jīng)常被引用的談話，在談話中他指出，在現(xiàn)代科學(xué)本應(yīng)晴朗的天空里，現(xiàn)在只有幾朵“小烏云”了。開爾文所指的“小烏云”中，有兩朵比較重要，分別是對(duì)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射理解上的某些問(wèn)題。

事實(shí)上，對(duì)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解有賴于愛(ài)因斯坦相對(duì)論的確立，而對(duì)與黑體輻射相關(guān)命題的理解，以及對(duì)下面要討論的其他命題的理解，都有賴于量子理論的創(chuàng)立。這些理論是現(xiàn)代物理學(xué)最重要的兩個(gè)分支，兩者都對(duì)牛頓科學(xué)和牛頓世界觀的某些方面產(chǎn)生了舉足輕重的影響?？紤]到以上幾點(diǎn)，開爾文所說(shuō)的小烏云實(shí)際上一點(diǎn)都不小。在本章剩余的篇幅中，我們將簡(jiǎn)要了解邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)、與黑體輻射相關(guān)的命題，以及其他看起來(lái)無(wú)足輕重的命題。在后續(xù)的章節(jié)中，我們將探討相對(duì)論和量子理論，以及這些理論對(duì)牛頓世界觀的影響。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)涉及光速和光傳播的方式。阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）和愛(ài)德華·莫雷（1838—1923）進(jìn)行了大量有關(guān)這些命題的實(shí)驗(yàn)，最重要的幾個(gè)發(fā)生于19世紀(jì)80年代末。一些背景信息將有助于理解該實(shí)驗(yàn)。

思考一下水波的運(yùn)動(dòng)。波是介質(zhì)之間機(jī)械干涉的結(jié)果，而正是通過(guò)這種介質(zhì)，波才得以運(yùn)動(dòng)，這種介質(zhì)就是水。當(dāng)然，在沒(méi)有基礎(chǔ)介質(zhì)（也就是沒(méi)有水）的情況下，就不可能有水波的運(yùn)動(dòng)。

聲波與此相似。聲波也是介質(zhì)之間機(jī)械干涉的結(jié)果，也是通過(guò)介質(zhì)才可以傳播?？諝馐堑湫偷慕橘|(zhì)，盡管聲波也可以通過(guò)其他多種介質(zhì)進(jìn)行傳播。同樣地，基礎(chǔ)介質(zhì)對(duì)聲波的傳播也是必需的，沒(méi)有基礎(chǔ)介質(zhì)，也就沒(méi)有波。

總的來(lái)說(shuō)，為了與整體牛頓科學(xué)體系保持一致，任何波的運(yùn)動(dòng)都被認(rèn)為是需要某種基礎(chǔ)介質(zhì)的機(jī)械干涉。由于我們有很好的理由來(lái)認(rèn)為光是波，所以在牛頓科學(xué)體系內(nèi)，光傳播應(yīng)該需要依賴于某種基礎(chǔ)介質(zhì)。下面這段話摘自德夏內(nèi)爾的《自然哲學(xué)》，對(duì)光的傳播進(jìn)行了精準(zhǔn)總結(jié)。在19世紀(jì)80年代末這本書是物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)教科書。（在“科學(xué)”這個(gè)單詞成為標(biāo)準(zhǔn)之前，“自然哲學(xué)”用來(lái)指代我們所說(shuō)的科學(xué)。順帶提一下，德夏內(nèi)爾的書出版于邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)之前，后來(lái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)給這本書中牛頓科學(xué)體系內(nèi)關(guān)于光傳播的觀點(diǎn)提出實(shí)質(zhì)性問(wèn)題。）

和聲音一樣，光被認(rèn)為是來(lái)源于振動(dòng)；但是，和聲音一樣，它也不需要空氣或其他有形物質(zhì)的存在來(lái)使其振動(dòng)，從源頭傳播到周邊?！坪跣枰僭O(shè)存在一種遠(yuǎn)比普通物質(zhì)更為稀薄的介質(zhì)……【這種介質(zhì)】可以用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)聲速的速度來(lái)傳播振動(dòng)?！@種假設(shè)存在的介質(zhì)被稱為“以太”。（德夏內(nèi)爾，1885，p.947）

“以太”（ether）這個(gè)名字源于過(guò)去的“以太”概念，也就是在亞里士多德世界觀里被認(rèn)為可以在月上區(qū)找到的元素以太。然而，除了名字，亞里士多德世界觀里的以太和被當(dāng)作光傳播所需基礎(chǔ)介質(zhì)的以太并沒(méi)有什么相似點(diǎn)。

請(qǐng)注意這個(gè)關(guān)于光傳播的觀點(diǎn)，是如何與牛頓科學(xué)體系中機(jī)械論的宇宙拼合在一起的。與聲波和水波等現(xiàn)象一樣，光傳播被認(rèn)為需要某種基礎(chǔ)介質(zhì)的機(jī)械干涉。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的目的是找出更多直接證據(jù)來(lái)證明以太的存在。

實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)想是，從一個(gè)點(diǎn)發(fā)射出兩道光，夾角為90度，隨后（通過(guò)鏡子反射）使兩道光從兩個(gè)方向反射回來(lái)。如果光通過(guò)以太這樣的介質(zhì)來(lái)傳播，那么由于地球很有可能像船在水面上劃過(guò)那樣在介質(zhì)以太中運(yùn)動(dòng)，預(yù)計(jì)將看到兩道光反射回來(lái)時(shí)有微小的時(shí)間差。舉個(gè)與這個(gè)實(shí)驗(yàn)核心想法相似的例子，假設(shè)讓兩個(gè)人從運(yùn)動(dòng)著的船上出發(fā)去游泳。思考一下圖22-1所示的關(guān)于船和游泳者的類比。假設(shè)三條船都以同樣的速度在水中運(yùn)動(dòng)，比方說(shuō)是1英里/小時(shí)，船B1與船B3之間的距離和船B2與船B3之間的距離相等。假設(shè)兩個(gè)游泳者以相同的速度在水中游泳，比方說(shuō)是3英里/小時(shí)。其中一人（圖中的S1）的任務(wù)是游到位于圖示上方的船B1，然后回到他最初出發(fā)的船上（也就是船B3）。由于船在水中運(yùn)動(dòng)，因此這個(gè)人需要以一定的角度游向船B1，然后同樣以一定的角度游回船B3。另一個(gè)人（圖中的S2）的任務(wù)是追上位于他出發(fā)的船B3前面的船B2，然后回到船B3。

相對(duì)于最初的船B3，兩個(gè)人往返的距離相等。但是，請(qǐng)注意，相對(duì)于兩個(gè)人所游過(guò)的介質(zhì)（也就是水），兩人游過(guò)的距離就不相等了。具體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于水，S1游過(guò)的距離比S2稍微短一些。（如果你感興趣，可以運(yùn)用勾股定理和一些代數(shù)算法算出每個(gè)人所游的確切距離。）由于相對(duì)于他們運(yùn)動(dòng)所在的介質(zhì)，兩個(gè)人游過(guò)的距離不同，因此他們將在不同時(shí)間點(diǎn)回到最初的船上，如圖22-2所示。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的核心想法完全可以與這個(gè)船和游泳者的例子進(jìn)行類比。在實(shí)驗(yàn)中，邁克爾遜和莫雷從一個(gè)定點(diǎn)發(fā)射出兩道光，這個(gè)定點(diǎn)就相當(dāng)于類比中兩個(gè)人出發(fā)的船B3。兩道光發(fā)出時(shí)夾角為直角，而這兩道光就相當(dāng)于類比中的兩個(gè)人S1和S2。兩道光分別通過(guò)與光源距離相等的兩面鏡子反射回來(lái)，這兩面鏡子就相當(dāng)于船B1和船B2。

如果牛頓科學(xué)體系內(nèi)關(guān)于光傳播的機(jī)械論觀點(diǎn)是正確的，也就是光通過(guò)介質(zhì)以太來(lái)傳播，那么光源和鏡子應(yīng)該在以太中運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)楣庠春顽R子本身在地球上，而地球在圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候就將在以太中運(yùn)動(dòng)。那么，以太就相當(dāng)于船與游泳者類比中的水。盡管相對(duì)于光源，兩道光傳播的距離相等，但是由于光源和鏡子同時(shí)在以太中運(yùn)動(dòng)，那么對(duì)于以太，兩道光傳播的距離將是不相等的（造成這種情況的確切原因，與兩個(gè)人相對(duì)于其所在介質(zhì)游過(guò)的距離不同是一樣的）。因此，我們預(yù)計(jì)可以看到兩道光回到光源處時(shí)有微小的時(shí)間差。

然而，與大家所預(yù)期的相反，兩道光總是在相同時(shí)間點(diǎn)回到光源處。這個(gè)結(jié)果非常出人意料，在這種情況下，應(yīng)該反復(fù)進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不斷驗(yàn)證。事實(shí)也正是如此。但是每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都相同，也就是兩道光總是同時(shí)回到光源處。

請(qǐng)注意，這一點(diǎn)符合第4章討論過(guò)的不證實(shí)推理模式：如果牛頓科學(xué)體系內(nèi)關(guān)于光傳播的機(jī)械論描述是正確的，那么光應(yīng)該在不同的時(shí)間點(diǎn)回到光源處。然而，事實(shí)并非如此，所以一定是哪里有問(wèn)題。

由于牛頓科學(xué)體系非常成功，因此科學(xué)家如果因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果而放棄牛頓科學(xué)體系內(nèi)的觀點(diǎn)，將是非常不明智的。但是，一定有哪里不太對(duì)，正如開爾文勛爵提到過(guò)的，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果似乎是本應(yīng)晴朗的天空中為數(shù)不多的幾朵小烏云之一。后來(lái)證明，這些有關(guān)光的命題根本不是小問(wèn)題，正如我們?cè)谇懊嫣岬竭^(guò)的，直到愛(ài)因斯坦相對(duì)論問(wèn)世，這些問(wèn)題才最終得以解決。

后面我們將看到，相對(duì)論本身對(duì)我們通常關(guān)于宇宙的觀點(diǎn)將會(huì)有一些有趣的影響。我們將會(huì)在第23章對(duì)此進(jìn)行研究，在那之前，我們先簡(jiǎn)要討論一下其他幾朵看起來(lái)無(wú)足輕重的小烏云。

黑體輻射

在不討論具體細(xì)節(jié)的情況下，讓我來(lái)粗略介紹一下有關(guān)黑體輻射的問(wèn)題?！昂隗w”是物理學(xué)里的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，指的是一個(gè)理想化的物體，可以吸收所有指向它的電磁輻射。舉個(gè)例子，光是電磁輻射的一種形式，所以，如果我們向一個(gè)黑體投射光線，黑體將吸收所有光線，因而表現(xiàn)出黑暗的性質(zhì)（因此才被稱為“黑體”）。在日常生活中，我們不會(huì)遇到這樣理想化的物體，但是我們確實(shí)會(huì)對(duì)某些黑體有所體會(huì)，盡管它們與物理學(xué)中理想化的黑體有些不同，但會(huì)有助于解釋某些問(wèn)題。

舉個(gè)例子，思考一下電爐上的黑色線圈爐頭。這樣的一個(gè)物體吸收了大部分投向它的光線，因此它看起來(lái)（大多數(shù)情況下）是黑色的。除此之外，加熱的時(shí)候，這個(gè)物體將會(huì)對(duì)外進(jìn)行輻射。比如，電爐上的線圈爐頭可以同時(shí)以熱和光的形式對(duì)外進(jìn)行輻射（舉個(gè)例子，當(dāng)足夠熱時(shí)，線圈爐頭會(huì)發(fā)出紅光）。

當(dāng)然，我們可以測(cè)量線圈對(duì)外進(jìn)行輻射的模式。

一個(gè)理想化的黑體在受熱時(shí)應(yīng)該對(duì)外進(jìn)行輻射。根據(jù)牛頓科學(xué)體系，也就是在18世紀(jì)和19世紀(jì)牛頓世界觀的發(fā)展，一個(gè)受熱的黑體預(yù)計(jì)將以某種特定模式對(duì)外進(jìn)行輻射。事實(shí)上，關(guān)于受熱黑體對(duì)外進(jìn)行輻射的模式，存在已經(jīng)明確且與牛頓世界觀定量計(jì)算傳統(tǒng)保持一致的方程式，應(yīng)可以進(jìn)行相當(dāng)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。到了19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)家已經(jīng)構(gòu)建出能夠?qū)ν膺M(jìn)行輻射的設(shè)備，其對(duì)外輻射的模式應(yīng)該與受熱黑體對(duì)外進(jìn)行輻射的模式相同。然而，實(shí)際觀察到的輻射模式與根據(jù)牛頓科學(xué)體系預(yù)測(cè)的輻射模式卻有顯著差異。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，情形是這樣的：當(dāng)僅觀察波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射時(shí)，所觀察到的輻射模式與預(yù)測(cè)的模式十分相近。但是，到了短波時(shí)，觀察到的輻射模式則與預(yù)測(cè)模式大相徑庭。（順帶提一下，這些有問(wèn)題的短波位于電磁波譜的紫外線一端，因此這個(gè)問(wèn)題有時(shí)被稱為“紫外災(zāi)難”。）

這個(gè)情形與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的情形有些類似，也是一個(gè)不證實(shí)證據(jù)的例子：根據(jù)當(dāng)時(shí)存在的有關(guān)輻射的觀點(diǎn)（符合牛頓科學(xué)體系的觀點(diǎn)），人們預(yù)期看到某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是，在黑體輻射上，那些預(yù)期可以看到的結(jié)果實(shí)際上都沒(méi)有出現(xiàn)。所以，在這里，與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的情形一樣，牛頓科學(xué)體系似乎哪里有些不對(duì)。

同樣，人們當(dāng)然不會(huì)因?yàn)樯贁?shù)幾個(gè)問(wèn)題就輕易放棄一個(gè)本來(lái)很成功的理論，更不要說(shuō)是一個(gè)已經(jīng)非常成功的牛頓科學(xué)體系。盡管如此，黑體輻射問(wèn)題確實(shí)似乎是另一朵小烏云。

最終，量子理論的出現(xiàn)才解釋了黑體輻射。我們?cè)诤罄m(xù)章節(jié)中將會(huì)看到，量子理論對(duì)我們有關(guān)這個(gè)世界的許多假設(shè)都產(chǎn)生了非常深遠(yuǎn)的影響，具體來(lái)說(shuō)，它對(duì)牛頓世界觀的多個(gè)重要內(nèi)容都產(chǎn)生了巨大影響。所以，與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的情形一樣，黑體輻射的問(wèn)題后來(lái)被證明并不只是一朵小烏云。

其他問(wèn)題

盡管邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射問(wèn)題，是開爾文勛爵所談到的小烏云中最為突出的兩朵，但在20世紀(jì)初，仍然有其他幾個(gè)令人困惑的命題。在結(jié)束本章之前，我將對(duì)其中幾個(gè)命題依次進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

在20世紀(jì)初，物理學(xué)家意識(shí)到某些元素受熱后發(fā)出的光具有出人意料的模式。舉個(gè)例子，假設(shè)我們加熱一個(gè)鈉樣本。我們會(huì)注意到樣本發(fā)出淡黃色的光（餐桌上的食鹽包含鈉元素，你只要加熱一小撮鹽，就會(huì)對(duì)這個(gè)效果有所體會(huì)）。這個(gè)現(xiàn)象本身并沒(méi)有問(wèn)題，某些物質(zhì)受熱后會(huì)散發(fā)出特有光線是人們?cè)缫阎赖氖聦?shí)。在20世紀(jì)早期，令人驚訝的是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些元素（比如鈉）受熱后發(fā)出的光，其中僅有某些特定波長(zhǎng)的光線。（后來(lái)證明，每個(gè)元素發(fā)出的光的波長(zhǎng)模式都是這個(gè)元素所特有的，而在確定未知物質(zhì)及遙遠(yuǎn)星球的元素組成時(shí)，這個(gè)特點(diǎn)被證明有十分重要的作用。）受熱元素所發(fā)出光線具有特定波長(zhǎng)模式，以及這些光僅由特定波長(zhǎng)的光線組成，都是令人驚訝的事實(shí)。

根據(jù)牛頓科學(xué)體系的觀點(diǎn)，元素發(fā)出的光應(yīng)該是由連續(xù)波長(zhǎng)的光線組成，而不是僅由幾種離散波長(zhǎng)的光線組成。

因此，我們又遇到了一個(gè)關(guān)于牛頓科學(xué)體系的不證實(shí)證據(jù)，盡管在當(dāng)時(shí)，這看起來(lái)同樣是相對(duì)不重要的問(wèn)題，然而，這個(gè)問(wèn)題后來(lái)也被證明只能靠量子理論來(lái)解決。

同樣是在這一時(shí)期，也就是19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，一系列研究的結(jié)果都無(wú)法直接與當(dāng)時(shí)已有理論相符合。這些結(jié)果并不一定是已有理論所直接面臨的問(wèn)題，但是當(dāng)時(shí)也沒(méi)有一個(gè)完整體系來(lái)容納這些研究結(jié)果。接下來(lái)的幾個(gè)例子可以說(shuō)明這一類命題。

在這一時(shí)期，很多物理學(xué)家，包括很多著名的物理學(xué)家，都在對(duì)現(xiàn)在通常所說(shuō)的“陰極射線”進(jìn)行研究?，F(xiàn)在，我們知道陰極射線實(shí)際上是一個(gè)電子束，但在那時(shí)，這些研究人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常不一致，而且正如在前面提到過(guò)的，當(dāng)時(shí)不存在一個(gè)完整體系來(lái)容納這些研究結(jié)果。因此，同樣地，盡管這些結(jié)果并沒(méi)有直接與當(dāng)時(shí)通常的觀點(diǎn)相矛盾，但它們多少令人感到困惑。

大約在同一時(shí)期，現(xiàn)在所說(shuō)的X射線被發(fā)現(xiàn)了?，F(xiàn)在人們認(rèn)為X射線是一種電磁輻射，與可見光相似，但波長(zhǎng)更短。與陰極射線相同，關(guān)于X射線的許多早期研究結(jié)果都讓人很困惑。簡(jiǎn)單舉一個(gè)例子，有些實(shí)驗(yàn)表明X射線應(yīng)該是粒子，但另一些實(shí)驗(yàn)則同樣有力地表明X射線不可能是粒子，而應(yīng)該是波。所以，在那個(gè)時(shí)候，盡管X射線的許多性質(zhì)都被發(fā)現(xiàn)了，但對(duì)X射線是什么仍沒(méi)有很好地理解，像陰極射線一樣，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都無(wú)法被納入一個(gè)完整的體系中。

再舉一個(gè)例子，放射性也是在這一時(shí)期被發(fā)現(xiàn)的，相關(guān)研究中包括瑪麗·居里（1867—1935）和皮埃爾·居里（1859—1906）的研究和重要發(fā)現(xiàn)。（瑪麗·居里是第一位獲得諾貝爾科學(xué)領(lǐng)域獎(jiǎng)項(xiàng)的女性，同時(shí)也是第一位兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人。）同樣，放射性元素的性質(zhì)也被證明令人困惑。與前面提到的例子一樣，盡管放射性沒(méi)有與已廣為接受的牛頓科學(xué)體系的觀點(diǎn)產(chǎn)生直接矛盾，但是與放射性相關(guān)的發(fā)現(xiàn)不能被簡(jiǎn)單地納入牛頓科學(xué)體系。

前面討論的幾個(gè)命題，既沒(méi)有涵蓋20世紀(jì)初物理學(xué)全部的活躍研究領(lǐng)域，也不是對(duì)研究結(jié)果仍存在困惑的領(lǐng)域的完整描述。但是，這些例子應(yīng)該已經(jīng)足夠讓我們體會(huì)到那些“盡管并沒(méi)有與通常的牛頓科學(xué)體系觀點(diǎn)發(fā)生直接沖突，但也不容易與這些觀點(diǎn)拼合在一起”的結(jié)果究竟是怎樣的。

結(jié)語(yǔ)

1700～1900年出現(xiàn)了大量科學(xué)研究成果，它們都融入了17世紀(jì)的科學(xué)家所提出的架構(gòu)體系，其中最值得注意的就是牛頓提出的科學(xué)體系。新研究成果的融入，使這些架構(gòu)體系看起來(lái)前景無(wú)限。所有內(nèi)容似乎都完美地拼合在一起，結(jié)果就是得到了牛頓體系的宇宙觀，它看起來(lái)幾乎可以解釋一切，或者至少人們希望如此。

在結(jié)語(yǔ)之前的小節(jié)里，我們討論了19世紀(jì)末兩個(gè)最突出的問(wèn)題——邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)問(wèn)題和黑體輻射問(wèn)題。我們隨后又簡(jiǎn)要討論了在這一時(shí)期其他幾個(gè)同樣令人困惑的研究結(jié)果。當(dāng)時(shí)，人們都期望在通常的牛頓科學(xué)體系內(nèi)解決邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射問(wèn)題。而對(duì)前一個(gè)小節(jié)結(jié)尾部分討論的那些令人困惑的其他研究結(jié)果，情況也是如此。

然而，后來(lái)事實(shí)證明，這些結(jié)果對(duì)牛頓世界觀來(lái)說(shuō)并不是無(wú)足輕重的小問(wèn)題。在剩下的幾章中，我們將探討新近的一些發(fā)展，這些發(fā)展大部分出現(xiàn)在20世紀(jì)以后。相對(duì)論和量子理論是其中兩個(gè)主要發(fā)展，它們最終對(duì)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射的有趣結(jié)果進(jìn)行了解釋。另一個(gè)新近的主要發(fā)展是演化論，我們?cè)诒緯南乱徊糠忠矔?huì)對(duì)這個(gè)理論進(jìn)行探討。我們將看到，所有這些新近發(fā)展都對(duì)我們的觀點(diǎn)，至少是對(duì)我們自牛頓時(shí)代開啟以來(lái)所秉持的觀點(diǎn)，產(chǎn)生了重要影響。