亥姆霍兹与狭义相对论的创立(1)
http://www.newdu.com 2024/10/11 02:10:53 哲学网 佚名 参加讨论
| 【内容提要】随着西方哲学界关于亥姆霍兹研究的不断深入，他的科学与哲学思想日益受到重视。本文正是在已有的研究基础上，就亥姆霍兹的非欧几何思想及其哲学意义进行了深入探讨。这些重要思想不仅有力地推动了现代科学哲学的发展，而且是爱因斯坦狭义相对论的重要思想渊源。 n 【关键词】康德哲学/非欧几何/狭义相对论/批判精神 【正文】 20世纪早期可谓科学史上罕有的黄金时代。其间，现代物理学的两大支柱——相对论和量子力学相继创立，由此不仅为物理学提供了新的范式，而且为人类的整个自然观带来了重大变革。赞叹之余，我们更应细察这些科学思想的源流，从而发现通向未来的重要启迪。这就必然把我们带到19世纪后半叶这一令德国人为之骄傲的时代，尤其是在被誉为“德国科学的帝国首相”的亥姆霍兹身上，我们将会发现导向20世纪物理学革命的一系列重要思想。 一 追踪“先天”空间形式的世俗血统 在人类文明史上，数学因其在我们的整个知识体系中的特殊地位而与哲学有着非同寻常的关系。对数学基本问题的思考不仅是推动数学发展的重要动力，而且也使数学的内容不断深化和发展。从柏拉图到康德的哲学唯理论流派就把数学当作自己重要的理论基石，欧氏几何学曾被康德看作是存在先天综合判断的根本依据之一。“经验论哲学家们则反对这一论证，结果都失败了；唯理论者有数学家站在他的一边，要反对他的逻辑，似乎是没有希望的。非欧几何发现之后，情况为之逆转。”[1]经验主义思潮随开始盛行。对于认识论的这次重大革命，亥姆霍兹功不可没。 从其科学生涯的早期，亥姆霍兹就致力于对数学、物理学基本概念的哲学分析和批判考察。在他看来，自然科学与逻辑学在思维方式上是根本不同的。因为在作为“哲学的一部分的逻辑学中，关于大前提及小前提的起源问题一般是没有说明的，……传统逻辑把自己限于那种方式、方法，由这种方式、方法你就能从已知的和给定的命题推出新命题，即一个人如何从三段论中推出命题。它并没有给出我们如何达到最初命题的大前提和小前提的任何信息。一般说来，这正是由一位未知的权威所给的命题。”[2]而自然科学的程序则恰恰相反，它的目的在于获得先前未知的知识，这些知识是不能由任何权威给出的。正是那些先前不知道的命题，形成了自然科学的主要部分及最重要的部分。按照这种精神，对于一个理论来说，亥姆霍兹最为关注的必然是对其前提及基本原理的批判性审查，并进而揭示出它们的“世俗血统”，这正是他科学与哲学研究的突出特色，也是一切富有创造性的杰出科学家及哲学家所共有的优秀品格。因此，从其对生理光学的研究到对一般空间知觉的起源和本性的沉思，再到对几何学及算术公理之基础的批判性考察就成了亥姆霍兹科学与哲学探索的必然发展趋势。 早在1857年给其父亲的信中，亥姆霍兹就明确谈到：“我正感到某些问题急需特别处理的必要性。就我所知，还没有任何一位现代哲学家着手处理这些问题，它们全部属于康德所探讨的先验概念的范围。例如几何学原理和力学原理的起源问题，以及我们必须逻辑地把实在归诸于物质和力这两个抽象概念的理由。其次是来自类比的无意识推理的规律，由此规律我们才从感觉进到知觉。我清楚地认识到这些只有通过哲学探讨才能被解决，也才是可能解决的，以致我感到对更深奥的哲学知识的迫切需要。”[3]但另一方面，他也深知解决这些重大问题决不能像前人那样单靠纯思辨的方法，否则就会重蹈覆辙。随之，亥姆霍兹对感官生理学、特别是生理光学及知觉的起源与本性进行了长期的深入研究，直到1866年才真正转向几何学公理及算术公理之基础的研究。 在亥姆霍兹看来，像几何学这样的科学可以存在，而且按它的方式被建构起来这一事实，已经必然地引起每个对认识论问题感兴趣的人的关注。我们的知识中没有别的学科像几何学那样似乎是现成地出现的。在这方面，它完全避开了其它的自然科学学科必须做的那种收集经验材料的繁琐任务，以致它的程序的形式是唯一地演绎的，结论来自结论，并且谁都不最终地怀疑这些几何定理对现实世界的有效性，从而使得几何学总是被当作令人叹服的例子去证明，不必借助经验我们也能获得关于实在内容的命题的知识，特别是被康德当成了存在先天综合判断的根据，这是不符合批判精神的。亥姆霍兹要进一步对这些所谓的“自明公理”进行批判考察，其目标在于“给出有关几何公理，它们与经验的关系以及用其他公理代替原有公理的逻辑可能性的最新研究成果的一种解释。”[4] 那么，欧氏几何所隐含的基本事实是什么呢？亥姆霍兹的分析表明，欧氏几何的所有证明的基础都在于确立相关的线、角、平面图形及立体图形的叠合。只有当两个图形完全重合时，它们才是相等的。对之作进一步的分析将会发现，为了使两个图形相等，必须把一个图形移向另一个图形。但是如何移动呢？答案无疑是要保证移动过程中图形保持不变，这相当于移动一个不变的刚体。显然，这里隐含的公设是不变刚体的存在，而这个概念是来自对自然物体所显现的物理的或化学的特性的抽象。如果刚体或质点系统不能形状不变地相互移动，如果几何图形的叠合不是一个独立于一切运动的事实，我们就不能谈论全等，也不会有空间测量的可能性。因而，对欧氏几何来说，首要的是全等概念，而不是两点间的最短线，这就是亥姆霍兹基于事实的分析而非解析的准则所得到的一个重要结论。正如他在谈到这一点时所说：“我的出发点是一切最初的空间测量都是基于对全等的观察。显然，光作为直线的性质是一个物理事实，它受到其它领域的特定实验的支持，对于可以获得对几何公理的精确性充分确信的盲人来说，光的这一特性是绝对不重要的。”[5]因为盲人不借助光的直线性也能理解欧氏几何学，但盲人并非通过触觉没有领悟全等。 亥姆霍兹认为，Riemann的解析方法的不足之处在于它没有反映出我们的空间概念所必须的经验部分。而他自己的目标则在于以确立重合为起点，去假定空间测量的可能性并进而探求多维空间的一般解析表达式，这就意味着经验地得到了几何公理。在谈到与Riemann的研究思路的重大区别时，亥姆霍兹指出：“我自己达到同样的考虑部分地来自对于颜色的空间描述的研究，部分地通过对以视野中的测量为目的的视觉估计之起源的研究。Riemann从描述空间中无限接近的两点间距离的一般解析表达式开始，由此导出了关于不变的空间结构的自由运动定理，而我则从观察事实出发，这一事实即不变的空间构形在我们空间中运动的自由性是可能的，并且我由这一事实导出了较Riemann当作公理的解析表达式的必然性。以下就是我的计算所基于的假定：(a)关于空间的连续性和维数；(b)可动刚体的存在，它是通过叠合而进行空间测量的比较时所必需的；(c)这种刚体的可自由运动特性，由(b)(c)两点可保证两个空间图形的叠合与其所在的空间位置无关；(d)刚体的旋转不变性。”[6]亥姆霍兹认为，这四个假定都是普通几何所具有的，“尽管以上假定没有关于直线和平面的存在的公理及平行线公理，它也是完备的和自足的，并且从理论上看，它具有完备性和易于检验的优点。”[7] 从以上四个假设出发，亥姆霍兹达到了Riemann的研究起点，即N维空间中扩展了的毕达哥拉斯定理。如令维数为三，并假定空间是无限扩展的，就只有欧氏空间是可能的。也就是说，欧氏空间只是满足叠合条件的不同类型的空间中的一种。这些空间包括球面空间和伪球面空间，它们也是可设想的无矛盾的几何学。 那么，为什么我们接受了欧氏几何，而没有接受其它可能形式的非欧几何呢？为此，亥姆霍兹认为必须首先研究可想象的和可知觉的东西之间的关系，并进一步从中发现新的准则，以便用于有关几何学的特殊考虑，从而区别出空间知觉中的先天因素和后天因素。他先后研究了假想的二维生物在平面、球面及椭球面上所产生的几何学。从而得出结论：欧氏几何学之所以是我们周围实在世界的几何学，这没有什么可奇怪的，因为我们的视觉观念已经变得与这一环境相适应，因而也服从欧氏几何定律。如果生活在另一种几何结构不同的环境中，我们就会与新的环境相适应，学会看非欧几里德式的三角形，会觉得三角形的内角和不等于180度是正常的，我们也将学会用被那个世界的刚体所定义的一致性来测量距离。也就是说，欧氏几何的优先权是古老习惯的产物，它的基础在于我们的物质环境的欧几里德特性，我们由之认识几何关系的物理实体——刚体和光线在结构上是与欧氏几何定律相一致的，这种经验事实正是这类习惯的源泉。因而，康德意义上的终极范畴是不存在的，它所被赋予的确定性和固有的必然性也是虚幻的。由此，空间直观的“世俗血统”显然无疑其基础受到了根本性的动摇。一场新的认识论革命即将到来，它的目标正是对那些被赋予先天性的基本概念进行彻底地批判和清洗。马赫及赫兹的力学批判正是这一革命的重要组成部分，相对论的创立则是这一认识论革命的重大成果。在爱因斯坦看来，如果没有亥姆霍兹的非欧几何思想，就不可能通向相对论。 (责任编辑：admin) |
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