Science 版 (精华区)

发信人: emacs (被淹死的鱼), 信区: Science
标  题: 第一章　机械观的兴起(4) 
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Jun 13 18:51:24 2002) , 转信



１　机械观的兴起(4)

哲学背景——物质动理论——结语


哲学背景

　　科学研究的结果，往往使离开科学领域很远的问题的哲学观
点发生变化。科学所企图的目的是什么呢？一个描述自然的理论
应该是怎样的呢？这些问题，虽然超越了物理学的界限，但却与
物理学有很密切的关系，因为正是科学提供了产生这些问题的素
材。哲学的推广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并广
泛地被人们接受以后，它们又常常促使科学思想的进一步发展，
指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路。等到这种已经接
受了的观点被推翻以后，又会有一种意想不到和完全新的发展，
它又成为一个新的哲学观点的源泉。除非我们从物理学史上引出
例子来加以说明，否则这些话听来一定是很含糊和空乏的。
　　现在我们来描写以阐明科学为目的的最初的哲学观点。这些
观点在很大程度上推动了物理学的发展，一直到差不多100年以
前，才被新的验证、新的论据和理论所推翻，而这些新的验证、
论据和理论又构成了新的科学背景。
　　从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中不断有人力图把表
面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。这
就是整个自然哲学的基本原理。它甚至表现在原子论者的著作
中。在2300年前，德漠克利图（Democritus）写道：

　　　　依照习常的说法，甜总是甜，苦总是苦，冷总是
　　冷，热总是热，颜色总是颜色。但是实际上只有原子和
　　空位。就是说，我们通常惯于把感觉的事物当作是实在
　　的，但是真正说起来，它们不是实在的，只有原子和空
位是实在的。

　　这个观念，在古代哲学中，不过是巧妙的想象而已。联系到
后来发生的许多现象的自然规律，希腊人是不知道的。把理论和
实验联系起来的科学，事实上是从伽利略的工作开始的，我们已
经研究过形成运动定律的最初线索。在200年的科学研究中，力
和物质是理解自然的一切努力中的基本概念。我们不能想象这两
个概念可以缺少一个，因为物质作用于其他物质总是作为力的源
泉而确证它的存在的。
 
　　我们来研究一个最简单的例子：两个粒子，它们之间有力作
用着。最容易想象的是引力和斥力。在这两种情况中，力的矢量
都在物质粒子的连线上（图２１）。为求简单起见，我们只想象粒
子相互吸引或推斥，因为任何其他关于作用力的方向的假定都会
导致复杂得多的图景。我们对力矢量的长度也能作一个同样简单
的假定吗？即使我们想避免过分专门的假定，但这样作一个假定
还是可以的：作用于任何两个已知粒子之间的力，像万有引力一
样，只与它们之间的距离有关。这个假定似乎很简单。我们有很
多更复杂的力可以想象，例如那些不仅与距离有关、而且与它们
的速度有关的力。若以物质与力作为基本概念，我们就未必能够
得到比沿着粒子的连线作用并只与距离有关的力更简单的假定了。
但是只用这样一类的力是否有可能来描述所有的物理现象呢？
　　力学在其各个分支部门中所取得的伟大成就，在天文学发展
上的惊人成功，力学观念在那些显然不具有力学性质的问题上的
应用，所有这些都使我们确信，用不变的物体之间的简单作用力
来解释所有的自然现象是可能的。在伽利略时代以后的200年间，
这样的一种企图有意识地或无意地表现在几乎所有的科学著作中。
亥姆霍兹（Helmoholtz）约在19世纪中叶把它表达得特别清楚：

　　　　因此，物理科学的任务，在我们看来，归根结蒂在
　　于把物理现象都归结为不变的引力或斥力，而这些力的
　　强度只与距离有关。要完全了解自然，就得解决这个
　　问题。

　　因此，照亥姆霍兹说来，科学发展的方向是早已决定了的，
并且应该严格地遵循这样一条呆板的途径：

　　　　一旦把一切自然现象都化成简单的力，而且证明出
　　自然现象只能这样来加以简化，那未科学的任务便算终
结了。

　　对２０世纪的物理学家来说，这种观点是枯燥而幼稚的。假
如他想到巨大的研究工作竟会这样迅速结束，这样便确立了永远
正确的宇宙图景，从此再不会有什么兴奋的事了，他一定会大吃
一惊。
　　即使这些见解能够把一切现象都用简单的力来描述，但还有
一个问题没有解决，那就是力与距离之间的关系如何的问题。对
不同的现象来说，这种关系可能是不同的。为了解释不同的现象
而引人许多种不同形式的力，这种必要性从哲学的观点来看自然
是很不圆满的。可是亥姆霍兹陈述得最清楚的这种所谓机械观，
在当时却起了很重要的作用。物质动理论的发展是一个最伟大的
科学成就，而它就是直接受到机械观的影响的。
　　在叙述它的衰落以前，我们暂且接受１９世纪的物理学家所
持有的观点，并且看一看从他们这种关于外在世界的图景中可以
得出什么样的结论。


物质动理论

　　是不是可以用有简单的力相互作用着的粒子的运动来解释热
现象呢？在一个闭合的容器里装着一定质量和一定温度的气体（例
如空气），把气体加热，我们就提高了它的温度，因而也增加了
它的能量。但是这种热与运动的关系是怎样的呢？根据前面我们
已经贸然接受过哲学观点以及热是由运动所产生的说法，我们
可以认为热和运动是有关系的。如果每一个问题都是力学问题，
那么热必须是机械能。动理论的任务就在于用这种方法来表达物
质的概念。根据这种理论，气体便是无数个粒子或分子的集合
体，分子朝着各个方向运动，相互碰撞，并且在每次碰撞之后改
变自己的运动方向。在这样的气体的分子必定有一个平均速
度，正如在人类社会中有平均年龄和平均收入一样，因此也必定
有粒子平均动能。容器中的热越多，平均动能就越大。根据这
种想象，热不是与机械能不同的一种特殊形式的能，其实它就是
分子运动的动能。任何一个一定的温度都对应有每个分子的一定
平均动能。事实上这不是一个随便的假定，假使我们要作出物质
的一致的力学图景，那么我们就得把一个分子的动能看作是气体
显度的量度。
　　这个理论不单是一个想象而已。我们可以证明气体动理论不
但与实验相符，并且实际上使我们对许多情况有一个更深刻的理
解。这可以用几个例子来说明。
 
　　假设我们有一个容器，用一个能够自由移动的活塞将它封闭
住（图２２）。容器中装有一定数量的气体，这些气体的温度保
持不变，如果起初活塞静止在某个位置，那么它可能因减重而上
升，或者因加重而下降。要把活塞往下推，必须施加力以抵抗气
体的内压力。照动理论来说，这种内压力的机构是怎样的呢？构
成气体的数量极大的粒子是向各方面运动的，它们撞击容器的壁
与活塞，撞了又跳回来，正如掷到墙上的球一样。大量粒子的这
种不断撞击，反抗着作用在活塞与重物上的向下作用的重力，因
而能使活塞保持在某个高度上。在一个方向上有不变的重力在作
用，在另一个方向上则是分子的大量不规则的碰撞。假使两方面
保持平衡，那么所有这些小的不规则的力对活塞的有效作用必须
与重力相等。
　　假使把活塞推下去，它把气体压缩到只有原来体积的一部
分，譬如说，压缩到１／２，而它的温度却保持不变，那么根据动
理论我们可以预料有什么情况会发生呢？难道撞击力会比过去更
有效些或更无效些吗？现在粒子比过去更紧密了，虽然平均动能
还像以前一样，但是粒子撞击活塞的次数更多了，因此总的力可
能要大些。根据动理论所表达的图景可以清楚地看出，要使活塞
保持在更低的位置，需要更大的重力。这个简单的实验情况是大
家都知道的，但是它的预测却是从物质动理论合理地推出来的。
　　再研究另一个实验。取两个容器，它们装有体积相等的不同
气体，如氢与氮，两者的温度相同。假设两个容器都用同样的活
塞封闭住，加在活塞上的重力也相等，简单说来，这就是表示两
种气体具有相同的体积、温度与压力。因为温度相同，那么根据
动理论，粒子的平均动能也相同。因为压力相同，那么两个活塞
都是受到同样的总的力所撞击。平均起来，每个粒子具有相同的
能量，两个容器具有相同的容积，因此虽然在化学上来说这两种
气体是不同的，但是每个容器中的分子数必定是相等的。这个结
果对理解许多化学现象是很重要的，它表明在一定的温度和压力
下，在既定的容积中的分子数不是某一种气体所独有的，而是一
切气体都有的。特别是动理论不仅预言这样一个普遍的数的存
在，而且还能帮助我们来决定这个数。我们以后还要再研究这个
问题。

　　物质动理论如实验确定那样，无论在定量方面或是在定性方
面，都能解释气体定律。而且，虽然这个理论的最大成就是在气
体方面，但它却不限于气体。
　　气体可以用降低温度的方法使其液化。降低物质的温度就意
味着减小它的粒子的平均动能，因此，液体内粒子的平均动能比
相应的气体的粒子的平均动能小些是很显明的。
　　所谓的布朗运动，首先给液体内粒子的运动作了一个令人信
服的说明。这个奇异的现象，如果没有物质动理论，便会是完全
神秘和不可理解的。它是植物学家布朗（Brown）首先观察到的，
而80年之后，在20世纪之初它才得到解释。只要有一架不要求
是质量特别好的显微镜，就可以观察布朗运动。
布朗当时正在研究某些植物的花粉粒子，按他的话说，那是：

　　　　花粉粒子或其他粒子的最大尺寸，其长度从1/1600
厘米至1/2000厘米（1/4000英寸至1/5000英寸）。

　　接着他又说：

　　　　当我观察这些浸在水中的粒子时，我发现很多都在
　　不停地运动着……在经过多次重复的观察以后，我确信
　　这些运动既不是由于液体的流动也不是由于液体的逐渐
蒸发所引起的，而是属于粒子本身的运动。

　　布朗所观察到的是悬浮在水中而且用显微镜可以观察到的粒
子的不停的扰动。这是一幅很动人的图像！
　　观察到的这种现象是否与选择哪一种特殊的植物有关系呢？
为了回答这个问题，布朗便用许多种不同的植物来重复做这个实
验，他发现所有这些花粉粒子，只要足够小，只要悬浮在水中，
都会表现这样的运动。他进一步发现无论是无机物还是有机物的
微粒都有同样不停的无次序的运动。他甚至用石头研细的粉未来
试验，也观察到这种运动（参看书未的附图１）！
　　怎样解释这种运动呢？这种运动似乎和过去的全部经验都矛
盾。譬如说，每隔30秒钟对悬浮着的一个粒子的位置进行一次观
察，就会看出它的路径的奇怪形状。可惊异的是这种运动看来是永
无止境的。把一个摆动着的钟摆放在水中，如果不加外力推动，
它很快就会静止。一种永不减弱的运动的存在，似乎跟所有以前
的经验都是矛盾的。这个困难，也由物质动理论圆满地解决了。
　　甚至用现代最强力的显微镜来观察水，我们也不能像物质动
理论所描述的那样看得到水分子和它的运动情况。因此，我们可
以断定，假如把水看作是粒子的集合体的理论是正确的，那么这
些粒子的大小必定越出了最好的显微镜的可见限度。我们且不要
攻击这个理论，并且假定它是一个描写实在的合理图景。用显微
镜可以看到的布朗粒于是受到更小的水粒子所撞击。假如被撞的
粒子足够小的话，便会发生布朗运动。它之所以会发生，是由于
碰撞的不规则性和偶然性，因而从各方面来的这种撞击是不相等
的，因而也不可能将它平均。这样，能够观察到的运动倒是观察
不到的运动的结果了。大粒子的行为在某种程度上反映分子的行
为，可以说，它是把分子的行为放大到能够在显微镜中看得见的
程度。布朗粒子的运动路径的不规则性反映了构成物质的较小粒
子的路径的同样不规则性。从上述情况我们可以得到这样的结
论：如果对布朗运动作一个定量的研究，能够使我们对物质动理
论有一个更深刻的理解。很明显，可见的布朗运动与不可见的撞
击分子的大小有关。如果那撞击分子没有一定数量的能，或者换
句话说，没有质量与速度，就不会有布朗运动。因此，布朗运动
的研究，能使我们决定分子的质量，这是不足为奇的。
　　经过理论方面与实验方面的艰苦研究，动理论定量的特色也
已经形成了。由布朗运动现象所产生的线索，便是形成定量数据
的来源之一。从完全不同的线索出发，用不同的方法也可以得到
同样的数据。所有这些方法都支持同一个观点，这个论据是很重
要的，因为它说明了物质动理论的本质上的一致性。

　　由实验和理论所得到的许多定量结果中，这里只引用其中的
一个。假使我们有１克最轻的元素氢，我们问：在这１克氢中有
多少个粒子呢？这个问题的答案不仅回答了氢的问题，而且也回
答了所有其他气体的问题，因为我们已经知道，在什么条件下，
两种气体会有同样数目的粒子。
　　根据对悬浮在水中的粒子的布朗运动的某些测量结果，理论
使我们能够回答这个问题。答案是一个惊人的大数字：３后面接
２３个数字。１克氢中的分子数是：

　　　　　　　　3.03ｘ1023

　　设想１克氢的分子都增大到可以用显微镜看得见，譬如说，
它的直径达到了1/2000厘米，就是说和布朗粒子的直径一样
大。要把它们用一个箱子紧密地装起来，那么，这个箱子的每边
大约是半公里长！
　　我们只要用上面所指出的数字去除１，便可以很容易地计算
出一个氢分子的质量，答案是一个小得出奇的数：

　　　　　　　　3.3ｘ10-24克

这个数代表一个氢分子的质量。
　　布朗运动的实验，只不过是决定这个数的许多独立实验中的
一个，而这个数在物理学上有很重要的作用。
　　在物质动理论和它所有的成就中，我们看到，把一切现象的
解释都归结为物质粒子间力相互作用的这个普遍的哲学预示已经
实现了。

结语

　　　　在力学中假如知道一个运动物体现在的运动状态和
　　作用在它上面的力，那么它的未来的路径是可以预言
　　的，而且它的过去也是可以揭示的。例如所有行星的未
　　来路径都是可以预知的，作用在它们之上的是只跟距离
　　有关的牛顿万有引力。经典力学的伟大成果暗示着机械
　　观可以无例外地应用于物理学的任何分支部门，所有的
　　现象都可以用引力或斥力来解释，而这些力只与距离有
　　关，并且作用于不变的粒子之间。
　　　　在物质动理论中，我们看到这个观点是从力学问题
　　中产生出来的，然后把热现象也包括进去，而且形成了
　　一个很成功的物质结构图景。


--

※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 211.93.34.115]