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7、关于科学真理的争论
8、自然科学中的一些哲学问题
每周3学时，11月14日或15日考试
四、教学用书和要求
张怡主编，《自然辩证法概论》，上海教育出版社，2000年。
要求：
1、课堂笔记作为平时成绩依据之一；
2、考试为开卷考试，共五题（基本上一个专题1道题），每题20分。
二、历史上的自然观
自然观是人们对自然界的一种认识和看法。
如，自然界是物质的还是精神的，是客观存在的还是上帝创造的，是发展变化的还是静止不变的，是有一定规律可循的还是变化莫测的，规律是可知的还是不可知的，等等。
对自然界的看法主要受两个因素的限制：
一是受到生产力发展水平的限制，而是受到和生产力相应的科学水平的限制。
在这两个因素之中，生产力因素是最基本的，因为对自然界的认识要通过科学来实现，而科学的发生和发展是由生产力决定的。
当然，有时也受到政治条件对自然观的影响，但主要还是生产力的水平。
在生产力极度低下的古代，人们的活动圈相当狭小，接触的事物也相当有限，对自然界的认识，往往局限在生活所及范围之内。
在他们观察视线之内的是那些能提供食物的土壤、树木、河流以及能提供温暖和光亮的天空中的太阳、月亮和星星等。
他们面对自然灾害除了害怕和躲避外没有什么更好的办法，他们对自然界十分敬畏，把自然界看成是对人类命运的主宰者。
随着农业生产的出现和渐渐普遍化，文明开始产生。
正如丹皮尔在他的《科学史》中所说：
“文明首先在中国以及幼发拉底河、底格里斯河、印度河河尼罗河几条大河的流域中，从蒙昧中诞生出来。
”文明的诞生，农业的出现，促使人们对自然界的认识有了更高的要求，开始关注天文、地理、水文等现象，并在一些哲人那里开始思考关于自然界的哲理性问题。
如，泰勒斯的世界万物由水组成的说法，赫拉克利特的火是世界的本源，留基伯、德谟克利特和伊壁鸠鲁等人的原子说，中国的元气说，中国的五行说关于金木水火土五个元素可以相互转化，赫拉克利特认为“世界是包括一切的整体，它不是由任何神或任何人所创造的，它过去，现在和将来都是按规律燃烧着，按规律熄灭着活火”，古希腊的阿那克西曼德猜测“人是由鱼变成的”等都代表了一种对自然界的看法，是人类最早的自然观。
这样的自然观来自古人的猜测和思辨。
在今天看，这些观点显然不正确，但与那些害怕自然界或用神话来解释自然界的观念相比较却有其合理的地方。
例如，德谟克利特的原子说认为，“原子”在大小和形状上是多种多样的，但是在本质上却是一样的；
物质的不同特性是由于具有同一终极性质的质点在大小、形状、位置和运动方面的不同而产生的；
在石头和铁中，原子只能颤动或振动，而在空气或火中就能在较大距离中跳跃。
德谟克利特的原子说还认为，原子在无限的空间中向西面八方运动，互相冲击，引起了直线运动和转动，组成元素，开始形成无数世界。
由此可见，在远古的文明中，在古希腊那里，已经开始把自然界看成是一个运动体的世界，这似乎与现代世界是运动着的物质这一观点很接近。
但是在古希腊，运动是建立在活力或灵魂之上的。
古希腊的“思想家把自然中心灵的存在当作自然界规则或秩序的源泉……他们设想，心灵在他所有的表现形式（无论是人类事务还是别的）中，都是一个立法者，一个支配和调节的因素”。
17总之，我们可以认为，以古希腊思想家为代表的自然观，已经超出了文明之前人们对自然界的看法。
这种自然观，把世界看成是由物质和灵魂两大块共同组成的，自然界不仅是活的，而且是有理智的。
古希腊的自然观是建筑在直感、类比和猜测的基础上的。
对太阳东升西落的“直感”，是托勒密认为太阳在围绕地球运动的主要原因之一。
把自然界与个体的人之间的类比，得出了自然界是由理智的集体的论断。
“个人首先发现了自己作为个体的某些性质，于是接着想自然也具有类似的性质。
通过他自己的内省工作，他开始认为他自己是一个各部分都恒常德和谐运动的身体。
为了保持整体的活力，这些运动微妙地相互调节，与此同时，他还发现自己是一个按照自己的意愿操纵身体的精神，于是作为整体的自然界就被解释成按这种小宇宙类推的大宇宙。
”（参见：
《自然的观念》华夏出版社，1999年版，第9页）亚里士多德在此自然观基础上建立了自己的力学体系，他和他的继承者从自然现象中提炼出力、运动、位置、致动、受动等与力学知识有关的概念，但是在考察运动时，把一切物体运动与动物机体的运动直接类比，成为一种机体论或目的论的力学。
亚里士多德的力学体系，成为古希腊自然观的重要支撑。
十六世纪开始，人们对自然界的看法渐渐发生了变化。
首先是哥白尼在1543年出版的《天体运行论》中质疑了托勒密的地心说，认为不是太阳绕地球运动，而是地球绕太阳运动，地球只不过是围绕太阳运动的几个行星中的一个。
这样，哥白尼在关于天地关系的看法上，与古希腊以来的观念有着“翻天覆地”的变化，古希腊的自然观，被动摇了。
以后，布鲁诺、伽利略、笛卡尔、牛顿等人在各自的思考领域和方法中逐渐形成了与古希腊自然观绝然不同的机械自然观。
英国学者伍林柯德对机械自然观的要点做了如下的归纳：
不承认自然界是有机体，自然界是没有理智也没有生命的，自然界没有能力理性地操纵自身运动，它所展现的运动与秩序是外界强加的。
自然界不能被看成是有机体，而应该看成为一架机器，一架被自然界外的理智设计的、各部分被排列好的、能朝着一个明确目标开动的机器。
（参见：
《自然的观念》华夏出版社，1999年版，第6页）机械世界观之所以出现在十六世纪之后有两个原因。
一是风车、杠杆、水泵、钟表、印刷机等机械已经在欧洲得到广泛应用，创造和使用各类机械已构成人们的日常生活的一部分，进而也成为人们一般意识的一部分。
这样的意识使人们容易认同如下的感念，上帝创造自然界和钟表匠制造钟表或机器制造者制造机器没有什么两样。
第二个原因则是以牛顿力学为代表的近代科学的诞生。
牛顿力学使人们不仅对地面上物体的运动给出了解释，而且对宇宙中一切纯粹的力学现象给出了说明。
在牛顿力学体系里除了“第一推动”外，不再要求自然界有“机体”或什么“目的”，也不再需要上帝。
正如爱因斯坦所说：
开始时（假如有这样的开始）上帝创造了牛顿运动定律以及必需的质量和力。
只是一切，此外一切都可以用演绎法从适当的数学方法发展出来。
机械自然观除了把自然界看成一架机器外，还认为时间和空间都是绝对的，两者没有任何关联，一切物体的运动都是在事先就被规定的，因此原则上可以跟踪物体的运动。
简言之，机械自然观还认为自然界具有时空绝对性和决定论的因果性。
在物体与物体的关系上，机械自然观认为只存在机械的关联，即除了物体之间的机械接触（如推、拉、碰撞等）外，不再有其他形式的关联，物体除了机械的变化（如速度、形状、大小等）外，不再有其他变化。
机械自然观剥突了古希腊自然观中赋予自然界的灵魂和理智，剥突了上帝的除原始创造力量以外的一切因果力量，给出了建立在牛顿力学体系之上的关于自然界的统一图景，比起古希腊自然观来说，进了很大一步。
但是，机械自然观有其固有的缺陷，那就是看不到自然界物体运动的多样性、关联性、动态性和变化性，随着自然科学的发展，机械自然观的缺陷日益明显化。
18、19世纪的一些科学假说和科学发现，如康德在1755年发表的《自然通史和天体论》和拉普拉斯在1796年发表的《宇宙系统论》中所提出的太阳形成于星云的假说，维勒在1828年成功实现了人工合成尿素，赖尔在1830年发表的《地质学原理》；
施来登和施旺先后在1838年和1839年提出的细胞学说（施莱登在1838年发表论文“植物发生论”，施旺在1839年发表论文“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”）、德国医生迈尔（Mayer,1814—1878）、英国的酿酒商兼业余物理学家焦耳（Joule，1818—1895）、英国律师兼业余物理学家格罗夫（Grove，1811—1896）、德国生理学家兼物理学教授（Helmholtz，1831—1895）和丹麦人柯尔丁等人先后发现的能量守恒和转化定律以及达尔文在1859年发表《物种起源》提出进化论等都无法统一到机械自然观中去。
机械自然观关于自然界的统一图景开始被撕裂。
三、发展中的自然观
1、传统时空观念的动摇
传统的时空观念来自伽里略和牛顿，这是一种绝对时空观，认为绝对的、真实的和数学的时间均匀地流逝着而同任何外部事物无关；
绝对空间就其本性以及与任何外在事物的关系而言，总是保持同一和不动的；
绝对空间和绝对时间在本体论上先于个别实物和实物间的相互作用而存在。
换句话说，空间和时间是物质演变的舞台，即使“演员”全部退场，舞台照样巍然不动。
在传统的时空观里，空间是位置和相互关系的表现方式。
空间为我们提供了实物的位置和关系网，使我们知道实物的走向、方向（上下左右及进出）、距离（远近）、连接、分离、区别、识别。
空间是背景，是一切实物表达其共性的平台，实物的一切行为、相互作用和联系都在空间中发生、存在和消亡。
空间作为实物的背景、作为平台是绝对的，不受任何实物的影响，这便是绝对空间的根本含义。
但是，另一方面，却存在着无法确定绝对位置的困难，因为在生活中，任何位置都是相对于另一位置而言的。
用物理学语言来说，任何一个实物的空间位置都要通过选定的参照系才能得以描述，这在牛顿定律中也不例外。
牛顿曾一度为此感到困惑，因为他坚信绝对空间的存在。
他把无法测定绝对位置的空间说成是生活中的空间，而真正的数学的空间应该是绝对的空间。
为了论证绝对空间的存在，牛顿曾用旋转水桶实验来解释，他说：
“如果把一个桶吊在一根长绳上，将桶旋转多次而使绳打紧，然后盛之以水，并使桶与水一道静止不动，接着在另一力的作用下，水桶朝反方向旋转；
因而当长绳松开时，水桶将继续这种运动若干时间；
水面最初会与桶开始旋转前一样是平的；
但此后桶逐渐把它的运动传递给水，使它明显地旋转起来，并逐渐离开中心而想桶的边缘升起，形成一个凹面……，起初当水在桶中的相对运动最大时，这种相对运动并没有使水产生离开轴心的任何倾向，水没有显示出向四周运动并沿桶壁上升的趋势，而保持着水平。
所以它的真正圆运动尚未开始。
但是后来水的相对运动减小，水就因此趋向桶的边缘而在那里上升，这证明它是在努力离开转轴；
这种努力说明水的真正的圆运动在不断增大，一直到水在桶内处在相对静止的时候达到其最大数量为止……”。
牛顿利用旋转水桶实验想说明，旋转水桶里的水与水桶相对静止的时候，有着最大的绝对运动，人们可以通过目测水面是否有最大程度的凹面予以确定，既然存在绝对运动当然就有绝对空间，因为绝对运动只能发生在绝对空间之中。
关于绝对时间，牛顿认定，两个事件的时间间隔可以绝对地测定，只要用精确的钟，无论是谁去测量，测到的时间间隔是完全相同的。
时间和空间是完全分开并且相互独立的。
狭义和广义相对论使传统的时空观念发生了根本性的变革。
新时空观包括时空整体性和时空实在性两方面的内容。
时空整体性，或者说时空不可分割性，指时间和空间不是互不相关、相互独立，时间维度的变化将会影响到空间维度，空间维度的变化也会影响到时间维度，四维时空不是三维空间和一维时间的算术迭加，而组成一个有机的整体。
时空整体性还突出地反映在同时的相对性中。
爱因斯坦在创立狭义相对论时发现，牛顿力学中隐含着一个基本前提，即对于一切静止的或匀速直线运动的参照系（惯性系）都用相同的时间标度，也就是说，对于一切惯性系都可以用同一个钟来表示时间，而无须考虑钟处在哪一个惯性系。
所以在牛顿力学中，两个发生在不同地点的事件的同时是绝对的。
譬如说，我们无论在家里还是在火车上都可以随时与电台的准点报时对表，就因为电台报时和我们对表这两件事的同时看承是绝对的。
爱因斯坦在狭义相对论中指出，只要承认光速不变和光速是一切速度的极限，那么同时的绝对是有条件的，只有对那些发生在同一地点的事件而言才有绝对的同时，而发生在不同地点的两个或两个以上事件的同时却是相对的，同时与否，和在哪个惯性系里测量有关。
发生在不同地点的两个事件，如果在一个惯性系内的观测者测量结果为同时，那么在另一个惯性系内的观测者测量的结果必定不同时。
同时的相对性表明，在空间上两个不同地点发生的两个事件，不存在绝对的同时，这也就是说不存在一个凌驾于空间之上的绝对时标，所以空间和时间是不能分割的。
时空实在性是指空间、时间与物质不可分离。
广义相对论的引力场方程表明，物质影响时空的几何性质，时空结构也影响物质的分布，不存在没有时空的物质，也不存在没有物质的时空，时空和物质一起组成自然界这一整体。
1919年，英国科学家爱丁顿利用日全食的机会，证实了广义相对论中的一个重要推论：
远处星光经过太阳边缘时要偏折。
这一观察结果，一度轰动了全世界：
原来，空间在物质的影响下是会弯曲的。
新的时空观是和神秘的超距作用格格不入的，这对我们理解自然、理解自然界的一切相互作用、破除一切神秘的力量具有深远的科学意义。
2、新物质观的出现
我们的自然界是一个物质世界无论是天体、山川、空气、草木、鸟兽都是物质。
物质是不依赖于人类意识的存在物。
物质有时也被认为是组成任何实物的材料。
到19世纪末，人们不但知道，物质由分子组成，分子由原子组成，原子是组成物质的最小单位，而且知道还存在着另外一种形式的物质，那便是光或者电磁场。
实物和场是物质的两种形态。
实物或者实物粒子具有具有静止质量，而场只有能量没有静止质量。
因此，狭义相对论中的质能关系式E=mc2不只表明，质量在一定条件下可以转化为能量，能量在一定条件下可以转化为质量，质能关系式E=mc2还表明物质的两种不同形态在一定条件下可以转换，即实物粒子和场二者之间可以转换。
譬如说，一个基本粒子和它的反粒子相遇会湮灭成光子——实物粒子成为电磁场，反过来，在极高的温度下，光子也会自发地变成一个粒子和反粒子。
例如，当温度高于开氏60亿度时，电子和它的反粒子——正电子可以自由地从光子的相互碰撞中产生。
当然，60亿度是一个相当高的温度，要知道，太阳中心的温度也只有1500万度，只有60亿度的四百分之一。
正因为此，我们在生活中不可能会遇到电子和正电子从光亮的虚无一物的空间里突然跳出来这样奇怪的现象。
电子是所有实物粒子中质量最小的粒子，像质子、中子这样一些质量更大的粒子和它们的反粒子，要从光子的相互碰撞中产生所需要的温度更高。
那么，哪里有这样高的温度呢？
目前的宇宙一般是遇不到这样高的温度了，但是在宇宙热大爆炸的初始时刻，在宇宙演化的极早期，整个宇宙的温度可以达到1亿亿亿亿度，那时，整个宇宙的内容物真可以说是混混沌沌，你可以说全是光子，也可以说是光子和粒子及其反粒子的混和物。
但是，如果要问宇宙在极早期时刻的内容物究竟是实物粒子还是场，那么我们的回答是——场，是电磁场，或者叫做辐射，因为那时粒子和反粒子既可以自由地从光子的相互碰撞中产生又会随时湮灭为光子，粒子和反粒子的行为和光子的行为几乎一样。
随着温度的降低，各种粒子按照它们的质量不同才先后脱离这样的混沌的状态。
以后，随着温度的进一步降低，才形成了我们今天所见到的原子分子。
原来我们今天所见到的千差万别、形形式式的各种有质量的物质都是从没有静止质量的光辐射、从能量演变过来的。
是能量转变为质量。
新物质观中关于质量可以转化为能量、能量可以转化为质量的观点，与物质可以创生或消灭的错误观点完全是两码事。
因为，质量和能量都是物质存在的形式。
新物质观不仅没有告诉我们物质可以消失或创生，恰恰说明了客观世界物质存在形式的多样性、联系性和统一性。
20世纪发现的五个物质层次
20世纪的科学取得了巨大的成果，就物质层次及其基本运动规律的认识来说，涉及以下五个层次的物质系统。
第一，原子分子层次；
第二，原子核层次；
第三，夸克层次；
第四，轻子层次；
第五，宇宙层次。
前四个层次又可归入微观体系。
第五个层次与地球上物体、行星、恒星等一起可归入宏观体系。
这五个物质层次的空间跨度从最小10-19米到最大1010光年（约1017米），相差1036倍。
然而，这五种物质层次之间的本质区别，不只是它们空间范围的大小，更重要的是物质层次中起主导因素的相互作用的不同。
例如，在宇宙层次，最重要的是引力相互作用；
在原子分子层次，最主要的是电磁相互作用；
在原子核和夸克层次，最主要的是强相互作用和弱相互作用；
在轻子层次，最主要的是弱相互作用和电磁相互作用。
人们正是通过对这五个物质层次的研究，认清了自然界相互作用的四种基本形式。
科学地探讨物质结构问题是从19世纪末开始的。
到20世纪中叶，科学家不但知道了原子的结构、原子核的结构，而且还在实验上陆续发现比原子核更小的300多种粒子。
20世纪60年代美国物理学家盖尔曼（M.Gell-Mann）提出夸克模型，使人们开始认识到已经发现的几百种粒子并不全是最基础的。
最新的理论认为夸克和轻子与中子、质子等比较起来是更基础的粒子。
夸克和轻子都各有六种不同的形态。
夸克的六种形态（物理学家称之为“味”），分别起名为上、下、旁、粲、底、顶夸克，每一形态的夸克又有三种次一级形态（物理学家称之为“色”，考虑到6种“味”、3种“色”和它们的反粒子，总共有36种夸克），轻子的六种形态分别是电子、μ子、τ子、中微子、μ中微子和τ中微子。
夸克是原子核的最基本构件，原子核中的质子和中子都由夸克构成，所以，夸克和轻子是构成原子分子的最基础的粒子。
除此以外，还有一些与各种相互作用场相关的粒子，如：
电磁场的光子、引力场的引力子、强相互作用场的胶子、弱相互作用场的Z粒子等，也被认为是基础粒子。
基础粒子有两大类。
夸克和轻子属于费米子，这类粒子的特点是其中任何两个粒子都不能处在完全相同的物理状态，即同一种类的粒子不能占据相同的位置。
另一类基础粒子是光子、引力子和胶子等，它们属于玻色子，玻色子无论数量多少，都可以处在完全相同的物理状态。
新物质观的出现使人们对物质的概念有了极大的扩充。
物质不仅仅被认为是组成物体材料的基础，物质也不仅仅看成是由分子原子等粒子组成的实物，现在不但场是物质，而且，在某种意义上，能量也被看成了物质。
2003年科学家认为宇宙的物质由三部分组成：
一是通常意义上的物质——实物和场，约占宇宙物质总量的4%；
二是暗物质，约占宇宙物质总量的23%；
三是暗能量，占宇宙物质总量的73%。
3、从决定论性因果律到统计性因果律
生活经验告诉我们，种因必得果，结果一定是由于某种原因导致的。
俗话说，
无风不起浪就是这个道理。
说到底，科学活动是通过一定的结果来寻找其原因的活动。
我们说解释了某个自然现象，也就是为这个自然现象找到了原因。
当我们问“为什么”的时候，实际上是在问出现这一现象（结果）的原因是什么。
例如，我们问苹果为什么会从树上掉下来，也就是问使苹果从树上掉下来的原因是什么？
亚里士多德的回答是因为苹果要回到它的自然位置，牛顿的回答是因为地球引力的缘故。
由上可见，因果性规律或因果律是无论在自然界还是在社会都是最基本的客观规律，确定原因和结果的关系，从原因推出结果以及从结果寻找原因是人类的基本活动之一。
因果性规律或因果律指的就是“如果——那末”关系，并且这种关系在任何时候都有效，或者说，“如果——那末一定”就是因果关系所以为的一切。
在牛顿力学里，因果律通过公式（微分方程）和初始条件充分体现出来，正如法国科学家拉普拉斯所说的那样，给定一个微分方程，给定一个初始条件，就能决定过去或今后所发生的一切。
所以，在牛顿力学的机械传统里，因和果有着严格的关系：
一切自然过程都按照机械的必然性产生、进行和消亡，也就是说一切自然过程都服从决定论性的因果律。
这中决定论性的因果律人们也称之为机械决定论或拉普拉斯决定论。
在拉普拉斯决定论中，自然界的全部发展过程是一开始就决定了的，是一条决定论性的因果链条。
用形象化的语言来说：
自然界没有飞跃。
传统的决定论性因果观，随着牛顿力学在科学领域乃至日常经验领域的节节胜利，在人类认识领域中的地位也日益巩固，以至像爱因斯坦这样伟大的科学家也始终认定“上帝不会掷骰子”。
但是，量子力学的几率解释和测不准原理却否定或至少部分否定了决定论性因果律的普遍意义。
在牛顿力学中，根据初始条件和运动方程，我们可以精确地得到宏观物体运动的状况，包括速度、位置、能量、动量等。
但在量子力学中就不同了。
量子力学的基本方程——薛定格方程，也是一个微分方程，根据初始条件得到的方程的解是量子力学中的波函数。
波函数描述微观粒子的运动状况，但它不能确定地表示一个微观粒子在何时何地出现，只告诉我们微观粒子在某时某地出现的几率。
量子力学中的测不准原理明白无误地表明，对于微观粒子，位置和动量不能同时测定，时间和能量也不能同时测定，如果其中一个两测得越准，另一个量越测不准。
所以在微观领域，那种决定论性的因果律，不再起作用，替代它的是统计性的因果律。
4、演化观
演化的观点也就是事物从产生、发展到消亡的观点，是万事万物都处在新老交替中的观点。
古代的演化观是相当朴素的，如，希腊哲学家阿那克西曼德认为，世界产生之前是混沌未分的本原物质，尔后本原物质中的对立面分裂，才出现了现在人们所看到的世界。
他认为，本原物质是永恒的，而包括天体在内的万物都注定要归于毁灭，回到原来未分的混沌状态。
他还认为，人是从鱼变来的。
但是，在古代，更多的人把天地亘古不变视为信条，认定“天不变，道也不变”，甚至追求人自身的永生。
在牛顿机械观的传统里，宇宙是一架巨大无比的机器，万物都是这架大机器中的部件，一旦产生就永远地存在，没有变化、没有发展，有的只是机械运动。
这里，演化的观点几乎全部被抹杀了。
牛顿时代以来，演化的观点最早出现在康德的天体演化说里。
康德在1756年提出，一切恒星都是在引力的作用下由星云演变而成的。
1796年，法国科学家拉普拉斯也独立地提出了恒星演化的星云说。
30年后，1830年，英国地质学家赖尔通过对地球地层中化石的分析，得出了地球地层渐变的学说。
1859年，达尔文提出生物进化论。
生物进化论，不是无中生有，也不是猜测的结果，而是归纳推理的极好例证。
我们知道，人们对生物的认识起源于对各种生物的分类。
当我们对生物按照物种的差异进行分类时，总是从一个物种进而研究在解剖结构和肌体构造上最接近它的物种。
这样我们可以得到一个按照物种相似关系而排出的序列。
如果说人类处于这个序列的最上端，那么从上往下有猿、其它哺乳动物、鸟类、爬虫、鱼，直到单细胞生物（如阿米巴）。
达尔文由此推断，把这个序列颠倒过来就是物种产生的历史次序，也就是说，生命从单细胞生物开始，经过千百万年的进化而出现了人类这样高等的智慧生命。
在20世纪，演化的观念进一步发扬。
人们发现，生物的进化，只是整个自然界演化的一部分，尽管它是整个“演化故事”中最后的也是最精彩的一章。
在生物进化以前已经有着地球和太阳的演化，关于太阳和其它恒星演化的理论构成了天体演化学。
天体演化学告诉我们，包括太阳在内的一切恒星都有诞生、成长、衰老和消亡的演
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