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第一章導論

問題：

1.經典物理的概要內容如何？

2.機械論之思維方式的主要特點是什麼（試以此思維方式所涉及之主要範疇來表徵）？

3.相對論之思維方式的主要特點是什麼（試以此思維方式所涉及之主要範疇來表徵）？

4.量子論之思維方式的主要特點是什麼（試以此思維方式所涉及之主要範疇來表徵）？

5.系統論之思維方式的主要特點是什麼（試以此思維方式所涉及之主要範疇來表徵）？

6.試比較機械典範與系統典範在自然觀、本體論、認識論、方法論、邏輯思辯、價值觀等方面的區別與關連？

1-1經典物理概要

在19世紀末科學界的主流存在一種樂觀的想法，認為自然界中的基本物理定律都已被發現，未來物理學家所需做的理論工作，只是提高原有理論之精確度而已。

當時對物理學之主要範疇的瞭解大致如下：

（1）任何物質系統都是由運動的微粒（例如原子、分子等）所組成，微粒間是真空，彼此間存在吸引和排斥的相互作用。

（2）物質、空間和時間等都是真實的（real）、絕對的（absolute）和獨立的（independent）存在。

（3）空間具有均勻性（Homogeneous）及各向同性（Isotropic）。

在具此性質之空間中的物質其運動方程具有空間座標的平移不變性、轉動不變性，以及倒置（Inverse）不變性（即物質系統的運動方程式不會因為空間座標之原點的選擇、座標軸之取向，以及採用右手或左手座標系等之不同而不同），且物質系統之線動量、角動量及宇秤（parity，即手徵性或鏡面對秤性）等重要物理量守恆。

（4）時間具有均勻性，在此性質之時間中的物質運動方程具有時間平移不變性（過去、現在、未來都一樣），且此物質系統之能量守恆。

（5）時間和空間具有可逆性（reversibility），由此得描述物質系統的運動方程具有時間反轉（Reverse）、空間反轉和時空反轉不變性（即在物質系統的運動方程中若把時間t以-t或/且把空間座標r以-r來取代，則物質的運動方程不變）（練習：

請以牛頓運動定律的微分方程為例來瞭解這個性質）。

因此只要起始條件（initialcondition）或邊界條件（boundarycondition）被確定，物質系統在任何時刻的狀態必能被唯一的決定（由時空之這個性質所產生之運動方程的這個特徵稱為機械決定論（determinism，即根據運動方程的現代（t=0）狀態，可精確的、唯一的推溯物質系統的過去（t<0）狀態及預測其未來（t>0）的狀態）。

（6）動力理論和守恆定律可被用來建構系統的運動方程。

守恆定律來自時空的性質（時空對秤性或運動方程的各種轉換不變性），動力理論主要來自於可被檢驗之感覺經驗和理性思維的線性因果律。

動力理論分為兩支，一支以“力”為核心概念，它是造成運動的主要外因，只要找出作用在物質系統上的淨力，運動方程就可以被唯一的決定，稱為牛頓力學；另一支以“能量”為核心概念，能量的變化為物質運動的外因，只要找到物質系統的Lagrange函數或Hamitonian函數物質系統的運動方程也可被唯一的決定，稱為解析力學（主要包含Euler-Lagrange力學和Hamitonian力學）。

（7）動力學與運動學彼此獨立。

運動學研究物質系統之狀態的變化過程，不涉及運動的原因與結果；動力學則以研究物質系統之狀態改變的原因和由此所造成的結果（如上述之因果律）為主體。

（8）在熱力學及統計力學方面，以研究封閉系統或孤立系統之熱平衡和準熱平衡（quasi-equlibrium）狀態為主，熱力學第二定律（熵增原理，或時間箭頭的不可逆性）被視為是普適的真理。

統計系統（大量粒子所組成的系統）之運動過程的不可逆性（例如熱傳導方程、擴散方程等）與力學系統（單個質點）之運動方程（例如牛頓運動定律）的時間可逆性（即前述時間反轉不變性）是宏觀運動與微觀運動之間可被允許的矛盾；物質世界的宏觀演化遵守退化論（即物質系統的最終狀態是亂度最大、自由能最低的平衡狀態），與生命世界的演化是一種進化論形成強烈對比，隱含物質世界與生命世界的演化不存在本質的聯繫。

另外統計系統在熱平衡狀態時，組成系統的微粒（或子系統）在系統之各能量狀態的分佈情形主要是由Boltzman分佈函數來刻劃。

只要掌握了系統之可達狀態（Accessiblestates）的數目及Boltzman分佈這兩個基本物理量，系統的統計行為就可以被定量的描述。

（9）在電磁學（包括光學）方面則有形式可與幾何學之公理化體系比美的Maxwell方程以及適用於所有領域的線性重疊原理（上述線性因果律的組合）。

當時認為電磁現象應該用波的理論（而不是與其對立的微粒理論）來解釋（波粒二分），且電磁波與其他類型的波一樣，需要藉助媒介（物質性的介質）來傳遞，傳遞電磁波的媒介稱為光以太（ether）。

（10）一切科學理論的成果都需用受控實驗來檢驗，而受控實驗本質上皆可歸為尋找某一現象（或事件，果）之發生的充分和必要條件（因），也就是事物之間的因果聯繫。

經典物理（機械典範）研究確定性的因果聯繫，經典統計力學則研究含隨機性的概率因果聯繫。

經典物理中的自然律都是因果律，且因與果之間常常存在正比例的線性關係（線性因果律），經典統計力學的因果陳述在宏觀上也是線性的統計因果律。

（11）除了電荷的量值為分立的正整數之外，古典物理之所有其他物理量的量值（例如前述的守恆量）都是連續的。

1-2機械論之思維模式（機械典範）及其本質特徵

現代工業文明的指導思想是機械典範，這種思維方式首先由牛頓集大成，其主要特徵可由牛頓在1703年主管「皇家學會」時手寫未來發展藍圖（aschemeforestablishingtheroyalsociety）之序言的內容來瞭解。

他說：

「自然哲（科）學的目的在於發現自然界的結構（質點、微粒、幾何點）和作用（力），並且儘可能的把它們歸結為一些普適的法則和一般定律。

用觀察和實驗來建立這些法則，從而概括出事物（運動、變化）的原因和結果（因果關係）。

」（NaturalphilSPophyconsistsindiscoveringtheframe（structure）andoperations（exertionofforces）ofNature,andreducingthem,asfarasmaybe,togeneralRulesofLaws,--establishingtheserulesbyobservationandexperiments,andthendeducingthecausesandeffectsofthings.引自westfall,1980,p632）。

這裡所說的結構指的是以“微粒（例如質點、原子、數學的幾何點等）”為基本組成的實體；而“（交互）作用”則主要是指“力”。

有了“微粒（實體）和力”這兩個基本概念之後，牛頓的研究綱領就可以給我們一套對整個自然界的統一圖景。

不管自然界如何的錯綜複雜，我們都可以用這兩個概念來解釋，自然界的普適法則及一般定律也都可以因此而被建立起來（用觀察和實驗的方法來驗證），並且可用因果關係的數學表示來描述這些定律和法則。

這個研究綱領的主要信念可再概括條列如下

（1）科學研究的目標（或科學家的主要任務）是發掘已經存在（但尚未被發現）的普適規律和一般的法則（即客觀真理）。

這種客觀真理隱含有絕對性和不變性的特性（即一被找到就會被公認為是永恆不變的絕對真理）。

（2）科學的方法是（而且只能是）觀測與實驗。

由觀查、測量和實驗資料中歸納出假說，檢驗假說是否正確，由此形成定律或理論，以之進行演繹推理，再以新的觀測和實驗來檢驗演繹推理的結果。

這是得到真實知識唯一可靠的方法。

（3）通過觀測和實驗（分析的方法）來發現自然界的結構（實體結構、邏輯結構、（因果）關係結構）和作用，再用歸納和演繹（綜合法）把這些結構和作用儘可能的歸結為普適的法則和一般的定律，從這些法則和定律推導出事物的原因和結果並以數學方程來表徵這些因果關係。

因此科學的解釋就是因果關係的解釋，且數學是表徵這些因果關係的主要工具。

（4）力學體系（公理化體系，形式體系）之邏輯結構的核心概念是運動的微粒（實體）與微粒間的交互作用（力）。

以此兩核心概念為基礎即可對自然界的萬物萬象給予簡明統一的自洽解釋。

由以上的概括可得出機械論之思維模式（機械典範）的幾個本質特徵，即存在

（1）絕對的、

（2）可用實驗來檢驗的、（3）邏輯的、（4）客觀的、（5）普適的、（6）真實可靠的、（7）理性的、（8）永恆不變的、（9）符合因果決定論（隱含精確性與唯一性）等的真理。

機械論的後續發展產生了兩種工業文明的主流思維模式，一是原子論（atomism）、另一是還原論（reductionism）。

原子論之思維模式的程序是「把宏觀的、高層次的、憑感官能察覺的，但認識還不夠清楚的某些研究對象（客體系統）的多樣性、複雜性，分解、分化、碎裂（通稱為分析或化約）成為數量較多、種類較少的微觀的、低層次的、感官不能直接覺察但已經認識比較清楚之客體系統的最小組成要素（原子或微粒）。

然後，以這些認識較為清楚之簡單要素（原子）間的相互聯繫和相互作用，來解釋、理解或研究客體系統的形態、結構、功能和屬性等的無限多樣性和複雜性，達到對所研究對象之全面的、深刻的理解」。

另外，還原論之思維模式的程序是「把某些認識還不夠清楚的、宏觀的、高層次的、憑感官能察覺之研究對象的多樣性、複雜性，還原、歸結、歸併為已經得到認識、種類較少的、微觀的、低層次的原子特性。

這裡的還原、歸結、歸併過程，實質上是把前者和後者加以對照，用後者去說明、解釋前者，達到對前者的深刻理解和認識」。

這兩種思維模式的目標是相同的，但兩者的具體思維過程則有差別，還原論的思維模式事實上內含於原子論的思維模式之內。

原子論的思維模式必須經過分解、分析把研究對象化約為單一的、簡單的原子這一中間階段，還原論的思維模式則以已知的、單一的、簡單的原子之認識為起點。

所以還原論之思維模式只相當於原子論之思維模式的後一階段。

因此，兩者在認知和思維的程序上雖有明顯差別，但兩者在內容上則有深刻的聯繫。

這兩種思維模式都相信複雜性（complexity）、非線性（多樣性）、模糊性（fuzzy）、不確定性（uncertainty）、隨機性（stochastic）、非平衡態（non-equilibrium）等等只是表面現象（非本質特徵），都可經由交替使用化約法和還原法來研究和理解。

利用化約法，複雜變成簡單、非線性變成線性、模糊變成精確、非平衡態變成準平衡態（quasi-equilibrium）或平衡態、各式各樣的規律都變成是牛頓運動定律的機械決定論。

因此只要利用化約法掌握化約後之組成要素（微粒、原子、質點等）的運動方程及其起始條件或邊界條件，就可以再利用還原論的方法精確掌握系統整體的複雜性、非線性和非平衡態等的行為，系統的模糊性、不確定性和隨機性等等也在化約和還原之中自然被消解。

1-3相對論與量子論之思維模式的一些特徵及其與機械典範的區別與關連

1905年愛因斯坦在德國<<物理學雜誌>>發表了三篇深化（甚至是動搖）古典物理三個分支（熱學、電磁學、力學）之根基的重要論文，其中一篇是有關布朗運動的理論，一篇是有關電磁波的粒子理論（光量子的統計理論），另一篇後來稱為狹義相對論。

布朗運動的理論揭示了熱運動的本質，深化了機械典範之物質原子論及R.E.Clausius（1822-1888）,J.C.Maxwell（1831-1879）、L.Boltzman（1844-1906）及J.W.Gibbs（1839-1903）等人所建構的分子動力論和統計物理學的內涵，並且為固態量子論、量子統計理論的建構跨出了關鍵的第一步。

光量子論對光（也是電磁波）的本質提出革命性的新觀點，認為光波是由無數的光子（光的微粒）所組成，物質吸收