我的《自然辩证法》论文:浅谈自然辩证法与近代物理学的发展

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国际劳动节又称“五一国际劳动节”、“国际示威游行日”(International Workers’ Day或者May Day),是世界上80多个国家的全国性节日。定在每年的五月一日。它是全世界劳动人民共同拥有的节日。

18至19世纪以来,能量守恒定律,原子-分子论,元素周期律、细胞学说、进化论等新的科学理论不断形成和完善,自然观和科学方法论的进展也导致了原来静止看待问题的形而上学自然观不再适用,辩证唯物主义自然观取代形而上学自然观成为历史上的必然。自然辩证法总结了科学发展的规律性,恩格斯著作《自然辩证法》的著作是自然辩证法诞生的标志[1]。《自然辩证法》一书从1873年5月30日开始构想,到1925年恩格斯逝世后有后人加以完善正式出版,时间跨度长达50余年[2]。在这期间,自然科学也经历了非常充分的发展。自从1865年电磁学界的“基本方程”——麦克斯韦方程组——被确立以来,电磁波的发现、迈克尔逊-莫雷实验、洛伦兹变换、爱因斯坦狭义相对论等众多实验的新发现和新理论的确立,在物理学界掀起了一场“认识革命”,并很大程度上推动了新的技术发展。这一段时间里,科学技术的发展与自然辩证法的发展处于并行阶段。那么,自然辩证法的思想方法和哲学有没有在这些科学研究的工作内容中得到体现?这些研究的内容和成果有没有在客观上推动自然辩证法的发展?本文将以这段时间内的物理学突出进展为例对这些问题加以分析。

一、麦克斯韦方程组与电磁波的发现

麦克斯韦方程组是18世纪中期物理学界最大的学术成果。麦克斯韦方程组诞生于当时近百年来人们对电磁现象已有很深刻认识的基础之上。在此之前,组成麦克斯韦方程组的高斯定理、磁场高斯定理、法拉第电磁感应定律、安培定理都已被发现,但他们是相互独立、互不相关的。比如,高斯定理是用于描述静电场的基本定理,现如今作为大学物理甚至高中物理的教学基本内容,但当时较少有人对高斯定理在交变电磁场中的实用性开展研究。麦克斯韦的贡献在于,将电场和磁场作为一个整体来结合看待,指出静电场和静磁场的定律在电磁场中的适用性;创造性地提出了位移电流论,将磁场强度的选的用传导电流密度与位移电流密度之和的形式进行表示,使得磁场强度与电场强度的微分表达式达到了形式上的统一,大幅简化了电磁定律的表达形式,进一步揭示了电场与磁场之间的联系。

麦克斯韦方程组的形成过程本身就是对形而上学自然观的一次反对和批判。从牛顿力学时期,形而上学自然观开始逐渐形成。受限于人们当时的认识水平和能力,这种分门别类、孤立静止的研究方法在其后很长一段时间仍然是科学界的主流,这就直接导致了18世纪库伦建立库仑定律之后电场和磁场两大学科的独立发展。麦克斯韦对电磁学的贡献,不仅在于他采用发展的、整体的眼光从高屋建瓴的角度统一地研究了电磁学,进一步深化了电与磁相互联系、相互转化的理论基础,并用位移电流假说最终实现了电场与磁场理论的统一,这与辩证法与新的自然观的主要内容具有很高的内在统一性[3]。

麦克斯韦方程组的建立,不仅完成了电磁学的“大一统”,实现了牛顿力学时代到电磁学发展时代的最高度的理论和谐与统一,还直接推动了物理学后几十年的大发展与大变革。电磁波的发现便是其中之一。由麦克斯韦方程组出发,可以直接导出偏微分方程组形式的电场与磁场波动方程,这预言了电场与磁场可以以时谐的形式交替传播,这就是电磁波的数学模型。1887年赫兹用实验方法产生和检测到了电磁波,这不仅证明了麦克斯韦方程组的正确性,更直接推动了一系列技术的发展,直到今天。这一例子,也客观地展现了辩证、整体、发展地看待问题的自然辩证法,相比于形而上学自然观具有更本质的正确性和应用价值。

二、电磁波的传播速度与迈克尔逊-莫雷实验

麦克斯韦方程组预言的电磁波的表达式中,表明了光在真空中的传播速度是,这一数值后被定义为真空中的光速。然而,麦克斯韦并没有给出明确说明,这一速度是在哪个参考系下表征的。根据牛顿力学时代的基本原理伽利略变换,一个确定的速度值只对一个参考系有效,不同的参考系下物体运动速度的表征不同。当时,人们从伽利略变换出发推导出,一定存在一种绝对静止参考系“以太”,光在这个参考系中的速度才等于光速。请注意,这个过程,实际是在用形而上学自然观的分析方法和结论去分析自然辩证法之下所产生的内容。

科学家麦克斯韦和莫雷准备用实验的方法验证以太的存在。人们当时已经知道,地球本身存在运动速度,也即相对“以太”有一个速度差。那么在沿地球运动速度方向与垂直地球运动速度方向,光在地球上的传播速度不同。迈克尔逊和莫雷用了非常精密的光速测量装置——迈克尔逊干涉仪来验证光在不同方向传播的速度差。最终实验表明,光在任何方向下的传播速度基本恒定,地球相对于“以太”没有速度差。地球本身就是“以太”的观点随后很快被各种各样的实验所否定;那么,实验的结果直接表明了:麦克斯韦方程组和伽利略变换,一定有一个是错误的。

三、光速不变与洛伦兹变换

麦克斯韦方程组是在牛顿力学体系之下的经典物理理论一步步发展起来的,是经典物理时期的较高成就和电磁论的集大成者。但是,越来越多的证据表明麦克斯韦方程组预言的电磁现象与经典物理理论发生了矛盾——比如,麦克斯韦方程组在伽利略变换下具有不变性,这和伽利略变换本身的相对性原理就是自相矛盾的。

人们开始意识到,形而上学自然观时代的经典物理理论出现了问题,于是开始了对经典理论的“修补”,以使经典物理理论的不同结论自洽。

洛伦兹在这项工作上取得了较为瞩目的成果,从“光速不变”这一实验现实出发,改写了伽利略变换的部分形式,得到了与经典物理理论、麦克斯韦方程组都自洽的洛伦兹变换。洛伦兹通过既有的研究事实,采用归纳推理的方法,得到了这一普遍原理。许多人认为,洛伦兹变换是由狭义相对论和光速不变原理的一般事实经过演绎推理得出的,这与事实相悖,洛伦兹变换成型于18世纪末期,而狭义相对论成型于19世纪早期,洛伦兹变换的推导完全不需要用到狭义相对论中的相对性原理[4]。洛伦兹变换的结果完全是对经典物理体系的修补,从自然辩证法的哲学角度上讲,并没有更新的看待问题的眼光和方式,也没有抓住经典物理理论与麦克斯韦方程组不自洽性问题的本质。

四、狭义相对论与自然辩证法的发展

爱因斯坦于1905年6月发布的论文《论运动物体的电动力学》[5]针对这个问题给出了系统性的方案。爱因斯坦在这篇文章中,声明了同时的定义、时间和长度的相对性、坐标系间的坐标和时间变换理论。这是一种适用于惯性参考系的、区别于牛顿力学时空观的全新理论。之前的洛伦兹等科学家进行的研究工作都是对经典物理理论的修补,仍然难以解释光速不变的根本原因,而爱因斯坦以最新的麦克斯韦方程组推导和实验得出的光速不变这一事实为基本出发点,将狭义相对性原理和光速不变原理这两个已经由麦克斯韦方程组推导证实的现象声明为公设,得到了狭义相对论的内容。虽然狭义相对论的核心思想仍然是洛伦兹变换,或者说洛伦兹变换本身已经得到了更普适的理论,但狭义相对论背后蕴含的思想方法和哲学于其他对经典物理理论的修补不同。牛顿时空观基于形而上学自然观,研究针对的主体是割裂的每个参考系;而爱因斯坦的狭义相对论则是从整体出发,得到了不同参考系之间的关系。

爱因斯坦个人曾自述他在科学研究过程中的思想方法。曾有文献表明,爱因斯坦在“谈到上帝的时候,他想捌的总是自然规律的}智在一致性和逻辑简单性”。[6]虽然这一思想中蕴含着包括“上帝”的宗教观,但这种思维方法正是自然辩证法中整体地、发展地看待问题的这一方法论的具体体现。狭义相对论,就是揭示物质运动统一性的成果。有趣的是,爱因斯坦也参与了《自然辩证法》一书的审阅工作,证明了其对自然辩证法的认同[2]。

五、总结

19世纪末期到20世纪早期是物理学理论更新的集中时期。人们意识到运用形而上学自然观发展而成的经典物理理论已经不再完全正确。部分科学家尝试对牛顿时空观进行修补,而另一部分科学家尝试从整体的、发展的思路看待问题,提出了全新的、普适性更强的理论,如狭义相对论。自然辩证法正是在人们对世界的认识不断提升,科学研究工作不断发展的基础上不断完善的,是经得住实践检验的,也是对科学技术的发展起到了促进作用的。

参考文献:

[1] 杜畏之, and 恩格斯(F.Engels). 自然辩证法. 上海: 神州国光社, 1946. Print.

[2] 林琨智, 韩丽珠. “恩格斯《自然辩证法》产生与发展过程(一)——恩格斯《自然辩证法》的产生过程.” 吉林化工学院学报 29.10 (2012): 1-4. Web.

[3] 王伟锋, 曹森鹏. “麦克斯韦方程组的哲学思想探讨.” 价值工程 30.5 (2011): 255-56. Web.

[4] 孟庆潭. 洛伦兹变换初探. 北京: 地质出版社, 2007. pp. 1-8. Web.

[5] Einstein A. Zur Elektrodynamik bewegter Körper[J]. Annalen der Physik, 1905, 322(10): 891-921.

分类: 物理