谈物理学思想发展与文化关系
回顾过去二千多年人类社会的发展历史,为什么欧洲社会可以成为物理学思想萌芽的温床,而中国社会却只有强调应用技术的发展,个中原因必然有多种因素。在这里,我们试图从文化的角度和用科学的观点来了解这个社会的现象,从而表达对中国物理学未来发展的期待。
一、中国与欧洲文化的对比
1.中国文化是建基于黄河河谷的大农业社会,以“人本”的家族文化为主,“物本”的宗教文化为次。聚河谷而居,居有定所,多见人邻,少见树木。人与人的关系比人与自然界的关系更为密切和重要,社会的主要问题和兴趣是在于人而不在于物。生活复杂的大农业社会,必须分工合作,自然要建立一个有组织和有权威的中央政府。家族文化是一个整体文化,个体有义务要支持整体的共同性,而整体亦有义务要照顾个体的特殊性。人是来自现实的祖先,必须对祖先负责。中国文化是强调整体、务实、内向、兼容、义务、约束、合作和相对性,重视对个人天赋欲念的自我克制和自我修养的人为能力,称之为“德”。人的问题只可以靠人自己去了解和处理,发展了人本的“人理(伦理)学”。无论从《易经》、《道家》、《儒家》到《诸子百家》等,都是以人本为基础来发展。特别是道家所重视以“顺其自然”人的“被动性”和“消
极性”,而儒家则重视以“事在人为”人的“主动性”和
“积极性”。人性有别于物性在于它的辩证特性:失败是成功之母,成功是失败之父;好事变坏事,坏事变好事;大乱之后必有大治,大治之后必有大乱等等相对而相反的大循环原理。
复杂的河谷生活,促使物的应用技术发展和宗教信仰发展的多极化。中国的四大发明是属于技术上的发明,而不是原理上的发现。中国数学的发展也是以实用,而不是以原理为基础。中国(汉)文字和欧洲数学文字同属于符号文字。要描述和了解“人本事物”,促使中国文字学的发展;中国文字的对称和其他特性也可以用来推到人本的可能新事物。当现有的文字不足以了解新事物情况下,自然要创造新的文字。要描述和了解“物本事物”,促使欧洲数学的发展。而数学的对称其他特性也可以用来推测物本的可能新事物。不同系统的数学有不同的极限性。当现有的数学系统足以了解新事物的情况下,自然要创造新的数学。符号文字与拼音文字是有不同的思维逻辑。所以认识中国文字学的人要学习数学,是有逻辑上的优势。
2.欧洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居,多见树木,少见人邻。人与自然界的关系比人与人的关系更为密切和重要。生活的主要问题和兴趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和变化,并非人力可以改变和控制,认为所有自然现象都来自能力最高的主宰。摘食猎鱼的简单生活,各人的
功能差别不大,分工制度弱,独立性强,自由性大,平等性高。生活环境的不断改变,只有天,才有永恒的意义,倾向上天单极宗教的信仰。
欧洲文化是游牧文化和地中海内海文化(希腊逻辑文化、罗马帝国文化和中东耶稣宗教文化)的综合文化,以“物本”
的宗教文化为主,“人本”的家族文化为次。它是强调个体、理想、外向、对抗、自由、权利、信仰和绝对性,重视发挥个人天赋欲念的自由和权利。欧洲文化在物质世界的“物性理论”发展,对人类物质生活巳作出了重要的贡献。中国文化在人类社会的“人性理论”发展,对人类和
二、科学技术科技
科学是物质世界的了解,是一种思想系统,也是一种顺其自
然的思想活动,其探索的目标是“发现”。技术是物质世界的应用,是一种行动系统,也是一种事在人为的行动活动,其运作的目标是“发明”。早期的技术发展主要是靠尝试和经验,与科学的发展并没有一定的姻亲关系。后来的科技就是把科学与技术结合起来,利用科学知识来改进技术的发展,
目标是“创新”。物理学是科学的基石。
三、物理学的发展
物理学主要的兴趣是探索物质世界的基础结构和相互作用
关系。物理学是一门量化的学问,从事物理量的研究和它们之间的时空基础关系。不能量化的东西便不是物理量。萌芽
时代:物理学的起源是来自古希腊时代(650—330Bc,雅典)
的几个重要思想。
(1)自然现象是根据“固定的自然定律”而发生(赛勒斯Thales,俗称为科学之父)——定律概念和演绎逻辑。(2)要描述所有自然现象,数字是扮演中心角色(毕达哥拉斯Pythag0ras)——数量描述。(3)要改变自然状态,必需有起因(柏拉图Plato)——牛顿第二运动定律的广泛含意。(4)
物质的原子(德谟克利特Democritus)和元素(亚里斯多德Aristotle)的概念——物体结构的基本成份概念。古希腊文化是强调个人自由和思想系统的探索,奠定了基本的科学精神、态度、构思、概念、逻辑、原则和言语。希腊化时代(338—31B.C.亚历山大港):主要的兴趣在解决实用问题,知识分类及技术成就。重要思想发展有:(1)几何学定理的公理化(欧几里得Euclid)——演绎逻辑。(2)以地球为中心输送圆的均速运动为主,运转圆的均速运动为微扰,可以准确解
释包括太阳在内的各行星在天上的运动。(3)物体“比重”物性的发现(亚基米德Archimedes),后来进一步发展到“密度”物性。
黑暗时代(30B.C.一1300A.D.):这是物理学发展a冬眠时代。
(1)罗马帝国(3OB.C.一476A.D.):罗马人是实用民族,他们
强势在军事,行政和工程,而不在学术和科学。大量收集和发展希腊哲学思想,而很少有原始的创作。为了要准确解释以
地球为中心的行星运动,增加了偏心圆的微扰(托勒密ptolemy)。(2)中世纪(476—1200):中世纪的欧洲是一个宗教和封建的封闭保守时代。研究希腊哲学和科学的中心便转移到阿拉伯和波斯。(3)十字军东征(1096—1270):二百年十字军东征运动,动摇了欧洲的封建制度和教会权力。伊斯兰的优秀文化开始对欧洲人开放。
复兴时代(1300—1600):大乱之后必有大治。经历过十字军东征的浩劫之后,欧洲从一个保守封闭的教条社会转入一个改革开放,实事求是和解放思想的文艺复兴时代,由神本回
归到人本。文艺复兴使欧洲恢复对人,人的成就和人的世界的兴趣。文艺复兴把欧洲从一个较为落后的社会在五百年内,先后超过伊斯兰和中国社会。
1.机动力学(Mechan0dynamics)
从希腊时代到黑暗时代这一千六百多年,物理学发展的主要兴趣上行星运动。发展以数学的欧几里得几何学为基础,均速圆周运动为核心。到了复兴时代,以既定的数学基础来了解观测的事实,改变为从事实去寻找事实背后的数学原理。由实是求事改变为实事求是,由以数学为基础改变为以物理为基础。
(1)天上行星的日心椭圆运动的发现(开普勒
Kepler,1571—1630)和地上物体的重力加速度及抛物线运
动的了解(伽利略Galileo,1564—1642)。椭圆和抛物线非均
速运动的发现是一个非常重要的突破,是欧几里得几何不能解释的现象。除了物理现象的突破外,更促使后来十七世纪解析几何的发展(笛卡尔Descartes和费马Permat)。(2)机动力学的诞生:为了解决重力问题,牛顿(1642—1724)认为,天上月球围绕地球的运动与地上物体的抛物线运动是同一根源,及推出它们之间与地球中心距离的关系。他成功发现三个物体的运动定律:惯性定律,动力定律和反作用定律。更由第二和第三个定律推出物体之间的重力定律。为了完成三个运动定律,牛顿创造了两个重要的物理量:惯性质量=密度×体积和惯性动量=质量×速度。同时他更创造了一条微积分的数学工具,来取代欧氏几何学的不足。牛顿运动定律的力只是与物体的变速度有关,与物体的速度无关。(3)牛顿动力定律理论的普遍化,以位能和动能取代外力和加速度:拉格朗日(Lagran—ge,1736—1813)和哈密顿Hamilton,1805—1865)。从物理定律推理到物理理论是符合从几何公理推理到几何定理的——演绎逻辑。
(4)牛顿动力学对随机过程的应用:麦克斯韦
(Maxwell,1831—1879),玻耳兹曼(Boltzmann,184 1906)。19世纪未,机动力学已发展成为宏观物质世界一个完美的理论:完整,合理和前后一致。
2.电动力学(Electrodynamics)电磁现象虽然是人类很早便发现的自然现象,但到了十六世纪才开始从实验中取得量化