萊布尼茨對真空的研究及其現代價值

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文作者: 林成滔
上傳時間:2010/6/20 15:29:00

  摘要:萊布尼茨繼承笛卡爾關於空間與物質關聯的觀念,並提出相對時空觀以反對牛頓的絕對時空觀,從而否認空無一物的真空的存在。萊布尼茨對真空的研究成果在他那個時代並沒產生太大的影響,但卻為20世紀物理學革命擯棄牛頓的絕對時空提供了思想資源。
  關鍵詞:萊布尼茨;真空;時空觀
  Abstract:Leibniz inherited Cartesian concept on the relevance between space and material and put forward relative view of space-time to oppose Newton’s absolute view of space-time, so he denied the existence of the vacuum which is nothing. Leibniz’s research results on the vacuum did not have much effect in his era, but it provided the resources of thinking to get rid of Newton’s absolute space-time in the physics revolution in the 20th century.
  Key words:Leibniz; vacuum; view of space-time

  
  萊布尼茨生活於被科學史家譽為“天才的世紀”的17世紀,與開普勒、伽利略、笛卡爾、帕斯卡、波義耳、牛頓等科學巨匠處於科學史上的同一個時代。萊布尼茨不僅是一位偉大的數學家和哲學家,而且是近代一位(也許是唯一一位)可比肩亞裏士多德的百科全書式學者。他在自然科學以外的其它人類理智領域,比他同時代的其他科學巨匠取得了更多的成就。他被譽為德國的科學、哲學之父,還在神學、技術發明、法學、歷史學語言學政治學等諸多領域都有著堪稱同時代一流的建樹。西方的一位學者曾這樣評價:“萊布尼茨可能是近代世界最全面的天才,……觸及了現代知識的幾乎每一個分支。他是最後一位希望掌握現代知識的所有領域,並且是百科全書式人物的人。”也許正因為萊布尼茨所涉及的研究領域過於寬泛、龐雜,他的許多研究成果的重要價值在相當長時間內未得到重視,譬如他對真空問題的研究。盡管由於當時的客觀條件所限,萊布尼茨在真空研究中更多的依靠科學的猜測和哲學的思辨,但其結論竟與200多年後的科學大師愛因斯坦、狄拉克等人對真空研究的成果暗合,確是令人不得不感嘆其思想之天才。
  
  1“真空問題”的歷史脈絡
  
  對真空問題的研究及爭論可追溯到古希臘。德謨克利特等原子論者認為,世界是由原子和虛空構成的,提出了真空這一命題;而亞裏士多德則認為,宇宙中充滿了“以太”,因而真正的虛空是不存在的,他的名言是“大自然厭惡真空”。這可以說是人類對真空問題探討和爭論的源頭,並一直延續至今。
  不過,在這裏有一點必須指出,真空的概念是有歧義的,有所謂“物理真空”和“哲學真空(或稱形而上學真空)”之分,而“物理真空”又有“經典真空”與“量子真空”之別。歷史上對真空概念不同時期也各有側重,古希臘的真空概念更多是哲學意義上的,偏向於“虛空”、“虛無”的含義;17世紀的真空概念是“物理真空”和“哲學真空”兩者兼而有之;而現代的真空概念更多地是指“物理真空”。當然,“物理真空”和“哲學真空”的概念區分並不是完全清晰的,也無法成為在該領域嚴格區分科學問題和形而上學問題的依據,真空問題依然是(也許會永遠是)科學、形而上學糾纏在一起的一個前沿領域。
  17世紀的真空研究與笛卡爾有很大的關系。實際上,人們對自然的看法總是首先基於自身的日常經驗。對於物質與空間的關系也不例外。按照常規思維,人們很自然地把空間想像為一個巨大、不動的空房子,物質就是被一件件搬到這座房子裏的東西,因而空間必然是先於物質存在的。這樣,空無一物的真空就是可能的。這就是所謂的絕對空間的觀念。於是有人就想像地球到太陽間的地帶是真空。但笛卡爾不這麽認為。在他看來,空間與物質不可分,空間只存在於已有某些物質的地方,是物質的存在才使空間得以存在;空無一物的真空是不存在的。他說:“實際上,我們無法想像一個空無一物的容器,一如無法想像一個沒有谷的山:這將意味著無需廣延就能設想容器的內容,或者無需實體就能設想廣延:確實,沒有什麽東西能夠不具有廣延。”至於星際間的地帶,笛卡爾認為不是真空,而是充滿了物質的,這種物質就是以太。笛卡爾從以太演繹出了他的宇宙學說。
  笛卡爾否認真空存在的學說受到了托裏拆利、帕斯卡等人的強有力挑戰。他們兩人分別做的“托裏拆利實驗”、“真空實驗”使人們“眼見為實”地相信實驗中水銀柱上方的玻璃管中存在著一段真空。近代原子論者及牛頓學派也都相信真空的存在。從那時起,贊成真空存在一派似乎占了上風。
  2萊布尼茨“相對時空”與牛頓“絕對時空”的對立
  
  萊布尼茨是笛卡爾之後否認真空存在的代表人物,為此他與堅持真空存在的牛頓學派發生了激烈的爭論。他認為,真空即是虛無。牛頓學派的克拉克就曾指責笛卡爾和萊布尼茨把真空與虛無等同了起來。克拉克認為,沒有物質的空間無疑是一無所有的空間,但並不表示空間本身也被消除了。在克拉克看來,“如果廣延是物質的本質,那麽物質就等同於空間本身;由此可以推出,物質必然是無處不在的、無限的和永恒的,並且它們是既不能被創造,也不能回歸虛無,這是荒謬的。”也就是說,依牛頓學派,笛卡爾和萊布尼茨的錯誤之癥結就在於把空間與物質等同了起來。
  我們知道,經典力學大廈賴以建立的基石是牛頓的絕對時空觀,其精要可概括為“時空獨立於物質而存在”。萊布尼茨明確反對牛頓的絕對時空觀。他曾寫道:“我把空間看作某種純粹相對的東西,就像時間一樣;看作一種並存的秩序,正如時間是一種接續的秩序一樣。因為以可能性來說,空間標誌著同時存在事物的一種秩序,只要這些事物一起存在,而不必涉及它們特殊的存在方式;當我們看到幾件事物在一起時,我們就察覺到事物彼此之間的這種秩序。”在這裏,萊布尼茨把空間看作是一種“並存的秩序”;把時間看作是“接續的秩序”。所謂“並存的秩序”、“接續的秩序”,更通俗的理解即為一種關系,即相對時空觀。
  萊布尼茨認為,空間、時間本身不是如牛頓理論所言是絕對的、實在的存在。時空與物質及其運動密不可分,離開了物質就無所謂空間,同樣離開了物質的運動也就無所謂時間。空間並不是邏輯上先於和獨立於物質存在的容器。他認為,物質在邏輯上先於空間的存在,並以空間的形式排列,空間只不過是一種關系,除此之外沒有什麽空間存在。因而萊布尼茨認為,牛頓理論中的絕對空間是不存在的,一個物體僅能改變其與另一物體的相對位置,它不能改變其在絕對空間中的位置,因為空間是非實在的,除了物體間的位置關系,不存在絕對意義上的參照系,也即不存在所謂的絕對空間本身。時間也是如此,除了是事件之間的關系外,它什麽都不是,也就不存在絕對時間。由於反對絕對空間和絕對時間,萊布尼茨自然也反對牛頓理論中的絕對運動概念。與他的相對空間觀念對應,他認為,運動也不過只是一個物體相對於另一個物體的位置變化,因此,運動根本不是什麽絕對的東西,它只存在於關系之中。也即,那種依托於不動的絕對空間背景之上的絕對運動根本是不存在的,任何物體的運動必然與其它物體的運動相關。與以上的這些觀點相關聯,萊布尼茨自然否認虛空的存在,因為他是反對原子論的,同時他認為空間既可以被充滿也可以是空的這種觀念是無法接受的。
  
  3萊布尼茨對真空研究的現代價值
  
  針對真空存在派的托裏拆利、帕斯卡等人的一系列科學實驗,萊布尼茨也試圖從更多科學的角度及“物理真空”的方面去否定真空。他指出,托裏拆利實驗中水銀柱上方玻璃管中的那段根本就不是真空,那裏不過是排除了粗大的物質,但仍充滿了精細的物質,如光線仍可透過進入其內。因而,他認定其中並不是真空,因為光也是物質。萊布尼茨還為此作了一個形象的比喻。他說容器就好比是一個滿是細孔的箱子,將它放到水裏,箱子裏有魚和其他粗大的東西,把這些粗大的東西拿掉,這箱子裏仍然還是充滿水的。萊布尼茨實際上在這裏是通俗講解了笛卡爾的充滿以太的宇宙模型。因而,萊布尼茨認為空的空間不過是一種想象。
  20世紀初物理學革命後,人們開始重新審視真空問題,愛因斯坦和狄拉克分別基於相對論和量子力學對真空進行了研究,愛因斯坦認為真空是“廣義相對論的以太”;而狄拉克把真空看作是“量子場的基態”。這樣,這兩位20世紀的物理學大師就為現代真空研究奠定了“真空不空”這一基本結論框架。實際上,不管是在愛因斯坦還是在狄拉克那裏,真空都被當成是宇宙背景。應該說,萊布尼茨的上述關於真空的看法今天看來在某種程度上是正確的,它正與現代的愛因斯坦和狄拉克的把真空看作是宇宙背景的理論暗合,的確是天才性的猜測。但由於萊布尼茨實證研究力度不夠,牛頓學派對萊布尼茨的上述論證深不以為然,因而也不可能改變牛頓學派關於真空的觀點。不過,萊布尼茨的相對時空的理念及對真空的研究成果給20世紀物理學革命中擯棄牛頓的絕對時空提供了思想資源。此外,他在與牛頓學派有關真空問題的爭論中,還廣泛涉及了近代科學中一些非常重要的概念,如原子、以太、引力、物質等,實際上為後世留下了極其寶貴的思想遺產,寫下了科學思想史上璀璨的一頁。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com   當然,愛因斯坦和狄拉克的上述真空概念也是屬於“物理真空”層面,只是再歸細類的話,愛因斯坦的屬於“經典真空”,狄拉克的屬於“量子真空”。因而,像任何其他“物理真空”的概念一樣,它們也逃脫不掉似胡攪蠻纏的“哲學真空”的追問:既然真空是空無一物,也就是無,那又何來真空的概念?即是宇宙背景那還是真空嗎?真空的宇宙背景到底是什麽?當然,對立者也可反問:真空什麽也不是,但什麽也不是的東西經過確定就真的不存在嗎?實際上有關真空的此類問題在古希臘愛利亞學派的巴門尼德提出他的關於“存在”與“非存在”的學說時就存在著,後世的不同僅僅在表述方式上。而有關真空問題的研究將會繼續(甚至可能永遠是)如萊布尼茨與牛頓學派論爭的那樣是一個科學問題與形而上學問題糾纏在一起的獨特領域。因為,如果認為真空被愛因斯坦和狄拉克認定為宇宙背景而似已得到解決不再是問題的話,那麽,人類的理性必然會再去追問似“無中生有”的宇宙誕生機制以及那個宇宙“奇點”到底是什麽。這實際上就是真空問題的另一個版本。
  
  

參考文獻


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