自然哲学观

在任何时期，流行的自然哲学观都对同时期的物理学发展有深远的影响。纵观整个历史，建立自然哲学观的依据有两种。一种被称为“科学的”，即试图将观察到的事实关联起来，并从中获取有用的信息；而另一种则被称为“哲学的”，在特定历史条件下以能获得认可的方式解释自然现象。以天体运动的理论为例，来说明这两种依据之间的差别。在十六世纪，哥白尼的日心说理论可以解释实际的星体位置变化，但由于这种观点与当时地球在宇宙中心静止的哲学观相冲突，而不被承认是“哲学正确的”。

在科学发展的历史上，哲学观本身也随着一些革命性的科学发现而改变。科学观的发展有两个最重要的时期。在中世纪，人们用理解人类和动物行为的方式来理解自然现象，以生物的行为来解释诸如天体、抛体等物体的运动。这种观点被称为有机观。而十七世纪开始，伽利略和牛顿在力学上做出了一系列影响广泛的研究，促成了物理学史上第一次重大的革命，自然的机械观得以形成。在这种观点中，杠杆、滑轮等简单的机器被用来解释自然现象。这种观点获得了巨大的成功，因此机械论成为所有自然科学，甚至是所有科学的范本。1870年左右，机械论的盛行达到顶峰，但在此之后，物理学新领域不断发现的新现象使这一哲学观开始逐步瓦解。1905年，以爱因斯坦第一篇相对论论文的发表为标志，第二次科学大革命拉开了帷幕。正如牛顿促进了物理学从有机观向机械观的转变，爱因斯坦也促使机械观转变为自然的数学描述。

为了更好地理解爱因斯坦的工作以及人们对其理论的矛盾态度，我们有必要先了解自然哲学观的变革所带来的巨大情感波动和政治、宗教、社会等领域受到的冲击。罗马教会将哥白尼和伽利略的研究视为“异端邪说”，是因为他们的理论与当时的哲学观不相容；同样道理，很多哲学家和物理学家也不承认爱因斯坦的相对论，因为相对论不能以机械论的方式来理解。在以上两个例子中，新理论受到非难的原因都不在于其不能解释观察结果，而在于其不能融入传统的科学哲学观中。

当然，在很多情况下，这种对某一特定科学观的偏执和坚持会阻碍新规律的发现，但是从历史发展上看，也不能武断地认为这种保守的态度完全不利于科学的进步。一种特定的科学观念可以将不同的科学分支统一起来。在有机科学观中，生命体和无生命的自然界之间没有真正的差别，它们都遵从于同样的规律。机械科学观也是如此，其对生命现象也是以机械论的方式描述的。此外，由于特定的科学观应该能够用于所有现象的解释，所以它不得不具有简单的形式，以几条简单的原则就能推导出所有的实验证据。

一般人在学校中接受的科学教育都是以机械观为主的，我们对机械观太熟悉了，甚至觉得它平淡无奇。不过，当一个理论被大家接受并习惯之时，它的闪光之处也早已被人遗忘。我们假设自己生活在机械论刚兴起的年代，这样才能理解其伟大的意义和革命性的影响。通过这种假设我们不难发现，当时机械科学观给人们带来的困惑和矛盾，正如我们现在对爱因斯坦理论的感受。

中世纪的有机物理

我们在观察一个人的行为时，有时可以理解，有时又理解不了。例如，如果我们只看到某人突然狂奔起来，会摸不着头脑，但是如果得知前面有人在撒钱时，则完全能够理解这个行为。若一个人动机不明，他的行为则会难以捉摸。动物亦然。一只野兔在奔跑，可能是因为后面有条狗在追逐它。任何运动的目的都是为了到达比初始点更有利的位置。

根据对象本质的不同，不同有机体的行为可以用不同的动机来解释，“有机科学”也同样被用于解释非生命体的运动之中。以下落的石头和升起的火焰为例，类比于善于挖洞的老鼠和在悬崖边筑巢的老鹰，石头本就应该在地球上，而火焰的位置在天空中某个绕地球旋转的球体上。每个物体都有它最自然的状态，当这一状态被改变时，它的本能将会驱使其以最快的方式回到原来的状态中。因此，当石头被抛向空中时，它将会尽快回到离地心最近的位置，如同被天敌追赶的老鼠在逃脱威胁后会立即回到自己的洞里。当然，有时候石头并不会下落，这是由于一个“无法抗拒的力”在对它起作用。根据古代的哲学家的说法：“医生的天职是治疗，但是障碍可能使他无法实现这个目标。”这是有机论中的一个最粗糙的推论。

当然，也有些运动显然没有任何目的性。例如，天体的运动没有明确的目标，而是单纯重复同样的路径。那么，人们认为天体被某个更高等的自然精神力量控制了，而维持永恒不变的运动正是这种精神力量的本能，就如同趋利避害是低等有机体的本能一样。

这种有机的观念以古希腊哲学家亚里士多德的思想为基础。尽管这一观念本质上相当愚昧，但在中世纪时期这种类似的哲学观基础出现在很多哲学家的教义中。这些哲学家包括被基督教教会奉为圣人并有“神学界之王”之称的中世纪经院哲学的哲学家和神学家托马斯·阿奎纳（1225—1274）、犹太思想家和哲学家摩西·迈蒙尼德（1135—1204）以及伊斯兰的阿威洛依（1126—1198）。

物理和哲学

毫无疑问，伽利略是推进物理学由有机论转向机械论的关键人物。他认为，哥白尼的日心说理论不仅仅是一时为了解释天文现象而做的假设，而是事实真相，揭示了真正的规律。他胆敢质疑权威的中世纪物理体系根基。

伽利略首先从物体的匀速直线运动这一最简单的形式出发，接着考虑了具有恒定加速度的直线运动，即物体的速度在相等的时间内增加量相同。接下来，基于这些简单运动形式的研究，他试图解释更复杂的运动。伽利略发现所有的自由落体运动和抛物运动都具有一个共同点，即它们向下的加速度都是恒定的。这类运动的速度可拆为两部分：保持大小和方向都不改变的初始速度（惯性运动），和垂直向下的加速度（重力作用）。

几十年后，艾萨克·牛顿爵士将伽利略发现的运动规律推广到复杂的天体运动中，并将其发展为描述一切运动的普适规律。以地球绕太阳的公转为例，牛顿将行星的圆周运动也拆分为两部分：（1）惯性运动，初始速度的大小和方向保持不变；（2）由于地球和太阳之间的引力作用，地球具有恒定的加速度，其方向沿着地日之间的连线指向太阳，其大小与地日距离的平方成反比。根据这些规律，牛顿提出了大名鼎鼎的牛顿运动定律（Laws of motion）和万有引力定律（The Universal Lawof Gravitation）：

牛顿第一运动定律：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。（惯性定律，Law of Inertia）

牛顿第二运动定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。（力的定律，Law of Force）

牛顿第三运动定律：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

万有引力定律：任意两个质点之间有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

这些定律的成功之处无须赘述，其构成了物理学、天文学和力学的理论基础。

牛顿及同时代的科学家们也早已提出了解释光现象的光学理论。由于上述力学定律无论在天体运动的描述还是日常生活中物体运动的描述上，都获得了成功，所以光学理论也都以力学定律为前提，认为光由符合牛顿运动定律的粒子组成。同样对于其他物理学领域的各种物理过程，例如电磁现象、热现象和化学反应等，人们也将其抽象为力学模型，并用牛顿运动定律解释这些现象。牛顿运动定律在实证经验上的成功使它很快便成为检验理论“物理合理性”的试金石。除了牛顿运动定律以外，其他能够计算和阐明物理现象的理论仅仅被看作“可行的”，而不是“物理的”。在牛顿的力学体系建立后不久，中世纪的有机自然哲学体系便被这种新的体系所取代。

然而，牛顿力学的成功却显然归功于它的实用性，而不是它在哲学上的合理性。惯性定律刚刚被提出时，以中世纪哲学的观点来看，它相当荒谬而不可理解。为什么不用被外力推动，物体就可以永远沿直线运动下去呢？这无疑与人们的经验相悖。但是，这种“可笑”的定律最终战胜了一切异议而被接受，这得益于它在数学上的简明性，以及在其基础之上建立的力学体系的巨大成功。最终，物理学体系被颠覆，牛顿运动定律成为唯一的“哲学的真实”。机械论时期的哲学家们，尤其在十八世纪末，提出各种论点来证明，惯性定律是绝不荒诞的，它的合理性是显而易见的，甚至是唯一符合哲学论的对真实的解释。

由于牛顿力学体系的历史根源，哲学家们抵触爱因斯坦的理论。除了理论学家，一些实验物理学家们也同样难以接受爱因斯坦的理论。他们在大学中接受了传统机械观哲学教育的洗礼，将其奉为信条，因此即使在物理实验中获得了超出牛顿运动定律可解释范畴的实验结果，也不能意识到其背后颠覆性的新科学理论，而仍然一味信奉着牛顿的理论体系。

牛顿力学中的相对性原理

牛顿运动定律中尚存着关键性的问题待解决。惯性定律说明任何物体要保持匀速直线的运动状态直到外力迫使其改变运动状态为止。那么究竟什么才是“匀速直线运动”呢？在日常生活中，匀速直线运动似乎很容易定义，例如，当台球在桌面上沿着一条平行于球桌边缘的直线滚动时，它就在做直线运动。但是若考虑到球桌本身置于地球上，而地球不仅在自转，还绕太阳公转，那么在地球之外观察台球的运动时，最终合成的运动状态将会变得很复杂而不是简单的直线运动。在这个意义上，只有和球桌同在一个房间里的人才能观察到桌上的球是沿直线运动的。

鉴于此，牛顿定义了“绝对运动”（“Absolute motion”），即“物体从一个绝对位置到另一个绝对位置的运动”，并称“‘绝对运动’既不能被创生，也不能被改变，而是物体由于被施加了力的作用而发生的运动”。在这个定义下，如果我们能观测到球在没有任何外力作用下沿着平行于桌子边缘的直线做匀速运动，那么这个房间则被认为在“绝对空间”（“Abso-lute space”）中静止。这个“静止”房间的参考系则被定义为惯性系（Inertial system），因为在这个参考系里，惯性定律成立。假设有第二个房间，它随着旋转木马一起转动。相对于“静止”房间，新的房间在做圆周运动，因此这个房间里的小球不可能在没有外力作用的情况下保持匀速直线运动。那么根据上面的定义，旋转木马上的房间就不是一个惯性系。

若是小球在匀速直线运动的火车车厢中，那会怎样呢？这种情况下，火车上的小球仍然可以在没有外力的情况下做匀速直线运动。实际上，在“静止”房间中做匀速直线运动的物体，被火车上的观测者所观测时，也同样做匀速直线运动。因此，只要像火车车厢这样的“运动系”相对于“静止”房间做匀速直线运动，惯性定律在“运动系”中就仍然成立。

当外力作用于小球时，小球开始加速。在“静止系”和“运动系”上观测到小球的加速度是相同的。因此，牛顿第二定律，即只决定物体加速度（而非初始速度）的力的定律，在两个参考系中都是等价的。我们只通过测量粒子（小球）的运动，无法得知当前参考系的运动速度；反过来，我们只要知道了小球在当前参考系下某一时刻的运动，通过牛顿第二定律，便能够预测其在未来任何一个时刻的速度，这也与小球所在的参考系本身的运动无关。综上所述，相对一个已知的惯性系做匀速直线运动的所有参考系都是惯性系，而牛顿运动定律并不能说明什么是严格意义上的真正的惯性系。

在大多数情况下为简单起见，忽略掉微弱的自转和公转运动，地球可以被近似认为是惯性系，因此地球上物体的运动满足牛顿运动定律。同样地，任何相对于地球做匀速直线运动的物体，例如火车、轮船、电梯等，也可以被看作惯性系。这很符合人们的日常经验：在没有颠簸、转弯的火车或者轮船上，人们可以像在地面上一样进行各种球类运动。

因此，对于力学规律而言，一切惯性系都是等价的，这一定律被称为力学相对性原理（Relativity principle of mechanistic physics），它是牛顿运动定律的推论，它的描述对象为相对运动，而不是牛顿运动定律中的绝对运动。上面为相对性原理的正面表述，其反面表述为：不可能借助惯性参考系中的力学实验来确定该参考系匀速直线运动的速度。

相对性原理本是在牛顿理论体系中提出的，是牛顿力学体系的基本特征。然而，把相对性原理推广到一切物理学则是爱因斯坦的伟大贡献。他认为相对性原理比牛顿运动定律更适合成为描述所有物理现象的理论基石，因为相对性原理在牛顿运动定律失效的情况下仍然成立。

以太：力学的假设

从各种光学现象（光的反射、折射等）出发而建立的光学理论主要包括两大相互对立的体系：牛顿提出的光的微粒说（Corpuscular theory），以及和牛顿同时代的荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯（1629—1695）提出的光的波动说（Wave theory）。在微粒说中，光被看作一束满足牛顿运动定律的粒子流；而在波动说中，光是一种在某介质中传播的振动，类似于在空气中传播的声波。1850年，在精于光学和电磁学实验的法国科学家阿拉戈（1786—1853）及以发明傅科摆闻名的法国物理学家傅科（1819—1868）等人的研究努力下，光的波动说占据了主流的地位。然而在此之后，出生于苏格兰爱丁堡的物理学家、数学家麦克斯韦（1831—1879）开创了电动力学，预言光的本性为电磁波，光是由电场和磁场的振动产生的。他的理论计算和德国物理学家海因里希·赫兹（1857—1894）的实验工作一同促成了光的电磁波理论的普及。

振动的传播需要介质，波是介质中振动状态的传播。例如，声音是由空气中分子的振动来传播的，在真空中声音无法传播；地震波的传播依赖于地球内部或表层物质的振动；水波则是由表面的水分子运动而传播的。然而，即使太空中没有任何物质作为介质，遥远星星发出的光却仍然能够到达地球。基于根深蒂固的力学思想，人们认为必然存在某种介质在太空中承载光的传播，这一介质被称为以太（Ether）。

若是认为光的传播和声音类似，则我们需要回答两个问题。当飞机或者抛体在空气中运动时，由于空气的摩擦，它们受到了一定的阻力，其中一部分空气也黏着于物体上被拖拽而随之运动。那么这两个问题是：能否通过以太来探测物体的运动，比如地球绕着太阳的运动？以太会不会像空气一样，阻碍其中物体的运动？是否也会有拖拽作用？

回答以上的问题需要研究光在以太中传播的性质，因为只有通过光的传播才能证明以太的存在。假如光的传播就像池塘平静的水面上的一串涟漪，那么光波的速度相对于以太是恒定的。然而观察者所观察的光线传播速度可能会大于或小于光线本身在以太中的传播速度，这取决于观察者是向着光源运动还是远离光源运动。因此，若是以太和地球之间没有粘滞作用，地球在绕太阳公转的时候也不会影响保持静止的以太，那么地球相对于以太的速度就可以通过在地球上测量沿不同方向传播的光速来确定。

至于为什么确定地球的运动不会拖拽以太运动，这是光行差（aberration of starlight）现象可以证明的。人们在公转的地球上观测星空时，相当于观众坐在绕舞台转圈的看台上观赏表演。随着座位一圈又一圈地绕舞台旋转，观众看到的舞台上的景象也会周期性地改变；同理，天文学家们发现他们所观测的天体现象也以年为周期在发生变化。如果以太能被地球拖拽而运动，则星空的光通过以太传播到地球时，人们就不会观测到随着地球的公转而以年为周期变化的景象。因此，光行差现象反过来证明了以太是绝对静止的介质。

美国海军学院的迈克尔逊（1852—1931）是精密光学测量领域杰出的科学家，他在1879年设计了十分精巧的实验，以测量地球相对以太的“漂移速度”，对否定光的以太说起到了关键作用。迈克尔逊在德国波茨坦的天文物理观测台经过一年的观测研究之后，到美国又重复了这些测量。在他设计的绝妙实验中，即使地球相对于以太的“漂移速度”远远小于地球的公转速度，其“漂移速度”也能被准确地测量出来。然而即使迈克尔逊的实验被重复无数次，人们也未能测量出“漂移速度”，结果始终证明地球和以太之间的相对速度为零。

因此，光行差现象证明以太是绝对静止而不会随地球运动的，同时迈克尔逊实验却表明地球相对于以太的速度为零。在这一矛盾下，光的机械波理论无疑面临着困境。

机械物理的中世纪思想残余

地心说是中世纪物理体系思想的典型产物。在地心说中，人们定义了一个绝对静止的宇宙“框架”，即以地球为中心的参考系。在这个参考系中，天体相对于地球的运动就是相对于宇宙“框架”的运动，因此不难定义绝对运动。同理，只要测量天体绕着地球运动的周期，自然就能定义时间。

从表面上看，哥白尼的日心说理论以及之后的伽利略和牛顿的机械运动学体系打破了中世纪物理体系中的“封闭世界”，然而仔细推敲就会发现，经典力学体系中仍存在着一个与地心说中的宇宙框架类似的观念。牛顿惯性定律说明了物体在“绝对空间”中的运动，但是为了建立“绝对空间”与人们所熟悉的空间之间的联系，以便于牛顿定律在日常生活中的应用，牛顿又提出了“惯性系”的概念，惯性定律在惯性系中成立。那么问题是，惯性定律为什么不能在其他的参考系中成立？参考系本身的物理性质并不能决定它是否为“惯性系”。因此，惯性系这一概念就相当于地心说理论中与地球固联的宇宙“框架”。此外，当把力学理论应用于光学现象时，不得不将空间具象化为以太。因此，以太成了牛顿体系中真正意义上的绝对静止的宇宙框架，实验室相对以太的运动应该可以通过光学实验而测得。

机械论时期的物理学家们自身也对“绝对空间”“绝对时间”（Absolutetime）“绝对运动”“惯性系”和“无处不在的以太”等说法感到不安。牛顿本人也承认，观测者的确无法通过观测来确定物体在“绝对空间”中的“绝对运动”。“绝对运动”像是上帝强加于牛顿理论框架上的物理事实，而不是隐含在牛顿体系里、可通过逻辑自然而然地推出并能够观测的概念。

很长一段时间内，人们一直没有意识到牛顿在晚年专注于神学研究的真正原因。有人认为他的神学研究仅仅是情感上的需要，也有人说这是他对当时宗教大环境的妥协。然而牛顿的挚友兼学生大卫·格雷戈里（1659—1708）在日记里却记载道：“是什么填满了虚无的宇宙？他（牛顿）认为，直白的真相就是上帝无所不在，上帝洞悉一切并与所有事物同在，上帝存在于一片虚无的空间里，上帝也存在于充满物体的空间中。”根据他的日记，后来人们确信，牛顿很可能是为了找到“绝对空间”在逻辑上绝无争议的解释，不得不诉诸神学，将上帝邀请到他的理论中。只有承认上帝的存在，牛顿体系中的绝对运动才能够被解释。上帝创造了能量，上帝用自身能量直接创造出的空间是绝对空间，以区别于其他空间；上帝直接赋予能量的运动是绝对运动，而借助于机械装置而发生运动则是相对运动。

然而，自十八世纪的启蒙运动以来，科学的发展让人们不再相信上帝创造了运动。可是牛顿的理论却要建立在“上帝存在”的基础上，若要否认上帝，牛顿理论的框架便会一夕崩塌。正如美国科学史学家E·A·伯特（1892—1989）在1925年出版的《近代物理科学的形而上学基础》（The Metaphysical Foundations of Modern Physical Science）中所说：“在十八世纪，牛顿体系中的世界与宗教逐渐剥离，然而他描述的绝对空间和绝对时间却要从宗教中获得意义，若与宗教完全割裂，牛顿的体系将会灰飞烟灭。”

对机械论哲学观的批评

十九世纪末，更多难以用牛顿力学体系解释的物理现象相继被发现。为了阐明这些现象，一些不确定能否回归到牛顿力学的理论被提了出来。这些新理论在当时被看作专为解释某些特定物理现象而生的权宜之计，正如在中世纪时，哥白尼的日心说也仅仅被当作一个符合观测数据的“数学描述”（“mathematical description”）而非真理。只要机械论的哲学家们仍然以牛顿力学理论为理解自然现象的唯一标准，那么新的理论就永远存在争议。然而从十九世纪七十年代以后，对机械观哲学的质疑声音越来越响亮。为了接下来理解爱因斯坦的理论，我们有必要了解这些对牛顿力学的批评。只要牛顿力学还被奉为不可动摇的物理根基，那么任何试图在牛顿框架之外建立新体系的尝试都是徒劳可笑的。反过来，对牛顿机械观的怀疑，正是孕育爱因斯坦理论并使之开花结果的最好的土壤。

机械论批评者的先驱之一是德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（1822—1887），他对电路、光谱学的基本原理有重要贡献，是光谱化学分析法的创立者。在1876年，他提出力学的任务应当是“既完整又简明地描述自然中发生的运动”。这意味着牛顿力学框架仅仅是对日常生活中人们观测到的运动现象的简单介绍，并不能在其他哲学的角度“理解”这些现象的发生。牛顿的力学原理符合人类大脑的认知规律，因此基尔霍夫的反对在自然科学家和思想家中引起了某种轰动。在基尔霍夫的观念中，既然牛顿力学只是对自然运动的描述，那为什么还要坚持用牛顿力学对电学、光学、热学等现象做出迂回别扭的阐释？建立能直接解释这些现象的专门理论将会更加简洁。因此，在这个意义上，牛顿理论褪去了其神圣的光环。

1888年，海因里希·赫兹证实了电磁波的存在。接下来，当他试图用麦克斯韦建立的电磁场理论来描述电磁波现象时，发现以牛顿力学为前提、将电磁波作为以太中的振动而建立的方程中，计算非常复杂困难。若把麦克斯韦方程组简化为电磁场和电荷之间的直接作用，将会极大降低描述电磁波现象的复杂性。然而，在日常经验中，人们却不容易直观理解后者的方式。赫兹在对麦克斯韦方程组进行深入的逻辑思考后，于1889年提出，这种新的物理思想最终可能取代机械论思想。

因此，赫兹抛弃了那些在有机论和机械论时期被奉为物理的“哲学”基础的观念。他坚持认为，物理定律不一定能被人类的直观认知所理解，这些定律只要能够准确地解释或预测现象就足够了。

恩斯特·马赫的物理观念

基尔霍夫和赫兹等物理学家对机械哲学观的批评是概括性的，并没有对整个体系进行系统的批判。而另外一些批评家们的质疑则是建立在准确的自然观和科学观基础上的。被称为“社会学之父”的法国哲学家、实证主义创始人奥古斯特·孔德（1798—1857年9月5日）在其发展的社会学理论中指出，科学发展的“形而上学”（Metaphysical）阶段已经被“实证主义”（Positivistic）阶段所取代。抛开有机论或机械论这类观念，科学理论的唯一评判标准应当是它能否以简单的、无逻辑错误的形式来解释“真实”的经验。

奥地利物理学家、爱因斯坦思想的先驱恩斯特·马赫（1838—1916）对这一方法的发展推广做出了最深远的影响。马赫从历史和逻辑的角度全面透彻地分析了牛顿力学体系，说明其并没有包含直观自明的原理。牛顿所做的仅仅是将简单运动的观测总结为规律，而这些规律只能预测个别的运动。并且，只有在牛顿定律以之为基础的经验是正确的前提下，牛顿定律做出的预测才是正确的。

马赫强调，物理理论应遵循简单性和思维经济原则（Economy of thought），即用最少量的思维对经验事实做最完善的陈述。马赫将这一思想类比于生活中的“经济”这一概念，提出对自然科学理论的要求不应该是能够被统一到某种特定的框架下，而应该以“经济”为标准。

马赫不仅批判基于牛顿力学所建立的哲学体系，还评判了牛顿体系的中世纪思想残余。他指出牛顿理论中的“绝对空间”和“绝对时间”是不能被可观测的物理量或物理过程所定义的。为了摒弃在力学基本原则中出现的类似概念，马赫提出了科学的实证标准（Positivistic criterion of science），即只有从可观测现象中总结推断出来的规律才是可接受的。马赫对牛顿惯性定律的批评恰当地说明了这一评判标准。若要从实验上验证牛顿惯性定律，将绕不开诸如“一个物体是否能在绝对空间中保持其初速度方向不变”的问题。然而这种问题毫无意义，因为绝对空间是不可观测的。假如人们用傅科摆（Foucault's pendulum experiment）这样的实验来证明地球的自转，即使观测到摆锤所在的平面不改变，这种“不改变”也只是相对天空中静止的星星而言，而不是相对于绝对空间的。

根据马赫的思想，任何与绝对空间有关的叙述应当从惯性定律中剔除，那么牛顿惯性定律的合理表述为：任何物体都要相对于固定不变的星空（Fixed stars）保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。这却意味着固定不动的星星对所有运动的物体施加了一个可观测的影响，这一影响是附加的，并且独立于万有引力定律。诚然，对于广袤的星空而言，万有引力的影响是微弱的，因为引力与距离的平方成反比。但是，如果固定的星星被看作惯性系，那么牛顿惯性定律自身就将直接决定了所有天体的运动。

亨利·庞加莱的物理观念

由于马赫和其他评论家对牛顿理论的批判，人们越发清晰地认识到牛顿运动定律和基于其之上的理论体系并不是人类理性的需求。然而，马赫断言物理定律只是对经验事实的简单总结和陈述，这一观点并不能得到很多科学家，尤其是数学思维强且想象力丰富的物理学家们的支持。以万有引力定律为例，从天文观测的天体运行数据到推导出天体之间的引力与距离的平方成反比这一关系，其中复杂的逻辑数学思维历程并不是单纯的总结和归纳。

法国数学家、天体力学家、数学物理学家和科学哲学家亨利·庞加莱（1854—1912）顺着这一思路提出了新的观点。他撰写了自然规律逻辑特征的著作，影响了十九世纪末的数学家和物理学家，为一种新的逻辑自洽的自然观铺平了道路，也为促进大众接受和讨论爱因斯坦理论发挥了举足轻重的作用。

庞加莱的观点被称为“约定主义”（Conventionalism），他认为像三角形的内角和定理、惯性定律、能量守恒定律（The law of conservation of energy）这类命题都只是人们用“直线”“力”“能量”等词语在几何学、力学和物理学上的约定，而不是对真实的陈述。因此，由于这些命题本来就是人脑的自由创作，人们无法判断它们的真伪，只能判断这些约束或惯例是否足以方便地描述自然现象。

下面举两个例子来说明这一观点。以几何学中的三角形内角和定理为例，其正确性以十九世纪思想论的观点来看是毋庸置疑的，因为这个定理既可以通过几何公理推导出来，符合人们的认知和逻辑；又可以通过大量的观察结果总结出来。然而庞加莱却不这么认为。在测量真实存在的三角形（例如用铁杆制成的三角）时，若它的三个内角之和不等于一个平角，那么根据这个事实人们将会得到两种不同的结论：要么这个几何定理不成立，要么这个铁三角的边并不是直线段。这样一来，我们便无法通过实验来证明三角形内角和定理的真伪。因此，这个几何命题其实是人为的约定，而不是对实证事实的陈述，人们定义了在何种条件下铁杆可以被看作“直线”。最终，几何定理并没有遵循几何学的初衷去描述空间的本质，而只是定义了“直线”一类的用语。

在力学中也是如此，以惯性定律为第二个例子。为了验证惯性定律，我们需要知道到底什么才是匀速直线运动。而正因为我们无法定义匀速直线运动，所以惯性定律只能改为以下的说法：“当没有外力作用在运动物体上时，物体的运动状态被称为匀速直线运动。”因此，惯性定律仅仅是关于“匀速直线运动”或者“惯性系”的定义。通过这两个例子，庞加莱说明科学定理并没有描述自然观测的现象，而是定义了“直线”或“匀速直线运动”这种术语。当然，在这些定义之外，还需要增加如何判断铁杆为直线或小球的运动为匀速直线运动的“操作性定义”（“Operational defi-nitions”）。“操作性定义”这一概念最早由美国实验物理学家、科学家、哲学家P·W·布里奇曼（1882—1961）提出，它与定理本身一同构成了可被实际经验验证真伪的命题。

这种观念带来的主要后果就是人们不必再纠结于“力”“物质”“电荷”等物理术语的哲学本质。只要使用这些术语的科学陈述能被实验观测所验证，术语的使用便毫无争议。除此之外，它们没有其他深层的意义。因为牛顿力学能够正确描述天体运动等复杂现象，所以牛顿体系是科学的。虽然这些描述里包含了“力”“质量”等术语，但人们不必烦恼于“力”究竟是机械论的还是有机论的。毕竟，这些术语都只是人脑的创造。

实证主义和实用主义运动

马赫提出的“科学定律是实验事实的简单总结”这一观点与庞加莱的“科学定律是人类大脑的自由创作”的观点看似相悖，实则是十九世纪七十年代发起的实证主义运动（Positivistic movement）中的两大派别。实证主义反对科学的形而上学基础。实证主义支持者认为，一般科学规律的有效性不应该建立在某种永恒的哲学真实之上，而应当在科学体系之内被证实。科学定律的评判标准可以是经验性的，也可以是逻辑性的。前者要求科学规律需被实验证实，后者要求科学定律与操作性定义要组成实用而自洽的体系。实证主义的派别则取决于对这两个评判标准的选择偏向。马赫完全偏向于经验实证主义，而庞加莱则偏向于另一端的逻辑实证主义。因此两人的思想并没有冲突，而是属于同一种科学方法论的两大方面。

十九世纪七十年代后，实证主义运动在欧洲中西部引起了巨大的反响。在欧洲中部，奥地利人马赫所引导的实证主义思想主要发展于维也纳和布拉格的大学中，但是却在德意志的高等教育群体中影响甚微。当时，康德（1724—1804）及其各种流派的思想几乎统治了德国，而德语也是奥地利的科学通用语言。为了批判并对抗康德的思想流派，在欧洲中部地区发展的实证主义思想运动远比庞加莱在法国引导的实证主义运动激进。

几乎在同一时期，美国也独立发起了一场与欧洲实证主义运动类似的思潮。1878年，C·S·皮尔斯出版了关于科学论述逻辑特征的论文，与马赫和庞加莱一致，他指出科学命题不应该通过它是否可从某种更普适的形而上学事实中推导出来判断，而应该通过观测事实来证明。但与欧洲的实证主义者不同，皮尔斯更强调科学理论对人的行为的意义。因此他将自己的学说称为“实用主义”（“Pragmatism”），并认为“一个信仰的核心是习惯的形成，不同的信仰通过其赐予的不同行为而区分”。和马赫一样，皮尔斯也对人们从小就被灌输的形而上学思想提出警示。他说：“事实上，那些常识或人们首次接触到的在狭隘自然真实之外的想法通常是被形而上学的糟糕逻辑所浸**的。”他也强调，“力”这样的词语仅仅是介绍事实的惯用说法，深究它们“真正的本质”是多余而徒劳的。

1882年，美国哲学家和教育学家约翰·杜威（1859—1952）在他的第一篇科学论文《唯物论的形而上学假设》中提出了与马赫思想非常类似的方法论。他摒弃了所有的物理现象都应当归结于万物运动的观念，写道：“首先，它假定存在论的正确，即人类或物质的认识与现象的先后发生是割裂的……第二，它假设了因果关系的真实性和真正原因的可能性。其宣称物质带来思想，将其看作依赖关系而不是先后关系。”在这里，他对唯物主义的攻击不像大部分欧美国家的哲学教授一样，利用唯心主义哲学本身当作武器，而是与欧洲中部的实证主义者通过寻找坚实的科学基础而反对机械论物理体系的方法一致。

从那以后，美国的实用主义者们以约翰·杜威和美国实验心理学家、机能主义心理学派的创始人威廉·詹姆斯（1842—1910）为代表，逐渐发起了强有力的运动。与欧洲的实证主义相反，实用主义更注重人类生活中的问题而不是物理科学上的逻辑关系。然而从纯逻辑的角度，大洋两岸这两类观念的基本趋势是相同的。中世纪以哲学解释科学的观念走下了神坛，取而代之的是与生活息息相关的实用性表述。从科学的逻辑基础上看，形而上学变成一种满足情感需求的方式。

十九世纪末的科学观念

在机械物理的黄金时代，人们普遍认为机械论适用范围之外的领域是未知且不可知的，因为“理解”意味着“能用某一机制来说明”。1872年，德国生理学家、实验电生理学之父杜波依斯—雷蒙德（1818—1896）在他的著名演讲《我们对自然认识的界限》[6]中提出，如果“理解”意味着能够回溯到“牛顿力学定律”，那么至少就存在两个科学上的关键问题明显无法用牛顿定律解释。其中之一是，当力发挥作用时，空间到底发生了怎样的变化。另一个问题则是，人们在思考时，大脑中到底发生了什么样的过程。通过这两个例子，杜波依斯—雷蒙德承认确实存在人类知识范围内不能解决的问题。这些问题是“我们永远不可能知道”（ignorabimus），而不是“我们现在不能回答”（ignoramus）。因此，在相当一段时期内，“我们永远不可能知道”成为科学失败主义者的标签，鼓舞了反科学的趋势。在十九世纪末，生物学和物理学实验中发现了更多无法用牛顿定律解释的事实，“我们永远不可能知道”很快升级为一条更有煽动性的标语：“科学的破产”（“The bankruptcy of science”）。

这种对理性科学思想的挫败感在各种社会事件中被放大发酵。十八、十九世纪时，科学——即牛顿的机械物理——使人们相信社会的发展是不断向前进步的。只要人类用科学的武器武装自己，抛弃迷信观念，就可以满足各种需求。这一思想在政治上体现为自由主义。然而在十九世纪末，基于科学的尝试和对进步的信仰却不能将人们从人口大增长带来的经济衰退中解救出来，也不能宽慰人类个体心灵的痛苦，一种绝望的情绪和对科学理论实践的失望蔓延开来。除自由主义之外，新的政治潮流孕育了有别于机械论的科学观。其中一种趋势是退回到中世纪的有机科学观，这孕育了独裁主义和法西斯主义。另一种思潮的代表人物为卡尔·马克思（1818—1883）他将机械观的唯物主义转化为辩证唯物主义，其逐渐发展为二十世纪的共产主义。

当然，人们仍然不可能否认科学是科技进步的基础，但是科学却遭到贬低和诋毁，就像教皇对哥白尼世界观体系的贬损：机械观的自然科学只为人类的行为提供了有用的指导，而不是自然的本质。1900年左右，法国哲学家和科学史学家阿贝尔·雷伊（1873—1940）对这种绝望情绪笼罩下文明社会所面临的危机做出了准确而尖刻的描述：“如果这些曾经解放人类思想的科学在危机中沦为技术的小把戏，而不是自然灵感的迸发，这将掀起一场彻底的革命。我们原本认为物理学带来了思想的解放，而这将是最致命的巨大错误，应当是一些主观的直觉和神秘的存在带来了思想的解放。”

在机械观科学体系的崩塌中，有两种拯救科学于危机的方法。意大利人安东尼奥·利马（Antonio Aliotta　1881—1964）在他的《对科学的唯心主义反应》（The Idealistic Reaction against Science）中描述了这一处境，提出要么和叛逆者尼采一样，诉诸思想的非理性，回归道德主义或浪漫主义，让意志成为思想的源泉，凌驾于理智之上；要么承认科学体系的不足，寻找并尝试新的科学理论。而实证主义和实用主义的拥护者选择了第二种方法，他们认为机械观科学解决问题的方式必将导致其自身进入死胡同，因为它没有正确定义科学的目标。那些不能解决的“我们永远不可能知道”的问题如同幽灵和幻影一般，与科学本身并无关系。欧洲的马赫和庞加莱、美国的皮尔斯和杜威等人，早已证明能否把自然现象归纳到一个特定的科学框架下是无关紧要的。重要的是科学的内容是否有用，而不是科学用了什么样的语言或什么具体的方程。因此，在实证主义和实用主义的定义里，很显然，十九世纪末的危机不是真正的危机，而是科学在向它的最终目标——创造一种能预测和控制自然现象的工具——接近时的一个阶段。

在某种意义上，这种实证主义—实用主义运动属于反夸大知识作用的一系列思想运动的一部分。这种新的运动，无论是被称作实用主义、实证主义还是工具主义，都不算严格意义上的反智运动，因为它们并没有提出无意义的问题。尽管现在还未能发现并建立大统一理论的蓝图，但是“工具”的创造——现代对科学的定义——只有通过知识和智慧才能达成。能量定律、惯性定律等物理定律或许就像交响曲的谱写一样，只能被某个天才发现。但是当一个一般性定律发展成熟后，是知识分子这个群体将其发扬推广。只有知识群体能够检验并证明这些原则的正确性，决定其是否在实现科学目标的过程中发挥价值。

十九世纪便在这些思潮中落下帷幕。科学的目标是揭示真理这一信念被动摇，但是取代它的是实证论的清醒认识。科学变得更加灵活，并随时准备好迎接最大胆的假设和挑战。一个新时代即将来临，科学的功能而非科学的哲学意义得到了重视。在熹微晨光的照耀下，希望就像地平线上的银线一般缓缓升起，更精确、逻辑性更强的新科学体系在可操作性基础之上逐渐建立。在这黎明中，二十世纪降临了。