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莱布尼茨对真空的研究及其现代价值

  摘要:莱布尼茨继承笛卡尔关于空间与物质关联的观念,并提出相对时空观以反对牛顿的绝对时空观,从而否认空无一物的真空的存在。莱布尼茨对真空的研究成果在他那个时代并没产生太大的影响,但却为20世纪物理学革命摈弃牛顿的绝对时空提供了思想资源。

关键词:莱布尼茨;真空;时空观

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
  
  莱布尼茨生活于被科学史家誉为“天才的世纪”的17世纪,与开普勒、伽利略、笛卡尔、帕斯卡、波义耳、牛顿等科学巨匠处于科学史上的同一个时代。莱布尼茨不仅是一位伟大的数学家和哲学家,而且是近代一位(也许是唯一一位)可比肩亚里士多德的百科全书式学者。他在自然科学以外的其它人类理智领域,比他同时代的其他科学巨匠取得了更多的成就。他被誉为德国的科学、哲学之父,还在神学、技术发明、法学、历史学、语言学、政治学等诸多领域都有着堪称同时代一流的建树。西方的一位学者曾这样评价:“莱布尼茨可能是近代世界最全面的天才,……触及了现代知识的几乎每一个分支。他是最后一位希望掌握现代知识的所有领域,并且是百科全书式人物的人。”也许正因为莱布尼茨所涉及的研究领域过于宽泛、庞杂,他的许多研究成果的重要价值在相当长时间内未得到重视,譬如他对真空问题的研究。尽管由于当时的客观条件所限,莱布尼茨在真空研究中更多的依靠科学的猜测和哲学的思辨,但其结论竟与200多年后的科学大师爱因斯坦、狄拉克等人对真空研究的成果暗合,确是令人不得不感叹其思想之天才。
  
  1“真空问题”的历史脉络.
  
  对真空问题的研究及争论可追溯到古希腊。德谟克利特等原子论者认为,世界是由原子和虚空构成的,提出了真空这一命题;而亚里士多德则认为,宇宙中充满了“以太”,因而真正的虚空是不存在的,他的名言是“大自然厌恶真空”。这可以说是人类对真空问题探讨和争论的源头,并一直延续至今。
  不过,在这里有一点必须指出,真空的概念是有歧义的,有所谓“物理真空”和“哲学真空(或称形而上学真空)”之分,而“物理真空”又有“经典真空”与“量子真空”之别。历史上对真空概念不同时期也各有侧重,古希腊的真空概念更多是哲学意义上的,偏向于“虚空”、“虚无”的含义;17世纪的真空概念是“物理真空”和“哲学真空”两者兼而有之;而现代的真空概念更多地是指“物理真空”。当然,“物理真空”和“哲学真空”的概念区分并不是完全清晰的,也无法成为在该领域严格区分科学问题和形而上学问题的依据,真空问题依然是(也许会永远是)科学、形而上学纠缠在一起的一个前沿领域。
  17世纪的真空研究与笛卡尔有很大的关系。实际上,人们对自然的看法总是首先基于自身的日常经验。对于物质与空间的关系也不例外。按照常规思维,人们很自然地把空间想像为一个巨大、不动的空房子,物质就是被一件件搬到这座房子里的东西,因而空间必然是先于物质存在的。这样,空无一物的真空就是可能的。这就是所谓的绝对空间的观念。于是有人就想像地球到太阳间的地带是真空。但笛卡尔不这么认为。在他看来,空间与物质不可分,空间只存在于已有某些物质的地方,是物质的存在才使空间得以存在;空无一物的真空是不存在的。他说:“实际上,我们无法想像一个空无一物的容器,一如无法想像一个没有谷的山:这将意味着无需广延就能设想容器的内容,或者无需实体就能设想广延:确实,没有什么东西能够不具有广延。”至于星际间的地带,笛卡尔认为不是真空,而是充满了物质的,这种物质就是以太。笛卡尔从以太演绎出了他的宇宙学说。
  笛卡尔否认真空存在的学说受到了托里拆利、帕斯卡等人的强有力挑战。他们两人分别做的“托里拆利实验”、“真空实验”使人们“眼见为实”地相信实验中水银柱上方的玻璃管中存在着一段真空。近代原子论者及牛顿学派也都相信真空的存在。从那时起,赞成真空存在一派似乎占了上风。

  2莱布尼茨“相对时空”与牛顿“绝对时空”的对立
  
  莱布尼茨是笛卡尔之后否认真空存在的代表人物,为此他与坚持真空存在的牛顿学派发生了激烈的争论。他认为,真空即是虚无。牛顿学派的克拉克就曾指责笛卡尔和莱布尼茨把真空与虚无等同了起来。克拉克认为,没有物质的空间无疑是一无所有的空间,但并不表示空间本身也被消除了。在克拉克看来,“如果广延是物质的本质,那么物质就等同于空间本身;由此可以推出,物质必然是无处不在的、无限的和永恒的,并且它们是既不能被创造,也不能回归虚无,这是荒谬的。”也就是说,依牛顿学派,笛卡尔和莱布尼茨的错误之症结就在于把空间与物质等同了起来。
  我们知道,经典力学大厦赖以建立的基石是牛顿的绝对时空观,其精要可概括为“时空独立于物质而存在”。莱布尼茨明确反对牛顿的绝对时空观。他曾写道:“我把空间看作某种纯粹相对的东西,就像时间一样;看作一种并存的秩序,正如时间是一种接续的秩序一样。因为以可能性来说,空间标志着同时存在事物的一种秩序,只要这些事物一起存在,而不必涉及它们特殊的存在方式;当我们看到几件事物在一起时,我们就察觉到事物彼此之间的这种秩序。”在这里,莱布尼茨把空间看作是一种“并存的秩序”;把时间看作是“接续的秩序”。所谓“并存的秩序”、“接续的秩序”,更通俗的理解即为一种关系,即相对时空观。
  莱布尼茨认为,空间、时间本身不是如牛顿理论所言是绝对的、实在的存在。时空与物质及其运动密不可分,离开了物质就无所谓空间,同样离开了物质的运动也就无所谓时间。空间并不是逻辑上先于和独立于物质存在的容器。他认为,物质在逻辑上先于空间的存在,并以空间的形式排列,空间只不过是一种关系,除此之外没有什么空间存在。因而莱布尼茨认为,牛顿理论中的绝对空间是不存在的,一个物体仅能改变其与另一物体的相对位置,它不能改变其在绝对空间中的位置,因为空间是非实在的,除了物体间的位置关系,不存在绝对意义上的参照系,也即不存在所谓的绝对空间本身。时间也是如此,除了是事件之间的关系外,它什么都不是,也就不存在绝对时间。由于反对绝对空间和绝对时间,莱布尼茨自然也反对牛顿理论中的绝对运动概念。与他的相对空间观念对应,他认为,运动也不过只是一个物体相对于另一个物体的位置变化,因此,运动根本不是什么绝对的东西,它只存在于关系之中。也即,那种依托于不动的绝对空间背景之上的绝对运动根本是不存在的,任何物体的运动必然与其它物体的运动相关。与以上的这些观点相关联,莱布尼茨自然否认虚空的存在,因为他是反对原子论的,同时他认为空间既可以被充满也可以是空的这种观念是无法接受的。
  
  3莱布尼茨对真空研究的现代价值
  
  针对真空存在派的托里拆利、帕斯卡等人的一系列科学实验,莱布尼茨也试图从更多科学的角度及“物理真空”的方面去否定真空。他指出,托里拆利实验中水银柱上方玻璃管中的那段根本就不是真空,那里不过是排除了粗大的物质,但仍充满了精细的物质,如光线仍可透过进入其内。因而,他认定其中并不是真空,因为光也是物质。莱布尼茨还为此作了一个形象的比喻。他说容器就好比是一个满是细孔的箱子,将它放到水里,箱子里有鱼和其他粗大的东西,把这些粗大的东西拿掉,这箱子里仍然还是充满水的。莱布尼茨实际上在这里是通俗讲解了笛卡尔的充满以太的宇宙模型。因而,莱布尼茨认为空的空间不过是一种想象。
  20世纪初物理学革命后,人们开始重新审视真空问题,爱因斯坦和狄拉克分别基于相对论和量子力学对真空进行了研究,爱因斯坦认为真空是“广义相对论的以太”;而狄拉克把真空看作是“量子场的基态”。这样,这两位20世纪的物理学大师就为现代真空研究奠定了“真空不空”这一基本结论框架。实际上,不管是在爱因斯坦还是在狄拉克那里,真空都被当成是宇宙背景。应该说,莱布尼茨的上述关于真空的看法今天看来在某种程度上是正确的,它正与现代的爱因斯坦和狄拉克的把真空看作是宇宙背景的理论暗合,的确是天才性的猜测。但由于莱布尼茨实证研究力度不够,牛顿学派对莱布尼茨的上述论证深不以为然,因而也不可能改变牛顿学派关于真空的观点。不过,莱布尼茨的相对时空的理念及对真空的研究成果给20世纪物理学革命中摈弃牛顿的绝对时空提供了思想资源。此外,他在与牛顿学派有关真空问题的争论中,还广泛涉及了近代科学中一些非常重要的概念,如原子、以太、引力、物质等,实际上为后世留下了极其宝贵的思想遗产,写下了科学思想史上璀璨的一页。
当然,爱因斯坦和狄拉克的上述真空概念也是属于“物理真空”层面,只是再归细类的话,爱因斯坦的属于“经典真空”,狄拉克的属于“量子真空”。因而,像任何其他“物理真空”的概念一样,它们也逃脱不掉似胡搅蛮缠的“哲学真空”的追问:既然真空是空无一物,也就是无,那又何来真空的概念?即是宇宙背景那还是真空吗?真空的宇宙背景到底是什么?当然,对立者也可反问:真空什么也不是,但什么也不是的东西经过确定就真的不存在吗?实际上有关真空的此类问题在古希腊爱利亚学派的巴门尼德提出他的关于“存在”与“非存在”的学说时就存在着,后世的不同仅仅在表述方式上。而有关真空问题的研究将会继续(甚至可能永远是)如莱布尼茨与牛顿学派论争的那样是一个科学问题与形而上学问题纠缠在一起的独特领域。因为,如果认为真空被爱因斯坦和狄拉克认定为宇宙背景而似已得到解决不再是问题的话,那么,人类的理性必然会再去追问似“无中生有”的宇宙诞生机制以及那个宇宙“奇点”到底是什么。这实际上就是真空问题的另一个版本。
  
参考文献
1 汉姆普西耳.理性的时代——17世纪哲学家(陈嘉明译).北京:光明日报出版社,1989:142~143
2 柯瓦雷.牛顿研究(张卜天译).北京:北京大学出版社,2003:164
3 柯瓦雷.牛顿研究(张卜天译).北京:北京大学出版社,2003:165
4 莱布尼茨、克拉克.莱布尼茨与克拉克论战书信集(陈修斋译).北京:商务印书馆,1996:18
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