第六讲科学的目标;蕴含的结论

第六讲科学的目标；蕴含的结论第三节个案分析在上一节，我们已经详细描述了我们所提出的“科学进步的三要素目标模型”，并对它作出了适当的论证。但为了进一步理解作为科学进步的三要素目标之间的相互制约性，我们还有必要再对科学史上具有典型意义的个案作出详尽的分析。我们且以近代光学史为例。与牛顿生活在同时代的荷兰科学家惠更斯（ChristianHuygons1629-1695）早就提出了与牛顿微粒说相竞争的另一种光学理论——光的波动说理论。但是，惠更斯的波动说存在着一些根本性的弱点：（一）惠更斯实际上认为光波只是一个个突发的脉冲，而并不认为它是具有一定波长的波列。他自己在《论光》一书中强调：“……不需要认为光波是以相同的间隔一个跟着一个。”这就使他的波动说不能解释光的干涉现象。相反，牛顿却从微粒说的角度出发，发现了牛顿环现象，注意到了光的波动特性（周期性）。（二）惠更斯虽然创造性地提出了他的包迹原理，但他没有假定子波可以相干，因而用他的波动说理论甚至不能真正解释众所周知的光线直进现象，而相比之下，牛顿的微粒说对光线直进现象的解释却是直观而自然的。（三）惠更斯虽然已经很好地描述了冰洲石的双折射现象——一种后来被理解为光线的偏振所造成的现象。但惠更斯却坚持光波应是纵波。然而纵波理论是与光的偏振现象不相容的；偏振现象是不能从他的波动理论中获得解释的。（四）在当时，他的理论也不能很好地说明当时光学研究中已成为热门课题的光线绕射，而这正是牛顿所着力予以解释的。正是由于以上这些原因，惠更斯的波动说就很难与牛顿在《光学》一书中所阐发的内容丰富的理论相匹敌，牛顿也从不把惠更斯的波动说看作是他的理论的真正对手。牛顿虽然尊敬并高度评价惠更斯的科学工作，把他看作是一位力学家、几何学家和天文学家，但却从不把惠更斯看作是一位光学家。尽管牛顿并不绝对排除光是以太之波动的可能性，但在牛顿眼里，惠更斯的光学却只能使光的波动说理论威信扫地。事实上，在牛顿以后的整个18世纪里，在光学领域中始终是牛顿的微粒说占据统治地位。但是，当历史进入到19世纪以后，由于托马斯·杨（ThomasYoung1773-1829）和弗累涅尔（A.J.Fresnel1788-1827）的工作，情况却发生了戏剧性的变化。首先是托马斯·杨于1801年竖起了一面新的旗帜。他一方面通过深入分析牛顿微粒说的困难而使这种困难进一步明朗化和尖锐化，另一方面，他又通过提出或修正一些辅助假说而大大改善了波动理论从而保护了（甚至也修改了）波动理论的“硬核”。托马斯·杨尖锐地指出了光的微粒说的严重缺陷，说它不能解释以下现象：（一）由强光源和弱光源所发出的光为什么有同样的传播速度；（二）当光线从一种介质射到另一种介质的界面时，为什么有一部分被透射，而另一部分被折射；（三）他自己所发现的双缝干涉现象。（如果不予深究而接受劳丹的概念，则这些诘难大体上都属于劳丹所说的“经验问题”）与此同时，托马斯·杨大大改进了惠更斯的波动理论，并向牛顿微粒说发动了公开的挑战。他宣称：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非要认为他是万无一失的，……。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步”1。他沿着惠更斯波动说的思路，进而认定光波应是具有一定波长的波列，首次提出了“光波波长”的概念，并测定了光波波长；他认定光的不同颜色是与光波的不同波长相对应的。在此基础上，他消除了他曾借以指责牛顿微粒说的那些困难。特别是在合理地解释他的双缝干涉实验的时候，他又进而提出了光波“干涉”的概念，初步提出了相干性原理，还进一步提出了“光程差”和“半波损失”等重要概念。由此，他把光的波动说发展到了一个新的阶段，使之成为一种有竞争力的拉卡托斯意义下的“进步的研究纲领”。他不但预见了许多新的现象，而且后顾地解释了以前难以解释的牛顿环和薄膜色彩等现象，认为它们都不过是光的干涉效应。但是尽管如此，杨对自己的新的理论并不抱太多的希望。他认为他的新理论要么被忽视，要么受到人们的尖锐批评和反驳，1转引自斯蒂芬·F·梅森著：《自然科学史》，上海人民出版社，1977年，第441-442页。因为这个理论是和牛顿的权威理论相对立的。杨的理论提出以后不久，确实受到了当时许多人的批评和反驳，但真正使他难堪的反驳并不来自单纯维护牛顿观念的人们，而是来自不久就出现的实验观察事实（经验事实）。当杨的理论刚刚引起争论，就马上引来了实验方面的沉重打击。1808年12月，法国科学家马吕斯（E.L.Malus,1775-1812）发现了反射光的偏振现象。马吕斯发现，这个现象是无论如何不可能用惠更斯和杨的波动理论（当时仍认为光是纵波）来解释的。于是他坚持用牛顿的光微粒在进入介质界面时有附加振动（附从波）的理论来解释，并认为，这个实验事实表明，光微粒在遇到不同介质的界面时发生一种横向振动，也就是“偏离”光线运动方向的振动。所以他把这种现象称作光线的“偏振”（“偏振”一词就是这样最初由马吕斯从微粒说的角度上引入光学的）。这个实验事实确实是与惠更斯和杨所主张的光的纵波理论不相容的，因而引起了刚刚出世不久的杨氏理论的危机。杨氏自己也重复了这些实验，因而使他自己对波动理论也发生了动摇。在这过程中，另一位也是在波动说纲领下从事研究的法国科学家弗累涅尔，从另一方面改进了惠更斯的波动模型。他引进了子波能够相干的抽象假说，从而解决了牛顿曾经指责过的光线直进对于波动说的反常，并在绕射现象方面作出了许多杰出的研究，使光线直进与绕射这两种看起来相反的现象在一种统一的模型之下获得了“自然的”解释。为了定量地解释现象，他还建立起构造带理论。这个理论能够非常成功地解释和预言许多绕射现象及其他光学现象，因而在欧洲引起了巨大的震动。但是弗累涅尔的成功也仍然不能扫除波动说在当时所面临的基本困难，即它与光线偏振这个实验事实的矛盾。但是，正当这个矛盾变得愈益尖锐的时候，1816年，他与阿拉戈（O.F.J.Arago,1786-1853）一起又偶然地发现了偏振光的相干现象，这个实验事实令科学界十分困惑不解。因为虽然光线的偏振看来与波动说（纵波说）相矛盾，但偏振光的干涉似乎又明白地表明它仍然是一种波。终于，在第二年初，杨在与阿拉戈的通信中提出了光是“横波”的可能性。当弗累涅尔从阿拉戈那里得知了这个消息后，他马上看出了杨的这个假说的意义。虽然他明明知道，光的横波假说将引起一系列概念上的矛盾（相当于劳丹所称的“概念问题”），并且也是与他自己原有的传统观念格格不入的。原因十分明显，为了要使以太传播像光那样的高频横波，必须使以太具有典型的固体特征并具有极高的弹性切变模量。而当时所设想的“以太”是一种十分稀薄的气状介质。它只可能传播纵波。尽管如此，他还是要竭尽一切努力为可能有前途的横波假说奉献自己的精力。他尝试着给光的横波理论设计一种具有极高弹性切变模量的以太动力学模型，并从横波理论中得出了许多重要结论。1818年，他总结了自己若干年的研究成果写成了一篇论文，响应巴黎科学院的悬奖征文。这篇论文，从光的横向波动假说出发，把惠更斯的包迹原理和杨氏的干涉原理结合起来，定量地说明了当时所已知的，然而却悬而未释的各种重要的光学现象，其中包括双折射理论、反射和折射理论、偏振面的转动理论以及他自己新发现的偏振光干涉的定律等等。弗累涅尔的这篇论文，当时轰动了整个法国和欧洲的科学界。尽管在当时的法国科学院中，一大批老的有权威的科学家（如拉普拉斯、拉格朗日、泊松、毕奥和马吕斯等）仍然坚持微粒说，并对波动说继续提出反驳，但巴黎科学院还是把悬赏奖颁给了年轻的弗累涅尔。弗累涅尔的工作（包括获奖后的工作）确实使波动说获得了巨大的胜利，以致于20世纪杰出的物理学家M·波恩（M.Bohn）在他与沃尔夫（E.Wolff）合著的经典名著《光学原理》一书中对于他的工作给出了如此高的评价：“弗累涅尔的工作给波动理论奠定了如此牢固的基础，以致傅科和斐索、布雷格特所进行的……冲裁实验，都显得多余了”1。然而，尽管杨和弗累涅尔的波动说取得了如此辉煌的胜利（这种胜利大多是解决了劳丹所说的“经验问题”），但是，它确实又使这一理论在更加广阔的背景中陷入了深深的概念困难，甚至可以说是陷入在严重的悖论之中而难以自拔。诚然，在纵波理论之1M•波恩、E•沃尔夫：《光学原理》，科学出版社，1978年，第7页。下，产生了劳丹所说的那种“经验问题”，杨和弗累涅尔在经验的压力下提出了光是横波的理论，但这种横波理论虽然解决了许多“经验问题”，却又引起了（劳丹意义下的）深刻的“概念问题”。因为在当时，不管是微粒说还是波动说，都还是在机械论的研究传统下从事工作。从机械论的研究传统出发，波动说假定光是依靠以太的机械振动而传播的，而以太被假定为一种气状介质。然而根据力学，气状介质是只可传播纵波，不可传播横波的。为了能使以太传播横波，以太介质必须具有固体特性，并且其弹性切变模量必须大得出奇（依据公式Nu,横波的传播速度u与固体的弹性切变模量N和介质密度ρ有关。由于光速u很大，所以尽管以太介质的密度被假定为很小，但它的弹性切变模量N的值仍必须很大，以致于比钢的弹性切变模量还要大10万倍）。然而这是不可思议的。为了解决这个困难，在19世纪继弗累涅尔以后的几十年中，先后有纳维尔（Neville1785-1863）、泊松(Poisson1781-1840)、格林(Green1793-1841)、麦卡拉(Maccullagh1809-1847)、F.纽曼(F.Neumann1798-1895)、斯托克斯(Stokes1819-1903)、凯尔文(LordKelvin1824-1907)、C.纽曼(C.Neumann1832-1925)、斯特拉特(Strad1842-1919)、基尔霍夫(Kirchhoff.G.R.1824-1887)等一大批科学家，都曾想方设法要为以太介质设计出某种机械动力学模型，其中最著名的是以太的胶状介质模型。它把以太设想为既具有某种流体特性，同时又具有较高弹性切变模量的介质，以便使它可以传递横波。但是所有这些努力都未能成功。这些模型不但都包含了许多牵强附会的（不合理或不自然的）复杂的假说，并且仍然未能摆脱悖论，以致于造成了在更广阔的背景中机械论研究传统的危机。例如，为了要用它来解释光学现象，就必须假定以太充满整个宇宙空间，即假定这种胶状介质是无处不在的。但是通过天体力学的研究，人们却明白，星际空间对物体的运动并没有阻力。这就已经是矛盾。因为依据力学，这种胶状介质是必然会阻滞物体（如行星）的运动的。为了要自圆其说，只得引进新的辅助假说，即赋予“以太”以一种特殊的性质：以太粒子与实物粒子不发生相互作用。于是就可以用来解释这种胶状介质何以不会阻滯星体的运动。但是，问题马上又产生了。因为光线不但通过以太，而且也通过玻璃和水等等透明物质，然而在这些物质中光的传播速度变慢了。怎样解释这些现象呢？这就又必须假定以太粒子和实物粒子之间存在有相互作用。这样就出现了两种相互分裂的状态；为了解释自由运动的物体，即各种实体物质（如天体）的机械运动，我们必须假定以太粒子与实物粒子不发生相互作用；而为了解释光的传播，我们又不得不假定它们之间有相互作用。这显然是一种自相矛盾的结论，而科学的发展是应当排除这种自相矛盾的状况的；它追求着科学理论的统一性和逻辑简单性的目标。对于经典的波动光学理论来说，横波假定和以太假定都是这个理论的最基本的假定（其他的基本假定还包括力学原理等等）。按理说，一个理论的基本假定相互矛盾是尤其不能容忍的。但实际上，19世纪的科学家们尽管把这个矛盾看作是一个待解决的问题，然而却仍然相当心安理得地接受波动说来作为他们具体的光学探索活动的研究纲领，并且19世纪的科学确实曾因波动说的胜利而获得了长足的进步。这种进步至少是两方面的。一方面是光学理论在与经验事实的匹配上以及在光学理论的统一性上（从而也在实用性上）获得了惊人的成就，另一方面是它在更广阔的背景上提出了更加深刻的“概念问题”，从而把机械论自然观戳得千疮百孔。这两方面都导致进步。因为正是它们才导致机械论自然观的破产，导致用新的研究传统去代替机