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的结果。

(1)电磁相互作用的关系:库仑(Coulomb)电荷与电荷和磁极与磁极的相互作用,奥斯特(Oersted)磁极与电流的相互作用,安培(Ampere)电流与电流的相互作用,法拉第(Faraday)电荷与运动磁极的相互作用。

(2)法拉第提倡电磁的“本地作用”来代替“超距作用”,导致“电磁场”物理量的诞生。

(3)电磁学的基本定律:根据电磁相互作用的关系和以电磁场为基础,麦克斯韦完成完整的“电磁场定律”,相当于牛顿机动力学中的物体重力定律。后来洛伦兹(Lorentz,1853—1928)更进一步完成电荷在电磁场中运动的“电磁场力定律”。“辐射反作用力定律”也是电磁学一个基本定律,只是直到现在,符合逻辑的定律还未完成。

(4)带电粒子动力学:洛伦兹的电磁场力是一个与速度有关的力。只有速度为零的情况,才适合牛顿的动力学系统。爱因斯坦(Einstein,1879—1896)采用牛顿动力推出电磁场力在速度为零的情况,再用洛伦兹惯性变换,把速度为零情况的结果变换到速度不等于零的情况。结果推出带电粒子在电磁场力的洛伦兹动量=v×牛顿动量。v是洛伦兹因子,与速度有关。FL=d(vp)/dt。相当于牛顿机动力学中的物体第二运动重力定律爱因斯坦后来把这方面的理论改称为“狭义相对论”。在狭义相对论的基础上,以微分几何为工具,爱因斯坦用演绎方法建立他的重力场论,称为“广义相对论”。可以说是一种重力场的电磁化。到这个阶段,除了辐射反作用力定律之外,电动力学基础的探索已基本完成。

(5)电功力学定律理论的普遍化:相当于拉格朗日和哈密顿对牛顿动力定律的理论推广和发展。

(6)电动力学对随机过程的应用:无规则电磁场的统计特性的发展。其结果应该符合量子力学和量子动力学的结果。简而言之,机动力学的发展是以动力的基础来发展作用力,而电动力学的发展却是以作用力的基础来发展动力。欧洲从牛顿到麦克斯韦这个二百多年的物理学发展时代,正好是欧洲从巴哈(Bach)到华格纳(Wagner)的音乐发展时代。这是欧洲自从古希腊时代以后,一个重要的思想创新时代。因此促进了文学,音乐,艺术,哲学和科学的高速发展。

3.辐射动力学(Radiodynamics):辐射反映了物质世界的微观结构。

在19世纪未,出现了三个有关不相干辐射(随机性电磁波)与物质作用的物理现象:黑体辐射,光电效应和氢原子光谱。这些现象无法用决定性(Deterministi

c)的电动力学来解释。到二十世纪,也出现了与辐射作用有关的三个物理现象:离子体,核子一基本粒子和激光(决定性电磁波)作用。这些现象激发了物理理论的发展。

(1)量子论的诞生:普朗克(Planck)创立“量子”的新物理概念,成功解释黑体辐射的实验结果。后来,爱因斯坦和玻恩(Born)分别用量子来成功解释光电效应和氢原子光谱。

(2)量子力学:在数学的基础上,由海森伯(Heisenberg),薛定谔(SchrOdinger)等所发展的量子数学系统(量子力学),不但可以用来了解原子物理现象,也可以用来了解分子物理现象。

(3)基本粒子物理:基本粒子物理实验观察的新结果,促使大量相关理论的发展:量子电动力学,相对性量子力学,杨一 (Yang-Mils)场等,其中杨一米场有更突破性的广泛意义。

20世纪的世界发生了重大变化。(1)物理学发展已由宏观的物质世界转入微观的物质世界。由以物理为主导的思维转回到以数学为主导的思维。微观物质世界发展了两个很矛盾的物理观点:在原子分子的领域,越基本的状态,寿命越长,能量越低;在粒子的领域,越基本的粒子,寿命越短,能量越高。(2)经过两次世界大战后,影响人类社会的重心已由欧洲社会,转移到没有传统民族文化的美国移民社会。美国文化是一个以商业为主,物质为重的实用文化,可以说是一个现代化的罗马帝国文化。

四、中国文化与未来科学发展

虽然科学的发展是源于古希腊,但亦需要通过欧洲各种不同的文化时代,才可以孵育发展出来。欧洲文化对科学发展的优点可能已经到了饱和状态。科学思想发展的进一步突破,必须要有新的文化来推动。中国文化对人理思想发展虽然是一个有五千多年的旧文化,但对物理思想发展却是一种很新的文化。中国复杂而辩证的人理思想,吸收和结合欧洲简单而演绎的物理思想,必定融合成为一种新力量,把科学发展推到更上一层楼,尤其是生命科学,医理科学和心理科学。由复杂系统去吸纳简单系统易,由简单系统去吸纳复杂系统难。中国文化是一个黑洞文化,善于把吸收的外来文化中国化。例如:印度佛教转化成为具有中国特色的佛教和欧洲社会主义转化成为具有中国特色的社会主义。外来文化中国化,是中国传统文化的一个特色。要再进一步的创新突破,必须把中国传统文化现代化。

中国社会现在正是一个民族文化复兴新时代的开始:改革开放,实事求是,解放思想,自主创新,可以比美欧洲十字军东征后的文艺复兴。中国是一个非常不均匀的大社会。各地区都有不同的方言、生活环境、生活方式、和风俗习惯,自然形成中国社会的多元多样和多姿多彩。在这种复杂的文化环境,必须要因人制宜,因事制宜,或因地制宜,“一刀切”便会弄巧反拙。相反地,美国是一个非常均匀的大社会,自然形成美国社会的一体化思想。一体化社会并不符合中国社会的实际情况。自从改革开放以来,因为经济的高速发展,形成社会走向“一刀切”的商业化发展:教育商业化,学术商业化,音乐商业化,生活商业化等等。一个行业以商业利益为主导,便不可能有独立的自主创新。这是一个不健康的情况。因事制宜:有些事应该商业化,有些事可以商业化;有些事不可以商业化,有些事不应该商业化,才符合科学观。教育应该教育化,学术应该学术化,音乐应该音乐化,生活应该生活化,中国应该中国化,才能把社会推进到更高境界。我们必须努力改正这个不健康的情况,否则,中华民族复兴的前途便会面临很大的阻力。

物理学还有不少的基础问题尚待解决。年青一代的中国物理学者,好好把握这个新时代的优势,不但要努力尝试去解决仍未解决的问题,更要好好选拔和培育下一代的接班人,把一个完整的、合逻辑的和合符事实的物理思想系统发掘出来