自然哲学-第5章

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①　由于镉光谱红线易于重复产生，它的波长可被选作长度单位。

　　到此为止，我们还只谈到了长度上的相等概念和较大及较小概念。但是，为了要完成长度的度量——或用确定的数字表征确定的片段的（无歧义的）特性——，进一步的操作则是必须的。为此，我们需要一把刻有许多刻度的刚性的尺。这些刻度都用数字标出，但对这些刻度的安排和标定从原则上来说都可以是任意的。然后，把这把尺放在待量的线上，其放法是：线的起点与尺上某定点重合。此时，线的终点又与尺上的另一点重合，对该点所标定的数字即被称为线的长度。我们把尺上第一个定点指定为0。把尺上的分度按如下的要求校准：对应干各个等差数字之间的间隔，彼此相等（按前述的定义）也就是说，使数字0与1，1与2，2与3，。。，之间的间隔大小相等。在这种情况下，距离的相加只需要有一个十分简单的和数或有一个加法定理就行了。如果我们把“两线之和”理解为把两条线接在一起后所得的线的长度，那么这一长度就简单地等于两线的度量单位数，即标量数的算术和。
　　最后，剩下长度等于1的线要由具体定义（联系到地球的大小）或约定（借助于某些种类的光的波长）来决定。因此，为要决定长度，必须满足如下五项条件。即一定要讲明白：
　　（1）两条线在什么时候才被认为是相等的；
　　（2）较大、较小应被理解为什么；
　　（3）数字0应放置在什么地方；
　　（4）数字1应放置在什么地方；
　　（5）剩下的数字次序应如何排列。
　　这些条件中前两条一般称为拓扑学条件，后三条称为度量条件①。

①　见卡尔纳普的小册子《物理学的概念图象》，刊于《知与行》丛书

　　在度量中采用光学装置原则上并没有增加什么新东西。它们仅仅与视场中奇点的观察有关，而且还必须作出关于光线行为的假定（直线传播）。虽然如此，值得注意的是光学方法能如此方便地应用而不需要改变任何刚性尺度量所依据的约定。最重要的结果是所有空间情况度量的测定都取决于比较，从而都是相对的。所有的测量操作都是由刚体之间的比较所组成，并通过观察重合关系而完成。所有空间性的命题仅仅只涉及物体的行为——从不涉及“空间”。和彭加莱相一致，我们坚信所有空间命题的相对性。其理由是：如果我们假定一夜之间世界上一切物体的大小都以同样的比例发生了变化，那时世界也并不会产生可感知的差别。这是因为，按照上述假定，所有供比较用的尺——包括我们自己的身体及其感觉器官——都将同样地发生变化，用任何一种度量——甚至包括眼睛的精度——都绝无可能来确认所假定的变化。只要重合关系得到保持，世界可以承受任意次的可想象的变形，而结果什么也不会改变。
　　亥姆霍兹早就认识到这一事实。他曾指出，如果有一种生物，其所生活的肚界就象是我们这个世界在哈哈镜里照出来的那种样子，只要它们不能从它们的世界走到我们这世界里来并从而把两个世界作一比较，它们就永远也没有任何办法能觉察到这种畸变①。要说到世界的变形，只有当存在一个不参与该变形的某物，并可通过该物而确认这种变化——显然是根据对重合关系的观察来确认，只有在这种情况下说到世界的变形才有意义。一种保持一切重合关系的畸变（其中既没有新的重合关系产生，也没有任何重合关系消失）并不代表着世界的一种变化，它仅仅代表着引入一种新的说法——新的术语系统——，例如，就象是用任何一种类型的高斯坐标取代笛卡尔参考系。在一切重合关系都保持的地方，畸变的唯一意义就只是假定刚体的长度发生了变化，因而也就是假定量尺的长度发生了变化。但这一点会与我们的长度定义发生矛盾。根据定义，长度唯一取决于重合关系。

①见石里克《当代物理学的空间与时间》，柏林1917（第四版，1922）。

　　我们至此还只能在物理意义上来谈到点、线及空间形状（这意味着，例如直线，代表一个在物理上明确的对象）。一条线，我们指的是物体（边缘）上一系列连续的物质点。某种任意的理想参考系的引入，只有当我们给自己设想出一些在物理上可以识别的线系（表面把），并且同意把这些线系用作为坐标时，才是可行的。借助于一种任意的参考系——或者，用习惯的说法——借助于任意的几何，我就能描述自然。
　　如果有可能以这样一种方式来构写自然律：使这些自然律无例外地仅仅包含只涉及重合关系的命题，而这些重合关系对于无论何种参考系均为真；如果这种构写是可能的，那么这些自然律将只包含最少的任意描述方法，从而可以说，将以可能有的最忠实的方式来重现自然。
　　当牛顿宣称几何学是“普通力学中建立和决定度量技艺的那一部分”时，他已觉察到几何学是物理学的一部分了。而当爱因斯坦宣称几何学是“刚体所有可能的排列或编组的理论”时，他也表达了相同的见解（爱因斯坦：《几何学和经验》，柏林1921）。我们必须区别开两种几何学：一种是刚体间位置关系的理论，一种是“纯粹的刀或“数学的”几何学，后者可以在我们已经说明过的意义上被描述为一个假设一演绎系统。欧几里得的数学几何是以下述的方式创立的：经验表明，根据对某些位置和量值的观察，再加上某些普遍的假定，就能预言某些另外的（新的！）观察；还表明，这一套程序使实际测量过程变得没有必要。人们发现，为了计算例如一个立方体的体积，只需要量出其一条边；量出三角形的两个角就得到了第三角。在这些例子中，预料的结果得到确证，就肯定了普遍假定的正确性。现在假如这些普遍的假定连同可以由之而导出的全部命题，只就它们相互之间的关系来考虑，同时又完全不问在它们中出现的词或符号的意义，那么我们就得到一种“纯粹的”几何学，或一种纯粹形式的公理与定理系统，它缺乏内容，从而不是真正的命题而是所谓的命题函数。一旦掌握了这种观念，数学家就能想出任何数目的这类系统，并研究它们内部的关系。而自然研究者就能检验它们的适用性——也就是说，他能弄明白是否存在任何种类的自然对象，这种对象能被用来填补公理所具有的空虚的命题形式，从而得到真实的命题。如果找到了，那么从这些公理演绎出来的定理显然也是真实的了。
　　彭加莱认为：我们应当总是在各种可能的几何定理中去追求那种最简单的，从而宁可要欧几里得几何。但是，事实上更重要或更方便的是要这样地来选择约定，即当这些约定应用于自然时——也就是说，从纯粹几何转变为物理几何时——结果会形成最简单的可能的物理系统（如果彭加莱能活着经历到物理学最近的发展，那他就会欢迎非欧几何在描述自然中的应用了）。
　　从纯粹几何到物理几何的转变对应于从语言理论到语言应用的转变。纯粹几何就是物理几何的语法。
　　在描述自然时，人们可以把例如“直线”这一术语用于这样一些结构物，这些结构物遵守支配欧几里得直线的那些公理。在这种情况下，三个这样的结构物所形成的三角形其三内角之和根据定义就等于180°。但从1919年以来，我们就知道对于天文学上光线的情况，这一条件不是始终得到满足。虽然如此，我们还是能够规定把“直线”理解作象光线、绷紧的弦等等之类的结构物。我们还知道，对于天文学上光线的情况，这一条件也不是始终充分的。虽然如此，我们还是可以说，所谓“直线”指的就是光线、绷紧的弦之类的结构物。而这就意味着我们宁可惜助于非欧几何来描述自然。两种可能性都是存在的；有些哲学家主张只有前一种才对应于直线的“真实的性质”，这种意见是没有意义的。无论何种情况，我们一定得通过定义规定我们认为是“直线”的东西。而这种规定，或日决定，在原则上是完全任意的。
　　至于那种宣称几何学的基本概念——象直线概念——是不可定义的，它们的内容和普遍性都独立于物理经验而由“纯粹知觉”所给出，这种先天观点是经不住批判的审查的。恰恰相反，这些基本概念在其原始形式下所指的只不过是一些特殊种类的物理结构物。

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第七章　四维世界

　　上面我们得到了这样的结论：说所有对象都参与的空间变形是毫无意义的。针对这种论点，可以提出反驳说：虽然这种变形不一定会造成量值上可感知的变化，但却有可能造成物理行为的变化，只要这种变化不被那些有关变形前后自然常量值的特殊假定所排斥。可是只要追究一下这些常量是如何发现的，我们就看到这是由建立各种重合之间联系而实现的——这种联系牵涉到重合的同时发生。（例如，当温度计的水银柱升到标尺上某一定刻度的同时，电流计的指针也必须指向某一确定的读数。）因此，我们只需要再加上这样一条：各相邻重合之间的同时关系不受变形的影响。这样增加之后我们就能够十分肯定地说，观察不能产生另外的常量或自然律，而且所假定的变化并不是实际的变化，只是改变了一种说法而已。因此，其结论是自然的描述只是一个时空性的重合关系问题。这一命题的意义和范围，可以用一种在三度空间坐标之外引入时间作为第四坐标的图示法——闵可夫斯基的方法，最清楚地表示出来。
　　这样描述出来的世界是一个由世界线（World…lines）所贯串的四维连续域，其中每条线都是某个点（质点或能包）的运动的象。由于世界线代表运动，四维模型的一个变形就意味着各个运动状态的变化，例如，一个粒子从静止或匀速直线运动状态变为某种曲线的不规则运动状态。现在，正象我们已经看到的那样，由于变形根本不表示一种真正的变化，而仅仅只是表示了一种说法的改变，那么其结果就是，无论我们说一个粒子处于静止位置还是说它在作某种运动，也都只不过是说法不同而已。实际上，粒子的运动类型完全取决于参考系的选择。
　　用世界线所作的描述只限于那些能满足“原始同一性”①条件的对象，或者说，只限于那些可以有实义他说在有限的时间内一直保持“同一”的对象。在这个模型里，重合关系由世界线的截点或切线来表示。一个这种型式的模型可以经受完全任意的畸变，而且只要世界线的拓扑关系没有弄乱，它可以同样适当地代表实在。

①　“原始同一性”概念是由库特·菜温在他的《物理学、生物学和进化史之起源的概念——科学原理之比较研究》（柏林，施普林格1922年版）一书中引入的。

　　世界线描述粒子的运动；但决不能误认为世界线就是粒子的径迹。例如，我们不能说一个点通过它的世界线，也不能说代表实际现实瞬时状态的三维截面在四维世界中沿着时间轴漫游。因为这样的一种漫游一定发生在时间中，而时间已经被表示在模型之中，不能再从外面引人。因此，下述论据——即对世界的四维描述证明了时间的非实在栓，而且还把世界描绘成僵化的静止的存在——就都是荒谬的了。另一方面，对比于附加时间说明的三维表示法，有很多理由把四维世界看作是绝对的，因为前者含有较多的任意性，从而与描述方法有关。三维表示法与四维描述相比就象是物体的透视像与塑造的复制品之间的比较。相对论（它更有理由被称为绝对论）的研究方法不允许观察者有任何程度的主观性或任意性。相反，相对论比以前的任何描述方法都表现出更多的客观性。
　　我们把“运动”一词的运动学意义和动力学意义区别开来。按前一种解释，运动定义为位置在时间中的变化，而由于关于位置的数据只能相对于某个参考架给出，因此，根据定义，运动就是相对的。另一方面，按动力学的解释，运动是根据该运动出现于自然律中的方式来定义的。在此意义上，很有可能的是，与某一确定物体（诺伊曼的a物体）的重合关系在所有运动定律中都发生着作用。在这种情况下，这些物体将不得不被描述为“处于静止状态”，而与之有关的运动则被描述为“绝对的”运动，因为它们将能根据自然律而被区分开来。这样，当广义相对论主张说，一切运动即