北大科学史与科学哲学 - 科学史 - 西方科学史 : 一部为科学实在论作辩护的当代物理学思想史
文章来源: 自然辩证法研究199801
加入时间: 2003-06-01
阅读次数： 1357 次
一部为科学实在论作辩护的当代物理学思想史
范岱年
【标题】 ——曹天予的《二十世纪场论的概念发展》一书评价
【英文标题】Tian Yu Cao, Conceptual Developments of 20th Century Fidll Theory, Cambridge University Press, 1997, 447pp.
【作者】
【正文】
ISBN: 0524 431786 (hbk. ￡ 45/$59.95)
曹天予，60年代初在北京大学哲学系肄业。以后，在坎坷苦难的历程中，他自学了理论物理学直到量子场论。1983年，他到英国剑桥大学留学，在科学哲学家M.B.赫西（Hesse）和M.雷德黑德（Redhead）的指导下攻读科学哲学和科学史。在1987年获博士学位后到美国从事研究。现在美国波士顿大学哲学系任教。
他积十余年的辛勤研究，写出了《二十世纪场论的概念发展》这部著作，于1997年在英国剑桥大学出版社出版。在此书出版前，评审者们就对本书作出了很高的评价。 物理学家哈佛大学的S. L. 格拉肖（Glashow）认为，他关于经典场论、量子场论、 规范场论的清晰阐明“将使物理学家和哲学家都关注科学是什么和它如何演化等问题”。麻省理工学院的R.雅基夫（Jackiw）认为，在场论的发展处于关键性时刻，“这本书对这一学科作了令人欢迎的综述，清楚地记载了发展到今天的历程，介绍了其中相互冲突的观点。他的讨论准确、详细、富有洞察力”。M.雷德黑德认为，这部著作“为理论物理学的合理性和客观性作了生动有力的哲学辩护”。“对当代科学史和科学哲学中流行的后现代主义思潮是一副有效的解毒剂”。Brandeis大学的物理学家S.S.施韦伯（Schweber）认为，“曹天予追随马赫和J.梅尔兹（Merz）（《十九世纪欧洲思想史》的作者——范注）的步伐，对二十世纪基础理论物理学的概念发展，它们的历史根源以及它们的局限，作了精巧、深刻的阐述。…在探索未来理论物理的发展道路时，将是一个有价值的路标”。
此书出版以后，美国《今日物理学》（Physics Today）、 《科学》（Science）、 英国《自然》（Nature ）、 《美国物理学期刊》（American Journal of Physics ）、 英国《物理世界》（PhysicsWorld）等著名刊物分别发表了物理学家J.T.库欣（Cushing）、哲学家A.法因（Fine）、物理学家I. 艾奇逊（Aitchison ）、 L. M. 布朗（Brown）、M.维尔特曼（Veltman ）撰写的书评。 欧洲核子研究中心（CNRN）的《国际高能物理学期刊》发表了书讯。该刊的主编G.弗雷泽（Fraser）说“我的办公室少不了这本书”。据说，日本、德国、俄国的刊物也已发表了书评，法国也即将发表书评。一部学术著作，出版不久，就在国际学术界引起如此广泛的反应，这是不太常见的吧。
在当今的西方世界，反实在论思潮十分盛行。正如曹天予在前言中所说，反实在论有长久的传统，其中包括经典的实证论、建构经验论和工具论等等。库恩的不可通约性命题否认了任何理论本体论的实在性。科学社会学的强纲领认为科学是一种社会建构。后现代主义的、激进的社会建构论认为科学只是一种说服、处理和制造事实与知识的修辞艺术，知识是一种权力举措和产物，与真理和客观性无关。普特南（Putnam）的“内在实在论”拒绝有关理论实体的客观实在性的外部问题，实质上也是一种反实在论。曹认为，对于物理学来说，有关自然界的基本组成和行为的实在论假设是必不可少的。在运用假说—演绎法的理论物理学中，如果没有力、场、以太、刚性或动力学时空、虚量子、囚禁的夸克、规范势这些曾被称为形而上学的假设或假想实体，就无法前进一步。也许正是曹的这种反潮流精神，引起了国际学术界特别是物理学界对这部著作的广泛兴趣。
曹在第一章“导论”中承认，科学作为文化的一种形式，不能与社会相分离。科学所用的语言是社会交往的产物。科学所研究的问题、动机、材料、手段都由社会所提供。科学的机构和体制得到社会经济结构的支持和制约。而科学家的思想、比喻、概念方案也都来自他们的文化环境。因此，科学知识不能不受社会、文化、历史的影响和制约。但是，社会建构论者在强调科学是社会的建构物时，却忽视了“科学活动的目的是为了认识自然”这一关键之点。物理学的历史表明，大多数大物理学家从事研究的目的就是探索真实世界的图象。曹在本书中对二十世纪各种场论作批判的历史考察，就是要探测这些理论中物理学家的世界图象演变的模式和方向，揭示在这些理论中的本体论转变和本体论综合。
曹把这个概念史分作三大部分，即关于基本相互作用的几何纲领、量子场纲领和规范场纲领。在这三部分之前的第二章中，他讨论了“经典场论的兴起”，指出：从法拉第到麦克斯韦，他们的电磁场理论还是力学的以太理论。他们只把物质和以太看作是具有本体论地位的实体，不把电磁场看作实体，电磁场只是以太的一种力学状态。直到洛伦兹，才把电磁场和物质看作是独立的物理实在，而以太是一个空虚的绝对空间参照系。正如爱因斯坦所说，“这是惊人大胆的一步，要是没用它，以后［场论纲领］的发展将是不可能的。”
在以广义相对论为中心的第一部分“基本相互作用的几何纲领”中，曹首先指出，爱因斯坦在狭义相对论中，摒弃了洛伦兹的以太和绝对空间。在广义相对论中，最先，爱因斯坦追随马赫，把有质物体看作是唯一的物理实在，它们决定了引力场和时空的几何结构。由于引力场方程的真空解的发现，这种诠释站不住脚了。以后，H.韦耳和A 爱丁顿把时空的几何结构看作是物理实在，而把引力归结为时空流形曲率的表现。曹把这种观点称之为强几何纲领。但爱因斯坦从未接受这种观点。后来，他在试图把引力与电磁场相统一的统一场论中，把总场的一部分引力场看成是最终的物理实在，而时空是它的结构性。曹把这称为弱几何纲领。所以，爱因斯坦并不是把引力几何化，而是把时空几何引力化。曹还介绍了几何纲领的进一步发展。例如，韦耳在他的统一场论中，把电磁势守恒与时空尺度的规范不变性相联系（1922），以后又改为把它与电磁中量子相位变换的定域规范不变性相联系（1929）。这是以后规范场理论的先驱。又如，T.卡鲁查和A.克莱因在他们的统一场论中，则把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量。近年来，人们在试图建立把引力与其他三种相互作用实现统一的超统一理论时，又重新对卡鲁查的高维空间统一场论发生了兴趣。对于几何纲领这一部分，M.维尔特曼和A.法因在他们的书评中都作了很好的评价。
在第二章的“基本相互作用的量子场纲领”中，曹首先介绍了量子论的兴起，并指出量子论似乎是削弱场纲领的基础的。因为，（1 ）量子论给能量在空间中的连续分布一个极限，这是和场本体论相冲突的；（2）它违反了可分性原理；（3）量子论不允许粒子在量子跳变时，或在它们的产生和湮没之间，有连续的时空路径，这和场纲领中传递相互作用的方式相冲突。而且量子论的几率诠释假设了粒子本体论。在多体问题两种量子化程序（二次量子化和场量子化）中，分别预设了粒子本体论和场本体论，是粒子和场两种本体论的并存。1928年，E.P.约丹和E.P.维格纳把描述单个费密子的波函数看作是费密场，并实现其量子化，这样就让场本体论取代了粒子本体论，物质粒子（费密子）不再被看作是永久的独立存在，而是费密场的瞬时激发，是场的量子。这样，一种新的场纲领——量子场纲领就开始形成了。
量子场论的场本体论又一次改变了关于真空的观念，真空像是充满了负能量电子的海洋，像是一种可激化的介质，真空是激烈活动（涨落）的舞台。量子场论也改了传递相互作用的方式。相互作用不再是由一种连续的场来传递，而是由这种场的激发（分离的虚粒子）来传递。这些虚粒子与真实粒子定域耦合，并在真实粒子间传播。
由于测不准关系，定域激发要求任意大的动量。于是，相互作用不是由单个虚动量量子来传递，而是由无穷多个合适的虚量子的叠加所传递。而这无穷多个具有任意高动量的虚量子就带来著名的发散困难。而这是通过重正化来解决的。曹在重正化一节（6.7节）中， 对各种发散的根源、重正化纲领的建立、重正化的理由作了详尽深刻的论述。他指出：重正化的本质是把无穷大量纳入质量、电荷等理论参数中，这等于模糊了作为定域激发概念基础的严格的点模型
在40年代，把量子场论应用于电磁场（也就是量子电动力学），取得了惊人的成功。但把同一种方法应用到弱和强相互作用上时，却失败了。这样，在50年代到60年代，S —矩阵理论（或色散关系理论）有了巨大的发展。这是一种唯象的分析手段。曹在“S —矩阵理论”一节（8.5节）中的末尾，总结了量子场论和S矩阵理论在基本假设方面的七大差别，并指出，自S—矩阵理论产生以后， 它与量子场论一直相互施加压力，理解这两种研究纲领之间的相互作用，对理解粒子物理学的概念发展，是很有帮助的。接着他又介绍了轴矢量流部分守恒假说和流代数，这是一种对称性方法，它首先应用在强子的电磁和弱相互作用领域，以后推广到低能强相互作用领域。
到了60年代，S—矩阵理论又逐渐衰退。特别是由于60年代末、 70年代初在理论和实验方面出现了有利于规范场论的巨大突破，物理学家的兴趣又转向了规范场研究纲领。
第三部分讨论基本相互作用的规范场纲领。曹首先介绍了规范不变性和确定相互作用形式的规范原理；并指出现代规范理论是从杨振宁和R.L.密耳斯提出的关于强相互作用的同位旋规范不变性理论开始的。但是由于无法得到说明核力短程性的规范不变机制，物理学家们就放弃了这一理论。而更大的困难是如何使规范场量子具有质量。从50年代末到1964年，物理学家们引入了自发对称破缺机制，解决了这一困难。说明核力短程行为的规范不变性机制也由“渐近自由”和“色囚禁”加以解决。特别是由于1969年斯坦福线性加速器中心（SLAC）通过深度非弹性散射实验，发现了标度无关性定律，人们开始接受夸克—部分子模型和场论框架中的量子色动力学作为强子物理学研究的基本框架。在弱、电相互作用领域，随着1971年，维尔特曼和霍夫特证明非阿贝尔规范理论可以重正化，粒子物理学家就设想建立一个弱电相互作用统一理论的可能性，该理论预言的中性流的存在也在1973年得到了实验证据。这样就大大增强了粒子物理学家对规范场理论的信心。
在规范纲领的指引下，物理学家们提出了标准模型，它的内容包括强子的夸克模型，夸克与轻子的对应关系，以及用弱电统一理论和色动力学描述的动力学。标准模型在70年代末、80年代初取得了巨大的成功，发现了新的夸克和轻子；发现了传递弱相互作用的中间玻色子W[+]，W[-]和Z[0]进一步确认了弱电统一理论；找到了传递强相互作用的胶子存在的证据。但是自80年代中期以来，规范场纲领在进一步推广标准模型方面遇到了一系列困难，例如，对于π介子—核子低能相互作用，色动力学仍无法作出解释；弱电统一理论的自治性仍有可疑之处；黑格斯粒子是否存在尚无法确认，弱、电和强相互作用统一的大统一场论远未成功，至于引力场的量子化以及与其他三种基本作用相统一的超统一场论更看不出成功的希望。规范场纲领又处于停滞不前的境地。于是，钟摆又摆向另一个方面。在新方向方面，曹主要讨论了有效场理论，而对新的超弦理论和超对称理论，则没有涉及。
曹天予在本书最后一章“本体论综合和科学实在论”中，结合二十世纪场概念发展，得出了他对科学发展模式的观点。曹首先反对的是以库恩、费耶阿本德为代表的观点，因为他们否认科学发展中的连续性和进步，否认科学的发展愈来愈趋近于真理，因为他们认为科学革命前后的理论是不可通约的，二者用的是不同语言，描述了不同世界。曹认为他们的观点带有明显的相对主义和反实在论的含义。曹也不同意赫西、塞拉斯（Sellars）和劳丹等人对库恩观点的修正。赫西等人认为， 在科学革命前后相继理论之间，描述局部的经验定律和具体事实的语言还是可以通约的，这些经验定律和事实描述在革命后的理论中仍可留存。在这方面科学的发展表现出某种进步和积累。但他们否认科学理论中的普遍性定律和本体论在革命后能够留存并有所进步。曹因此称他们的观点是弱实在论。曹天予采纳并修正P.普特南的因果性指称理论作为为自己反对不可通约性命题的理论框架，认为理论的“结构性”或“理论实体间的关系”虽然不能被直接感知，却是可以通约的，而且对确定理论项的指称和其意义，具有关键性和作用。在革命前后的相继理论之间，通过本体论的综合，不仅是经验定律和具体事实，而且理论的本体论的结构性（例如内、外对称性，可几何化性，可量子化性等）也可以通约和继承。曹进一步指出：“大多数科学家相信经验定律只有‘局部的’有效性，而本体论赋予科学以统一的力量。本体论作为世界基本结构的模型，是作为经验定律的基础的一般机制的载体。由于在它的基础之上，可以建立一门科学的统一概念框架，所以本体论在理论上比个别经验定律更为基本得多”。
曹认为，二十世纪场论发展的历史表明，它们是通过本体论的综合来实现概念革命的。他指出：二十世纪各种场论都渊源于经典电动力学，它是一种实体电磁场理论，并以洛伦兹群为其对称群。引力场论是经典电动力学的直接后裔。爱因斯坦在创建广义相对论时，把洛伦兹不变性推广为广义协变性，通过等价原理把引力场与时空的几何结构相联系，从而开创了几何纲领。由此可以看出几何纲领与经典电动力学的本体论连续性。量子场论是经典场论的另一个直接后裔。其中经典电磁场被量子化电磁场所取代，又通过与玻色场的类比，引入了实体化的费密场。而基本的本体论仍是某种实体的场。虽然量子场与经典场在结构性方面有根本性差异，但仍有一些共同性（例如，场的不同部分的可叠加性，个体化的不可能性）可作为场论的理论硬核。因而，在量子场论和经典场论之间，可以建立一种本体论的对应关系，从而看出二者的本体论之间的指称连续性。
规范场论是量子电动力学的直接后裔。杨振宁和密耳斯正是用与强相互作用场相关的定域SU（2 ）同位旋对称性来取代量子电动力学中的定域U（1）相位对称性，从而创建规范场论的，其中相互作用的形式均由规范不变性所确定。规范场和物质场一样均可量子化。所以，在规范场纲领和量子场纲领之间有明显的本体论连续性。另一方面，规范场纲领和几何纲领之间的本体论连续性，则在于量子规范场和经典几何场在结构性方面也有指称连续性。这是因为几何纲领、广义相对论或其推广与变形，原则上可以取量子化的形式。（但实际上引力场的量子化还存在极大的困难。因为狭义相对论与电、弱、强三种相互作用结合成功的基础是这三种相互作用的耦合常数都是无量纲量，而引力相互作用的耦合常数是带有“质量”量纲的。我国规范场论专家汪容认为，“引力场”的不能量子化，已经成为二十世纪物理学的一朵乌云。——范注）而规范场可给予某种几何诠释。这样，二者就可以共有一些结构性甚至本质特征。在现代卡鲁查—克莱因理论中，规范场纲领和几何纲领的本体论连续性就更明显了。
同时，曹天予也不同意以内格尔（Nagel）和波斯特（Post ）为代表的科学发展观和收敛实在论。他们认为科学的发展是累积的、连续的，是单线式的进步，最后收敛于唯一的真理。曹认为他们的科学发展模式太简单化、太抽象了，不能说明科学发展的复杂情况。而曹天予所主张的本体论综合，既有继承和连续，也有变换和否定。不是把过去的本体论加以拼凑，而是有选择的、有变换的加以组合。例如，几何纲领是把等价原理和广义协变性思想相综合，而广义协变性虽来源于洛伦兹不变性但又不同于它。量子理论是经典场论和量子原理的综合，可是场的量子化思想虽来源于量子化原理但在本体论上不同于原子运动的量子化思想。规范场纲领是量子场纲领和规范原理的综合，可是规范原理虽起源于，但又不同于最小电磁耦合。在这三个案例中，以前的原理都是在变换成新的形式之后才被应用于本体论的综合。本体论综合时常把原来的原始实体变换成衍生实体或副现象（epiphenomenon）， 从而导致基本本体论的变革。例如，几何纲领把牛顿引力势看作是度规场的表现；量子场论把经典场看作是量子场的衍生物，而规范场纲领中的标准模型把电子电磁场看成是量子化规范场的衍生物。因此，本体论综合是一种实现概念革命的方式，而不是如内格尔和波斯特所设想的那样把革命前纲领中的旧本体论并入革命后新纲领的新本体论。另一方面，旧本体论所发现的世界的结构关系如内、外对称性，可几何化性和可量子化性，在革命后的新本体论中仍留存着。概念革命通过变换与综合而实现，而不是绝对的否定。这是黑格尔所说的“扬弃”，有继承而又有否定。因为没有理由假设世界的结构性只能分为有限的层次，而且没有理论可以概括无限多的结构性，所以，一个终极的真的本体论概念是没有意义的。人们只能说“更好地”或“更接近于”真的本体论。
曹天予认为他的本体论综合概念胜过内格尔和波斯特的收敛实在论和赫西等人只承认“工具性”进步的弱实在论。因为本体论综合概念认为人们发现的世界结构是以辩证的方式继承和积累的，它更有力地说明了概念革命的机制和科学进步的模式。事实上科学中的继承、积累和统一很少是以直接简单的形式实现的，而时常是通过变换综合的方式实现的。通过变换的本体论综合体现了科学增长中变革与继承的协调，最适合于掌握科学史的不连续的外观后面的本质连续性，从而也可为科学实在论提供更强的论据。
曹的科学实在论就是结构实在论。这种实在论认为，基本实体的结构性和关系是本体论的一部分，而且是本体论中可以通过科学研究（通过把结构论断与假想实体关联起来的因果链）加以接近的唯一部分。虽然当理论变革并发现新的结构性时，这些结构性论断将被修正，但是这些结构性如同可观测性一般，是大体稳定并可累积的，因为，由于它们的可认识的同一性，在理论与理论之间是可以翻译的。把外部对称性（如洛伦兹对称性）、内部对称性（如同旋对称性）、可几何化性（与时空流形结构特征同形的结构性）、可量子化性（连续场的结构性）等这类结构性用变换群及其不变性来描述，这是在十九世纪末首先由彭加勒提倡并实现的，后来已成为爱因斯坦、狄拉克、维格纳、杨振宁、盖耳—曼这些大数学物理学家的集体意识。而结构实在论正是这种集体意识的体现。
在坚持科学实在论的同时，曹天予也坚持了科学的合理性。他认为通过本体论综合所实现的科学革命，不是如同库恩所说的类似于宗教皈依的范式的格式塔转换，而是理性的有选择的组合。科学实在论认为，科学的目的是要对经验定律和世界的结构性作愈来愈真的论断，实现科学的进步。科学的活动是一种理性的活动。但是科学的增长和进步并不是单线式的逼近唯一的终极真理，而是辩证的综合。这种综合的观点不认为已有的成功理论必定是未来发展的模型。它要求科学家以开放的心态对待各种可能性。按照这种精神，场论的未来发展也不一定唯一地来自规范场研究纲领，也有可能要从别的根本不同的研究纲领（例如S —矩阵理论）中吸取思想和技巧。
曹天予在序言中说，他的这部著作首先是以对理论物理学基础问题和历史透视感兴趣的学生为对象，其次，是对当代自然观感兴趣的、受过基础科学教育的一般读者，最后是科学史家和科学哲学家。许多评论者都认为，第一类对象确可以从这部经过精心研究而写出的著作中受益匪浅。对第二类对象则显得过于艰深。第三类对象一定会深感兴趣，并引发热烈的争论。例如A.法因在评论中说，曹和别人一样，并没有解决结构实在论所面临的困难。I.艾奇逊则对曹天予的自主存在的客体的本体论性质定义提出了质疑。确实，对实在论这种形而上学观点，是无法证实和证伪的。但是科学提供的大量科学理论成功的事例为科学实在论提供了“没有奇迹”论证。曹的著作有力地表明，作出结构实在论的承诺，对现代物理学的研究，仍然是必不可少并大有裨益的。
我的简略的评介远远不能反映曹天予这部四百多页著作的丰富内容。我认为曹的这部著作，对我国的理论物理学工作者和学生、科学哲学和科学史工作者、自然辩证法工作者，都是一部有关当代物理学史和物理学哲学、当代物理学家的自然观的很有价值、不可多得的参考书。我恳切地希望，这种著作能够早日在中国翻译出版。
【责任编辑】马惠娣
文章来源: 自然辩证法研究199801
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一部为科学实在论作辩护的当代物理学思想史
范岱年
【标题】 ——曹天予的《二十世纪场论的概念发展》一书评价
【英文标题】Tian Yu Cao, Conceptual Developments of 20th Century Fidll Theory, Cambridge University Press, 1997, 447pp.
【作者】
【正文】
ISBN: 0524 431786 (hbk. ￡ 45/$59.95)
曹天予，60年代初在北京大学哲学系肄业。以后，在坎坷苦难的历程中，他自学了理论物理学直到量子场论。1983年，他到英国剑桥大学留学，在科学哲学家M.B.赫西（Hesse）和M.雷德黑德（Redhead）的指导下攻读科学哲学和科学史。在1987年获博士学位后到美国从事研究。现在美国波士顿大学哲学系任教。
他积十余年的辛勤研究，写出了《二十世纪场论的概念发展》这部著作，于1997年在英国剑桥大学出版社出版。在此书出版前，评审者们就对本书作出了很高的评价。 物理学家哈佛大学的S. L. 格拉肖（Glashow）认为，他关于经典场论、量子场论、 规范场论的清晰阐明“将使物理学家和哲学家都关注科学是什么和它如何演化等问题”。麻省理工学院的R.雅基夫（Jackiw）认为，在场论的发展处于关键性时刻，“这本书对这一学科作了令人欢迎的综述，清楚地记载了发展到今天的历程，介绍了其中相互冲突的观点。他的讨论准确、详细、富有洞察力”。M.雷德黑德认为，这部著作“为理论物理学的合理性和客观性作了生动有力的哲学辩护”。“对当代科学史和科学哲学中流行的后现代主义思潮是一副有效的解毒剂”。Brandeis大学的物理学家S.S.施韦伯（Schweber）认为，“曹天予追随马赫和J.梅尔兹（Merz）（《十九世纪欧洲思想史》的作者——范注）的步伐，对二十世纪基础理论物理学的概念发展，它们的历史根源以及它们的局限，作了精巧、深刻的阐述。…在探索未来理论物理的发展道路时，将是一个有价值的路标”。
此书出版以后，美国《今日物理学》（Physics Today）、 《科学》（Science）、 英国《自然》（Nature ）、 《美国物理学期刊》（American Journal of Physics ）、 英国《物理世界》（PhysicsWorld）等著名刊物分别发表了物理学家J.T.库欣（Cushing）、哲学家A.法因（Fine）、物理学家I. 艾奇逊（Aitchison ）、 L. M. 布朗（Brown）、M.维尔特曼（Veltman ）撰写的书评。 欧洲核子研究中心（CNRN）的《国际高能物理学期刊》发表了书讯。该刊的主编G.弗雷泽（Fraser）说“我的办公室少不了这本书”。据说，日本、德国、俄国的刊物也已发表了书评，法国也即将发表书评。一部学术著作，出版不久，就在国际学术界引起如此广泛的反应，这是不太常见的吧。
在当今的西方世界，反实在论思潮十分盛行。正如曹天予在前言中所说，反实在论有长久的传统，其中包括经典的实证论、建构经验论和工具论等等。库恩的不可通约性命题否认了任何理论本体论的实在性。科学社会学的强纲领认为科学是一种社会建构。后现代主义的、激进的社会建构论认为科学只是一种说服、处理和制造事实与知识的修辞艺术，知识是一种权力举措和产物，与真理和客观性无关。普特南（Putnam）的“内在实在论”拒绝有关理论实体的客观实在性的外部问题，实质上也是一种反实在论。曹认为，对于物理学来说，有关自然界的基本组成和行为的实在论假设是必不可少的。在运用假说—演绎法的理论物理学中，如果没有力、场、以太、刚性或动力学时空、虚量子、囚禁的夸克、规范势这些曾被称为形而上学的假设或假想实体，就无法前进一步。也许正是曹的这种反潮流精神，引起了国际学术界特别是物理学界对这部著作的广泛兴趣。
曹在第一章“导论”中承认，科学作为文化的一种形式，不能与社会相分离。科学所用的语言是社会交往的产物。科学所研究的问题、动机、材料、手段都由社会所提供。科学的机构和体制得到社会经济结构的支持和制约。而科学家的思想、比喻、概念方案也都来自他们的文化环境。因此，科学知识不能不受社会、文化、历史的影响和制约。但是，社会建构论者在强调科学是社会的建构物时，却忽视了“科学活动的目的是为了认识自然”这一关键之点。物理学的历史表明，大多数大物理学家从事研究的目的就是探索真实世界的图象。曹在本书中对二十世纪各种场论作批判的历史考察，就是要探测这些理论中物理学家的世界图象演变的模式和方向，揭示在这些理论中的本体论转变和本体论综合。
曹把这个概念史分作三大部分，即关于基本相互作用的几何纲领、量子场纲领和规范场纲领。在这三部分之前的第二章中，他讨论了“经典场论的兴起”，指出：从法拉第到麦克斯韦，他们的电磁场理论还是力学的以太理论。他们只把物质和以太看作是具有本体论地位的实体，不把电磁场看作实体，电磁场只是以太的一种力学状态。直到洛伦兹，才把电磁场和物质看作是独立的物理实在，而以太是一个空虚的绝对空间参照系。正如爱因斯坦所说，“这是惊人大胆的一步，要是没用它，以后［场论纲领］的发展将是不可能的。”
在以广义相对论为中心的第一部分“基本相互作用的几何纲领”中，曹首先指出，爱因斯坦在狭义相对论中，摒弃了洛伦兹的以太和绝对空间。在广义相对论中，最先，爱因斯坦追随马赫，把有质物体看作是唯一的物理实在，它们决定了引力场和时空的几何结构。由于引力场方程的真空解的发现，这种诠释站不住脚了。以后，H.韦耳和A 爱丁顿把时空的几何结构看作是物理实在，而把引力归结为时空流形曲率的表现。曹把这种观点称之为强几何纲领。但爱因斯坦从未接受这种观点。后来，他在试图把引力与电磁场相统一的统一场论中，把总场的一部分引力场看成是最终的物理实在，而时空是它的结构性。曹把这称为弱几何纲领。所以，爱因斯坦并不是把引力几何化，而是把时空几何引力化。曹还介绍了几何纲领的进一步发展。例如，韦耳在他的统一场论中，把电磁势守恒与时空尺度的规范不变性相联系（1922），以后又改为把它与电磁中量子相位变换的定域规范不变性相联系（1929）。这是以后规范场理论的先驱。又如，T.卡鲁查和A.克莱因在他们的统一场论中，则把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量。近年来，人们在试图建立把引力与其他三种相互作用实现统一的超统一理论时，又重新对卡鲁查的高维空间统一场论发生了兴趣。对于几何纲领这一部分，M.维尔特曼和A.法因在他们的书评中都作了很好的评价。
在第二章的“基本相互作用的量子场纲领”中，曹首先介绍了量子论的兴起，并指出量子论似乎是削弱场纲领的基础的。因为，（1 ）量子论给能量在空间中的连续分布一个极限，这是和场本体论相冲突的；（2）它违反了可分性原理；（3）量子论不允许粒子在量子跳变时，或在它们的产生和湮没之间，有连续的时空路径，这和场纲领中传递相互作用的方式相冲突。而且量子论的几率诠释假设了粒子本体论。在多体问题两种量子化程序（二次量子化和场量子化）中，分别预设了粒子本体论和场本体论，是粒子和场两种本体论的并存。1928年，E.P.约丹和E.P.维格纳把描述单个费密子的波函数看作是费密场，并实现其量子化，这样就让场本体论取代了粒子本体论，物质粒子（费密子）不再被看作是永久的独立存在，而是费密场的瞬时激发，是场的量子。这样，一种新的场纲领——量子场纲领就开始形成了。
量子场论的场本体论又一次改变了关于真空的观念，真空像是充满了负能量电子的海洋，像是一种可激化的介质，真空是激烈活动（涨落）的舞台。量子场论也改了传递相互作用的方式。相互作用不再是由一种连续的场来传递，而是由这种场的激发（分离的虚粒子）来传递。这些虚粒子与真实粒子定域耦合，并在真实粒子间传播。
由于测不准关系，定域激发要求任意大的动量。于是，相互作用不是由单个虚动量量子来传递，而是由无穷多个合适的虚量子的叠加所传递。而这无穷多个具有任意高动量的虚量子就带来著名的发散困难。而这是通过重正化来解决的。曹在重正化一节（6.7节）中， 对各种发散的根源、重正化纲领的建立、重正化的理由作了详尽深刻的论述。他指出：重正化的本质是把无穷大量纳入质量、电荷等理论参数中，这等于模糊了作为定域激发概念基础的严格的点模型
在40年代，把量子场论应用于电磁场（也就是量子电动力学），取得了惊人的成功。但把同一种方法应用到弱和强相互作用上时，却失败了。这样，在50年代到60年代，S —矩阵理论（或色散关系理论）有了巨大的发展。这是一种唯象的分析手段。曹在“S —矩阵理论”一节（8.5节）中的末尾，总结了量子场论和S矩阵理论在基本假设方面的七大差别，并指出，自S—矩阵理论产生以后， 它与量子场论一直相互施加压力，理解这两种研究纲领之间的相互作用，对理解粒子物理学的概念发展，是很有帮助的。接着他又介绍了轴矢量流部分守恒假说和流代数，这是一种对称性方法，它首先应用在强子的电磁和弱相互作用领域，以后推广到低能强相互作用领域。
到了60年代，S—矩阵理论又逐渐衰退。特别是由于60年代末、 70年代初在理论和实验方面出现了有利于规范场论的巨大突破，物理学家的兴趣又转向了规范场研究纲领。
第三部分讨论基本相互作用的规范场纲领。曹首先介绍了规范不变性和确定相互作用形式的规范原理；并指出现代规范理论是从杨振宁和R.L.密耳斯提出的关于强相互作用的同位旋规范不变性理论开始的。但是由于无法得到说明核力短程性的规范不变机制，物理学家们就放弃了这一理论。而更大的困难是如何使规范场量子具有质量。从50年代末到1964年，物理学家们引入了自发对称破缺机制，解决了这一困难。说明核力短程行为的规范不变性机制也由“渐近自由”和“色囚禁”加以解决。特别是由于1969年斯坦福线性加速器中心（SLAC）通过深度非弹性散射实验，发现了标度无关性定律，人们开始接受夸克—部分子模型和场论框架中的量子色动力学作为强子物理学研究的基本框架。在弱、电相互作用领域，随着1971年，维尔特曼和霍夫特证明非阿贝尔规范理论可以重正化，粒子物理学家就设想建立一个弱电相互作用统一理论的可能性，该理论预言的中性流的存在也在1973年得到了实验证据。这样就大大增强了粒子物理学家对规范场理论的信心。
在规范纲领的指引下，物理学家们提出了标准模型，它的内容包括强子的夸克模型，夸克与轻子的对应关系，以及用弱电统一理论和色动力学描述的动力学。标准模型在70年代末、80年代初取得了巨大的成功，发现了新的夸克和轻子；发现了传递弱相互作用的中间玻色子W[+]，W[-]和Z[0]进一步确认了弱电统一理论；找到了传递强相互作用的胶子存在的证据。但是自80年代中期以来，规范场纲领在进一步推广标准模型方面遇到了一系列困难，例如，对于π介子—核子低能相互作用，色动力学仍无法作出解释；弱电统一理论的自治性仍有可疑之处；黑格斯粒子是否存在尚无法确认，弱、电和强相互作用统一的大统一场论远未成功，至于引力场的量子化以及与其他三种基本作用相统一的超统一场论更看不出成功的希望。规范场纲领又处于停滞不前的境地。于是，钟摆又摆向另一个方面。在新方向方面，曹主要讨论了有效场理论，而对新的超弦理论和超对称理论，则没有涉及。
曹天予在本书最后一章“本体论综合和科学实在论”中，结合二十世纪场概念发展，得出了他对科学发展模式的观点。曹首先反对的是以库恩、费耶阿本德为代表的观点，因为他们否认科学发展中的连续性和进步，否认科学的发展愈来愈趋近于真理，因为他们认为科学革命前后的理论是不可通约的，二者用的是不同语言，描述了不同世界。曹认为他们的观点带有明显的相对主义和反实在论的含义。曹也不同意赫西、塞拉斯（Sellars）和劳丹等人对库恩观点的修正。赫西等人认为， 在科学革命前后相继理论之间，描述局部的经验定律和具体事实的语言还是可以通约的，这些经验定律和事实描述在革命后的理论中仍可留存。在这方面科学的发展表现出某种进步和积累。但他们否认科学理论中的普遍性定律和本体论在革命后能够留存并有所进步。曹因此称他们的观点是弱实在论。曹天予采纳并修正P.普特南的因果性指称理论作为为自己反对不可通约性命题的理论框架，认为理论的“结构性”或“理论实体间的关系”虽然不能被直接感知，却是可以通约的，而且对确定理论项的指称和其意义，具有关键性和作用。在革命前后的相继理论之间，通过本体论的综合，不仅是经验定律和具体事实，而且理论的本体论的结构性（例如内、外对称性，可几何化性，可量子化性等）也可以通约和继承。曹进一步指出：“大多数科学家相信经验定律只有‘局部的’有效性，而本体论赋予科学以统一的力量。本体论作为世界基本结构的模型，是作为经验定律的基础的一般机制的载体。由于在它的基础之上，可以建立一门科学的统一概念框架，所以本体论在理论上比个别经验定律更为基本得多”。
曹认为，二十世纪场论发展的历史表明，它们是通过本体论的综合来实现概念革命的。他指出：二十世纪各种场论都渊源于经典电动力学，它是一种实体电磁场理论，并以洛伦兹群为其对称群。引力场论是经典电动力学的直接后裔。爱因斯坦在创建广义相对论时，把洛伦兹不变性推广为广义协变性，通过等价原理把引力场与时空的几何结构相联系，从而开创了几何纲领。由此可以看出几何纲领与经典电动力学的本体论连续性。量子场论是经典场论的另一个直接后裔。其中经典电磁场被量子化电磁场所取代，又通过与玻色场的类比，引入了实体化的费密场。而基本的本体论仍是某种实体的场。虽然量子场与经典场在结构性方面有根本性差异，但仍有一些共同性（例如，场的不同部分的可叠加性，个体化的不可能性）可作为场论的理论硬核。因而，在量子场论和经典场论之间，可以建立一种本体论的对应关系，从而看出二者的本体论之间的指称连续性。
规范场论是量子电动力学的直接后裔。杨振宁和密耳斯正是用与强相互作用场相关的定域SU（2 ）同位旋对称性来取代量子电动力学中的定域U（1）相位对称性，从而创建规范场论的，其中相互作用的形式均由规范不变性所确定。规范场和物质场一样均可量子化。所以，在规范场纲领和量子场纲领之间有明显的本体论连续性。另一方面，规范场纲领和几何纲领之间的本体论连续性，则在于量子规范场和经典几何场在结构性方面也有指称连续性。这是因为几何纲领、广义相对论或其推广与变形，原则上可以取量子化的形式。（但实际上引力场的量子化还存在极大的困难。因为狭义相对论与电、弱、强三种相互作用结合成功的基础是这三种相互作用的耦合常数都是无量纲量，而引力相互作用的耦合常数是带有“质量”量纲的。我国规范场论专家汪容认为，“引力场”的不能量子化，已经成为二十世纪物理学的一朵乌云。——范注）而规范场可给予某种几何诠释。这样，二者就可以共有一些结构性甚至本质特征。在现代卡鲁查—克莱因理论中，规范场纲领和几何纲领的本体论连续性就更明显了。
同时，曹天予也不同意以内格尔（Nagel）和波斯特（Post ）为代表的科学发展观和收敛实在论。他们认为科学的发展是累积的、连续的，是单线式的进步，最后收敛于唯一的真理。曹认为他们的科学发展模式太简单化、太抽象了，不能说明科学发展的复杂情况。而曹天予所主张的本体论综合，既有继承和连续，也有变换和否定。不是把过去的本体论加以拼凑，而是有选择的、有变换的加以组合。例如，几何纲领是把等价原理和广义协变性思想相综合，而广义协变性虽来源于洛伦兹不变性但又不同于它。量子理论是经典场论和量子原理的综合，可是场的量子化思想虽来源于量子化原理但在本体论上不同于原子运动的量子化思想。规范场纲领是量子场纲领和规范原理的综合，可是规范原理虽起源于，但又不同于最小电磁耦合。在这三个案例中，以前的原理都是在变换成新的形式之后才被应用于本体论的综合。本体论综合时常把原来的原始实体变换成衍生实体或副现象（epiphenomenon）， 从而导致基本本体论的变革。例如，几何纲领把牛顿引力势看作是度规场的表现；量子场论把经典场看作是量子场的衍生物，而规范场纲领中的标准模型把电子电磁场看成是量子化规范场的衍生物。因此，本体论综合是一种实现概念革命的方式，而不是如内格尔和波斯特所设想的那样把革命前纲领中的旧本体论并入革命后新纲领的新本体论。另一方面，旧本体论所发现的世界的结构关系如内、外对称性，可几何化性和可量子化性，在革命后的新本体论中仍留存着。概念革命通过变换与综合而实现，而不是绝对的否定。这是黑格尔所说的“扬弃”，有继承而又有否定。因为没有理由假设世界的结构性只能分为有限的层次，而且没有理论可以概括无限多的结构性，所以，一个终极的真的本体论概念是没有意义的。人们只能说“更好地”或“更接近于”真的本体论。
曹天予认为他的本体论综合概念胜过内格尔和波斯特的收敛实在论和赫西等人只承认“工具性”进步的弱实在论。因为本体论综合概念认为人们发现的世界结构是以辩证的方式继承和积累的，它更有力地说明了概念革命的机制和科学进步的模式。事实上科学中的继承、积累和统一很少是以直接简单的形式实现的，而时常是通过变换综合的方式实现的。通过变换的本体论综合体现了科学增长中变革与继承的协调，最适合于掌握科学史的不连续的外观后面的本质连续性，从而也可为科学实在论提供更强的论据。
曹的科学实在论就是结构实在论。这种实在论认为，基本实体的结构性和关系是本体论的一部分，而且是本体论中可以通过科学研究（通过把结构论断与假想实体关联起来的因果链）加以接近的唯一部分。虽然当理论变革并发现新的结构性时，这些结构性论断将被修正，但是这些结构性如同可观测性一般，是大体稳定并可累积的，因为，由于它们的可认识的同一性，在理论与理论之间是可以翻译的。把外部对称性（如洛伦兹对称性）、内部对称性（如同旋对称性）、可几何化性（与时空流形结构特征同形的结构性）、可量子化性（连续场的结构性）等这类结构性用变换群及其不变性来描述，这是在十九世纪末首先由彭加勒提倡并实现的，后来已成为爱因斯坦、狄拉克、维格纳、杨振宁、盖耳—曼这些大数学物理学家的集体意识。而结构实在论正是这种集体意识的体现。
在坚持科学实在论的同时，曹天予也坚持了科学的合理性。他认为通过本体论综合所实现的科学革命，不是如同库恩所说的类似于宗教皈依的范式的格式塔转换，而是理性的有选择的组合。科学实在论认为，科学的目的是要对经验定律和世界的结构性作愈来愈真的论断，实现科学的进步。科学的活动是一种理性的活动。但是科学的增长和进步并不是单线式的逼近唯一的终极真理，而是辩证的综合。这种综合的观点不认为已有的成功理论必定是未来发展的模型。它要求科学家以开放的心态对待各种可能性。按照这种精神，场论的未来发展也不一定唯一地来自规范场研究纲领，也有可能要从别的根本不同的研究纲领（例如S —矩阵理论）中吸取思想和技巧。
曹天予在序言中说，他的这部著作首先是以对理论物理学基础问题和历史透视感兴趣的学生为对象，其次，是对当代自然观感兴趣的、受过基础科学教育的一般读者，最后是科学史家和科学哲学家。许多评论者都认为，第一类对象确可以从这部经过精心研究而写出的著作中受益匪浅。对第二类对象则显得过于艰深。第三类对象一定会深感兴趣，并引发热烈的争论。例如A.法因在评论中说，曹和别人一样，并没有解决结构实在论所面临的困难。I.艾奇逊则对曹天予的自主存在的客体的本体论性质定义提出了质疑。确实，对实在论这种形而上学观点，是无法证实和证伪的。但是科学提供的大量科学理论成功的事例为科学实在论提供了“没有奇迹”论证。曹的著作有力地表明，作出结构实在论的承诺，对现代物理学的研究，仍然是必不可少并大有裨益的。
我的简略的评介远远不能反映曹天予这部四百多页著作的丰富内容。我认为曹的这部著作，对我国的理论物理学工作者和学生、科学哲学和科学史工作者、自然辩证法工作者，都是一部有关当代物理学史和物理学哲学、当代物理学家的自然观的很有价值、不可多得的参考书。我恳切地希望，这种著作能够早日在中国翻译出版。
【责任编辑】马惠娣
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