把一块烧红的铁放到冷水中迅速降温，则铁块的硬度增加而韧性减弱；如果缓慢降温则铁块的韧性增强而硬度下降。两个过程之间的初始温度和末

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http://blog.sina.com.cn/yanxukong[订阅][手机订阅]虚空博客 相册 音乐 播客 个人中心 首页博文收藏博客圈字体大小：大中小 正文 原子论在近现代自然科学中的确立以及遭遇的挑战（一）(2007-07-18 16:10:02)


原子论在近现代自然科学中的确立以及遭遇的挑战

摘要：原子论适宜于建立数学模型，符合自然科学定量描述的要求，从而被近现代科学接纳而成为基础理论。原子论在自然科学的发展史上曾经和以太说、热质说、波动说等反原子论进行过激烈的斗争而逐渐得到确立的。原子论在确立的同时也推动了科学理论的发展。但原子论也暴露了一定的内在局限性。原子论割裂了物质与运动，把运动附属到粒子上，使运动外在化、形式化，反映不出事物变化过程中的质量互变规律。

关键词：原子论 以太说 热质说 波动说 质变

在古代关于世界本原的各种学说中，唯有德谟克里特原子论随着近代自然科学的发展而被确立并发扬光大。原子不再是一个哲学思辨的概念，原子以及其他粒子被认为是组成世界万物的物质基砖，原子论广泛渗透到各门自然科学中。例如在物理学中的分子运动论、物质结构理论、金属电子论、光的粒子说，化学中的原子-分子论，都是基于原子论的世界图景。原子等作为组成万物的颗粒，非常容易被人们理解和接受，它不像理念或元气那样虚无缥缈、不可捉摸。如果原子是客观存在的，整个世界的实在性就得到了保证。此外，原子对科学家还有特别的意义，可以基于原子论而建立数学模型，以定量描述自然界的各种变化。相反，随着近代科学从哲学中的分离，道论、元气论、理念论、四元素说等被认为是不科学的，道、元气、理念等被看做是古人纯粹哲学的思辨或者是朴素意识的天才猜想，它们既不能获得经验的证实，也不能对构建科学理论体系有任何帮助。例如作为中医基础理论的“气”和“气化”、经络理论都不能得到现代医学的承认，因为用现代科学的手段探测不到它们的存在。

当然，原子论在近现代自然科学中的发展也不是一帆风顺的，在近现代科学发展史上，原子论和热质说、燃素说、以太说、唯能论等反原子论流派进行都过激烈的斗争，最后战胜了它们而取得了胜利。原子论已成为近现代科学的基础，也对近现代科学的方法论产生决定性影响，每门学科都对应某种粒子作为研究对象，该学科领域的经验事实和现象最终都要还原为该粒子的运动和粒子之间的关系。自从马赫和奥斯特瓦尔德两位反原子论斗士之后，几乎没有人再对原子的存在表示怀疑。尤其是上世纪量子力学的建立，不连续的观念更加深入人心了。如今谁要是对原子的实在性表示怀疑，在人们的心目中，他就是不相信科学、不尊重科学，甚至是要否定世界的客观实在性，要被戴上唯心主义的帽子了。

为什么在哲学史上名不见经传的原子论却能随着自然科学的发展而大放光彩？原子论在自然科学的确立过程中经历了怎样的斗争？原子是客观存在的实物粒子，还是科学家藉以描述自然现象的一个理论工具？基于原子论的现代科学理论能否客观地反映事物的变化规律并实现精确的定量描述？从原子论的发展史以及与反原子论之间的斗争中可以加深对原子论的理解。

一、从哲学思辨的原子到作为科学研究对象的原子

德谟克里特认为世间万物都是由原子构成的，原子本身是致密的、坚实的、无间隙的，原子不能分割，原子有大小和形状的差别。原子外面是空无物质的虚空，原子在虚空中运动，众多原子集聚在一起就产生事物，原子分散开，事物就消亡了，但原子本身并不消亡。正是原子的运动产生了纷繁复杂的各种现象。德谟克里特的原子论在古希腊并没有产生多大的影响，因为古希腊两位大思想家都坚定反对原子论，柏拉图甚至发誓要烧毁德谟克里特的著作。伊壁鸠鲁在德谟克里特之后对原子论进行了完善，认为原子除了具有大小和形状之外，还具有重量的属性。

在欧洲中世纪，哲学从属于神学，原子论显然与经院哲学“上帝创造万物”的信仰不符，卢克莱修的“物性论”因宣扬原子论而被列入禁书。直至近代，随着自然科学与哲学的分离，古老的原子论获得了新生，原子开始从一个哲学概念过渡为科学的概念。

法国哲学家伽森狄公开宣扬原子论，他假设物质是由粒子组成的，以粒子的运动来解释固体、液体、气体三种物质状态。英国科学家玻意耳在研究气体的等温变化时，把气体看做是微粒组成的体系，以微粒之间的弹力来解释气体的压强和气体的压缩和膨胀。牛顿提出了光的微粒说，认为光是粒子流，并据此解释了光的直线传播、反射和折射现象。在牛顿的力学体系中，把物体抽象成质点，忽略其大小和形状。伯努利把原子论应用到气体压强的研究中，认为气体的压强是气体微粒的运动对容器的撞击产生的，建立了动态的气体模型。后来经过克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼等科学家的不断完善，建立了描述大量粒子运动的统计物理学，把温度、压强、体积等宏观量与微观粒子联系起来。基于分子运动论的热的唯动说最终取代了热质说。

在化学领域，玻意耳把元素定义为“用一般化学方法不能再分解成更简单的某些实物”，破除了旧的元素学说，把化学从古代炼金术的神秘主义氛围笼罩下解放出来，把化学确立为一门科学，为化学元素的相继发现和化学的发展奠定了基础。道尔顿在质量守恒定律、定比定律、倍比定律的基础上，提出了科学原子论，认为每种元素就是同一种原子的总称，原子是隐藏在化学变化背后的实体。阿夫伽德罗在道尔顿、盖吕萨克的基础上提出了分子论。一般认为，分子-原子论建立以后，化学才成为一门真正意义上的科学。

实验技术也在不断发展，布朗用显微镜观察到水中花粉颗粒的无规则运动，这被看做是证实分子存在的一个间接证据。光谱技术的发展使人们对物质的认识更加深入。尤其是19世纪末的三大发现——电子、阴极射线、X射线，使原子论的发展进入一个新阶段。描述微观世界规律的量子力学的建立，使得不连续的观念从物质结构领域扩大到能量领域，量子化被看做是世界的根本特性。爱因斯坦的光量子理论重新复活了光的微粒说；电子不仅是原子的组成微粒，也被作为电荷的最小电量单位，按照金属电子论，电路中的电流是电子的运动产生的。科学家们还以量子力学来说明化学键，固体的比热，半导体、超导体的成因。随着细胞学说的提出，以及对细胞核内遗传物质的研究，人们相信，生命活动可以还原为生物大分子层次上的化学变化。总之，原子论已经广泛深入到现代科学的方方面面。

原子论之所以能随着自然科学的发展而复兴，主要有以下几个方面的原因。

1．原子论符合感觉经验的常识。在日常生活中，我们发现周围的事物都是分立的，每个事物与其他事物都有一个确定的界限。虽然经验告诉我们，不同事物之间存在着某种必然的联系，事物之间的变化会相互影响，但我们还是确信每个事物首先是独立存在的，然后才有事物之间的联系，一个事物消失与否并不影响其他事物的存在，因为每个事物存在的根据在于其自身内部。再加上一个大的物体可以分割成一些小的部分，进而可以粉碎成更小的颗粒，所以不需要太高的哲学天赋，不需要进行艰深的理性思辨，很自然就会得出世间万物都是由某种粒子组成的观念。原子虽然也超出了人们的感觉经验之外，但它要比理念论、道论、元气论等容易理解得多。现代科技手段日新月异，然而分子、原子、电子等粒子的存在也只是间接的被证实，但原子作为物质的组成单元是不言而喻的。相反，古人强调“道”、“元气”是他们自身通过修炼身心的实践而直接体察到的，却被认为是不科学的，是主观虚构的产物。

2．原子论与唯物主义的基本主张相吻合。世界是客观存在的，万物不依赖于我们的意识而存在，也不是由上帝或绝对精神创造出的。爱因斯坦也认为，离开知觉主体而独立存在的客观世界是一切科学赖以存在的前提。而原子论把不依赖我们感觉的独立存在的原子看做世界的本原，原子的客观存在也就保证了世界的客观实在性，原子是事物属性和运动的物质承担者。在关于世界本原的学说中，唯有原子论最能体现世界的物质性。列宁就把唯心主义与唯物主义之间的斗争描绘为“柏拉图和德谟克里特的倾向或者路线的斗争”。

3．原子论适宜于建立数学模型。近代自然科学是数学精神和实验方法的结合，一方面强调经验的实证，反对空洞的思辨，另一方面强调数学的定量描述，科学家们相信大自然这部奇书是用数学语言写成的。数学在近代科学的发展过程中起着举足轻重的作用，能否进行定量的描述、计算和预测，是一门科学是否走向成熟的标志。而原子论恰好符合近代自然科学这一内在要求。既然隐藏在各种现象背后的是某种粒子的运动，那么就能很方便地建立数学模型，写出方程式，把宏观的现象与微观粒子的运动联系起来。例如在热力学中就把温度、压强等宏观物理量与分子的运动联系起来；在化学中通过阿弗伽德罗常数把宏观物体的质量与微观粒子的数目联系起来。半导体理论、超导体理论、金属电子论、光电效应方程等都是基于某种粒子的运动而建立了描述物理现象的数学方程。而与原子论对立的整体观理论显然不能适应定量描述这一要求，无法建立数学表达式。

4．原子论的自然观与现代科学的方法论具有内在的一致性。整体论的自然观强调世界的整体性和万物之间的统一性，强调事物之间的共性，而忽略事物的个性，强调同一而忽略差别，在研究方法上重综合而轻分析，重思辨而轻实验。而原子论立足于事物的分立性，强调事物之间的差别和每个事物的特殊性，通过实验来研究每个事物的性质，对研究对象进行分割。观察与实验在原子论的世界图景中有了用武之地。原子论者坚信，世界的多样性是不能用一个共同的本原来说明的，必须摆脱直观性、思辨性和主观猜测，应该具体情况具体分析，通过亲自实践变革对象来认识对象的属性，不断地对对象进行分割，从而认识事物的内部细节。

德谟克里特的原子论也包含着矛盾。在德谟克里特的原子论中，虚空占有重要的地位。德谟克里特认为本原不可能是“一”，而是“多”，否则不能解释世界的多样性。世界既然是无限多的原子组成的，物质是不连续的，唯有虚空才能把众多的原子分隔开。此外，原子是坚实的，无间隙的，是不可分割的最小单位，与外界有一个确定的界限，而德谟克里特假设虚空存在，就是为原子设定一个边界。原子内是坚实的“有”，原子外是空虚的“无”，原子与虚空相互依存。假如虚空不存在，作为个体的原子也不存在了，世界就是一个连续的致密的整体了。

此外，德谟克里特假设原子是不断运动的，世间万物变化多端，就是原子的运动产生的。虚空不仅为原子设定边界，还为原子的运动提供场所，原子在虚空中永不停息的运动。德谟克里特的虚空正如牛顿的绝对空间一样，还是衡量原子运动的绝对参照系。

虚空在原子论的体系中举足轻重，亚里士多德正是以虚空为切入点批判原子论。在德谟克里特看来，运动必然需要以虚空的存在为前提，如果到处都充满物质，就没有空间来容纳物质的运动。而亚里士多德的看法正好相反，亚里士多德认为，如果虚空存在，运动恰恰不能发生：“如若有虚空，任何事物就都不可能被运动。因为正如有些人以大地看来是相同的便断言它是静止着一样，在虚空中的事物也必然是静止着的；因为在虚空中，不存在事物的被运动更多地趋于这里而更少地趋于别处的那种地方，既然虚空作为虚空是没有差异的。”1亚里士多德认为认为差别和对立是运动存在的前提，“凡是没有对立面的事物，都不会有运动。”2空无物质的虚空中是绝对均匀的，原子在一处和另一处没有任何差别，虚空中也没有位置，原子在虚空中的运动完全是虚构的。此外，虚空中也表现不出方向的差别，亚里士多德认为在虚空中物体没有理由只向这个方向运动而不向那个方向运动，“事物就应该在一切方位上被移动了。”3

原子论在哲学史上几乎没有什么影响，因为原子论与哲学的主流观念相违背。哲学作为科学之母，把探索世界的统一性和普遍规律作为自己的根本任务。中外哲人都相信万物同出一源，尽管事物复杂多样，但它们都是由一个共同的本原演化产生的，或者是同一本原的外在展现，如“道论”“元气论”“理念论”。本原是超越时空的，它贯穿于万物之中，或者说在时空中是均匀、连续分布的（以太就是古代本原学说在近代自然科学中的延伸，以太均匀分布于空间中，是作用力和电磁场的载体）。本原是万物存在的根据，而它自身是不依赖于他物而独立自存的。而在原子论中，原子作为万物的共同本原，与外界有一个界限，这样，原子在空间中的分布是不连续的，原子就没有把整个空间充斥起来，没有把空间包含在自身之内。相反，原子依赖于外在的虚空而存在，不是独立自存的。所以，在古人看来，原子不配充当世界的本原。

其次，古人认为本原是自相同一的，不存在任何矛盾和对立，是“一”而不可能是“多”。虽然也有阴阳五行说，以及四元素说，但它们都不是组成事物的实体性物质，而是事物整体变化过程中展现的不同环节和不同性质。而原子论认为作为世界本原的原子的数目是无限多个，这显然是难以接受的。此外，原子论的世界图景把世界分割成无限个独立存在的原子，由不同原子组成的不同事物之间都是相互独立的，这与哲学史上把万物看做是相互联系的整体的主流观念不符。

二、原子论与物理学

原子论对物理学理论的发展起着巨大的推动作用，从经典力学、热力学和统计物理学、电磁学、光学，到原子物理，原子论的观念渗透到物理学的每一个分支中去。原子论曾经与热质说、电流体说、以太说、波动说等反原子论进行过激烈的斗争而逐渐在物理学中取得统治地位的。

1.热质说与唯动说

在热力学发展的早期，热质说在热学领域一直居统治地位，就连破除燃素说的拉瓦锡也是热质说的信奉者。热质说认为热是由渗透到物体当中的所谓“热质”构成的，热质是一种没有重量的流体。拉瓦锡甚至把“热质”列入化学元素表中，瓦特、卡诺等也都是热质说的追随者。热质说能够解释大部分热学现象。例如，认为物体温度的变化是吸收放出热质引起的；热传导是热质的流动。
热质说在解释摩擦生热时遇到了困难，热质说受到了质疑。随着能量转化和守恒定律和热功当量定律的发现，人们意识到，既然热和功之间能发生转化，热的本质也可能是由于某种运动而产生的能量。这种观念与物质结构观念结合，分子运动论就应运而生了，分子就是这种运动的载体，热现象是分子无规则运动的表现形式。

按照热的唯动说，热量的传递并不依赖于某种实在的物质的流动，分子之间通过碰撞把运动速度和动能传递出去，就能实现热的传递。唯动说相对于把事物的属性归结为某种实在的物质的那种形而上学的观念，是进步的。唯动说战胜了热质说，也显示了原子论的革命性的一面。但是，热的唯动说虽然把热看做是因运动而产生的能量，但这种运动还是依附于分子这种物质的，还是以某种物质的运动来描述事物的属性，没有真正克服物质实体观的束缚。把温度归结为物体内部分子之间的相对运动关系（混乱程度），而这种关系是外在于分子的，没有把分子包括在自身之内，所以温度作为一个统计概念，只适应于宏观物体，而不适应于微观粒子，即一个物体具有温度，但不能说组成物体的分子具有温度。正像把引力子作为传递引力的媒介，那么万有引力定律就不适用于引力子自身，只能假设引力子没有质量或其他原因不产生引力作用。假如引力子之间也有引力，又是通过什么粒子来传递的呢？

把一块烧红的铁放到冷水中迅速降温，则铁块的硬度增加而韧性减弱；如果缓慢降温则铁块的韧性增强而硬度下降。两个过程之间的初始温度和末温度都相同，但结果不同。一般认为铁块的性质不同，是因为它们内部的晶体结构不同，但这用热的唯动说是无法解释的。按照分子运动论，只要最后两块铁的温度相同，其内部分子运动的状态也相同，不会表现出差异。其实事物的任何属性都是在与其他物质的联系中表现出来的，温度也不例外。物体的温度表现在与周围物质的联系上，例如热辐射就是其表现形式。铁块经历不同的降温过程，经历了与周围介质的不同相互作用过程，那么结果不同就在情理之中了。如果孤立地去看待一个物体的温度，那么温度变化的过程就失去了意义。

热的唯动说的局限性在于它没有从物体与他物的联系来理解温度这个属性，而是把物体孤立起来，从物体内部的组成粒子的运动来认识温度，把温度看做是物体独立自在的属性。其实把温度归结为物体内所有分子的相互运动关系，就已经隐藏一个绝对空间作为衡量所有分子运动的参照系，所有分子相对绝对空间运动而建立联系。这样时间也只是变化之外的一个参数了。所以，根据分子运动论，得出铁块的最后性质与经历的时间过程无关的结论。

在电磁学中，电场强度的大小只能通过电场对处于场中的电荷的作用力的大小来衡量。同样，物体的温度的高低也只能通过它与外界物质之间的热辐射来衡量。物体温度不同，其辐射的总能量和能量在不同频率之间的分布都是不同的，通过这就能反映物体温度的高低。

2.光的波动说和微粒说

在光学发展史上，关于光的本质的波动说和微粒说进行了长期的争论，直到上世纪初光的波粒二象性把两者统一起来。微粒说和波动说都能对光的直线传播、反射和折射做出解释，但由于牛顿倾向于微粒说，由于牛顿的威望，以及微粒说符合牛顿的质点力学体系，微粒说在和波动说的较量中占据了上风。后来托马斯·杨和菲涅尔在研究光的干涉和衍射时恢复了惠更斯的波动说。微粒说在解释光的干涉、衍射现象时遇到了困难，再加上实验测得光在水中的传播速度小于在空气中的传播速度，这与微粒说的预测正好相反，光的波动说又战胜了微粒说。爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，认为在研究光与物质的相互作用中光的粒子说更能做出圆满的解释，并以光量子的假设为基础解释了光电效应现象。从此，光被认为兼具波动性和粒子性。

经典的光的波动说认为光是均匀的以太介质的振动，光源并没有辐射出粒子或其他物质，通过以太的振动就把能量传播出去。光的微粒说认为光是光源辐射的粒子的运动产生的，光子承载着光的能量。自从相对论否定了以太后，电磁场不是以太的振动形式，而是物质的另一种存在方式，电磁场是独立在空间中传播的物质。光也是一种电磁波，是一种独立存在的物质，不需要以太或其他介质作为中介。在光的波粒二象性中，光的波动性表现在光子的运动方式上。所以，光的波动性其实是依附于粒子性的。

光的波动说倾向于把自然界看做一个整体，均匀的以太介质把事物联系为一个整体，通过以太的振动光源就把能量传递出去，不需要借助于光子等实体性物质的运动。而光的粒子说倾向于把事物看做是独立的存在物，光源把光子辐射到空间中，物体只有吸收了光子后才获得了能量，光源与物体之间是通过光子这个中介才发生作用的。在热力学中，热的唯动说认为分子通过碰撞就能把运动和能量传播出去，而热质说认为热的传递需要通过热质的移动来实现，原子论在热学中表现出了革命性。但在光的微粒说中，这种物质组合的观念显示出了保守性，因为能量和相互作用必须通过光子的机械运动来实现。

按照现行的光学理论，光的传播是通过光子的运动来实现的，所以，光的传播不需要介质，介质反而会阻碍光的传播，光在真空中的传播速度最大。其实亚里士多德两千多年前就批判过类似的观点：在绝对空虚的空间中，既无差别，也无方向，根本不存在运动。假如真空真的是没有任何物质的虚空，那么光在真空中是不能传播的。

黑格尔对光的粒子说持批判态度：“如果有人试图设想光是什么，它必须去掉全部有关组合之类的规定。那种认为光是由微粒组成的物理学，同那种建造起没有窗户的房屋，想把光装到口袋里的人们的行径相比，并不见得更妙。光束无非是一个方便的词汇。”4按照光的微粒说，物体发生或辐射出独立存在的光子，我们看见一个物体是因为有许多光子进入到眼睛中引起神经的兴奋。假如这样的话，那么我们看物体的过程完全是被动的、单向的接收光，没有一点主动性可言。黑格尔说：“光在照射到物质上，使物质成为可见的东西……因为可见的对象是为他物而存在的，因而是与他物相关联的；这就是说，对象的这种可见方面是存在于他物中，光不是存在于其自身，而是存在于他物中；因此，各个对象这时是存在于他物中，而这正是光的反射。当太阳发光的时候，光是为他物而存在的。”5黑格尔认为，物体并不是反射出独立存在的光，物体对光的反射的本质就是该物体与其他物质的相互作用和相互映衬。我们看一个物体时，是把该物体放到一个物质背景中，所得到的图像就是其他物质对该物体的映衬的结果。

黑格尔的认识是非常深刻的。在日常生活中我们都有这样的经验：一个物体呈现给我们的图像，不仅取决于该物自身，还受其背景物质的影响。一个物体距离我们越远，看起来越小，就是该物体在更大范围的背景中映衬的结果。两个人身高相差几厘米，他们站在一堵墙面前，几乎看不出身高的差别；如果他们一起并列行走，把他们投射到远处的背景中，就能显著看出他们身高的差别。假如我们看见物体是因为该物体发出独立的光子进入眼睛中，那么视觉的发生就与背景物质无关，即使物体离我们的距离增加，也只会影响我们接受到的光的强度进而可能影响视觉的清晰度，但物体的大小是不会改变的。这种看法显然与经验不符。在黑格尔看来，假如我们眼前只有一个物体而没有其他背景物质存在，我们是看不见它的，因为没有物质和它发生作用。在环球时报的一篇报道中，一位原苏联的宇航员纠正说在太空中是看不见星星的。假如我们看见星星是因为它发射出独立的光子进入我们的眼睛，那么在太空中几乎没有大气的阻挡，应该会更清楚地看见星星。其实，我们在地面上能看见星星正是因为地面上空的大气物质。

假如光是粒子流，光源辐射出光子后，光子就不依赖于光源而独立在空间中传播，即使光源某时刻消失，发出去的光子会继续运动，光的传播是单向的，不存在向光源的反馈作用，就像关闭水闸水渠中的水会继续流动一样。在宇宙学中，根据现在接收到的光线的频率和强度而推测该光线是多少年前的一颗星星爆炸后的遗留物。其实，任何变化都是不断返回自身的，光在向前传播的同时也在不断反馈到光源本身。“光在空间里的限定，仅仅应该被视为光在自己的方向上所受到的一种阻滞；如果割断光与中心物体的联系，光就不会存在。”6黑格尔认为光是光源与其他物质之间的内在联系，并且联系是双向的，既然光源消失了，光也不存在了。这类似于电路中的电流在关闭电源后会立刻消失一样。

在颜色的成因方面，黑格尔追随歌德的颜色说。因为光不是独立存在的某种物质，那么牛顿认为白光是由七色光组合成的观点显然是错误的。黑格尔说：“光本身是不可见的，在纯粹的光里就像在纯粹的暗里一样，我们什么东西也看不到……只有界限才包含着否定的环节，因而包含着规定的环节；只有在界限内才有实在性……光只有与暗对比，把自身作为光区分出来以后，才能把自身显现为光。”7黑格尔认为我们看到的物体的颜色，不是附属到光上的，明与暗是在事物的相互联系中得到规定的，颜色就是明与暗的一种关系在视觉中的反映。各种颜色既然都是存在于事物的联系中，它们就会相互转化，而不是相互混合的关系。

通常认为光本身具有热量，对此黑格尔同样有独到的见解：“地球上的光大多数都与热结合在一起；太阳光也确实是热的。但这种热并不属于太阳光本身，而是太阳光在射到地球上的时候才变热的。像攀登高山和气球飞行所表明的，太阳光本身是冷的。”8按照光的粒子说，光的能量通过光子传递，物体接收了光子，也就获得了光的能量。物体接收的能量完全取决于光源单位时间辐射的能量。而黑格尔认为，光既然是光源与物体之间的作用，那么这个作用就是双向的，既受光源影响，也受物体自身性质影响。所以光本身并不具有确定的能量，热量是光与物体结合过程中才释放的，物体自身的状况不同，吸收的能量也是不同的。

一般认为四季的更替是太阳光照射的角度的变化造成的。在我国民间，更多的是以阴阳二气的变化来解释四季的成因。冬至以后，阳气生发，地气开始上升，使气温上升；夏至以后，地气开始下降，天气也逐渐变凉。也就是说，地球在公转轨道的不同位置，地球南北半球的物质会随之发生变化的，它会影响地面对太阳光能量的吸收。黑格尔的观点与古人具有惊人的一致性。黑格尔说：“假使最热的天气和最冷的天气仅仅是取决于这种量的差别，取决于太阳的辐射，那么它们就应该出现在六月夏至和十二月冬至的时节……重要的方面是质变，即地球自身的紧张关系以及地球与大气的相互紧张关系。”9所以，除了太阳直射的角度以外，地球自身物质的变化也是四季更替的重要原因。

3.阴极射线的粒子说和以太说之争

哲学观念的不同会在自然科学的研究中得到反映。正像对光的本质有着波动说和微粒说之争一样，在对阴极射线的早期研究中，同样有波动说和粒子说两种截然对立的看法。英国是经验论的故乡，强调个体性、分立性，英国科学家瓦尔利、克鲁克斯、舒斯特等认为阴极射线是带电粒子流；德国秉承欧洲大陆的理性主义传统，强调整体性、连续性，德国科学家盖吕克尔、戈德斯坦、赫兹、勒纳德等认为阴极射线是以太波。英国学派和德国学派争持不下，并且都找出了不少证据证明自己的理论。英国科学家汤姆孙经过系统的研究，断定阴极射线是带电粒子流，并测出了该粒子的荷质比，而且认为这种粒子是组成物质的基本粒子，后来被称为电子。汤姆孙也被认为是电子的发现者，电子不仅是物质的组成成分，还是电的基本单位。

汤姆孙主要有以下证据：一、直接测得阴极射线带负电，并且在静电场中偏转；二、根据阴极射线分别在电场和磁场中的运动轨迹测算出微粒的荷质比；三、阴极材料不同，试管中残留气体不同，阴极射线的性质不变，测得的荷质比也不变，证明这种粒子的存在是普遍的；测得光电效应中阴极的辐射、爱迪生热效应都和阴极射线的性质一样。

其实，阴极射线能使物体带负电，阴极射线在电磁场中的偏转以及阴极射线性质的普遍性都不能直接证明它就是电子流。如果阴极射线是电磁波，它在电磁场中传播时也会受到电磁场对它的作用，例如在法拉第效应中，偏振光在磁场中传播时偏振面发生变化。如果电磁波的频率较低，也可能会在电磁场的作用下产生明显的偏转。汤姆孙的看法之所以获得承认，很大程度上在于他对阴极射线进行了定量的描述，测得了所谓的电子的荷质比。汤姆孙是这样测量的：首先给阴极射线同时加上电场和磁场，使电场力和磁场力抵消，根据qE=qvB，推导出速度，再单独加上磁场，测得阴极射线的偏转半径，根据mv/qB=R，就可以算出荷质比。

汤姆孙在这个过程中以洛仑兹力公式F=qvB为基础，按照洛仑兹的电子论，带电粒子在磁场中静止时不会受到磁场的作用，当它运动时，就会受到垂直于运动方向上的洛仑兹力。洛仑兹力F=qvB是从安培力F=BIL中推导出来的，前提是承认电路中的电流是分立的电荷的运动，把通电导线受到的安培力还原为导线中所有电荷受到的洛仑兹力之和。然而这个假设是有问题的，在电学中，电流的单位是基本的，电量是由电流推导出来的。安培力是直接基于实验，而洛仑兹力公式是理论推导出来的，没有得到实验的直接印证。所以，洛仑兹力的合理性是值得反思的。

在电学中，连续和分立的观念经过几次交锋，最后才由洛仑兹的电子论把连续的场和分立的电子结合起来共同描述电磁现象。通过对摩擦起电现象的研究，人们发现两种不同性质的电，并且同种电相斥，异种电相吸，并把两种电称之为玻璃电和树脂电。杜菲以二元电液理论来解释两种性质的电荷，认为物体带有不同性质的电，是因为具有不同性质的电液。后来富兰克林发现异种电荷可以相互抵消，经过研究，他提出了单元电液理论，把玻璃电和树脂电分别称之为正电和负电。他认为带有某种电液的物质带正电，缺少某种电液的物质带负电，电液只能从一个物质转移到另一个物质，不会创生，也不会消失，自然界的电量是守恒的。法拉第在对电解现象的研究后，提出了电解定律。由于当时道尔顿的原子论已在化学中获得承认，既然物质是不连续的，在电解实验中，物质的化学反应伴随着电流的产生，那么电也应该存在着一个基本单位。从此，离散的电荷概念开始取代连续的电流体的概念。但法拉第在提出分立的离子的同时，还提出了连续分布的场的概念，后来，麦克斯韦建立了统一的电磁场理论，把以太介质作为电磁场的载体，以以太的振动来说明一切电磁现象。在麦克思维的电磁场理论中，连续的场才是根本的，分立的电荷只是一个辅助概念，是一个方便的词汇。但麦克思维的电磁理论在解释电磁波在物体界面发生的反射、折射等问题时遇到了困难，洛仑兹提出了电子论，认为场和分立的电子都是实在的，当电磁波与物体发生作用时，是外部连续分布的电磁场和物体内部的电子相互作用的结果。

其实，分立的电荷概念带来的一个首要问题就是电场的发散问题。电子既然是点状的粒子，它与外界就有一个确定的界限，电子在其周围产生出电场，根据库仑定律，离电荷距离越小的区域，电荷产生的电场强度越大，那么在电荷的边界处的电场强度就会趋向于无限大。此外，电流本身是一个循环的回路，如果把电流归结为分立的电子的运动，那么只要电子沿着导线直线运动就会产生电流了，不必返回到起点。在铜棒、锌棒和盐酸组成的原电池中，我们认为锌棒中的电子通过导线经铜棒而被溶液中的氢离子获得，从而在电路中产生电流，铜棒附近的两个氢离子结合生成氢气，电子并没有形成一个回路。可是，为什么氢离子不直接与锌发生反应而获得电子呢？既然锌棒中的电子到达铜棒附近时运动就结束了，假如用绝缘材料插入铜棒和锌棒之间，把溶液分成两部分，还会有电流产生吗？如果用导线把锌棒与另一个原电池的铜棒连接起来，导线中并没有电流，这就像手电筒中的两节干电池正负极串联起来，只要关闭开关，分属两节电池的正负极电荷并不会中和，即一节电池中的电子并不会运动到另一节电池中而参与化学反应。电池产生的电流是化学反应的结果，但如果根据化学原子论，两种物质的反应是电子的转移，电子（在库仑力的作用下）从一种物质转移到另一种物质时，有一个起点和终点，电子的运动没有形成一个循环。可是电流的本质在于封闭的循环，是返回自身的。我们可以假定电池负极的电子在化学结合力的作用下经导线到达正极，但电子到达正极后，化学力的作用已经结束了，如何说明电子从正极经电池内部又回到负极而形成一个循环呢？自然界的各种力都是直线性的，从一个事物指向另一个事物，没有返回自身，不能使电子产生一个循环的运动，把一个外在的力加到电子身上，用分立的电子的运动并不能真正说明电流的本质。

既然电流不能还原为电子的机械运动，也就不能把安培力还原为洛仑兹力。汤姆孙以洛仑兹力公式为基础测得的所谓荷质比也失去了基础，不能断定阴极射线是粒子流。然而洛仑兹电子论的影响早已超出了阴极射线的研究领域，它不仅在电磁学中重新确立了分立的电荷概念，还间接地把这种不连续的观念带入到了现代物理学中。从汤姆孙把阴极射线归结为电子的运动开始，物理学就在原子论的道路上越走越远：汤姆孙把电子看做是原子的组成成分；α射线的散射实验确立了原子的有核结构模型，由于电子带负电，所以认为原子核带等量的正电，并把正电荷归结到质子上；把元素发射的光谱线归结为原子核外的电子的运动；玻尔把量子论引入到原子结构中；为了维持原子核的稳定性，科学家们认为核子之间存在着强相互作用力，并认为这种力是核子之间交换介子产生的，其他三种基本作用力也是交换某种粒子产生的……量子力学以粒子来解释自然界中发生的各种现象。尽管波动力学的提出者薛定谔本人反对哥本哈根的正统解释，但并没有阻止不连续的量子观念在物理学中的广泛渗入。

量子力学并不能对许对现象做出圆满的解释。在量子力学的初期，科学家认为电子是原子内的基本组成成分，量子场论的创立，由构成论过渡到生成论，认为电子并不是原子内的的固定组成单元，而是在一定条件的激发下，依托真空的能量背景而产生的。在对光电效应和康普顿效应的解释中，前者认为光子被电子完全吸收，电子既不能吸收一个光子的部分能量，也不能吸收两个或以上光子的能量，后者认为光子与电子发生机械碰撞。同样是电子与光子之间的作用，作用方式完全服从科学家解释实验的需要，并且在解释中还充斥太多的主观假设。后来，科学家又研究得出电子本身不占有空间，既然电子之间都不会发生碰撞，电子又怎么能和光子碰撞呢？一个理论如果包含了太多的假设作为前提，那么它的科学性和合理性就值得怀疑了。
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