机械自然观在现代科学中的命运（机械观人类科学史的重要思想）

机械自然观在现代科学中的命运（机械观人类科学史的重要思想）一般所说的「机械观」，指的是从伽利略之后到十九世纪末期这个阶段内，科学界所公认的一种世界观念。它在热力学，混沌理论和量子力学等新的理论出现后，才从前沿科学的舞台上谢幕。值得一提的是，退居幕后「机械观」并没有消亡，而是成为讲解科学思想、进行科学教育的最佳素材，因此在中学以下的教材上大放异彩。在这只神奇怪兽的背后，其实是一种思想，一种当时科学界对世界认识的基本观念——我们现在称之为「机械观」。之所以在传递科学思想时用怪兽和趣闻进行包装，这只是物理学家小小的浪漫罢了。对于这只怪兽来说，没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在它面前——它可以通晓过去、现在和未来。拉普拉斯为什么会有这样一只怪兽出现？

“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。——拉普拉斯

01神兽降临：拉普拉斯兽

1814年，法国数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在他的《概述论》中创造了一只奇妙的怪兽，这就是物理学四大神兽之一的“拉普拉斯兽”。

拉普拉斯兽—想象图

这只怪兽法力无边：首先，它能够知道某一刻宇宙中所有所有物质的位置和动量；其次，它还能够对这些数据进行分析，从而根据简单的牛顿力学，推导万物未来的发展和反推万物过去的状态。

对于这只怪兽来说，没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在它面前——它可以通晓过去、现在和未来。

拉普拉斯

为什么会有这样一只怪兽出现？

在这只神奇怪兽的背后，其实是一种思想，一种当时科学界对世界认识的基本观念——我们现在称之为「机械观」。之所以在传递科学思想时用怪兽和趣闻进行包装，这只是物理学家小小的浪漫罢了。

02初识「机械观」

一般所说的「机械观」，指的是从伽利略之后到十九世纪末期这个阶段内，科学界所公认的一种世界观念。它在热力学，混沌理论和量子力学等新的理论出现后，才从前沿科学的舞台上谢幕。值得一提的是，退居幕后「机械观」并没有消亡，而是成为讲解科学思想、进行科学教育的最佳素材，因此在中学以下的教材上大放异彩。

那么，到底什么是「机械观」？

爱因斯坦认为，亥姆霍兹在19世纪中叶把「机械观」的内核表达的最为清楚：

“物理科学的任务，在我们看来，归根结底在于把物理现象都归结于不变的引力或者斥力，而这些力的强度只与距离有关。要完全了解自然，就得解决这个问题。”

即使这段描述在物理学上很清楚，但却依然让普通人心生不解。

亥姆霍兹

爱因斯坦提供了一种更为直观的描述，他认为「机械观」的理念，可以用如下的情景来说明：

“由于力学的伟大成就，甚至在显然不具备力学特性的学科中都能产生巨大作用，因此，让我们确信，用不变的、物体之间的简单的力，来解释所有的自然现象是可能的。”

这种“用不变的、物体之间的简单的力，来解释所有的自然现象”的观念，就是「机械观」。

如果还是没有明白，别着急，让宇宙君从「机械观」的产生根源讲起，带大家认识「机械观」的真正含义。

03「机械观」产生的根源

从古希腊哲学到现代物理学的整个科学历史中，不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系，也就是要找到整个自然哲学的基本原理。（这个描述是否听起来很耳熟？牛顿在1687年出版的经典力学奠基之作，就是叫《自然哲学的数学原理》。）

牛顿著作《自然哲学的数学原理》

这种追求，表现在几乎所有高质量的科学著作中，成为科学学家共同的追求。「机械观」就是这种追求的一个历史阶段性产物。

上面我们已经简单提到，这种观念形成于伽利略之后，兴盛于牛顿之后。但如果想追溯机械观的根源，那就要从两千多年前的原子论中去寻找蛛丝马迹。

「机械观」的产生有两个重要的基础，下面依次介绍。

重要基础之一：原子的假设

在2400年前，德谟克利特曾提出：

“依照惯常的说法，甜总是甜，苦总是苦，冷总是冷，热总是热，颜色总是颜色。但是，实际上，只有原子和空位。也就是说，我们惯于把感觉的事物当做实在的，但是真正说起来，它们不是实在的。只有原子核空位是实在的。”

根据流传下来的资料，德谟克利特通过对万物细分的逻辑推演，提出了原子的假设。他曾对自己的学生说：远山连绵一片，近看却是一个个大石头；大石头裂开，可以变成小石头；小石头碎了成为沙子；沙子碾碎成为灰尘；灰尘之后又是什么呢？——那就是原子。

德谟克利特

如今，我们已经确切的探测到了原子的存在，拍到了原子的照片，甚至能够“操作”一个单独的原子。但是，要知道的是，在当时的古希腊，直至2000年后的牛顿时代，原子都只是一个巧妙的想象和假设而已。

世界是由原子的小球组成的——由想象中的原子可以构建起来纷繁复杂的世界——这就是「机械观」产生的第一个重要基础。

重要基础之二：牛顿力学对世界现象的“统一”

原子如果代表了世界的物质性，那么「力」就是物质之间的相互作用。在多年的科学研究中，「力」和「物质」是理解自然的一切努力中的基本概念。我们不能想象这两个概念可以缺少任意一个——因为，物质总是作为力的源泉而作用于其他物质，并由此确证它的存在。

牛顿力学深层次的作用，是对人类世界观、宇宙观进行了重构，是对世界现象的“统一”。

首先，牛顿力学把所有的物质用“质量”的概念进行了统一。这一点类似于原子论把世界的本源用原子进行统一。这种统一，使质量成为物质性的唯一“本质”，惯性成为这一“本质”的外在体现。这种统一做的非常漂亮，在数学上也及其完美。

其次，也是更重要的一点，「力」的概念把相互作用进行了统一，用以替代物质间的一切关系。

我们的世界不就是“物质”和“物质之间的关系（力）”的集合么？牛顿提供了研究物质和力的基本理论，那么全世界不就尽在掌握了？

是的，的确如此！科学的大门由此敞开，科学时代因此到来，而且，前路全是坦途！

在这个基础上，使用“粒子 力”的方法去分析宇宙万物的「机械观」，也就应运而生。并且，在之后的200多年里，它率领牛顿力学的大军，一路高歌猛进，在科学的领域中开疆拓土，几乎占据所有科学家的思想阵地。

04「机械观」兴盛和其创造的奇迹

「机械观」从诞生之初就在物理学的研究中创造了无数奇迹。

利用简单的“粒子 力”的观念，很多艰深的问题得到了很好的解决——甚至这些问题表面看来，和力学没有一丝一毫的关系。下面举个例子。

「热现象」的本质

热学中最重要的概念就是“热量”和“温度”。

对于这两个概念的区分，人类曾经历了非常漫长的时间。最开始，人类认为热量是一种“物质”，从而提出“热质”的说法——当一个物体温度高的时候，它包含的“热质”就多；温度低的时候，它包含的“热质”就少。热质会从高温物体向低温物体流动，从而最终达到平衡。

这种说法并不能被「机械观」所容纳，因为没有「力」的概念出现。

“热质说”最终被证明是错误的，因为通过物体间的摩擦，可以几乎无限的产生所谓的“热质”——这是无法想象的。最后，还是要回归于“粒子 力”的说明。

在机械观的推动下，人类认识到，「温度」其实是粒子运动剧烈程度的体现，「热量」是这些组成物质的所有粒子的动能总和。

热的现象的本质：分子运动

利用这个模型，再使用牛顿定律，就可以完美解释关于温度的本质、热的传播、气体压强随温度变化等等一系列问题。而这些问题从表面来看，是和力学毫无关系的！

温度其实是一个力学概念？冷和热也可以用力学来解释？

「机械观」告诉你，不要惊讶，它就是这么全能！

05机械观的没落和启示

当“全能”的机械观在物理学的各个领域大放异彩的时候，危机也悄悄来临了。

在亥姆霍兹看来，科学的发展方向是早已被决定了的，并且应该严格按照这样一个呆板的途径运行：

“一旦把一切自然现象都量化成简单的力，而且证明自然现象只能这样来加以简化，那么，科学的任务就算终结了。”

对现在的科学家来说，这种观点是枯燥和幼稚的。如果我们所从事的巨大研究工作竟会这样迅速结束，从而便确立了永远正确的宇宙图景，那么结果是多么令人不可思议——从此，也不会有什么令我们兴奋的事情了！

但是，在「机械观」盛行的年代，人类中最顶级的科学家也都是这么认为的。物理学家因为经典物理学的伟大成就而感到满足，并开始憧憬物理学大厦的最终完成。

无独有偶，类似于亥姆霍兹的想法，在1900年，开尔文在迎接20世纪的物理学年会上说：“物理世界的理论大厦已经建立起来了！今后物理学家的工作就是在小数点之后再加上几位的零碎修补工作。”——这可以说是「机械观」最后的傲慢了。

开尔文

在拉普拉斯放出怪兽之后不到100年，热力学和量子力学等新理论的出现，就给「机械观」带来巨大的冲击。19世纪末，建立在不可逆基础上的热力学第二定律，让可逆性的「机械观」元气大伤；困扰人类百年的双缝干涉实验，预示了因果律在微观领域的失效，这给了「机械观」致命的一击；量子力学的出现，更让为「机械观」的死亡成为必然——「机械观」作为科学研究的先锋已经退出历史舞台。

但是，研究「机械观」是有重大意义的。

听惯了相对论，量子理论的普通人，已经把科学当成戏说和娱乐；在这个层面上来看，「机械观」所蕴含的理念，依然是大多数人能够触碰的科学思想的极限。了解掌握「机械观」的思想，依然是进行科学思维培养的重要及必要步骤。

往小了说，了解「机械观」，至少是一个科学爱好者必须要做的事情。

（完）

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