牛顿力学的启示：相对论百年故事

谈到物理，大家都会想到牛顿。牛顿所完成建构的力学体系是理论物理的第一座基石，甚至曾被视为一切科学理论以及任何人类可靠知识的典范。力学要描述的是运动，运动就是一个物体的空间位置随时间的改变。所以描述运动不能不先描述时空；要对运动有一定程度的理解，不得不先对时空有一定的认识。牛顿力学的时空观是什么？它又从何而来？在牛顿的理论里面他告诉了我们吗？事实上，在牛顿的力学定律里，有一个清晰的空间概念，该概念在他的力学理论结构中有着关键的角色。牛顿的时间概念可以算是直观的，它是完全独立于空间的。

为什么牛顿的时间概念“可以算是直观的”？那空间呢？我要说牛顿的空间概念不怎么可以算是直观的吗？“可以算是直观的”又是什么意思？是指牛顿的时间概念也不完全是纯直观的吗？何谓直观？直观的就一定是对的吗？反过来说，违反直观的就一定是不对的吗？

何谓直观？思维可分为形象思维和抽象思维，物理中的所谓直观，应属形象思维，是直接的，如有“形”可“观”的“事物”。然而，单纯的直观没有精确内容。本文中我们谈的主要是物理概念的直观性。物理学中如时间和空间等的一些概念，听来都只是纯直观的，日常生活中的概念，在个别物理理论中却被赋予了额外的精确数学内容，这些精确内容作为物理概念的直观性以及正确性必须被小心检视。数学哲学中的直观主义者认为数学活动是直观的，那是指（抽象）数学推理的正确性判定，与我们谈物理概念无关；事实上，他们倒是认为数学的正确性，基本上是全然独立于任何物理事物的。

大家都知道有时间、有空间，都觉得大概知道时间、空间是什么；重点就在“觉得”与“大概”二词。直观像一种感觉，它是大概的、含糊的，而不是清晰精确的；感觉因人而异，“直”不“直”要看是谁在“观”。对一个数学家或一个物理学家而言属于直观的东西，对一般人来说不见得直观。这超出一般的直观能力和感觉，是可以通过训练而获得的。因此，我们可以说直观有一般自然并接近于常识的，以及通过训练而来的两种。显然，前者才是我们在讨论一个物理概念的合理性时，值得参考的自然的直观；而后者的获得，是学有所成，增长了我们对某些抽象理论的领会，却往往成为我们寻找及认识新理论的障碍，一个我们必须跳出的框框。当然，常识本身也有由特定文化的“训练而来”的偏见；现代科学主要来自西方，许多西方文化传统的偏见，也渗透其中。(www.xing528.com)

如果仅凭简单自然直观可以深入认识宇宙万物，我们就不需要抽象思维，不需要语言。抽象思维就是符号思维，语言即是一种用于思考与沟通的符号系统；数学作为精确的符号系统，是理论科学的语言。自然直观基本上错不到哪里去，正因为它是含糊而不直接联结到任何抽象思维的，并因此可以跟各种抽象内容兼容。包含特定抽象内容的概念，则最多只能属于通过训练而获得的直观。

我在上面讲了那么多有关“直观”的讨论，目的在于指出大多数物理学者以为牛顿力学的好些概念是自然直观的，却忘了它有着一些特定的抽象理论及数学内容。我们的接受数理训练也许让我们觉得这些抽象数学内容非常直观，然而它只是牛顿物理的偏见，或是往昔的思维局限。该偏见早已成为近一个世纪以来我们理解量子物理的一大障碍，遑论量子时空。源自西方数学与科学传统的牛顿力学时空观，包含抽象几何的内容。几何本来就是研究空间性质的数学。在牛顿的时代，人们只知道欧几里得几何；牛顿认定物理空间为一个三维的欧几里得几何结构，并以它为一个背景舞台——物体在该空间中运动，而空间完全不受影响。所有这些都应当接受挑战，空间的几何性质以及它在运动中，在物理中的角色，必须通过实验来回答。从这个角度来说，爱因斯坦的相对论已经为后牛顿时代的经典物理学引进了许多修正，在解释无数微观尺度实验结果非常成功的量子物理时，则遇到了尚未得到妥善全面回应的巨大挑战。