自然哲学基础分析
──“相对论”的哲学和数学反思
An Essential Analysis of Natural Philosophy
── The philosophical and mathematical reconsideration of relativity
杨本洛
上海交通大学 200240
科学史上经常碰到这样的情况，一些重大的问题似乎已经得到了解决，但是却又以新的形式重新出现。这也许就是物理学的一个特征。并且，某些基本问题可能会永远纠缠着我们。
—— Albert Einstein 1955.4.3（于逝世前两个星期）
内容简介
本书是以相对论及其相关问题为论述对象的专著。作者基于哲学和数学分析，指出由于忽视科学研究的物质第一性基本原则和破坏形式系统的抽象独立性，相对论深刻存在着形而上学和大量逻辑不自洽问题。本书强调，物理世界的不同特征，根本地源于物质存在自身的不同特征。本书为两种形式的物质实在，即有形实体和场构造了不同的形式表述，从而为“以太”的零漂移实验结果提供了物理解释。还针对包括“惯性系”、“Galileo相对性原理”、Newton力学体系等涉及自然科学基元概念中的认识悖论，以及对于对称性原理的恰当理解、大数粒子集合运动的有效性普遍法则等一系列问题独立提出了属于作者的观点。本书适合于哲学、数学、物理、力学以及其它自然学科领域中的科学研究人员、教师和学生阅读。
出版说明
本世纪之初，Einstein创建了相对论。这无疑是20世纪科学世界的一次最重大事件，为整个现代物理学的建立，以及现代物质文明和科学文明的实现作出了巨大贡献。但与此同时，从相对论诞生至今的近一个世纪，对于这个理论体系的争论也从来没有停止过。
上海交通大学杨本洛教授，努力遵循自然科学的物质第一性基本原则，以及科学陈述的逻辑自洽化基本原则，注重于理论研究的整体分析和历史分析，对相对论，以及对自Newton力学开始的若干相关自然科学基元概念，从哲学和数学两个方面进行了涉猎较为广泛的研究，提出了一系列属于他个人的原创性观点。他的这些观点是否恰当、完整，乃至是否正确，都需要人们在科学批判的再批判中得以检讨。
本书是以相对论及其相关问题为论述对象的专著。作者基于哲学和数学分析，指出由于忽视科学研究的物质第一性基本原则和破坏形式系统的抽象独立性，相对论深刻存在着形而上学和大量逻辑不自洽问题。作者强调物理世界的不同特征根本地源于物质存在自身的不同特征；为两种形式的物质实在即有形实体和场分别构造了不同的形式表述，从而为两种为“以太”的零漂流实验结果提供了物理解释；还针对包括“惯性系”、“Galileo原理”、Newton力学体系等涉及自然科学基元概念针对认识悖论，以及对于对称性的恰当理解、大数粒子集合运动有效性普遍法则等基本问题独立提出了一系列属于作者自己的观点。
人类的认识史，就是一部在认识不足和错误中深化着认识的历史。期望为了繁荣我国基础科学研究，促进不同学术观点争论的正常展开，以及为中华学者自立于世界科学之林作出贡献，本社能尽一点菲薄之力。
上海交通大学出版社
目 录
前言
0. 引言
1. 相对论中的逻辑不自洽
1.1 “相对论”中的操作性定义和理论体系的不唯一性
1.2 “相对论”时空变换所构造的逻辑循环结构
1.3 “Einstein时间膨胀”和“Lorentz长度收缩”所构造的逻辑悖论
1.4 孪生子佯谬
1.5 “相对论”试验检验中的循环逻辑结构
2. 光速不变原理的物质基础
2.1 “场”的物质实在性和几何无形性的辩证统一
2.2 光速不变原理的物理解释和恰当表述
3. 物质运动的客观性原则
3.1 物质运动的客观性及其演绎表述
3.2 运动相对性原理及其演绎表述
3.3 物理空间
3.3.1 物理空间的提出
3.3.2 物理空间、坐标系以及绝对运动的相对意义
3.3.3 物理学陈述的客观性和物理学哲学基础
4. Newton经典力学体系的重新诠释
4.1 对“惯性定理”的重新认识
4.1.1惯性定律的实验基础和Newton的实验哲学
4.1.2 “惯性定律”构造了循环逻辑
4.2 “力”和Newton第二定律的逻辑内含
4.2.1 Newton经典力学体系形式逻辑的一般分析
4.2.2 “力”的形式定义
4.2.3 Newton第二定律的普适意义及相应诠释
4.2.4 Newton第二定律的确定论域
4.3 牵连力 ── 经典力学体系中的“表观力”
4.3.1 表观力的提出
4.3.2 通常的几种表观力
4.4 “惯性力”经典陈述中的逻辑不自洽分析
4.4.1 惯性力经典陈述中论体不同一问题
4.4.2 表观力的物理真实性
4.5 “力”的经验表述
4.5.1 引力
4.5.2 弹性力
4.5.3 摩擦力
4.6 力的叠加原理和物质集合可加性的辩证统一
4.6.1 力的叠加性原理
4.6.2 物质集合可加性原理和为物质对象所决定的抽象几何空间
4.7 “绝对空间”和“力”有限真实性的辩证统一
4.7.1 关于“绝对运动”的历史争论
4.7.2 绝对空间的相对意义和确定物质属性
4.7.3 “力”的有限真实性和“绝对运动”的辩证统一
4.7.4 物质运动分析中同一化背景的有限合理性
4.7.5 关于若干经验事实的重新思考
4.7.6 关于“地球影响域”的若干思考和猜测
4.7.7关于绝对空间的简单哲学思考
4.8 动量与惯性
4.8.1 动量
4.8.2 惯性
4.9 Newton第三定律的普适意义和逻辑前提
4.9.1 作用力和反作用力互等原理的演绎表述
4.9.2 作用力和反作用力互等原理的普适意义
4.9.3 “作用和反作用互等原理”不是一个普适的物理学陈述
5. 相对性原理分析
5.1 “Galileo原理”的重新诠释
5.1.1 Galileo原理的经典表述
5.1.2 Galileo原理是一个不真的科学陈述
5.1.3 Galileo原理中的逻辑不自洽
5.1.4 Galileo原理的形式特征
5.2 力学相对性原理的重新诠释
5.2.1 相对性原理与平权性要求的非等价性
5.2.2 绝对运动与自然界特殊运动状况的非等价性
5.2.3 局部域中物理学测量的有限意义
6. 波动方程
6.1 波动方程的“经典相对性悖论”和Lorentz变换的最初提出
6.1.1 电磁学波动方程
6.1.2 Lorentz变换的提出
6.2 “狭义相对论”中的Lorentz变换
6.2.1 Einstein基本假设
6.2.2 对“以太”的否定
6.3 Lorentz变换构造了一个空群
6.3.1 Lorentz变换群为空群的物理必然性
6.3.2 Lorentz变换不是恰当的数学变换
6.4 “Maxwell方程经典相对性悖论”的不真实性
6.4.1 “Maxwell方程的相对性悖论”并不仅仅属于电磁场
6.4.2 波动方程的相对性独立特征
6.5 经典电磁场理论的几点反思
6.5.1 电磁场的导出
6.5.2 Maxwell方程的建立
6.5.3关于Michelson – Morley的实验结果的重新思考
7. 守恒定律和对称性法则的有限真实性
7.1 物理学陈述的形式特征
7.1.1 对于物理学陈述的两种对立认识
7.1.2 自然科学的有限真理性和物理学陈述的有限论域
7.1.3 形式表述平权性要求和客观性准则的逻辑同一性
7.2 质点动力学三大定理
7.2.1 经典力学的三大定理
7.2.2 对于质点三大动力学定理的分析
7.3 物质模型的真实化过程与理论体系的结构重建
7.4 质点系
7.4.1 质点系质心形式的动力学方程
7.4.2 质点系质心形式动力学方程中的逻辑不自洽
7.4.3 能量可加性及其实验基础
7.4.4 致密粒子系统动量方程和动量矩方程的同一性分析
7.5 刚体
7.5.1 刚体运动状况描述
7.5.2 刚体运动的动力学方程
7.5.3 关于刚体力学的若干补充讨论
7.6 三维流形中的连续介质模型
7.6.1 连续介质模型的形式表述和连续介质微元
7.6.2 连续介质的受力分析
7.6.3 连续介质动力学方程
7.7 保守力场和对称性
7.7.1 万有引力场的平权特征和物质基础
7.7.2 保守力场的存在条件
7.7.3 非保守力场的存在
8. 极大熵原理和极小熵增率原理
8.1 热物理学的研究对象和热力学第一定律
8.1.1热物理学所研究的物质对象
8.1.2热力学系统
8.1.3熵的抽象引入和经典热力学的基本逻辑结构
8.1.4经典热物理学体系的几个主要形式特征
8.2 熵的诠释
8.2.1熵的微观诠释和物理学陈述平权性
8.2.2作功能力的提出和熵的宏观解释
8.3 经典热力学中的熵的热力学第二定律
8.3.1 “熵函数”的历史构造过程及分析
8.3.2 经典的“熵增原理”
8.3.3 “平衡判据”──熵的极大值原理
8.4 经典热力学论域的重新界定──经典热力学论域的首次扩张
8.4.1 有限个平衡态下热力学系统的复合
8.4.2 热力学第二定律的一种等式表述形式
8.4.3 一个保持逻辑自洽的熵增原理
8.4.4 热力学功函数
8.5 经典热力学论域的再次扩张和熵的极大值公设
8.5.1热力学态的提出
8.5.2 Gibbs-Duhem方程的普适性和热力学平衡态的重新理解
8.5.3 熵极大值原理的基本公设
8.5.4宏观物质的粒子本质和宏观表象的不连续
8.6 经典热力学论域的第三次扩张和宏观运动的动力学分析
8.6.1局部平衡态假设
8.6.2 能量方程和耗散
8.6.3熵方程
8.6.4熵增原理
8.7 极小熵增加率公设──大自然最有效化法则
8.7.1宏观运动中宏观表象的间断
8.7.2极小熵增率公设的提出
8.8 Prigogine研究工作中一系列需要澄清的问题
8.8.1 “熵流和熵产”正名
8.8.2 “经典最小熵产生率”正名
8.8.3 “耗散结构”正名
8.9 统计力学哲学基础
8.9.1 统计力学同样存在有限论域
8.9.2 统计力学中的基本逻辑悖论
9. 自然科学研究中的基本原则
9.1 物质第一性基本原则
9.1.1 是“时空观”还是“物质观”的一次重大革命？
9.1.2 是否遵循物质第一性基本原则是整个自然科学体系亟待解决的根本性问题
9.2 逻辑自洽性基本原则和独立的时空表述
9.2.1 形式系统抽象性和物质第一性的辩证统一以及物理学中的量纲分析
9.2.2 形式表述的独立性和时空观的哲学辨析
9.2.2.1 Einstein“时空合一观”背离了物质基础
9.2.2.2 “时间和空间”的独立形式特征
9.2.2.3 “时空合一观”中的逻辑不自洽
9.2.2.4 “时间之矢”
9.3 公理化演绎体系和反对无穷演绎的错误倾向
9.3.1 公理化演绎体系是自然科学唯一恰当的形式表述语言
9.3.2 公理化演绎体系基本原则
9.3.3形式表述的有限论域
9.3.4 坚决反对自然科学研究中的无穷演绎倾向
9.4 科学研究中的大局观和历史观
9.4.1 科学研究中的大局观和公理化演绎体系有限论域的辩证统一
9.4.2 科学研究中的历史观和人类有限认识能力的辩证统一
9.5 科学道德和人与自然的辩证依存
9.5.1 自然科学必然蕴含的批判结构与科学人的批判精神
9.5.2 Einstein的科学道德是给人类留下的另一份珍贵遗产
后记
参考文献
附录
附1. 是“物质观”还是“时空观”的一次重大革命？── 全书概要
附2. 流体力学的变分原理
附3. 关于我国基础科学研究的若干思考
附4. 宏观力学的主要思考
附5 基础理论研究主要思想汇总表
前 言
本书原定名为“是时空观还是物质观的一次重大革命？——关于相对论的哲学和数学反思”，张天蔚先生以为书名过于具体，更象论文名称，遂改用现名。
哲学与物理学之间存在渊源深厚的联系。美国物理百科全书指出，物理学以前称为自然哲学。只是随着时间的推移，物理学包容了更多的特殊学科，形成物理学的专门学科领域。然而，以理解和解释自然现象作为物理学的根本目的，这个基本现状没有改变。因此，尽管本书讨论的内容，涉及如何描述物质运动这样一些最基元认识的逻辑自洽化问题，实际上是关于整个物理学所存在哲学基础的探讨。但是，从现代物理学所涵盖的庞大学科领域考虑，本书讨论的范围仍然十分有限，同时为了强调对于认识的认识溯源，故而以自然哲学基础为研究对象较为合适。
去年8月，上海交通大学出版社出版了我所写《理论流体力学的逻辑自洽化分析——源于“湍流”的哲学和数学思考》一书。在该书前言之上有这样一段话：
“伟大的Einstein一再声言“大自然是一本读不完的书”。许许多多的科学大师都以此作为自勉。但是，号称为Einstein相对论最为优秀的承继人，被称为当代奇才的Stephen W. Hawking却公开声言，人类对于大自然的认识已经可告完成，人类未来的科学研究仅仅是如何应用这些知识的问题了。或许恰恰因为Hawking曾经作出了重大成就和存在的巨大影响，我作为一个普通的研究者必须公开拒绝他的这一观点。我不仅认为这种观点是一种伪科学，而且在人类面临对于物质生活过度追求的今天，他的言论反映了当今科学世界中的一种思潮，对于整个科学事业是极为危险的。我同样相信，相对论和量子力学都不可能是人类认识的一种终极。对于狭义相对论有限论域和逻辑前提的研究，和对于任何一个科学体系有限论域和逻辑前提的研究一样，肯定仍然是需要的。笔者以为，在科学研究中，更为根本和可宝贵的恰恰是Einstein整个一生献身于科学的真诚和锲而不舍的精神。”
这段话大概地反映了笔者对当今科学世界不尽相同的基本认识，和对人类认识自然深化过程中的目前状态的一种深切担忧。当然，也间接地表达了笔者对“相对论”的不同认识。尽管当时对“相对论”的认识尚未象目前这样较为具体。但是，根据笔者学习“相对论”的体会和分析，当时已经形成一种逻辑判断，由于Einstein根本背离科学研究的物质第一性基本原则，他的“相对论”实际上深深地陷入了形而上学和逻辑不自洽之中。
Einstein在构建“相对论”的整个过程中，从来没有认真考虑他所研究特定物质对象的抽象特征和本质属性，考虑为他的理论体系建立一贯具有确定意义的有限论域问题。在“相对论”中，Einstein显然把“光速不变现象”作为整个理论体系的立论基础，但是他同样从来没有认真考虑这种现象存在的物质基础，为这个现象的存在作出理性的解释。“相对论”仅仅对“光速不变原理”构造了一种形式化的认定，但是相关的形式表述其实并不完备，相应缺乏明确物理内涵。在“相对论”中，Einstein把实验室中不具唯一性的操作性行为引入形式表述的理论体系，从而破坏了一个形式系统必须具备的纯粹性和独立性要求。
在对基础理论的学习、领会和批判性的认识过程中，笔者逐渐形成了一种认识：任何一个学科分支，乃至整个科学体系都是一个整体。因此，尽管对某一个问题可能已经构成一种具体的确定性判断，但是如果对研究对象以及它的相关论域仍然缺乏较为系统的研究，尚未形成一种较为完整分析的时候，一个局域性的分析往往不具本质意义。“相对论”和整个现代物理学密切相连，而囿于自身的实际经历，笔者对整个现代理论物理的了解，以及对“相对论”不同争论现状的了解都十分有限，加上从本人整个工作安排考虑，所以当时并没有进行对“相对论”进行较为系统研究的打算。当然，在已经因为对宏观物理中一系列重大基础理论方面提出批判而处于一种特别艰难之中的时候，笔者也心存疑虑，不敢公然把对“相对论”的不同看法昭示于众。
中国航天研究院的许少知研究员，长时间以来针对“相对论”在形式逻辑方面所存在的不自洽问题进行了深入探讨，并且取得了许多研究成果。当许先生得知笔者对“相对论”同样存有异见，并且在较详尽地翻阅本人近年出版的几本著述，对笔者科学研究中的一些基本观点以及对当代基础科学研究的现状深有同感的时候，他寄来了许多资料，并且提议本人充当拟议中1999年北京“香山科学会议”的会议发起人之一。笔者深知重新认识“相对论”在现代科学生活中的重大意义，以及这种认识所面临的艰难，虽然自觉尚力所难勉，但是对许先生的提议义不容辞。开始笔者仅仅想写一篇短文，但是一旦进行较为系统的思考，期望能够真正说清问题的时候，便觉得通常意义的论文已经无法容纳需要陈述的内容。
随着较为系统地考虑“相对论”的问题，不能不为整个“相对论”在科学的哲学基础的紊乱与演绎表述所表现的随意性而深深震撼。出于探求真理的执着、真诚和献身精神，以及哲学思辨中的一种洞穿能力，Einstein的许多科学论述表现出他人难以企及的深刻和无畏的批判精神。几乎每一个现代人无不曾从他的科学论述中感受和吸收着宝贵的营养。或许也正是这样一种极其难得的真诚和敏锐，在对Spinnoza式理想的信仰中，Einstein常常在宗教和科学的叠合，毫无羁绊的灵感创新和局部化严格演绎的交叉中构造着他的精神世界。正是他所珍视的科学宗教情结和对于探求科学真理的真诚，使他自己，以及整个科学世界陷入了一种空前的蒙胧和迷茫之中。
面对着科学史中难得的伟大智者，面对他极其难得的伟大人格，伴随着整个重新认识“相对论”的过程，不能不产生许多属于科学以外的，沉重而痛苦的思考。
象人们认识到的那样，Einstein期待着对于Newton经典力学中深刻存在着的认识悖论进行重新认识。但是，Einstein并没有能够真正认识自Galileo开创近代理性科学体系以来，存在于基元认识中的逻辑悖论，相反，Einstein不仅没有能够澄清需要澄清的逻辑紊乱，还把这种紊乱进一步形式化和固定化了。“相对论”的数学并不复杂。正如Einstein将其本人恰当称为哲学家一样，“相对论”的根本问题也在于他的哲学方面。
Einstein的“相对论”是现代物理学的基础之一。没有基于对现代科学体系的总体分析，绝对不可能真正完成对“相对论”较为完整的中肯分析。因此成稿过程中，总时时觉得无法说清问题，将自己置于一种实际上的尴尬境地。一方面觉得一篇论文的容量太小，而要真正理顺全部相关问题，必然涉及“量子电动力学”等基础学科的逻辑严谨化问题，为笔者目前力不能及，为此曾数次想到搁笔。如果不是许先生的鞭策，孔祥谦教授多年来对我极为难得的一贯支持和帮助，刘德瑗先生的勉励和督促，以及上海交通大学出版社张天蔚、马波、周孟霞诸位先生真诚信赖和鼓励，此书断以成稿。
对于大自然“统一、协调与和谐”所抱有的真诚信仰，是Einstein科学哲学思想中的一个重要组成部分。如何看待自然科学中的“统一与和谐”，始终是自然哲学中的一个基本问题。针对通常被人们视为理论物理基础的对称性问题，以及大自然中物质运动的有效性原则，本书进行了一般性讨论。
本书指出，对称性在整个自然科学体系中尽管是一种普遍存在。但是，对称性作为一个概念，甚至被认为是通过人为设置变换中所表现的“不变性”映象，本质上仍然隶属于意识形态领域。对于一个处于被观察着的，自为而自存，丰富多采的物质世界而言并无普遍意义的对称性可言。所谓的对称性，仅仅是对于某些确定范围，或者确定层次的同一化物质对象，独立人们主观认识的一种必然。脱离具体的物质对象，将对称性视为大自然存在的一种本原规律并不恰当。至于人们对于大自然所期待的统一和和谐，同样不能视为属于大自然自身的一种普遍存在。从不同的视角考虑，一个千变万化的大自然并无同一化的规律，当然也并无统一和和谐可言。但是，自然科学作为对大自然的一种理性的陈述，必须严格满足逻辑自洽化要求。因此，人们自然地能够从一切真正的科学陈述中深切感受到一种统一和和谐的美。正因为此，任何逻辑不自洽的陈述，都不可能是一种具有科学意义的陈述，当然，也没有统一与和谐之美可言。
然而，在把统一和和谐仅仅视为科学陈述逻辑自洽化的必然要求同时，人们倒的确可以存在一种普遍的期待，相信大自然总以一种最有效的法则实现着属于大自然自身的运动。这种有效化法则，通常可以被视为普遍存在于大自然之中 ── 一种最可几的基本原则。本书附录中所列入的“流体力学变分原理”，可以视为是大自然普遍存在的最有效化法则的一次成功应用。这不仅是首次为流体力学构造了一个一般性的变分原理，而且，该变分原理的提出，对于困扰了人类一个多世纪“湍流流场”的合理解决，提供了有效途径。
在出版《理论流体力学逻辑自洽化分析 —— 源于“湍流”的哲学和数学思考》一书时，笔者曾经指出，此书本身就是一篇大论文。现在看来，以专著形式发表科学研究成果同样具有某种着真实的存在基础，恐怕将成为基础科学发展一定阶段中的某种必然。不同学科的基础问题之所以长时间没有解决，究其本质来看，往往都包含了几乎同样的深刻哲学原因。而这种共同存在、更为本质的原因，就是对于自然科学物质第一性基本原则和逻辑自洽化基本原则的背离。许多属于不同学科看似无关的问题，实际上彼此关联在一起，人们需要一个较大的篇幅，不仅从学科自身，而且还要着眼于科学体系的整体，考察几个世纪以来人们曾经思考和认识着的真实历史进程，进行正本清源式的系统分析。
其实，人们经过认真思考不难发现，Einstein之所以构造了一个完全不真，近乎宗教式的“相对论”，其根源就在于：Einstein在批判Newton经典力学时，并没有真正认识经典力学的问题所在，没有真正认识到“Galileo变换”中的本质物理内涵，也根本没有认识到“Michelson — Morley的以太漂移实验零结果”的真实物理机制。并且，一个十分奇怪的问题是，Einstein在Spinnoza宗教式的理想下，似乎从未意识到需要认真思考这个实验真实所存在的物质基础，也相应从来没有考虑过任何一个理论体系必须存在的有限论域。相反，Einstein基于“自觉和顿悟”这样一种在基础科学研究中极不牢靠和极不严肃的思维导向，却将Newton经典力学中表现为基元认识中一系列需要进一步澄清的逻辑不自洽问题，在“相对论”中得到进一步发展，并被形而上学地程式化了。
这些年，在本人出版的几本著述中，都使用了“哲学和数学”的分析或反思这样的用语。我想，这种说法的确反映了笔者对待基础理论研究的一种基本态度。强调哲学思考，无非在于首先强调一种信仰或一种思维基础。这些年，在面对科学世界一系列重大难题的思考中，正是对辩证唯物主义和历史唯物主义的一种信念，能够使笔者将这些研究坚持下来，并深受其益。而提出数学思考，则在于强调，在科学研究中不仅仅需要使用形式语言进行具有科学意义的陈述，而且还需要格外重视形式语言的批判功能。只有有效地应用形式语言，才可能使对于认识的重新认识真正得以严谨化。
不能不指出，当今科学世界，在基础理论研究方面普遍存在一种无穷演绎，甚至将探索未知的希望简单地寄托于计算机的错误倾向。面对着复杂的物质世界，人们往往不认真考虑任何理论体系所必然具备的有限论域和逻辑前提，无视一个理论体系所对应确定物质对象的确定抽象内涵，忽视科学陈述所必须的普遍性原则和整体意义上的逻辑自洽化，而针对某个局部域，依靠个例的实证，进行单纯性的无穷演绎。并将个别结果无穷扩展和延拓，将科学神秘化。应该说，这种倾向是极其危险的，需要引起整个科学世界的足够警惕。鉴于这样一种思考，本书明确提出一切科学研究必须严格遵循自然科学的两个最基本原则 ──物质第一性基本原则和逻辑自洽化基本原则；同时强调一切科学研究必须切实重视科学研究的两个最基本观点 ── 科学研究中的大局观和历史观。
当人们认识到需要重新认识“相对论”，或者对整个现代科学体系将要进行理性化重整的时候，同样特别需要密切注意科学世界中深刻存在着的这样一种危险化倾向，防止步入无穷演绎的歧途。
自然科学是对于物质世界的理性认识，它根本地依赖于对于实验事实的掌握。而在这些相关经验事实的掌握上，笔者深感知识的欠缺和贫乏。当然，从科学发展的历史观考虑，科学发展本身仍然本质地决定于新的实验手段和新的实验事实出现，乃至对于一些实验进行重新实验。Einstein曾经极为深切地指出，大自然是一本读不完的书。Einstein的话语，不仅对于物质世界的无穷以及认识世界的无穷，是一种极为深刻和准确的刻画，同时，对每一个从事科学研究的个体也永远是一种勉励和鞭策。
本书涉及物理学哲学基础的探讨，许多思考都是第一次的，这些思考中必然会存在某些不当乃至错误之处。而且，思考的范围远远不够充分。因此，笔者心存一种真诚期待，随着相关知识的补充，以及对于一些认识的再次认识，能够在不太久远的将来，针对彼此本质关联着的更大范围的自然哲学基础问题，与人们一道进行再探、三探。同时，笔者也充满着另外一种格外真诚的期待，期待许许多多人们能够进入自然科学基础探讨之中，期待人们的批判和指正，期待在我们这片曾经出现过灿烂文明的古老土地上，一种真正学术意义上的交流和探讨能够得以正常展开。
最后借此机会，对我国航天总公司的庄逢甘院士，姜贵庆教授，以及对笔者任教的上海交通大学党委书记王宗光教授，校长谢绳武教授等有关领导以及许多前辈、朋友这些年来所给予的真诚支持和帮助表示由衷感谢。
杨本洛
1999年春
于上海交通大学
0. 引言
自然科学作为人类对大自然一种理性的，或者说是符合逻辑的无矛盾描述，在科学发展过程中表现两个最基本的形式特征。
首先，因为自然科学表现的是物质世界，所以任何一个形式系统在以确定物质为特定对象的描述中，必须满足物质第一性的原则和逻辑自洽化的基本原则。从形式逻辑考虑，科学研究中的物质第一性原则，同样表现了有限论域中科学论述对象的确定性原则。如果待描述的物质对象缺乏确定性意义，同样无法构造一种确定性意义的描述。一种没有确定意义的描述，是没有任何科学价值的。
其次，因为科学隶属于人类的主观意识世界，所以在自然科学每一次认识的深化和学科扩展过程中，一方面不可能摆脱人类认识的历史痕迹，另一方面不可能超越人类对于物质的存在形式和作用形式的本质认识和理解。因此，科学的历史观和科学研究中的大局观，同样成为自然科学发展中必须充分注意和正视的另一个基本特征。
本世纪初叶为Albert Einstein创建的“相对论”，被当今科学世界视为20世纪中与“量子力学”并列的，科学史上两个划时代的重大突破。但是，从“相对论”诞生至今的近一个世纪以来，人们对于“相对论”的歧见和争论实际上从来没有停止过。虽然极大部分物理学著述众口一言：“相对论”得到了许多试验事实的支撑。但是，任何仅具初级科学素养的人只要稍作思考，把“时间”和“空间”两个具有完全不同抽象内含，和不同物理学量纲的概念同一化，带给人们的困惑和不解总无法挥之而去。除非人们只能象已经习惯的那样，因为“时空同一观”是在面对“Michelson — Morley的以太漂移实验零结果”时，为天才的非凡心智所能够发现的唯一“存在”，所以这种存在就是普适真理，根本无需考虑它可能存在的有限论域，也无需对真理本身再作任何解释。
对一个理论无需任何解释的认同，与对于宗教同样无需作任何解释的认识，并无二致。其实，“相对论”就是20世纪科学世界中的一种宗教。在人类已经取得高度文明的今天，人们仍然不难在报纸上会偶尔看到类似这样的报道：“《相对论》只能为极少数的真正智者所领会和理解，而这样的智者即使纵观整个历史也仅仅是以“个”来计数的。”
但是，对于任何一个高尚玄秘到近乎“宗教”的理论，那张神秘面纱所掩盖着的违反自然本性。迟早都会显露出来。这既是人类历史的必然，也是科学本质蕴含的必然。事实上，对于“智者”过分的迷信和神化，不仅根本地违背了科学精神，也完全有悖于Einstein本意，使其深深陷入被神化的无奈和厌恶之中。Einstein对于真理的无尽追求的执着，对于一切合理解释所必须“协调性”的理性信念告诉人们，任何正确的理论体系恰恰是自然和流畅的，一定容易为常人所认识和接受。
从记叙Einstein的许许多多传记中，人们可以知悉，“晚年Einstein不时流露对他那只时时需要加以校对的钟和那把处处需要校正的尺所感到的强烈不安”。[2] 1953年，Einstein逝世前两年，在回复友人祝贺他70岁生日的一封回信中这样说过：“没有任何一个概念的稳定性是我深信不疑的。一般说来，我没有肯定我走上了正确的道路。我的确有一种不满情绪从内心不断滋长。不这样也是不可能的，只要一个人有批判的头脑并且是诚实的……”Einstein是一个时代最有影响和最为辉煌的科学家。面对他晚年时一再流露的不安和惶惑，以及他如此诚恳真挚的言语，难道除了感受一个伟大人格所给予的强烈心灵振荡，能够将其仅仅视为反顾人生的谦逊之辞吗？难道对于晚年Einstein反复表示的不安，人们不同样需要引起深刻不安和一种格外的警觉？难道还不能运用Einstein终生高举的科学批判大旗，对整个“相对论”进行深刻反思吗？
在充分肯定Einstein的科学贡献之余，科学哲学家曾经作出这样的评价：“Einstein的哲学思想是庞杂、混乱和摇摆的。”[1] 这个局部性的评价，对于Einstein闪烁着智慧光芒、发人深省，但同时常常充斥着矛盾的论述，其实极为衷恳和一针见血。因此，人们甚至可以相信，随着为整个世界神化的“振奋和无奈”交杂之中冷静下来，随着建立“统一场论”无尽思考中任何一次思维间隙中的反思，乃至随着对构造“相对论”曾经发挥重大影响的“直觉和顿悟”重新给予的任何一次触动，睿智的Einstein对那令其深刻不安的“钟和尺”中可能隐含的逻辑不自洽将引起整个理论体系彻底崩溃的可怕前景，即使不愿意，或者也不能作一番推枯拉朽式的彻底反思，似乎是绝对不可能毫无意识和警觉的。
1997年，在德国科隆召开的物理学研讨会上，与会学者疾呼：“物理学正处于宛如Keppler三大运动定律拯救天文学前夕的困境之中”。1998年，由俄罗斯科学院等主办的自然科学基本问题国际会议明确指出：“当代科学基础理论问题严重，相对论漏洞百出，亟待正本清源。”人类的整个历史中，20世纪正是这样一个奇特的世纪。一方面，得益于Einstein包括“相对论”在内的许多重要启迪，人类在认识自然以及物质创造上面都取得从未有过的巨大成就。另一方面，人类的认识体系又处于空前的哲学紊乱之中。
从形式逻辑考虑，任何一个仅仅具有抽象意义的形式表述体系，必然存在属于其自身的有限论域。物质世界，和人们为描述物质世界所构造的理论体系，属于两种完全不同哲学内含的独立存在。包括Einstein本人在内，今天几乎任何一个科学家都认同这样的事实：物理学表现的是“确定物质对象”的基本规律。因此，任何形式表述的理论体系，只能通过“概念”，通过人们反映物质对象基本特征的某种假设，或某种“抽象定义”，与其期望表现的有限物质运动的有限规律相关联。
然而，人们不难发现，从创建“相对论”之始，Einstein就忽视了对理论体系确定性前提和有限论域的认真思考。只是当从“狭义相对论”出发，推广至“广义相对论”时，Einstein才重新为“狭义相对论”构造了一个有限论域或前提。但是，这个重新构造的前提根本不具逻辑意义。以是否满足“狭义相对论”作为“惯性参考系”的逻辑定义，却重新以“惯性参考系”作为“狭义相对论”的限定条件，自然陷入了循环逻辑之中。而且，Einstein及其后许多科学家可能根本没有对以下事实作过一点认真思考：既然“广义相对论”所讨论的对象，事实上已经构成对“狭义相对论”逻辑前提的否定，那么怎么能够再以“狭义相对论”的结论作为“广义相对论”的演绎推理基础呢？人们甚至可以发现，一些论述“广义相对论”的著述，开篇之始就开宗明义指出，“狭义相对论”中光速为极限速度的结论已不再适用于“广义相对论”。因此，又怎么谈得上将狭义相对论“推广延拓”至广义相对论呢？
与整个“相对论”不考虑有限物质对象和有限论域的讨论一致，为Minkowski进一步发展了的“四维空间”，这种不考虑有限论域的现象也得到了进一步发展。在这个理论体系中，人们根本无需对于物质的存在形式加以辨识，以及作出任何符合物理本质的抽象化假设，人们只需要通过一个包罗万象的“事件”，取代需要确切辨识和抽象定义的确定物质对象。以致世间万物的运动规律，都可以通过Minkowski空间中的那个四维向量加以表述。从而在现代自然科学体系中，出现了这样一种绝无仅有的奇特现象，为Einstein所构造的“相对论”根本无需对于所论物质对象的物质属性和几何特征加以任何限定，形成了自然科学中的一个宗教，一个对基元概念和实验现象无需作出任何解释的绥靖式“绝对真理体系”。
曾经为Einstein终身追求，对整个物理世界构造同一化描述的努力，与他在Spinnoza理想下寻找对物质世界无论域、形式体系大一统的真诚完全一致。这种完全建立在心智创造上对物质世界进行科学表述愿望，必然背离了有限论域上形式系统的有限真理性，同样必然地决定了“相对论”的整个理论体系在逻辑上的不自洽。从这个意义上讲，“相对论”中局部真实，但是几乎处处存在的逻辑不自洽，恰恰又是Einstein终生追求的“科学协调性”，对于违背客观真理的一种逻辑必然。
另一方面，从科学的历史观出发，Einstein在“相对论”和他的整个“科学哲学观”中所反映的哲学混乱和逻辑不自洽，本质地反映了自然科学若干最基元认识真实存在着的认识悖论。由于人类深化认识过程中必然存在的认识渐递性，Galileo、Newton等科学先驱尽管将实验和数学引入科学，开创了近代科学史，但是他们也同时种下了科学体系中逻辑不自洽的种子，深刻地影响着整个科学发展的进程。
事实上，包括两个“相对论”，以及经典Newton力学的整个陈述，都是以对“惯性系”的承认作为前提，但是到底什么是“惯性参考系”呢？当人们指出，“惯性定律”是整个Newton力学的逻辑基础，并且被人们称为是人类认识物质运动一次根本性飞跃的时候，以“惯性”为基元认识的陈述，的确是一个处处为“真”的科学陈述吗？在刻划一个被视为质点的独立物质对象动力学特征时，“力”和物体的质量、速度能够具有同等地位吗？存在于一个独立物体之上的“力”，能否视为一种具有客观性的物理量，又如何逻辑地定义？Galileo关于他那条著名小船的陈述，到底表现了一定物理条件下运动状态的同一性，还是象人们至今理解的那样，是与物理条件无关的普适性陈述呢？作为“相对论”立论基础，为人们熟悉的Galileo变换、Lorentz变换，仅仅通过向量的某些个别分量表述的变换，能够被视为具有一般数学意义的变换形式吗？这些问题能够凭借Einstein的“时空革命”而得到逻辑的解释吗？
在人们从Newton力学空前辉煌冷静下来的同时，自然会对基元认识中的许多不自洽提出质疑。Ernst Mach曾经对惯性系、绝对空间等问题作了非常好的论述。为此，Einstein也曾给予Mach以极高评价。但是，在人们对于理论体系的形式表述特征尚缺乏较为理性和完整的认识的时候，Einstein同样不可能直正意识到这些问题存在的本质，当然也无法找到解决这些问题的正确途径。而且，更为严重的是，Einstein没有意识到在尚未廓清这些认识悖论以前，仅仅凭借心智中“直觉和顿悟”的冲动，进行无穷演绎所可能造成的重大危害。当那个时代的整个科学世界急切于应付“19世纪末物理学上空的那两朵乌云”的时候，过分年轻的Einstein回避了基元认识中基本悖论存在的严峻事实，根本没有认真思考“光速不变现象”真实存在的物质基础，而在Spinnoza关于“数”的和谐这样一种过分简单化的虚妄理想支撑之下，过分匆忙地采取对实验结果“拷贝式认同方式”，杜撰了人类认识史上一次交混于科学与宗教之间的空前“革命”。
在Einstein的“相对论”中，以“光速不变”为构造理论体系的认定前提，却无法对“不变的速度”以确定性的逻辑定义；赋予时间和空间不同量纲，却又将不同量纲的物理量交混于同一“抽象空间”之中；一个对信号传递有限速度的约定，却被“广义相对论”中的那个“度量张量场”所重新逻辑否定；…… 不一而足。尽管对实验事实的拷贝使复现，似乎得到了实验的支撑，但是纵观整个“相对论”，到处充满着基本立论上的根本矛盾。一些期望为“相对论”提供实验基础的物理学家，不得不郑重指出“必须考虑到检验理论中的同时性定义与实验室通常使用的Einstein同时性定义不同”，以摆脱相关实验验证中的循环逻辑。其实，正是“相对论”立论中本质存在的循环逻辑，构造了实验研究中必然存在的循环逻辑。人类面临着一种新的、尚远未真正认识和理解的物质形式——“场”的时候，“相对论”不仅掩盖了基元认识中需要廓清的认识悖论，反而在唯心主义和形而上学的歧途上走得更远了。
一旦真正摆脱象膜拜神灵那样的惶恐，认真阅读“相对论”的时候，的确不能不为整个“相对论”几乎处处充斥和明示着的矛盾而震惊。当然，对“相对论”如此长时间和如此深刻地，继续影响着整个人类而无可理喻。人类的历史，或许就永远是这样一部无可解释，充满着偶然的历史。
但是，当人类对大自然的认识，为一个千万年来以为是如此熟悉的物质世界所固化着的时候，如果没有Einstein那种无所羁绊，本质上带有“摇摆和混乱”的非理性思维激荡，或许人们至今尚无法破除习惯思维的束缚，使人类对物质世界的认识达至今天这样的程度。从这个意义上说，Einstein的某些预言与物质真实所表现的同一性，又存在某种必然性。但是，这种成功绝非因为天才的非凡心智，只是人类面临着的这个大自然太丰富了。是物质世界的丰富多彩，决定了寓于局部性“偶然同一”中的必然。
在《爱因斯坦文集》第二卷的编选说明中，有这样一段话：“爱因斯坦是一个伟大的物理学家，但他的哲学思想上却是庞杂、混乱和摇摆的”，从而将Einstein的研究归类为物理学范畴。但是，似乎更应该象Einstein本人自述“与其说我是物理学家，不如说我是哲学家”的那样，将对于“相对论”的重新认识，本质地归结于Einstein终身强调的哲学批判方面。
如果说，理论物理作为对于大自然一种无矛盾的程式化表述，需要满足形式表述的逻辑自洽化基本前提，而对于Einstein，在表现非凡的奔放激荡开放性思维同时，欠缺的可能正是这样一种驾驭全局，保持整个理论体系前后贯一，准确应用数学语言的严格演绎能力。当整个人类面临着一个尚未认识的物质世界，需要构建与一个未知物质世界一致的全新认识时，Einstein的哲学思辨在给予科学世界许多启迪的同时，却也根本地囿于哲学的混乱，陷入了物理概念紊乱和形式逻辑的不自洽之中。因此，人们恰恰需要在对于Einstein“庞杂、摇摆和混乱”，但同时往往极其深刻哲学思考的扬弃当中，批判性地感受和体会Einstein科学思维中若干洞穿一切的巨大光芒。Einstein在哲学思想以及对待物质世界认识方面所提出的许多真知灼见和大胆设想，对整个科学事业的推进作出了巨大贡献。在人类面对着崭新物质世界，人类知识急切需要更新和扩张之际，Einstein的思想尽管存在紊乱，但是他仍然不愧为近代科学史上一个伟大的哲学家，思想家和物理学家。
人类的认识总是迂回地深化着。对于一个本来就庞杂、摇摆和混乱的哲学，为什么要求在对于杂乱的梳理和对于真理的求索过程中不存在差错呢？Einstein对于整个人类科学事业的贡献还在于，他在将整个生命献身于探求真理的始终，既不畏言人之错，更不畏言己之错。这种无畏、真诚和执着，是极其难得和可宝贵的。
纵观Einstein一个世纪后的科学世界，人们可以发现，今天的科学世界似乎处于科学创新一个最繁荣和昌盛时期。在不断涌现“混沌”、“非线性”、“耗散结构”这样一些“新兴学科”中，人们重复着对于它们的期待、神化、失望、和重新创造。今天，人们凭借若干经验证实，就可以在割裂着科学体系整体的同时，更加随意地创造着新兴科学体系。今天，人们公开提出科学研究中物质第一性基本原则是否仍然适用的问题；人们坦言没有人能够了解和认识整个物理学体系，因此，可以也不可能思考科学体系整体意义的逻辑一致性，不必再花费艰苦劳动考虑如何严格满足逻辑自洽化要求的问题，从而可以随意地作出假设。在局域化的不同假设之上，人们无需顾及整体意义的逻辑自洽化问题，轻松地在理念世界中进行着“无穷演绎”。如果不能解决问题，则代之以另一个假设，与假设之上的“无穷演绎”所构造的新体系。
总之，今天的科学似乎进入了科学的牧歌田园时代，人们轻松地想象着如何用计算机取代人的思维，考虑着人类认识是否达至终结，…… 许许多多凭借着心智的创造，轻松而不乏刺激和充满神奇的问题。其实，科学世界中的真实存在，完全与这种虚妄的科学繁荣相反。即使在人类直接面临的宏观世界中，仍然存在着大量为人们熟知，尚没有解决的基础问题。例如：
“湍流”问题延续了一个多世纪，统计力学中Liouville方程和Boltzmann方程的逻辑不自洽，涡动力学理论体系的不封闭，因为逻辑不自洽而提出的“热力学重建”问题 …… 。宏观世界中，还存在着许许多多还未被人们意识到的认识悖论问题。例如：
耗散结构在立论基础上所存在的逻辑悖论，水动力学基本方程对压力场所表现的物理失真，电磁场理论中具有重要应用的双旋度Poisson方程第二类积分表述的不自洽问题，目前计算燃烧体系的物理失真问题 ……。以及本文所要讨论，伴随着近代科学体系诞生，就存在于基元认识中一系列没有真正解决的基础问题。
回避科学体系中大量的，长期存在的逻辑不自洽问题，仅仅凭借个别事实引起的遐想，或依赖个别事实的局部实验验证，随心所欲地构造着理论，无疑极其轻松，并且能够取得立竿见影的成效。但是，今日科学世界中这种随意肢解科学体系整体，扭曲科学创新精神，违背科学陈述逻辑自洽化的基本前提和物质第一性基本原则的普遍存在，难道不正是科学哲学所面临的一种空前混乱和虚妄，不正是今日科学世界和整个人类所面临着的一种极其可怕的巨大危险吗？也正是从这个意义上说，今天的许多科学工作者提出重新认识“相对论”，提出现代科学体系亟待正本清源显得格外重要和紧迫，重新认识“相对论”的意义，也绝非仅止于认识“相对论”本身。
Einstein与许许多多为人类科学事业作出巨大贡献的前人、今人和后人一样，不是一个为世人捧就的“神”，而是一个在对被神化了的充满无奈和厌恶中同样表现了高尚人格的“人”。在科学史上，Galileo，Newton，Cauchy，Maxwell等许许多多的科学大师，都必然地会存在着认识中的某些错误和不足。人们为什么要求一个认识深化中的人不犯错误，并且忌讳对认识错误的承认、批判和修正呢？人们永远无法抹煞历史上的科学大师曾经作出的伟大功绩。但是，人类的认识史永远是寓于否定之否定中逐步深化着的历史。物质世界的无限，和人类认识物质世界实验手段的有限，使得人类理性认识中的任何进步或谬误，都本质地属于进化着的认识历史，属于那个认识深化中的时代。因此，如何根本地改变科学世界中普遍存在的沿袭前人，进行无穷演绎的简单化陋习，在为无尽物质世界所本质决定的深化人类认识过程中，如何通过不断“正本清源”的理性批判和理论体系重建，就成为整个科学世界所密切关注的问题。[1]
也恰恰囿于此，不仅是Einstein对于理性一种基于直觉的洞察能力，和Einstein深邃的哲学思辨，而且他的伟大人格，终身追求真理中所显示的执着、无私和无畏，给人类留下了一笔巨大的丰富遗产，永远激励着后人。特别在面对着物欲横流的世界，而科学研究任何实质性推进都愈益艰难，不断有人提出“人类认识即将终结”的今天，人们格外需要Einstein献身于整个科学事业，献身于探求真理的伟大精神。Einstein当之无愧一个伟大的科学家，一个伟大的斗士，一个伟大的人。
在重新认识“相对论”，重读Einstein即将告别人生，对他称之为科学世界中的“虚荣”所表达的深深遗憾的时候，人类难道不格外需要一种科学以外的警惕和反思吗？如果不是把人视为神，不是强行将Einstein置身于被神化的无奈和厌恶之中，对于Einstein，以至对于整个科学世界都是幸运的。当现代一些科学史家仍然不惜花费大量笔墨，创造一个被称作是“Einstein悲剧”的剧目，继续演绎着那个宗教式的神化剧的时候，不仅对于神化者，而且对于被神化者，不能不说是整个人类的一个悲剧。[ 2 ]
[1] 笔者在文献[3]的前言中提出：“相对论和量子力学都不可能是人类认识的一种终结。对于狭义相对论有限论域和逻辑前提的研究，和对于任何一个科学体系有限论域和逻辑前提的研究一样，肯定仍然是需要的。”忽视有限论域和逻辑前提，进行无穷演绎，甚至仅仅局部化的无穷演绎，是目前科学世界急需引起警惕的错误倾向。笔者在该书第13章中，明确提出了科学发展中理论体系的重建结构，同时指出数学对于科学的重要，固然在于数学的陈述语言功能，更在于数学的批判语言功能。显然，在人们重新认识“相对论”的时候，仍然需要努力避免无穷演绎倾向。“相对论”几乎处处存在的逻辑不自洽问题，在数学上是显然的，其本质问题不在数学以内。