量子力学唯物主义范文

导语：如何才能写好一篇量子力学唯物主义，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词 心身二元论 经典力学 观察者 意识

中图分类号：B089 文献标识码：A

意识涵盖了大部分的心理现象，它既是我们体验到的对心理状态的复杂的内省，又等同于“觉醒”的状态，或者感知状态。因此，在给意识下定义时就会出现困难，它所涉及的分支众多，难以用一个单一的定义将意识所包含的方面全部囊括其中。意识的核心问题是“现象性”，理解意识的关键在于弄清楚现象性本身的本质及其起源。在早期西方哲学历史上，意识问题是以“心身问题”为标志开始的，意识是“心灵”的一个特征。从最早时期开始，意识与死亡相关联，人们希望并且相信，意识是与物质性的身体相区别的东西。因此，对意识的研究首先要回溯到早期历史上的心身问题。

自从笛卡尔提出“心身二元论”，赋予“心灵”以实体地位以来，对于心灵是否存在、怎样存在、如果存在，心灵该如何与身体相互作用等问题的争论延续至今。笛卡尔认为，心灵与物质是独立的两个实体，物质具有广延的属性，却不能思考，心灵能够思考却不占有空间。从对日常经验的内在主义素朴描述出发来看，心灵与身体之间和谐地相互作用，促使人们能够相信，心灵必然有其独特的存在地位。为了说明两者如何互动作用，笛卡尔提出“松果腺”这一概念。但是“松果腺”的提出，却恰恰暴露出笛卡尔的心灵观念存在的矛盾。

从内在主义的角度看，心灵确实与物质相互作用，意愿、欲望能够促成行为的发生，导致行为对象的改变等。但是，由于心灵不具有广延且不占有空间的属性，又导致人们无法运用在经典力学基础之上形成的认知图式，来理解和说明心灵的存在形式，心灵怎样与物质相互作用更成为了一个难题。如果承认心灵的独特实体地位，则有悖于经典力学的科学原则，如果依照唯物主义的基本观点，把心灵与物质等同起来，用大脑内部的物质之间的相互作用来说明意识活动，则导致无法说明为什么存在主观体验和感受的问题，这显然又违背了人类体验的直觉。因此，无论是坚持二元论还是唯物主义一元论，心物互动问题都面临着极大的理论困难，坚持内在主义观点，就必须说明心灵有别于物质的本体论地位以及心身互动的作用机制；坚持唯物主义的观点，就必须说明为什么人会有主观体验和感受。本文认为，除了上述两种对心物关系的说明之外，存在第三种对心物关系的思考，即对经典力学原则在说明心灵问题上是否具有适用性的质疑：经典力学的原则是万能的吗？它是否能够作为评判心灵是否存在以及怎样存在的标准？心物关系问题难以有所进展，是否因为我们用来评判心灵存在的标准出了问题？量子力学能否作为新的研究范式来推进心灵的研究？

随着人们认知程度的提高，自然科学的发展，对心灵问题的讨论更加如火如荼。古老神秘的“心灵”概念也逐渐以“意识”这一崭新的形式出现在哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多学科的交叉研究视域中。本文将以“意识”这一概念来论述笛卡尔心物二元论中所提及的“心灵”。

“有一种古老的观点：自然由两部分组成，一部分包含感觉和思想，另一部分在运动中包含有物质对象。这个观点在笛卡尔的时代复活，并成为经典物理学的基础。”①1687年，牛顿出版了著名的《自然哲学的数学原理》一书，掀起了科学的革命。在这本书中，宇宙被描述成一个遵循严格规律的大机器，依照数学的精密性在空间中运动。一切事物都可以被还原成遵循严格规律运动的物质实体，作为因果决定链条上的一环，按照既定的规律运行。因此，经典物理学的世界被冠以具有决定论和客观性的特征。但是在涉及到微观世界的对象时，经典物理学的基本原则就失效了。

意识问题是当代哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多个交叉学科进行跨学科研究的热点难题。众多学科关注意识的原因在于，它是关乎人的本性根基和人与外部世界关系的根本性问题。不论是唯物主义立场，还是二元论立场来看待意识，都有不可回避的理论困难。

以上两种立场在说明意识问题的过程中，会遭遇到困难的原因，除了意识问题本身的复杂性之外，另一个重要的原因是，唯物主义和二元论均把研究宏观事物低速运动规律的经典力学，作为思考意识问题的理论基础。二元论产生的部分原因是迫于经典力学的还原论和客观性压力，人们无法调和与说明物质活动和意识之间存在形式的不协调，但是却又难以违背自己体验的常识，放弃意识的主观性特征。唯物主义则恰恰相反，它遵循经典力学的客观性、决定论、还原论等根本规律，把物质放在优先地位，试图用经典力学的规律来同化或拒斥意识的主观性特征。在一定程度上，二元论与唯物主义这两种相对立的立场都是以经典力学的原则为根本依据，朝着各自相反的方向建构自己的理论，但是，二元论从理论内部割裂了意识与物质的关联，而唯物主义又混淆了意识与物质的差别。

以牛顿运动定律为主要内容的经典力学在20世纪以前被称为最美的物理学，它通过把“意识”排斥在研究范围之外来实现其理论的完备性。它假定时空的绝对性和依据初始值可进行精确预测等特征，为人类认识自然、了解自身的本性描绘了一幅因果封闭、清晰可测的蓝图。世界上的任何物理系统都能够被分解为各个组成元素，各个组成元素只能够与彼此相邻的元素发生相互作用，物理系统遵循着严格的物理因果封闭定律，根据一定的可观测的物理量，能够做出无限精确的预测。经典力学的唯物主义世界观已经否定了意识是有别于物质，具有独立存在地位的实体。大脑是世界上最为精密且复杂的整体系统，它作为意识活动发生的场所已经是毋庸置疑的科学事实。按照经典力学的观点，大脑与意识同样应该遵守经典力学的根本原则，但显然意识的诸多属性以及对应的神经活动的规律都无法用经典力学来说明。

神经科学的研究成果已经表明，意识活动的发生受到大脑整体活动的控制，它并不是固定发生在大脑的某一个区域。同样，大脑的某一部分神经通路也不是意识发生的场所，完整的意识的出现，需要调动大脑内部不同脑区的神经元进行放电。不同的意识场景所对应的神经元活动的组合也不一样。就目前的神经研究成果而言，神经科学只能够对意识活动的说明进行基于科学经验上的描述，而不能够进行充分的因果说明。经典力学中的整体可以分解成部分的组合的原则，无法说明意识的高度统一性；相邻部分的因果互动原则更加无法解释不同脑区的神经活动，怎样能够作为单一的意识活动的组成部分。发生在个体大脑中的意识转瞬即逝，难以捕捉，甚至毫无规律可循。大脑内部呈现的意识场景为什么具有统一整合性和动态的分化性，归属于不同脑区的神经元为什么能同时放电而形成单一的意识场景，控制这些神经元活动的机制是什么？这些问题，对于研究宏观事物运动规律的经典力学而言存在困难。经典力学中不需要涉及对微观事物的化学过程的说明，而这一点对于大脑研究来说，则非常重要。

如果从大脑内部和大脑外部两个维度，来对意识进行一种描述上的区分，从大脑外部，引入一个“观察者”，那么对意识就可以做出两种不同的描述。这两种维度的描述之间的区别也表明，经典力学难以说明意识。

按照经典力学的原则，每个脑区的神经元只能够与它紧邻的神经元发生互动，并根据所处的大脑区域的定域性而非全局性来表征意识场景。对意识的内在描述不是从外在的“观察者”或者元素集合所体现出的整体功能性角度进行描述，而是对这些独立的神经元描述的组合的描述。“根据经典力学，对物理系统和它的动力学的状态的描述，能够在内在的层次上表达出来。但是人们怎样来理解经验的整体思想的发生呢？”②

外在描述是在引入一个外部“观察者”之后而做出的描述，观察者知道大脑内部描述是由诸多元素所构成，但是，他能够从外在维度对内部元素进行整合，使内部元素组合起来具有整体的表征属性。同时，外部的观察者能够从整体的功能性角度出发来进行整体表征，在观察者的意识中形成的整体性描述，不会受到各个不同脑区神经元活动的区域性限制。总之，这个外在的观察者不仅具备“知道”大脑内部是由多个元素组合的能力，还具备把这些元素集合成整体的能力。因此，在内在描述层次上的独立元素的集合，在外在层次上可以被称为是一个单一的整体。

从功能的角度出发，大脑被看作是一个功能性的整体，但是在经典力学的框架中，功能基本上不具备任何实际的意义，因为大脑的过程受到不同脑区神经活动的控制，然而，大脑部分与部分之间的相互作用不可能实现大脑的整体作用。从根本上来说，一个从外在层次所描述的功能性整体，所表现出来的整体性含义要比逻辑上独立的要素的简单集合要复杂得多，而这一点恰恰是与经典力学的根本原则相悖。因此，意识的整体功能性概念在经典力学框架中也无法得到合理的说明。

依据经典力学的法则，整体可以被分解为独立的局部要素的集合。“功能性”对于物理因果封闭定律而言是无效的，因而不具备任何存在的理由，唯一承认它的理由就是方便我们从外在层次对它进行直接的理解。

灵感与顿悟是经常出现在人类思考过程中的真实存在的心理现象，在艺术和科学研究中表现尤为明显。它们具有突发性、偶然性、丰富性、瞬息变化等特征，它们常常会受到当下场景或意识内容的刺激而产生，但是其产生的机制与结果却远远超出了人对当下对意识的研究水平。按照经典力学的可预测性原则，依据一定的可观测的物理量，就能够对事物做出精确的预测，但是在灵感和顿悟这类具有突发性的心理现象上，经典力学的根本原则显然不适用。

根据经典力学的根本原则来解决意识问题面临诸多的理论困难，意识的高度整合性和高度的分化性、主观体验的整体性和动态多样性、从外在的功能角度所描述的大脑的整体功能性特征、灵感和顿悟这类突发性的心理现象都无法从经典力学理论中得到科学合理的说明。

斯塔普（Henry Stapp）认为，对于经典力学而言，意识和行为之间的紧密关系不可能从逻辑上推导出来，相反，这恰恰意味着经典力学的不完整性。经典力学不能够蕴含意识的现象性方面，除非意识是一种副现象。但是，如果意识是副现象，则显然有悖了直觉。如果经典力学控制自然的整个动态过程，那么作为人类大脑高度进化发展结果的意识就是一个令人怀疑的神话。经典力学的动态原则既不蕴含现象实在的存在，也不能够对它们怎样从简单形式进化到高级阶段提供一种自然的动态说明。在经典力学的理论框架当中，人类的体验既没有存在地位，它也无法对大脑的动态作用提供充分合理的自然说明，那么我们就应该放弃用经典力学的整体逻辑结构来研究意识，并转而寻求一种能让我们的体验充分发挥动态作用，且完全不同的逻辑结构的模式，这一模式就是量子力学。

量子力学的诞生打破了人类对经典力学关于世界的固有认识，传统的物质观念、物理封闭因果定律、决定论和连续性观点都遭到了破坏。量子力学重新为人类描述了一个新奇的、感官不可知、反常识的世界。量子力学的理论框架内，大脑被看作一个量子系统。

意识与大脑之间的紧密联系已经是一个不争的科学事实，虽然经典力学在说明意识问题上存在许多的理论困难，但是科学的发展趋势表明，我们始终要在科学的框架内来说明意识。因此，意识研究必须转换一种新的研究范式。目前，最有希望将意识重新纳入到物质世界的科学理论只有量子力学。“冯诺依曼、诺伯特维纳和霍尔丹指出，自然的量子力学方面似乎是为了将意识重新纳入我们现有的物质概念而为意识量身定做。”③

经典力学与量子力学的不同之处在于，量子力学引入了“观察者”因素，测量结果不再是具有绝对的客观性。尤其是在对意识进行研究的过程中，“观察者”本身也作为物理系统的一部分而参与和影响着对意识的测量结果。由于意识具有高度的分化性，各种心理事件瞬息万变，每一次对意识的测量都会取得不同的结果，为了对意识现象做出完备的描述，每一次的测量结果彼此之间呈互补关系，这种互补性取消了在经典力学框架内应该具有的严格因果律，意识呈现出非因果性的特征。

当代著名的心灵哲学家查默斯也多次在其著作中谈到意识可能与量子力学有紧密的关系，但是对此他常常又持一种怀疑的态度。作为提出“意识的困难问题”而闻名于世的哲学家来说，他始终关注的是意识的主观经验问题，但是，在他看来，量子力学与经典力学相比，在意识问题上具有一定的优势，但是即便如此，这一范式目前还未能说明为什么会有主观感受的发生。“问题在于物理理论的基本元素都要归结到两点：结构和物理过程的动力学，但是从结构和动力学出发，我们只能获得更多的结构和动力学，而有意识的经验仍然没有被涉及。”④尽管如此，量子力学在意识研究上仍有许多探讨的空间。

注释

① Stapp， H.P.（1993）Mind， Matter， and Quantum Mechanics， Springer-Verlag.83.

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关键词：科学观念；实践观；辩证唯物主义

一、科学的进步与辩证唯物主义实践观的当展

科学是人类把握世界的基本方式之一，是人类哲学思维极其重要的基础。科学发展既反映并推动着实践的进步，又要求和促进着哲学的发展。恩格斯早就指出，随着科学的每一个划时代的发现，唯物主义也必然要改变自己的形态。马克思和恩格斯立足当时科学发展的最高成就，从中提炼出具有时代意义的哲学问题，促成了哲学形态的变革与发展，形成了科学的哲学世界观。一百多年来，随着人类实践不断深入，科学也在迅猛发展，形成了特色鲜明的当代科学体系。今天，关注人类科学的时代性发展，提升和概括当代科学的哲学意蕴，建构当代形态的辩证唯物主义实践观和科学观，是当展哲学的重要前提和当然内容。

科学是推动历史前进的有力杠杆，在经典作家那里把科学界定为“一般社会生产力”，科学的发展有力地推动者社会生产的发展。而“全部社会生活在本质上是实践的”，同时，实践的内容和形式又不是一成不变的，科学的进步必将导致人类实践观的时代性发展。

20世纪以来，以牛顿经典力学为标志的经典自然科学到以相对论和量子力学为主干和基础的现代非经典自然科学是人类认识领域的重大创造，近现代史上的三次工业革命则是科学在实践领域的具体体现。而在当代，科学呈现出整体化地趋势，深度分化和高度综合是当代科学的突出特征。与此相对应，当代新技术革命在实践领域的反映就是诞生了以电子计算机所带来的信息技术为核心的一系列高新技术。当代自然科学与辩证唯物主义实践观的关系表现为自然科学成果的取得是在实践中形成的，因此，自然科学的突破性发现必将导致辩证唯物主义实践观的变革。

人文社会科学的可能性表现为人应该成为科学的对象，而人是实践的主体。因此，人文社会科学的产生与发展必将对辩证唯物主义实践观的当展带来影响。

近代人文社会科学的产生标志是维科《新科学》的出版，在本书当中，作为“新科学”研究对象的是人类社会及其历史发展。维科之所以能成为一个标界，是因为在他之前的科学家和哲学家都倾全力研究自然界，而忽视了对人类世界的研究。维科创立了“认识来源于实践创造”的哲学原则，认为人之所以能够认识人类社会和人的历史，因为这个人类社会和人类历史本来就是由人类创造出来的。《新科学》中揭示了人类社会发展的两条规律：即“以己度物”（“人把他自己当作权衡一切事物的标准”）和类概念（即用一个具体的形象来代表一类抽象性质，形成想象性的类概念。）由此可以得出，人文社会历史科学的客观真理性基于“主客同一”、“知行合一”。在此基础上，他解决了人类如何由野蛮发展为文明这一问题。

作为维科《新科学》的人文社会科学思想的发展，福柯在《词与物――人文科学的考古学》中说：人文科学“这个认识体系把作为经验存在的人当作自己的客体”。他进一步说，只有在特定的认识类型中，人才会作为人而不是作为物，成为人文科学而不是自然科学的对象，反过来说，也只有在这种情况下，人文科学才会真正的出现。也即是说，人真正作为科学的对象出场，以及人文科学的真正出现，均与科学理念的进步和知识类型的转型密不可分，而与我们是否一般地研究了或者谈论了人没有关系，这在一定程度上表达了人是社会的人这一命题。

认为人的科学和自然科学是一门科学（把自然和人两方面统一起来），认为人的历史过程就是“人的自然化”（这里的自然包括人自身的自然，即“人的有机的身体”――人的肉体和具有受动性的人的感觉和外部自然，即“人的无机的身体”――人靠自然界生活）和“自然的人化”（这里的人是是历史（自然）形成的，是通过对象化活动实现与自然的统一）的过程，得出“人是自然科学的直接对象”、“自然界是关于人的科学的直接对象”的结论。

在当代，人的主体性条件即是当代实践的结果，也是当代实践赖以形成和发展的前提。其中，人的主体性需要和利益是当代实践的强大内驱力，人的主体能力是当代实践得以展开、实现和发展的先决条件，主体思维方式是强化当代实践的重要精神力量，而以当代科技为主干的工具、方法、系统是决定当代实践效率和效益的关键性中介。

二、科学思维方式的转变与辩证唯物主义实践观的当展

认识与实践在人类改造世界的过程中相得益彰，彼此促进、共同发展。思维作为一种认识活动，是科学观念的载体，哲学思维必须诉诸实践、指导实践，变为群众的行动，化作对世界进行革命改造的物质力量。一百多年来，的每一步重大发展几乎都是伴随着科学实践观的发展并以它作为理论先导的。因此，科学思维方式的转变必将对辩证唯物主义实践观的当展产生积极

影响。

通过“一个民族想要想站在科学的高峰，就一刻也不能离开理论思维。”“创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。”等一系列经典作家的描述，可以得出：创新型思维对辩证唯物主义实践观的发展与变革具有决定性的影响地位。

主体对世界的观念掌握，是通过思维活动实现的，而思维活动又总是在一定的思维方式中进行的。在当代，大力发展思维的创造能力是科学思维方式转变的应有之义。主要表现为思维独立性和想象创造性，创造力是一切创造之源，创造力水平的高低是决定主体活动水平的重要因素。当代的竞争在于科技的竞争，科技的竞争在于人才的竞争，人才的竞争又在于人的创造性思维能力的竞争。因此，只有具备了科学性创造性思维能力，主体才能不断地创造出新知识、新创造，在竞争中获胜。

在当代科学思维方式变革的过程中，逐步形成了一种反映当代科学发展整体化趋势的新的科学思维方式，即系统思维、互补思维。这种新的科学思维方式破除了阻碍自然科学研究和人文社会科学研究的思想屏障，客服了经典自然科学思维方式的狭隘、片面的机械决定论，确立了当代科学发展共同遵循的观念基础和方法论原则。

辩证唯物主义实践观是科学的认识论，科学观念是实践过程中形成的思维方式和信念方法的集合。辩证唯物主义实践观是人类哲学史上唯一真正科学的实践观，它不仅批判地吸收了以往人类哲学思维的优秀成果，在哲学方法论上实现了对旧哲学实践观的合理超越，而且更重要的是它深植于人类实践特别是无产阶级革命实践及其历史发展之中。在今天看来，辩证唯物主义实践观仍然是一种科学的实践观，即使在将来，它也不会过时。因为辩证唯物主义实践观如实地反映了人类实践的客观性本性及其在人与世界关系中的实际地位，体现了按照客观事物的本来面目来理解事物而不附加任何外来成分的唯物主义哲学的基本原则，这些都不会因为时间的推移而有所改变。立足于当代科学，建构当代形态的辩证唯物主义科学观是当前研究和发展辩证唯物主义科学观的一项重要任务。立足于当代科学，不仅是指应当将当代科学作为当展辩证唯物主义科学观的客观依据，而且还意味着当展辩证唯物主义科学观的根本目的在于通过对当代科学的合理理解来规范和促进当代科学的未来发展。建构当代形态的辩证唯物主义科学观，是指为了实现当代科学的合理理解，我们在考察当代科学时必须确立起与当代科学的时代特点相适应的视野、观念、思路和方法。总之，通过科学及科学观念的时代性发展来对辩证唯物主义实践观进行科学的反思，当代形态的辩证唯物主义实践观必将注入新的生机和活力，其形态也必将随着科学及科学观念的发展而实现整体更新。

参考文献

[1]陶德麟，汪信砚主编．哲学的当代论域[M]．人民出版社，2005．

[2]王贵友著．科学技术哲学导论[M]．人民出版社，2005．

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关键词：生物；教学；辩证

辩证思维是指能运用唯物主义来观察、分析和研究事物，以辩证唯物主义和历史唯物主义作为解决问题的最终、也是直接的指导原则的一种思维方法。如果我们关注一下20世纪的科学成果，如相对论、量子力学、分子生物学、系统论、控制论、信息论、计算机科学及与之相应的微电子技术和遗传工程等就会发现，它们都是深刻领悟并充分运用这一思维方式而取得的。这种思维方式在任何一门科学中都是必不可少的。辩证思维不仅仅是哲学家的专利，更应该作为教师尤其是生物教师的教学指南。

1 辩证思维观是教师专业素养发展的基本要求

教育是一种成就人的事业，教师则是承担这个事业的专业人员。《中华人民共和国教育法》这样定义教师“教师是履行教育教学职责的专业人员，承担教书育人、培养社会主义建设者和接班人，提高民族素质的使命”。要担负这个沉重的责任要求从业人员具备相应的专业素养。它要求教师具有崇高的品德、广博的知识、现代教育理念和完善的能力结构。

辩证思维有助于我们正确看待事物，开阔眼界，活跃思想，在孤立的知识块之间建立联系，完善知识结构以趋于精专博达。这对于任何一个职业来说都是必要的，更不要说有崇高使命的教师职业了。较之其他职业，教师具有正确的世界观和方法论显得尤为重要。辩证思维作为一种思维方法和解决问题的策略将直接影响一位教师的教育观、知识观和学生观。教师应该善于自觉运用唯物辩证观来观察、分析事物，将生命现象和教育现象进行因素分析，敏于发现问题、善于整合创新。这样才能成为学生成长的引导者和学生发展的促进者。如果我们将这种思维方法融入我们的教育观和学生观，那么我们就会尊重客观事实、重视调查研究，基于事实和资料全面分析，对学生就不会陷入先入为主的主观偏见了；我们就会用一种辩证的眼光看待我们的学生，坚信一切都是发展变化的，人的发展是多向性的，就会坚定的以爱的执着去改变那些暂时顽皮的孩子；我们就会明白事物是发展变化、相互转化的，就能从不利条件中找到有利因素，就不会每天仅仅停留在对教育现状无尽的抱怨和斥责了；我们就不会以一种固定不变的视角去定义那些“没有前途”、“无可救药”的孩子了；对于我们从事的职业，对于教育，对于学生，我们就会有一个更为全面和客观的认识和更豁达乐观的心境了。

对于生物教师，辩证思维尤其重要，这是因为生物本身以及生物和环境之间就存在着辩证唯物性，生物学的基本观点和理论也都体现着唯物辩证观。事物是普遍联系的观点、事物是不断发展变化的观点、对立统一的观点、内外因关系等等辩证唯物思想在生物学中都得到了充分的体现。教师本身只有以辩证思维去把握，用理论指导解释现象、掌握知识，对本学科的专业知识的理解才可能是深刻和正确的。

2 辩证思维的培养是学生发展的要求

教育的任务不仅仅是传递知识、培养能力，更重要的是帮助他们树立正确的世界观、价值观和人生观，为他们的终身发展奠定基础。我们的任务不单单是如何更加完美地呈现生物学科的知识结构，而是如何更好的体现学生发展和社会的需要，以培养学生的创新能力和实践能力为重点。辩证思维从哲学的高度为创造性思维活动提供解决问题的思路和策略，在整个思维过程中有不容忽视的指导作用。

2.1 树立辩证唯物主义的观点是中学生物课程标准的要求

在新颁布的《全日制义务教育生物课程标准》中提出了要使学生“初步形成生物学基本观点和科学态度，为确立辩证唯物主义世界观奠定必要的基础”，在《普通高中生物课程标准》中更要明确的将“树立辩证唯物主义自然观，逐步形成科学的世界观”作为课程目标之一。可见辩证唯物思维培养对学生的重要性。辩证唯物主义教育也是新教材中观念教育的一个重要内容，教学中渗透辩证唯物主义教育，帮助学生树立辩证唯物主义观点是生物教学的重要环节。

生物学科中的许多基本观点，如生物体的结构与功能、局部与整体、多样性与共同性统一的观点，生物进化和生态学观点、生物的遗传和变异等无不充满着辩证唯物主义观。对于这些基本的生物学观点只有以辩证思维去看待才能深入理解并准确地把握它。否则，就会脱离唯物和辩证的轨道而失之主观和偏狭。

2.2 有助于学生客观、理性的看待生命现象

人类从来没有懈怠过对自身的了解和研究，20世纪以来，生命科学研究取得了许多重大的突破，生物科学技术已经成为科学技术革命的世纪标志。生命科学不仅仅影响人类的生活和经济活动，还将影响人们的思想观念和思维方式以及社会文明的发展。但是，直到今天，人类对于自己仍然是知之不多，许多生命现象对于人类来说还是未解之谜。无论是对于为我们所知的，还是对于不为我们所知的，我们都应要求学生以辩证思维去看待和分析生命现象和生命本质，崇尚科学、反对迷信。只有教会学生客观的分析、辩证的思考，从现象到本质全面的认识事物发生、发展的规律，找出事物之间的内在联系，避免简单片面的看待，学生才会对生命和世界有一个理性和客观的认识，逐渐树立科学的世界观。

例如对于我们曾经遭遇过的非典，我们既要看到它肆虐的一面，在看到它给我们带来巨大的伤害和和打击的同时，也应该承认它促进了我国医疗和卫生事业在短期内的迅速发展，并直接导致多项科学的发现和技术的发明创新……又如生物工程的兴起和克隆技术的出现是人类科学的重大进展和技术的伟大进步，但也应该意识到它所引起的伦理冲突和对人类的伦理道德体系提出的挑战以及可能带来的一系列社会问题。我们在介绍、颂扬科学进步的同时，也要提醒学生注意科学的负面效应，认识到从事科学工作应有的社会责任感。

2.3 有助于学生更客观地看待人与自然的关系

辩证思维方式的一个具体体现就是承认世界是有序的、和谐的、统一的整体。人与自然的关系是生命科学中最大的一个课题，也是目前人类还并未十分清楚的问题，更是生物学科中要力求使学生关注的问题。人一度敬畏自然，神化自然，崇拜自然。在那个被自然选择的时代，人类是以一种仰天、颂天的观念来看待自然的。随着人类智慧的增进，对自然的了解的加深，人类处在了与自然对等的地位，于是人类陶醉于自己的智慧中。然而，自然永远是最智慧的，人类对于自然的伤害终于反馈到人类自身，水土流失、生态失衡、资源枯竭……人类不得不承认，人是自然固有的一部分，人与自然本应该是和谐的、统一的整体。人类应当也只能尊重自己、爱护自然，树立人与自然和谐发展的价值观。教师应引导学生关注环境问题，使他们认同并最终树立人与自然辩证统一、和谐发展的观点。

辩证思维观作为的世界观和方法论是使人类思维具有全面性和深刻性的根本保证，在帮助教师更科学、更富有成效的教学方面显然具有无可替代的作用，辩证思维的培养也是生物教师的教学指南和生物教学的重要环节。

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关键词：物理本体；物理实体；量子现象；主观；客观

基金项目：国家社会科学基金项目“量子概率的哲学研究”（16BZX022）

中图分类号：N03 文献标识码：A 文章编号：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

时间和空间是人类所有经验的背景。除去存在的事物，时间、空间什么也不是，不存在只有一件事物的时间、空间，时空是事物之间相互关系的一个方面。

人类通过感性经验认知的时空，称作经验时空；以科学原理和科学方法指导认知的时空是科学时空；牛顿时空、狭义相对论时空、广义相对论时空、量子力学时空，是经验时空的科学提升和科学发展，称作物理时空①。物理时空是科学时空。描述现象实体的时空是现象时空，经验时空、物理时空、科学时空均是现象时空。而未经观察的“自在实体（物理本体）”所在时空，称为“本体时空”。“本体时空”是复数的②，因此，人类实质生活在复数时空中 。作为自然人，观察者存在于“本体时空”，实时空是人类对时空认识的简化③。

主体、客体、观察信号是人类认知自然的三大基本要素④。一般“现象对观察者的主观依赖性”有其客观原因，体现观察信号的自然属性对观察者在认知中的影响。当把现象对观察者的主观依赖性转化为时空的属性后，就可以达到客观描述物质世界⑤。所谓客观描述就是理论计算与经验及科学实验结果相符。

考虑观察信号的客观作用并纳入时空理论的科学建构之中，客观描述物理现象，是物理学家的重要工作。一般，哲学认知中没有明晰“观察信号中介作用”的客观地位，不管“机械反映论”，还是“能动反映论”，都自动将其融入“反映论”理论体系，尤其是前者，往往容易导致主观唯心主义的滋生。

狭义相对论用光对时，考虑了光对建立时空的贡献；牛顿时空是对时信号速度c趋于无穷大的极限情态；考虑引力场对建立时空的影响，引力时空是弯曲的，狭义相对论的平直时空是它的局域特例。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但主体与描述对象的关系没有变，主体对客体的描述是客观的。那么是否主体对认知对象完全没有主观影响？如果有，它如何产生，又如何消解，实现客观描述物质世界？经典力学中，人类的处理方法是通过揭示“现象对观察者的主观依赖性”及其产生机理，在不同认知领域区分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍弃，不能忽略的转化成时空的属性，实现客观描述；而从牛顿力学（或相对论力学）到量子力学，时空没有变化，描述对象具有波粒二象性，“量子现象的主观依赖性”更为突出。如何消解“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现量子现象的客观描述，一直是量子力学基础讨论的热点。量子力学必须有自己的客观描述量子现象的时空⑥。

量子力学时空是闵氏时空的复数拓展和推广⑦，由此可以实现客观描述量子世界。它与相对论时空有交集，也有异域。有因必有果，反之亦然，时间与因果关系等价⑧。量子力学中的非定域性，与能量、动量量子化及量子态的突变性相关联。突变无须时间，导致因果链断裂，与因果关联的相互作用也被删除，由此引进了类空间隔。平行并存量子态的出现，是不遵从因果律的量子力学新表现；当能量、动量和相互作用变得连续，宏观时序得到恢复时，回到相对论时空，量子测量中“量子态和时空的坍缩”⑨ 是不同物理时空的转换，希尔伯特空间只是它们的共同数学应用空间⑩。

时空不是绝对的，相对时空有更广阔的含义，人类需要扩大对时空概念的认知，不同的认知层次有不同的时空对应，复数时空更为本质。人们不应该将所有领域的物理实体归于某一时空描述，或者用一种时空的性质去否定另一种时空的存在。还是爱因斯坦说得好：是理论告诉我们能够观察到什么。当然，新的实验事实又将告诉人们，理论及其对应的时空应该如何修改和发展。理论不同时空不同，时空具有建构特征。

二、时空的哲学认知与物理学描述

时空是哲学的基本概念，也是物理学的基本概念。哲学认为，时间和空间是物质的存在形式，既不存在没有时空的物质，也不存在没有物质的时空。笛卡尔指出，空间是事物的广延性，时间是事物的持续性；康德认为，时空是感性材料的先天直观形式；牛顿提出时间和空间是彼此分离，绝对不变的，强调数学的时间自我均匀流逝；莱布尼茨说，空间是现象的共存序列，时间与运动相联系；黑格尔认为，事物运动的本质是空间和时间的直接统一。休谟认为，时、空上的接近和先后关系与因果性直接相关。中国的“宇”和“宙”就是空间和时间概念，它是把三维空间和一维时间概念同宇宙密切联系在一起的最早应用{11}。

哲学具有启示作用，但时空概念如果不与人的社会实践、科学实验、科学理论及其数学物理方法相联系，就只能停留在形而上，无法上升为科学理论概念。

物理学中，空间从测量和描述物体及其运动的位置、形状、方向中抽象出来；时间则从描述物体运动的持续性、周期性，以及事件发生的顺序、因果性中抽象出来；空间和时间的性质，主要从物体运动及其相互作用的各种关系和度量中表现出来。描述物体的运动，先选定参照物，并在参照物上建立一个坐标系，一般参照物被抽象成点，它就是坐标系的原点；假定被描述物体的形体结构对讨论的问题（或对参照物的时空）没有影响，将物体抽象成质点，讨论质点在坐标系中的运动及其相关规律，这就是物理学。由此，“时空是物质的存在形式”的哲学认知也就转化为人类可操作的具体物理理论描述。

可见，时空的认知与人类的社会实践、科学实验、科学进步直接相关，离不开物理和数学方法的应用。笛卡尔平直空间、闵可夫斯基空间、黎曼空间都已作为物理学所依托的几何学，在牛顿力学、狭义相对论、广义相对论中得到了充分应用。由此，几何学被赋予了物理意义。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但描述对象与观察者之间的关系没有变，描述是客观的，并且描述对象都可抽象成经典的粒子，采用质点模型。量子力学不同，从牛顿力学（相对论力学）到量子力学，描述量子现象的时空没有变化{12}，物理模型没有变，但量子现象对观察者有明显的主观依赖性，难以客观描述微观量子现象。深入分析，解决的办法有两种，一是更换物理模型的同时也改变物理时空，消除“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现客观描述微观量子客体；二是改变时空的同时，保留“量子现象对观察者的主观依赖性”，将本体、认识、时空融为一体，主观纳入客观，模糊主客关系。双4维时空量子力学基础采用了第一种方法。通过场物质球模型，把点模型隐藏的空间自由度释放出来；在改变物理模型的同时，也改变了描述时空；将不是点的微观客体自身的空间分布特性，转化为描述空间的属性，客观描述量子客体。我们认为，第二种方法将主观认识不加区分地“融入时空”，有损客观性、科W性，量子力学时空必须是描述客观世界的时空。物理时空需要建构。

三、牛顿绝对时空中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

众所周知，物理学对物体运动状态的描述，理应包含参照物和被描述物体自身的时空特征，而参照物和物体自身的时空特征，必须通过观察发现。观察需要观测信号，物体运动状态及其时空特征必然带有观测信号的烙印{13}。

“物理本体”不可直接观察，我们观察到的是“物理实体”{14}。参照物与研究对象都有自己对应的物理时空，牛顿力学时空应该是两者的综合，而不应该只是参照物的时空。但是，牛顿力学中光速无穷大，在讨论物体运动时，又假设研究对象的时空结构对讨论的问题没有影响，忽略不计，于是，研究对象抽象成了质点，整个理论体系就只有与参照物联系的时空了。

任何具体物体都不会是质点。当用信号去观察它时，物体自身的时空特征与物体的运动状态与观察信号的性质、强弱和传播速度相关。质点模型忽略物体自身的几何形象及其变化，忽略运动及观察信号对物体自身时空特征的影响，参照物也不例外。在从参照物到坐标系的抽象中，抽掉运动及观察信号对参照物时空特性的影响，就是抽掉物体运动及观察信号对坐标系时空特性的影响，就是抽掉人的参与对时空认知的影响{15}。牛顿力学时空与物体运动及观察者无关，绝对不变，基于绝对不动的以太之上。所以，牛顿可以把时间和空间从物质运动中分离出来，时间和空间也彼此分割，空间绝对不变，数学的、永远流逝的时间绝对不变{16}。哲学的时空演变成了可操作的物理时空。这是宏观低速运动对时空的简化与抽象，理论与宏观经验及计算相符。

相互作用实在论认为，现实世界是人参与的世界，对一个研究对象的观察，离不开主体、客体、观察信号三个基本要素。参照物和观察对象的运动和变化及其时空属性，与观察信号的性质相关。牛顿力学中，不是没有现象对观察主体的依赖性，而是在理论的建立中认为影响很小，可以忽略不计。牛顿力学是“物理本体=物理实体”的力学{17}。这与宏观经验和科学实验相符，在宏观低速运动层次实现了主客二分，理论被看作是对客观实在的描述。牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建描述背景，时空告诉物质如何在背景中运动。二者构成背景相关。

牛顿时空是均匀平直时空，相对匀速运动坐标系间的变换是伽利略变换。物理定律在伽利略换下具有协变性，相对性原理成立。

四、狭义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

狭义相对论建立之前，洛伦兹就认为高速运动中物体长度在运动方向发生收缩{18}。这是他站在牛顿时空立场，承认以太及绝对坐标系的存在对洛伦兹变换所作的解释。描述时空没有变，“现象对观察者出现了主观依赖性”。自然现象失去了客观性，这是一次认识危机，属19世纪末20世纪初两朵乌云之一。

狭义相对论不同，它考虑宏观高速运动中观察信号对物体时空特征的影响。爱因斯坦在“火车对时”实验中，他用“光”作为观察、记录、认知物体时空特征的信号{19}；通过参照物到坐标系的抽象，论证静、动坐标系K与K′“同时性”不同，静、动坐标系运动方向时空测量单位发生了变化；将洛伦兹所称“运动物体自身运动方向上的长度收缩”演变成坐标系时空框架的属性，还原质点模型，建立相对论力学。实现了观察者对观察对象的客观描述。

狭义相对论中质点的动量、能量、位置和时间都有确定值，质点的运动具有确定的轨迹，这一点与牛顿力学相同。

狭义相对论时空的另一重要物理意义是揭示了“物理本体”的客观实在性。

牛顿力学缺少相对论不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，物理本体=物理实体，哲学上的抽象时空直接过渡到牛顿物理时空。

狭义相对论不一样，每一个物体都有一个不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，它在任何静止参考系中都是不变量，是物理实体背后的物理本体，物理本体不变，变的是mc2、mc对应的物理实体。“物理本体”既不是形而上的（物自体），也不是形而下的（物体），是形而中的（静能对应物）。它可以认知、可以理论建构，但又不可直接观察。相对于牛顿，爱因斯坦相对论揭示了“物理本体”的真实存在性。“客观物质世界”不是思维的产物。

狭义相对论中，物质告诉时空在运动方向如何修正测量单位，时空告诉物质如何长度收缩、时间减缓。时空具有相对性。

狭义相对论时空虽然也是均匀平直时空，但由于有上述“相对时空”的出现，时空度规与欧氏时空度规有明显区别，所以称为赝欧氏时空。

但狭义相对论仍然是只考虑光及光速的有限性对建立时空的影响，没有考虑引力作用对建立时空的影响。如果考虑引力对时空的影响又如何呢？

五、广义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

广义相对论中有水星近日点进动问题和光走曲线的讨论。站在牛顿平直时空的立场，观察结果与理论计算不符。这不是仪器的精度不够，也不是操作失误，而是理论本身的问题。因为，牛顿力学也好，狭义相对论也好，讨论引力问题，引力场对参照物和研究对象时空属性的影响都没有计入其中，而留在观察者对“现象”的观察、判断之中，出现宇观大尺度“现象对观察者的主观依赖性”。如果考虑引力场使时空发生弯曲，利用弯曲时空计算水星近日点进动和光走曲线现象，“现象对观察者的主观依赖性”就变成时空的属性。“现象对观察者的主观依赖性”就得到了“消解”，观察现象与理论结果就取得了一致。这里，物质使时空弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动。广义相对论实现了观察者对观察对象的客观描述。

广义相对论时空是弯曲的，时空度规是变化的。

六、量子力学中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

微观客体具有波粒二象性，同一个电子，通过双缝表现为波，而打在屏幕上又表现为粒子，电子集波和粒子于一身，“量子现象对观察者的主观依赖性”更为突出。经典力学中波动性和粒子性不能集物体于一身，量子力学与经典力学表现出深刻的矛盾。矛盾的产生，可能是描述微观现象的时空出了问题。量子力学的研究领域是微观世界，研究对象是微观客体，不是经典的粒子，用以观察的信号也不是连续的光，而是量子化了的光，通过光信号建立的时空应该与牛顿、相对论时空有所区别。而量子力学使用的还是牛顿时空、狭义相对论时空，时空没有变，物理模型没有变，而研究领域、观察信号和研究“对象”变了。量子力学必须有自己对应的时空，将“量子现象对观察者的主观依赖性”，转化为描述时空的属性，实现客观描述量子现象！ 双4维时空量子力学就是为实现这一目标应运而生的。

现有量子力学“量子现象对观察者的主观依赖性”之所以难以消解，与量子力学中的点模型相关。许多量子现象与点模型隐藏的空间自由度有直接联系，但点模型忽略了这些自由度对产生微观量子现象的作用和影响。我们必须将隐藏的空g自由度还原于时空，才可能正确地认识、客观描述量子现象。

可以公认，微观客体不是点{20}，是一个有形客体，有一定的空间分布，不存在确定于某点的空间位置，这是客观事实。理论上，牛顿时空几何点位置是确定的，量子力学使用的是质点模型，0 维，位置也是确定的，牛顿时空可以精确描述质点的运动。那么微观客体空间分布的不确定性如何处理？人们只好转而认为点粒子在其“空间分布”区域位置具有概率属性。微观客体自身空间分布的客观实在性在量子世界转化成了一种主观认知，赋予了微观客体“内禀”的概率属性，其运动产生概率分布，或称其为概率波。

这是一个认识上的困惑，似乎量子力学描述失去了客观实在性。这也是量子力学当今的困境。解决困难的方法是：（一）更换点模型，释放点模型隐藏的自由度，展示“这些自由度对产生微观现象的贡献”；（二）建立适合量子力学自身的时空，将释放的自由度植入其中，让“量子现象对观察者的主观依赖性”变成量子力学时空自身的属性。

双4维时空量子力学的办法是：（一）用“转动场物质球”模型取代“质点”模型，释放点模型隐藏的空间自由度；（二）将4维实时空M4（x）拓展到双4维复时空W（x，k），且将“释放的空间自由度――曲率k”作为双4维复时空的虚部坐标；（三）4维曲率坐标将量子力学赋予微观客体自身的概率属性变成量子力学复时空的几何属性，场物质球自身的旋转与运动产生物质波――物理波。

“场物质球”与“物质波”（类似对偶性假设）既是同一物理实在的两种不同描述方式，更是微观客体粒子性和波动性的统一，曲率的大小表示粒子性，曲率的变化表示波动性。场物质球的物质密度是曲率k的函数，因此，物质波既是场物质球的结构波又是场物质密度波。物质波不是传播能量，而是传播场物质球的结构或物质密度变化，可映射成实时空M4（x）的概率分布{21}，与实验结果相一致。

这样，点模型中“量子现象对观察者的主观依赖性”通过“释放的自由度”转变为时空W（x，k）的属性，物质波传播其中，量子现象是物质波所为。

研究表明，是量子测量引入的连续作用，使双4维时空W（x，k）全域转换到实时空M4（x），波动形态转变成粒子形态（“相变”），球模型转换成点模型，概率属性内在其中，物质波自动映射成概率波，数学处理类似表象变换{22}。

简言之，传统量子力学，微观客体简化成质点，描述时空不变，人的主观意识介入其中，将其空间分布特性――位置不确定性，变成点粒子的概率属性，实现描述对象从客观到主观认知的转变，具有位置不确定性的点粒子，其运动产生概率波；双4维时空量子力学，微观客体简化成场物质球，“空间分布具体化为几何曲率”，空间分布特性变成曲率坐标，仍然是从客观到客观，描述时空变成了复时空，曲率坐标在其虚部，场物质球的运动产生物质波――物理波。通过量子测量，物质波映射成概率波，球模型演变成点模型，显示概率属性，时空内在自动转换，量子现象对观察者的主观依赖性消解在建构的时空理论中。具体论证方法是：

将静态场物质球写成自旋波动形式：Ψ0=е■，描述在复空间。ω0是常数，它的变化只与自身坐标系时间t0相关，全空间分布（物理本体所在空间）。设建在“静态”场物质球上的坐标系为K0，观察微观客体从静止开始作蛩僭硕，由洛伦兹变换：

微观客体的运动速度不同，平面波相位不同。复相空间kμxμ即为物质波所在时空。物质波是物理波。

自由微观客体的速度就是建在其上惯性坐标系的速度，惯性系间的坐标变换，隐藏速度突变――“超光速”概念，因为，连续变化会引进引力场破坏线性空间。不同惯性系中平面波之间，相位不同，类似量子力学中的不同本征态。这是相对论中的情形{24}。

但是，量子力学建立其理论体系时，把上述不同惯性系中的平面波（不同本征态，每一本征态则对应一惯性系），通过本征态突变跃迁假设（量子分割），切断因果联系，形成同一时空中“同时”并存的本征态的叠加。态的跃迁不需要时间，“超光速”（非定域），将类空间隔引入量子力学时空，破坏了原有的因果关系。叠加量子态的存在，是“违背”因果律在量子力学中的新表现。

量子力学时空显然不是牛顿、狭义相对论时空，但量子力学却误认为量子跃迁引起的时空性质的变化是牛顿、狭义相对论时空中的特征，这当然会带来不可调和的认知矛盾。

同一微观客体，不同本征态“同时”并存的物理状态，从整体看，是洛伦兹协变性在量子力学中的新表现。突变区“超光速”，是类空空间，“不遵从”因果律；释放光子的运动在类光空间；而本征态自身在类时空间，微观客体运动速度不能超过光速，需保持因果律，物质波讨论的就是这一部分，就像相对论讨论类时空间物理一样。量子纠缠态将涉及到上述三种不同性质物理空间量子态的转换，有完全合理的物理机制，不需要思维的特殊作用。不过，相对论长度收缩效应，将以物质波波长在运动方向上的收缩来体现。有了双4维时空量子力学，量子力学与相对论就是相容的，光锥图分析一样适用。

相对论与量子力学的不同，关键在于认知层次发生了变化，光由连续场演变成了量子场。而我们用来观察世界的光信号直接与时空相关，光的物理性质的变化，必然带来物理空间性质的变化，带来物理模型的变化，带来量子力学时空W（x，k）与相对论时空M4（x）之间的区别，带来对物质波――物理波的全新认知。我们预言，物质波有通讯应用价值{25}，但与量子力学非定域性无关。

《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》的理论实践表明，我们的工作是可取的{26}。结论是，量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。量子现象对观察者的主观依赖性消解在对应的时空理论之中，实现了观察者对量子现象的客观描述。

双4维时空是描述量子现象的物理时空，时空度规，无论实数部分，还是虚数部分，都是平直的{27}。

近年来，由于量子通讯技术的飞速发展，量子纠缠的物理基础引起了人们的特别关注，波函数的物理本质，量子力学的非定域性讨论十分热烈。“量子现象对观察者的主观依赖性”更是讨论的核心。人们甚至被量子现象的奇异性迷惑了，特别是，有科学家甚至认为：“客观世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出来的？科学实在论者当然不能赞成！更加深入的探讨，我们将另文讨论。

按照曹天予的评论，《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》值得关注{28}。双4维复时空与弦论、圈论比较，最大优点是将时空拓展、推广到了复数空间，数学没有那么复杂，而物理学基础却更加坚实、清晰。

七、结论与讨论

1.“现象对观察者的主观依赖性”普遍存在于人与自然的关系之中，融入时空的只能是物理实体对时空有影响的部分，时空具有建构特征。

2. 物质运动与时空的关系：牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建运动背景，时空告诉物质如何在背景上运动；狭义相对论中，物质告诉时空如何修正测量单位，时空告诉物质如何在运动方向长度收缩、时间减缓；广义相对论中，物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动；量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。

3. 量子力学时空是平直的，其方程是线性的，而广义相对论时空是弯曲的，其方程是非线性的{29}。量子力学与广义相对论的统一，不能机械地凑合，它们的统一，必须从改变时空的性质做起，建立相应的运动方程，并搭起非线性空间与线性空间的相互联络通道。

注释：

① 赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5页；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.

② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.

③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149页。

⑤ 主观与客观：“客观”，观察者外在于被观察事物；“主观”，观察者参与到被观察事物当中。 辩证唯物主义认为主观和客观是对立的统一，客观不依赖于主观而独立存在，主观能动地反映客观。

⑧ L・斯莫林：《通向量子引力的三条途径》，李新洲等译，上海科学技术出版社2003年版，第29―33页。

⑨ 张永德：《量子菜根谭》，清华大学出版社2012年版，第29页；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第178页。

{11} 冯契：《哲学大辞典》，上海辞书出版社2001年版，第1579―1582页。

{12} 参见L・斯莫林：《物理学的困惑》，李泳译，湖南科学技术出版社2008年版。

{14} 相互作用实在论中的基本概念：（1）物质：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，电磁、强、弱等力。（3）自在实体：指未经观察的“自然客体”（相互作用实在论中，自在实体作为物理研究对象时称物理本体）。（4）现象实体：经过观察，系统的、稳定的、深刻反映事物本质的理性认知物。现象则表现自在实体非本质的一面。（相互作用实在论中，现象实体作为物理研究对象时称物理实体）。（5）观测信号：人类认知世界使用的探测信号。

{16} 参见伊・牛顿：《自然哲学之数学原理宇宙体系》，武汉出版社1996年版。

{18} 参见倪光炯等：《近代物理学》，上海科学技术出版社1980年版。

{19} 参见A・爱因斯坦：《相对论的意义》，科学出版社1979年版；爱因斯坦等：《物理学的进化》，周肇威译，上海科学技术出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科学哲学论文集》，安度译，知识出版社2001年版，第140页。

{23} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第149页。

{26} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学描述》，

《现代物理》2013年第5期；赵国求、李康、吴国林：《量子力学曲率诠释论纲》，《武汉理工大学学报》（社会科学版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《当代科学哲学中的库恩挑战》，《中国社会科学报》2016年5月31日。

篇5

关键词:非线性;决定论;非决定论;态;态决定论

中图分类号:B1文献标志码:A文章编号:1673-291X(2010)06-0202-05

引言

决定论与非决定论是一个非常大的哲学命题,几乎与哲学一样久远。在众多的研究领域,决定论与非决定论的观点异彩纷呈。因果决定论、道德决定论、逻辑决定论、历史决定论等等,都是它的不同表现形式。21世纪的世界,科学技术的迅猛发展,又给人类描绘了世界极为纷繁的特征。这些特征是新技术革命发生之前所从未被认识过的,并且一些新特征还在不断地被发现。这给科学研究和技术创新带来前所未有的复杂性和艰难性,人们往往只凭在一个学科,一个领域,以及凭借个人的力量很难达到突破性创新。在科学研究中,正确把握决定论与非决定论之间的关系,则可以使研究创新工作少走弯路,达到投入产出的最佳效果。

自20世纪40―60年代系统论、控制论和信息论创立以来,系统的复杂特征逐渐被研究者所认识。尽管目前对复杂性系统的概念,复杂性系统的性质各学派还有很多的争论,没有达到清晰、完整的认识,但对其哲学意义的开掘却已经开始。在系统划分理论上,一些学派主张将系统划分为线性系统、非线性系统和复杂系统,由此上升为线性系统理论、非线性系统理论和复杂系统理论以及线性科学、非线性科学和复杂性科学。从定量上看,复杂系统是空间高维的,具有多输入多输出的特征;从定性上看,复杂系统具有非线性、外部扰动、多因素耦合、结构和参数不确定性或时变性,某些参数可能具有分布特性和时间滞后性。同时复杂系统有复杂和多重的控制目标和性能判据[1]。钱学森指出:“把复杂性当做复杂性处理,是复杂性研究的方法论原则。”[2]那么对非线性问题的研究,采用非线性方法处理就有其实际的合理性。本文将只对非线性系统的决定论与非决定论问题作一些探讨。

一、线性系统与非线性系统

1.线性系统的定义及历史渊源

人类最初对自然界的认识,就是从事物的线性关系开始的。其叠加性原理,函数的直线映射关系构建了世界一幅因与果之间的严格对应图像。由此,有线性代数、线性力学和线性科学的产生,有变量间变化率为常数的微分关系。这样严格的机械决定论把一切自然现象都归结为力学现象,一切运动都归结为机械运动,整个自然过程可用力学原理来诠释。1814年,著名的天文学家和数学家拉普拉斯(P. S. Laplace)的一段话被视为严格决定论的经典表述,史称拉普拉斯决定论。其内容为:“我们应当把宇宙的目前状态看做是它先前状态的结果,并且是以后状态的原因。我们暂时假定存在着一种理解力(intelligence),它能够理解使自然界生机盎然的全部自然力,而且能够理解构成自然的存在的种种状态(这个理解力广大无边,足以将所有资料加以分析),它在同一方式中将宇宙中最巨大物体的运动和最轻原子的运动都包罗无遗;对于这种理解力来说,没有任何事物是不确定的了;未来也一如过去一样全都呈现在它的眼中。”[3]

按照拉普拉斯决定论意义,宇宙状态是其在前一瞬间状态的必然结果,宇宙的发展具有严格的确定性;宇宙的未来在原则上可以精确预测,人类不能作完全精确的预测是因为观测资料的不完整和人类智力的缺陷;宇宙可视为大量力学系统的叠加;宇宙处于线性因果关系中,一定的原因产生一定的结果,反之亦然。在这四层含义中,严格确定性是核心,可预言性、机械性及因果等当性可视为严格决定论的表征。所谓严格确定性,不仅表现在人们可用确定性的函数关系、微分方程、相空间轨道等数学语言加以描述,还表现在自然规律具有严格的确定性,即规律的可重复性、未来的可预言性、原则上的可精确计算性。

之所以出现拉普拉斯决定论,这与经典牛顿力学(classical Newtonian mechanics)长期统治人们对客观世界的认识有着密切的关系。而且,这样的认识论所产生的科学研究结果无一例外地都得到了重现性(recurrere)证实,因此人们对它的相信也达到了前所未有的程度。

恩格斯在1886年曾经这样评论说:“上一世纪的唯物主义主要是机械唯物主义,因为那时在所有自然科学中达到某种完善地步的只有力学,而且只有刚体(天空和地上的)力学,简言之,即重量的力学……。这是法国古典唯物主义的一个特有的,但在当时是不可避免的局限性。”“这种唯物主义的第二个特有的局限性在于:它不能把世界理解为一种过程,理解为一种处在不断的历史发展中的物质。这是同当时的自然科学状况,以及与此相联系的形而上学的即反辩证法的哲学思维方法相适应的。人们知道自然界是处在永恒的运动中,但是根据当时的想法,这种运动是永远绕着一个圆圈旋转,因而始终是停留在同一地点:总是产生同一的结果。”[4]

2.非线性系统的定义及性质

长期以来,从事科学研究的工作者对非线性系统的认识有一定的片面性,即认为,系统模型不能用线性数学模型描述的系统。本文所论及的非线性系统,不是专指数学上不能用线性数学模型描述的系统。有些模型虽然不是数学上线性显现的,但仍有确定的解析描述形式,因而是满足拉普拉斯确定关系的,也就是说这样的系统仍然是线性的,因为这样的所谓非线性格式,是可以通过数学上的变换线性化处理的。例如,轴承的基本额定寿命与当量动载荷之间满足的关系为:

PL=C (1)

式中:P为当量动载荷,单位为牛顿(N);L为基本额定寿命,单位为小时(h);ε为寿命指数,且ε≠1,C为常数。很明显上式是一个双曲线方程,这好像是一个非线性问题。但是,如果作数学处理,等式两端取自然对数,上式就变为:

εlnP+lnL=lnC (2)

再令lnP=y,lnL=x,lnC=c,1/ε=b,c/ε=c上式又变为:

y+bx=c(3)

这是线性方程。

非线性系统是不能用解析数学模型完备描述的系统。非线性系统的结构耗散性、协同性、突变性、混沌性、超循环性和分形特征等,是迄今为止所发现的非线性系统的几个重要属性;而非线性系统的复杂性,则是上述本特征耦合的结果,因此复杂系统并不是独立区别于非线性系统的另一类系统。

普利高津(I. Prigogine)的耗散结构理论(dissipative structure theory)认为,在开放系统远离平衡态下,系统通过和外界环境进行物质、能量和信息交换,一旦系统的某个参量变化到一定临界值时,系统就有可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或能量宏观的有序状态;哈肯(H. Haken)认为,一个系统从无序到有序的转变关键不在于系统是平衡还是非平衡,也不在于离平衡态有多远,而是系统内部子系统间通过非线性相互作用和协作,在一定条件下,能自发地产生在时间、空间或功能上稳定的有序结构,也就是自组织性;托姆(R. Thom)则认为,系统的状态随外界控制参数连续改变时而发生不连续的变化,突变类型不取决于状态变量的数目,而取决于控制参量的数目。当控制参数不多于4个时,只有7种不同类型的突变形式;庞加莱(H. Poincare)早期从数学角度运用确定性理论研究太阳系运动时发现,即使是三个星体的简单模型,也会得到随机的结果。所以混沌学(scientific chaos)是研究确定性非线性动力学系统所表现出来的,具有貌似随机,无规则性复杂行为混沌运动的非线性动力学。虽然混沌是确定性系统内随机性的表征,但混沌依然存在着确定性:混沌区在控制空间的位置是确定的;每个吸引域的范围是确定的;混沌运动遵循统计规律;奇怪吸引子在相空间的位置是确定的;从初值开始的运动必定走向吸引子,奇怪吸引子的分数维也是确定的。再以生命的诞生为例,虽然我们用统计方法也难以预言,这是一种本质上的偶然性。但“几率极小的极偶然事件,在全系综得以实现的条件下,其实现几率为一。”[5] 艾根(M. Eigen)吸收进化论和自组织理论的思想提出的超循环理论(hypercycle theory)认为,在生命起源和发展的化学进化阶段和生物学进化阶段之间,有一个分子自组织阶段。在这个阶段形成了今天人们发现的具有统一遗传密码的细胞结构。这种遗传宏观的形成是由于一种超循环式的组织一旦建立,就永存下去的选择机制。曼德布罗特(B. B. Mandelbrot)发现:组成部分以某种方式与整体相似的形体叫分形 (fractal),具有自相似结构的那些几何形体称为分形体[6～7]。

二、态决定论

1.非线性对严格决定论的否定

众所周知,因果性、因果确定性、因果等当性是物理决定论与非决定论的重要判据。经典科学基于线性因果关系,而上述非线性系统所蕴涵的复杂性科学揭示出世界的非线性因果联系,否定了严格决定论。

对于混沌与严格决定论的关系大致有两种对立的观点:法国哲学家布多认为,混沌并“没有宣布拉普拉斯两世纪前所说明的普遍的决定论的著名学说失效”[8],并不存在严格的混沌定义,它还更多的只是假设的性质。许多过于理想化的混沌只是数学的模型,不具有具体的物理指称。更多的研究者持相反的观点,认为混沌现象广泛存在于天体运动、化学反应、气候变化、经济增长甚至疾病传播中。混沌破灭了拉普拉斯可预测性幻梦,标志着严格决定论的失效。混沌内随机特性表明,确定性系统也是不确定的。随机性是普遍存在的甚至可起支配作用,确定性反而是个别的,这恰恰与严格决定论对确定性的信念倒置。“蝴蝶效应”是一种非线性因果关系,这标志确定系统的长期可预测性失效。奇异性进一步揭示出确定性与随机性、有序与无序的辩证关系。混沌并非绝对的有序,也不是完全的无序,它颠覆了严格决定论对确定性的机械理解。

长期预测的不确定性,决定了事物结构的稳定性,本质上是事物发展的基本诉求。在市场经济条件下,股市的短期可预测性是经济规律的体现;但长期的不可预测性是股市防止控的“自身免疫”,如果股市发展是线性决定的,实际也就标志着纵,从而走向崩盘。从本质上看,股市的混沌性是股市健康发展的基础。

2.非线性不是对非决定论的肯定

波普尔(K. Popper)在《非决定论和人类自由》一文中强调自己是一位非决定论者,但他同时指出,仅以决定论与非决定论的视野来看待世界是不够的。他说:“如果决定论是真的,那么世界就是一个完美无瑕的运行的钟,包括所有的云,所有的有机体,所有的动物,以及整个人类。另一方面,如果皮尔斯的、海森堡的或其他形式的非决定论是真的,那么纯粹的机遇就在我们的物理世界中起到一种主要的作用。但机遇真的会比决定论更令人满意吗?”[9]显然,波普尔的决定论是严格的决定论。但事实上,机遇在很多情况下比严格决定论更令人满意,当严格决定论对世界图像的描述陷入困惑时,非线性决定论所起的作用就是无可比拟的,但这决不是非决定论。爱因斯坦(A. Einstein)有一句名言:“上帝不会掷骰子” 。从哲学来看,爱因斯坦与“正统派”的争论,焦点并非客观物理世界是否存在秩序和规律(这几乎是所有科学家的共识)。关键在于:这个井然有序的客观世界究竟是完全决定性的,还是为机会、发展、新颖性以及人的自由和神的作为留有实实在在的空间?爱因斯坦显然属于前者,他认为,“或许,从未有过一个理论能像量子理论这样,能对各种不同的经验现象提供解释和计算的钥匙。尽管如此,我却坚信此理论会把我们对物理学基础统一性的寻求引入歧途。因为我认为它是对实在事物的一种不完备的表示,尽管它是唯一的一种能够用力和质点这些基础概念建造起来的理论(对经典力学的量子修正)。然而,这种表示的不完备性必然导致规律的统计本质(不完备性)。” [10]

非线性的另一个重要原则是不确定性,不确定性不等于非决定论。莫兰(E. Morin)认为,通常存在着对于复杂性的两种误解:第一种是把复杂性设想为妙方、答案,而不是把它考虑为挑战和对于思想的激励,以为复杂性是简化方法的有效替代物,像简化方法一样可以程序化和加以明确规定;第二种误解是把复杂性与完备性加以混淆。他指出,复杂性的愿望只是说明被不同学科之间、不同认识范畴之间和不同类知识之间的断裂所破坏的各种关联的必要性……在它的核心包含着“一个不完备性和不肯定性的原则”[11]。

3.态决定论(state determinism)

态的哲学定义是存在,是事物的表现。“存在先于本质”,这是因为我们的哲学认识必须从主观开始[12]。非线性系统的本质特征是不满足拉普拉斯决定论,其内禀性是,由态所决定的。仔细考察拉普拉斯决定论,就会发现,其实拉普拉斯决定论的态是一个包含完整信息,能够决定其未来和过去任意时刻的态,它出现的概率为1,因此不具有分布性,表现出线性关系性质。更多的系统,并不具有这样的内禀性,“上帝真是在掷骰子”,其几率决定态表现了系统不一样的非线性性质。

力学量用算符表达是力学研究的普遍方法,但算符的采用并不表明系统一定可数学解析表述。设为本征量算符(Operator),O是态的本征值,那么就有

Φ=oΦ(4)

式(4)中Φ为态函数,且可表示为:

Φ=Φ(α,β,γ,…)(5)

式(5)中α,β,γ,…是描述态的空间坐标。由(4)式决定的算符本征值实际揭示了事物本征的态决定性,这就是态决定论的具体内涵。

在经典力学中,态由物体的质量(凝聚态)m表征,将算符写为=,即速度关于时间的一阶微分算符,由(4)式则有:

m=am(6)

或写为:

m=ma(7)

这就是著名的牛顿第二定律。显然这个定律描述的是线性关系。在量子力学中,态由概率波(Probability wave)函数Ψ描述,波函数Ψ的归一化表示了态存在的统计结果。如果将算符写为:

=-+(8)

E为系统的能量本征值,μ为粒子的质量,为普朗克常数,由(4)式可得到:

-+Vψ()=Eψ()(9)

这就是著名的薛定谔(Schrdinger)方程,几率决定性成为了系统一个突出的特征。

在数学物理方法中,如果函数Φ(α,β,γ,…)可分离变量,即:

Φ(α,β,γ,…)=φ(α)φ(β)φ(γ)(10)

则方程(4)似乎可以得到解析解。但这个过程主要包含了以下两个基本假设:1)系统各子态间是非耦合的;2)系统各子态是线性的。非常不幸的是能够找出解析解的微分方程是很少的,因此,这样的系统在自然界中寥寥无几。大量的系统是非解耦的,非线性的,这就是系统的复杂性。之所以不能完整地描述世界,是因为:1)我们不能把(4)式写得更具有完备性。著名物理学家普朗克(M. Planck)指出:“科学是内在的整体,它被分解成单独的整体,不是取决于事物本身,而是取决于人类认识能力的局限性……”[13] 正因如此,(10)式究竟可以写成多少个分离子态的连乘积,可能永远也不会有一个明确的答案;2)即使我们认识了系统的耦合度,我们也始终不可能将其解耦,因为对总系统而言,态的解耦可能意味着系统的“崩溃”。量子力学描绘的图景中,有一个不确定性原理[14]使得物理学家们有“盲人摸雪”的比喻。3)宏微观世界的割裂描述,也决定了我们不能完整地描述世界。宏观世界的描述方法导致了对微观世界的思维困惑,同样微观世界的描述方法导致了对宏观世界的思维困惑。我们至今没有勇气承认宏观世界中,同样存在不确定性原理。

材料力学中压杆的屈曲问题[15],就可以找到不确定性原理的宏观表现。设压杆为一均质圆形截面等直杆,两端由理想球铰链支承,受到载荷F(临界载荷为F)的轴向作用,E为弹性模量,I为圆杆的轴惯性矩,其满足的决定性方程为:

-EIφ(x,y)=Pφ(x,y)(11)

式中φ(x,y)是描述压杆弯曲的态函数。如图1所示,压杆在经过z轴,与xoy平面相垂直的任何一个平面内发生失稳弯曲的机会是均等的,因此无法确定压杆将在哪一个平面内发生失稳。如果刻意要确定压杆是在xoz或yoz平面内发生失稳,那么至少压杆的支承球铰链是要发生改变的,由球铰链变为平面铰链。这时的系统已经不再是原来的系统了。

三、基于态决定论的哲学认识

1.态决定论是另一种形式的因果结构

非线性系统的因果关系意味着的可预言性并不是实际的可预言性,因为没有谁能知道完备的事实和规律。如果先前条件和有关规律的完备描述确实存在,那么事件的预言就的确存在一种二值逻辑关系:真(T)与假(F),但这并不意味着结果以必然性跟随原因。由于相关性的存在,与因果关系是不相同的。决定态的演化历史的因素并不只是因果关系上的因素,同时还有相关性因素,相关性因素的不确定性,导致态的非二值逻辑决定关系。

2.态决定论不是非决定论

由于量子力学的不确定性原理,可能产生的误解则是认为量子力学的基本特征是非决定论的[16],一些学者提出的三值逻辑取代传统的二值逻辑的三个可能值:真(T)、假(F)和不确定(I),并不是真正意义上的非决定论,因为无论上述三值中的任何一个都是决定论的结果,因为自然界并不存在无果之因。态决定论基于事件发生前的历史,是有预言性的,也即过去“态”对事物的发展方向是有所影响的;而将来“态”的不确定性同样对事物的发展方向产生一定的影响,对将来“态的预期”可能会引导态的演进方向。态决定论自然观的历史演变呈现出否定之否定的发展过程,即从原始人的偶然性的混沌自然观,中经各种决定论自然观(如拉普拉斯决定论自然观),再回到现代的确定性混沌自然观。

3.超越中西思唯模式的哲学认识

基于态决定论的哲学认识意义在于超越西方的二元论思维模式和东方的一元思维模式,单纯的经典科学中的波动与粒子、有序与无序、确定性与不确定性等对非线性系统的描述是不完备的,而一元思维模式又不能体现过程的具体性。当代科学研究中的成果体现出的更多是多元思维的成就。同时,在具体的科学研究活动中,不论是东方的一元思维模式还是西方的二元思维模式,仍然发挥着不可替代的作用。非线性系统是形下学世界与形上学世界综合客观体现。

结语

我们没必要在决定论与非决定论之间作出选择。因为如果我们以决定论观点看待这一切,那么无序、偶然性、不确定性只是有序、必然性、确定性中的偏差,但实际上这不仅是偏差的问题,甚至有可能背离。不作这样的选择,并非意味着我们的研究工作毫无意义,如果我们以非决定论观点看待这一切,那么“组织化和有序化仅仅是大混乱中的一时的偏差和波动” [16],这样科学事实就失去了重现性,我们的所有研究也就随之失去了意义。辩证的原则提醒我们不要选择,因为任何一种选择都会导致偏执。非线性的复杂性要求我们,超越选择并避免偏执。非线性既不能停留于非决定论的迷茫中,亦不能以决定论的偏执遮蔽世界的本质。

参考文献:

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The Determinism and Indeterminism On Non-Linear System

HUANG Jun-ping1,2

(1.College of Resources and Environmental Science Chongqing University, Chongqing400044,china;2.Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 400037,China)

篇6

关键词：世界;可知性;阐释

思维与存在的同一性是一个古老的哲学问题,世界是可知的,抑或不可知?不同的哲学家有不同的解释。这种种解释推动着人们对这一问题的思索,但很难令人信服地说已有一个相对合理完满的答案。本文试图通过对这一阐释历史过程的演进的分析,揭示这一问题的内涵及解决之道。

一本体论阐释

近代哲学以前,对世界可知性问题的阐释,是构建在独立于人之外的世界本体的预设基础之上的.人们追问的问题是:世界是否可知?如果可知,其理据何在?世界是否彻底可知?如果不是彻底可知,其界限何在?古希腊人最早提出了思维与存在的同一性问题.巴门尼德认为,“能被思维者和能存在者是同一的”[1],苏格拉底、柏拉图都坚信人类的心灵、灵魂可以把握事物的本质,得到真正的知识.但怀疑论者指出,人类的理解力只能把握现象中已有的东西,一切理性的东西都离不开感觉经验.人是依赖感觉去把握存在的,而感觉的主观性、不确定性说明思维并不能绝对地反映存在。因此高尔吉亚认为即使有物存在,也不可知。尽管人心可以设想关于实在的观念,但这种观念毕竟不等同于实在本身。形而上学借经验类比推测超验的实在,从思想观念推证存在本质,根源在于对绝对确定性的追求。事实上,对确证性的渴望只能以或然性的假设而告终。

近代唯理论和经验论都肯定思维与存在的同一性,但为认识可靠性的基础是理性还是经验而争论不休。休谟认为,“我们凭什么论证能够证明人心中的知觉是由和它们相似(如果这是可能的)而实际完全差异的一些外物所引起的呢?”[2]事实上,人的认识只能建立在经验基础上,它不能超出经验。但经验的证据有两重性:一方面,作为知识来源的原始经验是可靠的,只真不假;另一方面,由原始经验出发做出的经验推理是可错的,它只能提供或然性的知识,不具有普遍必然性。也就是说,原始经验的可靠性决定了它可以作为一切科学认识唯一牢固的基础,经验推理的不确定性决定了经验体系范围是有限的,它不能达到终极的原则。

休谟认为,在经验范围之内的事情是可知的,超出经验的事情是不可知的。只有将认识限制在合理的范围内,才能反对一切独断的迷信。休谟划分可知与不可知界限的做法给康德以深刻启示。在思维与存在同一性问题上,关键问题不在于思维和存在是否同一,在何基础上同一的问题,而是思维和存在同一性的界限问题,或者说“我们能认识什么”的问题。在康德看来,理性以其先天知识形式在综合统一后天感觉材料中创造自己的认识对象———自然界,从而获得知识的有效性;但理性为自然所立的法只适用于现象界,而不适用于作为现象基础的物自体,因而人只能认识现象而不能认识物自体,物自体存在而不可知。这一思想遭到黑格尔的严厉抨击。黑格尔认为,给认识的有效性划定一个范围,认为认识只能把握有限相对的事物,至于绝对无限的东西则被否认或推到不可知的领域,实际上就否认了思维与存在的同一性。康德形而上学的错误在于割裂了现象与本质、有限与无限、相对与绝对、实在和概念的有机的辩证的统一。在黑格尔看来,存在即思维,没有思维以外的客观存在,思维是存在的本质,存在是思维的内容;思维与存在的同一不是绝对的,僵死的,而是一个矛盾发展的过程,是由自在到自为,由有限到无限,由相对到绝对,由直观的多样性到多样性的统一,由表面的现象到深刻的本质的过程。作为认识不是一成不变的,而是一个由感性直观到思维概念的发展,是一个越来越深入地把握对象真理性的过程。

黑格尔试图通过揭示思维和存在的辩证性质克服认识的界限问题,从而最终解决思维和存在的同一性或者说认识的可知性问题,但由于其客观唯心主义基础,这种分析仍不尽合理。黑格尔预设绝对精神,把认识看作是对绝对知识愈来愈全面的把握,依然是构建在主客二分,绝对本质的先验预设的本体论基础之上的。现代科学如量子力学等科学的最新发展都证明,“绝对精神”,事物的绝对全面的本质是不存在的,假定客观世界独立于观察者,并且不受主体对它的认识所影响,即有一个自在自为的客观世界和独立于认识对象之外的“超然观察者”,这是不成立的,世界可知性问题要求新的阐释。

二语言论阐释

现代西方哲学在现代科学的基础上,排斥作为传统认识论基础的主客、心物、思有的二元分立,实现了“语言学的转向”。他们认为,语言是存在的家,世界只有进入语言,才能表现为人的世界;世界的视域就是语言的视域,我们都是在语言中认知,世界可知性问题可以归结为语言论问题。胡塞尔认为,传统的本体论阐释的一个根本缺点是没有考虑认识如何可能的问题。既然我们关于世界的一切知识都是通过认识获得的,那么在对认识的可能性问题反思之前就不能认为世界是可知的。人们要问:意识之外是否存在独立于意识之外的对象?意识如何能越出自己达到对象,何从知道由认识所描述的对象与事物本身状态相符合?认识的主体在认识对象过程中究竟起什么作用?胡塞尔反思的结果是追溯到语言研究,认知之所以可能,在于意识自身建构的意义,意义指向语言,语言规定了认知理解的限度。维特根斯坦则直接把世界可知还是不可知转换为世界可说还是不可说的问题。在他看来,世界概念并不仅仅包含现实世界,更重要的是包含一切逻辑上的可能世界,“世界是事实的总和,而不是事物的总和”[3],现实世界只是逻辑上的可能世界中的一种而已。

一旦有了这种对世界的清晰认识,我们就可以用逻辑来分析语言命题,发现语言表达中潜在的逻辑形式,并以此确定语言的界限或者说认识的界限.也就是说,我们描述世界的语言限制着我们对世界的认知,语言的界限和世界的界限是同一的。所谓能够说的东西是指语言命题在一定逻辑架构中可以真实地表达事实。用来述说事物的语言基本单位是命题,一个命题作为一个逻辑图像说某些事情,它有确定的含义,命题的含义在于它是一个可能事态的图像,一经分析,普通语言就显示出逻辑形式。真命题就是描述存在结构的命题,存在事态的总和构成事实,真命题的总和形成科学;世界作为事实的总和,语言逻辑保证只要能说的都能说清楚。所谓不能说的东西,是指对象世界不能用语言表达的东西。一切能够表达的东西都能用逻辑形式加以描述,但逻辑是有限度的,不可能表达一切东西,如逻辑形式的地位,哲学本质,生命意义和对世界的神秘感觉都是不可说的。这些东西不可说,但理智本性却总想说出它们,传统形而上学错误正是试图说出这些不可说的对象。因此,维特根斯坦告诉我们必须在语言中划清界限,“凡是能够说的东西,都能说清楚,凡是不能谈论的,就应该保持沉默。”[4]但是能够说的东西是什么样的对象世界?这演变为当代语言哲学中的实在论与反实在论之争。实在论者认为对象世界是独立于人的存在而存在的,语言陈述的真假与主体的认识能力无关,科学理论是表述客观世界的,决定科学陈述真假的,不是人的主观感觉,也不是人们的内心结构或语言,而是外在的世界,语句的真假值取决于该命题和该命题所描述的外在世界是否一致;反实在论者则认为认知活动是一种构造和想象,“人们总是通过这样或那样的概念的透镜来了解自然,而且这些概念框架以及嵌在框架之内的语言,可能给我们所认知的事场染上一种不可避免的色彩”。[5]人们没有理由相信语言解释反映了真实世界,语句的真假值总是和认知者的价值系统,语言架构甚至个人兴趣密切相关。

如此,世界可知性问题的阐释集中在以下的问题上:可知的世界是什么?世界可知的理据是什么?或者说世界在什么意义上是可知的?哲学在实践基础上对此进行了科学的分析。

三实践论阐释

篇7

关键词：物理学；人文文化

物理学是一门最基本的自然学科，它是探讨物质结构和物质基本运动规律的学科，所以人们往往认为物理学只是包含一些枯燥的理论公式，而忽视了物理学中包含的人文因素诸如人文哲学思想、美学、道德等方面。实际上，物理学在产生、形成、发展的过程中，人们不是为了物理学而研究物理学，而是为了有助于人类、社会以及个体人的发展而研究物理学，所有这些都涉及到了人与人的关系、人与自然的关系，这些关系中都蕴含着丰富的人文文化。

著名物理学家吴健雄曾指出：为了避免出现社会可持续发展中的危机，当前一个刻不容缓的问题是消除现代文化中两种文化，即科学文化和人文文化之间的隔阂，而加强这两方面的联系。没有比大学更加适合的场所了。只有当两种文化的隔阂在大学园里加以弥合之后，我们才能对世界给出连贯而令人信服的描述。所以我们有必要去讨论科学文化中的人文思想。

下面从文化角度去剖析物理学中的人文思想，主要有以下几方面：

1　物理学中的唯物辩证法思想

物理学在古代被称为自然哲学，物理学作为一门精密的学科进行研究是从1687年牛顿发表的《自然哲学的数学原理》开始的。随着学科的发展与不断完善，物理学才从哲学中分化出来，形成独立的学科，但物理文化中蕴含的哲学思想是不会被分离的。

1.1　实践是检验真理的唯一标准

物理学是实验科学，物理实验既是建立物理理论的基础又是检验物理理论真理性的方法。杨振宁教授说“物理学是以实验为本的学科”，物理学上很多理论都是通过实验检验论证的结果，体现了唯物辩证法的认识论观点——实践是检验真理的唯一标准。

1.2　物质是普遍联系的

物理发展史上，很多地方体现了物质是普遍联系的观点。比如人们曾经把电和磁孤立起来，物理学家奥斯特接受自然力统一的哲学思想。坚信电和磁之间存在某种潜在联系，经过多年研究，终于发现了电流的磁效应，并由此开创了电磁学的新纪元。把电和磁联系了起来，这正体现了唯物辩证法的特征——物质是普遍联系的。

1.3　事物发展过程中的“否定之否定”规律

人们对物理现象及其本质的认识是不断地发展和完善起来的，每一种理论的建立过程都体现了“实验(事实)——理论假设——实验(新的事实)——修正理论”，遵循着辩证唯物主义中的“否定之否定”规律。比如在整个光学的发展史中对光本质这个问题的认识，先是牛顿的微粒说；再是惠更斯的弹性波动说；接着麦克斯韦提出电磁波动说；到20世纪爱因斯坦提出光量子说。最终人们认识到光具有波粒二象性，人类对光本性的认识就正是遵循着“否定之否定”认识规律的反映。

1.4　主要矛盾与次要矛盾的辩证关系

物理学中为了方便研究问题，经常抓住物体的主要特征，忽略物体的次要特征，而抽想出一些理想模型。如“质点”这个理想模型保留了实际物体的质量和存在的位置，而忽略了物体本身的大小形状，体现出辩证唯物主义中的“主要矛盾与次要矛盾之间的辩证关系”。

1.5　运动的相对性和时空的相对性

近代物理学的一大理论—爱因斯坦的相对论中涉及的哲学问题很多。最突出的就是相对运动和相对的时空观念。相对论指出：相对性原理的本质在于运动的相对性这一事实，而不存在绝对运动。相对论否定了绝对运动的存在，就否定了绝对时空的概念。它通过不变的光速把时间和空间联合为一个整体，由洛伦兹变换建立起各个惯性系之间的时空关系。

可见，不论是物理文化知识本身，还是物理文化形成、发展的过程都蕴含着丰富的哲学思维方法，对人类的自然观和哲学思想有重大的影响。

2　物理学中的美学文化

2.1　物理理论的美学特征

2.1.1　简单深刻美

在一个艺术家眼里简单是一种美。自然现象错综复杂，物理学则力求用简单的方程或定律去概括自然规律，但其反映的内在规律确是非常深刻的。如能量的转化和守恒定律反映了各种不同形式的能量的转化，牛顿的三大定律更是概括了宏观低速条件下各种机械运动的规律，麦克斯韦电磁方程组将复杂的电磁现象统一其中，爱因斯坦相对论中的基本原理简单凝练，但其中内涵确是丰富而深刻的。

2.1.2　对称守恒美

对称是自然界中广泛存在的也是人们很乐于接受的一种美学形式，物理学在对自然的表述中处处显现出了这种对称的美：引力和斥力，“电生磁”与“磁生电”，粒子与反粒子，物质与反物质、圆孔或单缝衍射图样的对称、无限长直导线周围磁场的轴对称等等。物理定律对某种规范变换的不变性、守恒性更是贯穿于整个物理学的一种对称形式，物理学中有许多守恒定律如：动量守恒、机械能守恒等等。实际上，对称性已经成为当代物理学家研究物理理论的一种方法。

2.1.3　统一和谐美

物理理论的和谐统一美实际上是自然界和谐统一美的理论形态。如麦克斯韦电磁场理论把电学、磁学、光学统一了起来，量子力学把波动性和粒子性统一了起来，爱因斯坦的相对论把时间、空间、物质和运动统一起来，把经典物理学都包容在他的理论框架之内，创造了程度更高范围更大的和谐统一理论。

2.2　物理学家与美学思想

世界著名物理学家狄拉克认为：让一个方程具有美感要比符合实验更为重要。法国科学家彭加勒曾说：“科学家研究自然，是因为他从中能得到乐趣，他之所以能得到乐趣，是因为她美”。著名物理学家杨振宁曾经说过：“物理学的原理有它的结构，这个结构有它的美跟妙的地方，而各个物理学工作者对于这个结构的不同的美跟妙的地方的感受，有不同的了解，因为大家有不同的感受，所以每一个工作者会发展他自己独特的研究方向跟研究方法，形成他自己的风格。”

许多著名的物理学家都有感知美的奇异本领，美学思想在许多物理学家创立与评价物理学理论时起着重大的启发与指导作用。追溯人类科学源头，科学美始终被作为一种人文理想而追求，成为科学家们献身科学、潜心研究的直接动力之一。

3　物理学中的科学道德精神

3.1　对未知的好奇与探索精神

好奇心是一种情感，是一种人文精神，也是最重要的科学精神。科学进步的真正动力是许多物理学家对了解未知事物的欲望。牛顿看到苹果落地，就去想苹果为什么会从树上掉下来，从而想到了万有引力；阿基米德从浴桶洗澡中得到启示，发现水面上升与他身体侵入部分体积之间的内在联系，找到了鉴别金质王冠是否掺假的方法，产生阿基米德原理，发现浮力定律等。这种对未知的好奇与探索精神，对物理学的发展与人类的文明有很重要的作用。

3.2　实事求是、勇于创新的科学精神

实事求是认知的基础，而创新则是科学精神的核心。20世纪物理学的革命告诉我们：科学的发展道路上科学家要创立一种新理论的时候，都必须要有敢于向已有的旧理论、旧思想提出质疑的勇气。例如：伽利略正是因为对亚里士多德“力是产生物体运动的原因”的怀疑，才建立了正确的力和运动的关系。以至于后来的牛顿运动定律的产生。著名物理学家杨振宁和李政道正是因为敏锐的觉察到了从未被人怀疑过的宇称守恒定律的适用范围，大胆提出了弱相互作用中宇称不守恒的论断，才使物理学理论有了一个突破性的进展。

3.3　合作与宽容精神

篇8

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主

要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用

弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论

3）由于现代物理学尚未发生“危机”，因此目前发生现代物理学革命的条件也许还不成熟，物理学的发展和物理学革命都有赖于在物理实验和对客观物质世界的观测中获得新的结果，实验和观测是发展物理学的量重要手段，这是我们要关注的首要问题。然而，科学的发展和物理学的发展有本身的逻辑，符合客观规律的、有真知灼见的思维也是一个关键。

篇9

一、易学自然观

《周易》包括《易经》和《易传》两部分，实际上是上古巫文化化出的符号、周初时期占筮验词集锦和战国末年理性诠释的统合。作为《易传》的十篇释文已经完全脱离卜筮，建立起一套以阴阳为纲阐释变化的理论体系。汉兴，《周易》作为官学传习和研究的对象，被尊称为“五经”之首；汉易已经纳入阴阳五行学说，隋唐时期易学即以其理性向科学领域渗透；进而逐渐形成以符号系统与以阴阳为纲纪相结合的范畴体系和理论结构。

易学对宇宙的基本观点是：阴阳相涵相因、流变会通，构成一个合谐互补的有机整体。

张立文教授在《王船山易学思想略论》〔1-191〕中指出：船山的本体哲学，统体会通于和合。所谓和合者，就是“阴阳未分，二气合一，氤氲太和之真体”。《易传》有言“形而上者谓之道，形而下者谓之器”，作者认定道器是虚实范畴，虚与实的主要差异在于隐与显。“形而上者是隐也”，隐不是无，而是潜在，是形而下所以存在的根据。“形而下者是显也”，指有形质的东西，“即形之成乎物而可见可循者也”。即此可知，显指可见可循的事物和现象，隐指寓于“器”而起作用的现象背后更本质的东西；而隐又不是虚无，“道不虚生，则凡道皆实也”。从而推定道乃实存之体，得出道器交与为体、相涵相因、流变会通的两系统结构论。

道和器的关系究竟如何？就逻辑上讲，“形上者乃形之所自生”，因为凡器皆有形，由“形”逻辑上得出对应于“形下”必然存在着“形上”。就二者的主从关系讲，“当其未形而隐然有不可喻之天则，天以之化”，依此概括二者的关系为：道是器存在的依据；道通过器而表现自己，一切显性的运动变化之因皆源之于道。再就孰先孰后的角度讲，是“理不先而气不后”，二者既不存在先后、本末之别，也就从根本上排除了天理、神创的观念。

张教授立足于人文（兼及自然）阐述问题，认为“王船山道器、气关系，充分体现和贯彻了《周易》和合人文的精神”，本文专门讨论自然而不涉及人文。依据形上学本体哲学，自然界的物理客体应该分两类，即“形之已成乎物”和“未形”，二者的本质区别在于形下之“显”和形上之“隐”。

小结：易学自然观是两系统结构论。从静态角度讲，“万物（包括宇宙自身）负阴而抱阳，冲气以为和”；从动态角度讲，“阴变阳，阳变阴，其变无穷”。所谓的易，就是讲阴阳变化之理的学问，即“易以道阴阳”。

二、两种物理学理论

物理学作为一门学术的名称，是从亚里士多德的希腊文著作延续下来的，这个希腊词的意思是探讨自然的秩序和原理的“自然学”，亚氏又称其为自然哲学。大约到18世纪中叶，由于学科内容的分化，自然史和化学从物理学中独立出来，18世纪后半叶法国讨论过留下的物理学意味着什么，结果是把物理学分为一般物理学和特殊物理学。前者指牛顿力学或由《自然哲学的数学原理》导出的以数学描述质点运动的传统，后者包括声、光、电、磁等广泛领域。通常都把这种划分说成是数学科学传统和实验物理学的分离。

1829年，泊松把当时法国物理学的思想倾向归为两类：物理力学和解析力学。他把前者的特征描述为“它的唯一的原理是把一切还原为分子运动，而这些分子是把力的效果从一点传到另一点并保持这些力之平衡作用的核心”，即期望用天体运动的牛顿平方反比定律数学格式，精密地描述宇宙一切现象，称牛顿范式；而后者则强调现象的解析格式，轻视对物理原因进行讨论，称非牛顿范式。1840年以后，牛顿范式的地位被非牛顿范式所取代；与之同时，拉格朗日原理被泊松和哈密顿予以发展，使力学成为完全分析的形式，并且以能量取代力的概念体系。本应该由之意识到“根本不存在纯粹的力学现象，实际上运动总是结合着热和电磁的变化，它们也规定运动”〔2-9〕，从而结束牛顿的“力学神话”，可惜的是西方哲学没有能够为物理学提供合适的自然观，以后的物理学就在迷茫中走了许多弯路。对两种范式的本质差异，一般都视为用几何法还是用解析法的数学问题。

19世纪30年代之后，随着实验物理学的成熟，出现了实验物理学和理论物理学之区分；物理学的理论又分原理理论和构造理论两类。前者是先使用分析法在经验中发现自然过程的普遍特征（即原理），然后给出各种过程必须满足的数学形式的判据，比如牛顿力学；后者又叫“假说—演绎”法，即先确立“想象的原理”（即“假说”），然后采用反证法通过由原理导出的结论对原理进行证明，给出的内容与经验所显示的现象吻合得愈多愈一致，特别是能够从假说来预言现象并得到证实，这种构造理论就愈成功。依据这种分类方法，一般都承认17世纪牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》就分别代表了原理理论和构造理论。对这两种理论划分的依据主要在于思维方式，即前者采用分析法而后者采用综合法。

三、两类物理客体

牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》，从近代物理学奠基开始，两种截然不同的理论分别传承为两种体系，即牛顿范式——原理理论，惠更斯范式——构造理论，其本质差异不在思维方式和数学形式之不同，也不在是采用数学方法还是实验方法之别，而在于研究的客体分属于根本不同的两类。

以质量对物体进行计量，并假定质量都集中在一个质点，以相互传递力的作用描述运动，是牛顿范式的核心观念；非牛顿范式研究的光、热、电、磁等现象，都不能以质量进行计量，最终认识到了这种现象都与“能量”直接相关，并且以能量取代了力学概念体系。

而今首当其冲应该明确的是物理学根本就不直觉研究“物质”，正象无法品尝水果一样，因为二者都是抽象的类概念。物理学只研究质量、能量、电量、时间和空间之间的关系，两种理论的适用范围不同，前者是关于质量系统的理论，后者则适用于能量系统。以往不适当地把能量说成是物质运动的形式（如“能即运动”）〔3-526〕，是产生混乱的肇端。现代物理学已经确认物理客体分两类：宇观上有分立的天球和连续辐射，微观上分粒子和场，粒子物理学分费米子和玻色子，理论物理学称其为物质粒子和相互作用；物理学理论也分用质量计量和时空描述、用能量计量和位形描述两个系统。“我们首先把宇宙的物质内容分成两个部分：“物质”即诸如夸克、电子和缪介子等粒子，以及“相互作用”诸如引力和电磁力等等”〔4-38〕。当代著名物理学家霍金居然会说出如此不合逻辑的荒唐话，不难看出“物质”这个误用概念带来的混乱是何等严重。

物理客体不能用“物质”这个概念进行抽象和概括，而应该分为质量和能量两个系统，二者的本质差异有3：1、分立和连续；2、有无静质量；3、量传递时物理客体仅只振动而不发生运动方向的位移。确认能量系统存在的依据有5：1、德西特从广义相对论场方程得出没有物质的宇宙时空解；2、无限的（负能电子）海的发现；3、爱因斯坦说：“依据广义相对论没有以太的空间是不可思议的”；4、3K微波背景辐射证明“空间”不空；5、粒子物理学的实验发现，绝大多数粒子为瞬息亿变的动态网络。

“全〖ZZ(〗空间〖ZZ)〗充满着相互作用着的各种不同的场”〔2-387〕，这种分布着某种物理量的空间，不同于经典物理学中作为参量的空间。“场从数学上表述了能量局域性概念”，“是一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。即此可知，一切自然现象虽表现为质量系统单元个体的运动和变化，动变之因却源于能量系统的作用；而能量系统本身不通过作用于质量系统的效应也根本就无法观测。物理学早已将物理客体分为弥散态粒子和凝聚态物体，3K微波辐射发现之后，就应该从分类学的角度再增添一种连续态网络；进而将弥散态粒子分为质量子和能量子，如此一来，物理世界图象就会变得非常清晰。

物理客体分物体、粒子、网络三类，分别用质量、电量（或荷质比）、能量计量；人类生活的现实世界属于质量系统（从天球到原子乃至质子、电子），能量系统则是一切运动变化的动力之源；所有的共振态、复合态粒子均属于能量系统的动态网络，只有那些稳定的能量子才有现实意义；不同能量子的有序组合构成信息（从质量系统讲，传递信息必须有载体，而对能量系统，信息和载体则合而为一，于此无暇展开讨论），可以用于操作质量系统的变化和存储一切自然现象。

小结：物理客体分两个系统三种态。质量系统和能量系统确实属于“负阴而抱阳，冲气以为和”的状态；作为两系统“中介”的弥散态，是演绎世间万象的“大舞台”；何以产生质量和电量，是现实世界存在的最根本机制。

四、时间和空间

无论哲学还是物理学，时间和空间都是一对非常重要的范畴，同时又是亘古至今争论最多直到今天还没有取得共识的两个概念。16世纪之前，基本上没有留下多少值得关注的重要论点；牛顿为了创立完整的力学体系，不得不提出人类历史上第一个时空构架。他认为物质是在绝对空间中运动，时间不跟任何物质对象相关、自身等速地在那里流；时间和空间各自独立互不相关。亦即是说时间和空间仅只是描述运动的参量。

现代物理学的发现则是：“广义相对论用空时结构的几何性质来表示引力场”〔2-328〕，场不但“是某种物理量的空间分布”，还是“一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。很显然，时空结构应该被理解为改变物体或带电粒子运动状态的作用量。

依据质能两系统结构论看待，即使在牛顿力学体系中，时空结构也是作用量而不是描述运动的参量。比如牛顿力学的第一号自然力——重力G=mg，如果没有g作用于m，物体就不会自由下落，很显然g是使m自由下落的作用量。如果用电磁作用相类比，g可以被称为引力场强，其作用效应跟电场作用于电量没什么两样。自从发现了动量和能量守恒之后，牛顿力学方程基本上已经不再使用，足以说明牛顿力学非常片面，能够沟通三个领域最基本的物理量只有动量和动能，根本就不需要力这个概念。

时间和空间究竟指什么？答曰：二者分别是对能量系统单元个体持续性和广延性的计量，恰如用质量计量物体、用电量计量带电粒子那样。

“空间一时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性”〔5-112〕。爱因斯坦如果对中国古典哲学稍有理解，就会再说一句：这些客体还有着时间的持续性。这种“物理实在的实际客体”即指能量系统而言。

能量系统虽是连续态，探究其具体作用时却需要量子化。假定其最小单元为h，由ε＝hν＝h/T可知，只要测出周期T，即可以知道具体的能量值，同理测出波长即可知动量。故而可以说时间和空间是对能量系统两种属性的计量。

董光璧教授猜想对于不同的相互作用，应该“各有其时空结构”，是有道理的。用于电动力学的时空结构已经非常成功，“对于电磁相互作用，相对论提供的时空结构和量子论提供的能量结构，既在逻辑上自洽又与经验相符”〔2-429〕；而对于质量，发挥作用的时空结构有ι2t-2和ιt-1两种，对行星的运行则有R3/T2＝K。

小结：时空不是独立的存在，而是用于计量能量系统属性的概念构架。对于物体或带电粒子，不同的时空结构作用于质量和电量可得能量和动量；对于能量系统，只需要用T和λ对基本单元个体计量，即是能量和动量。

五、两种运动

讨论过物理学不应该使用“物质”这个哲学范畴，明确了物理客体分质量、能量两个系统，确立了质量、电量、能量和时空是基本的物理量，并且弄清了时（T）空（λ）可以直接作为计量能量和动量的基本量，不同时空结构又分别是驱动质量或电量的基本作用量之后，还应该讨论一下运动形式问题。

亚里士多德很早就提出自然运动和强迫运动区分之必要，物理学界至今都没有认真对待。所谓自然运动，应该是不受人的干预，不准附加任何人为条件的运动，比如自由落体、自组织系统的变化和行星运转等（下文称绝对运动）；所谓的强迫运动当指人为增添了特设条件的运动，比如将物体抬高、摆钟和日常生活中经常发生的许多运动。

牛顿力学除自由落体之外，几乎都有附加条件，将运动定义为一个物体对另一个物体的位移，运动的基点建立在物体对物体的作用（即力）之上，并将物体看作一个质点等，基本上都属于质量系统的相对运动。现代物理学发现的因果关系被破坏，基本上都产生于对绝对运动和相对运动的作用机制之混淆。

“一个钟所处的引力势越低（深），它走得越慢，而那里发出的光在引力势较高处去接收就会发生红移”〔5-92〕，亦即是说原子钟在那里发出的光频率较小，周期变大。如果是摆钟，依据T＝2πL/g，由于g变大，周期就必然变小。两种钟的结果居然完全相反，基于什么原因呢？这就恰好能够说明相对运动和绝对运动的作用机制不同，显示的结果就必然会适得其反。由于原子钟的频率直接决定于能量子的频率，属于绝对运动；而摆钟的周期则由作用量g与弹性势的平衡决定，属于相对运动，g变大时相对而言等于固定不变的弹性势变小，故而钟的周期亦随之变小。“量子理论和每一种合理的真实世界观念都冲突”〔6-127〕；“量子力学改变了古典物理学的因果观和实在论”〔2-328〕。这些观念产生于发现了绝对运动和相对运动效果迥异，感到困惑的原因是没有树立起时间和空间“不再是事件在其中发生的被动的背景”，“相反的，它们现在成为动力学的量”〔4-53〕，根源在于没有突破“物质”一元论的樊篱。

问起广义相对论场方程的意义，通常的回答是：“物质和能量要使时空向其自身弯曲”〔4-60〕，反过来弯曲时空的曲率又决定着物体运动的路径。这种表述本来存在一个因果互易的逻辑循环，只需要将误用概念“物质”去掉，就变成了非常明晰的单因（能量）决定单果（质量运动路径）的关系。再如“势函数V表示质量系统对空间任意点的引力作用”〔2-361〕，实质上则是势函数表示任意时空点对质量的趋动作用。作用和被作用的因果关系弄颠倒的原因，许多都出在用相对运动的观念去解释绝对运动；产生这种观念的根源又非常久远和牢固，先是哲学上把物质说成第一性，继而近代科学一开始就决定只研究属于第一性的质量和重量，外加担心宗教神学找麻烦，所有物理学理论就都必须把物质或质量说成是运动变化的起因。依据两系统结构论，动因仅来源于能量系统。

宇观上的星体都是绝对运动，很早很早之前就受到许多哲人的关注，他们的不少观点由于跟相对运动的理论不合，都受到了冷遇。欧拉认为“一切物理过程都是以太与物质相互作用的结果”〔2-180〕，欧多克斯认为“日、月和行星分别固定在想象的匀速转动的天球上，星体本身不动，它们随着天球运动”〔2-51〕，笛卡尔的观点更明确：“宇宙空间充满媒质的旋涡运动，天体被媒质的旋涡推动”〔2-145〕；最直观形象的描述莫过于那个阴阳互动的太极图，那是华夏先民无数代人仰观俯察智慧的结晶。天空中所有星系或星系团无不都是一个涡旋，其中不少涡旋的中心根本就找不到质量（被称为质量丢失的暗物质）。很显然这些涡旋都是能量积累形成的畸变时空，那些特定的R3/2＝K的不同旋线上，都可能会有星体在做自然运动，根本就不需要什么引力作为向心力，自然也就没有必要去找切线力的源。

易学中虽说没有“自组织”这个词，王船山却早就讲清了自组织的作用机制。“阳变阴合，乘机而为动静”，“二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象”，如果将质量子和能量子类比为阴阳，这种说法还满有道理的。

小结：运动有相对和绝对之别。因果关系被破坏的原因大都生之于用相对运动的理论去解释绝对运动，根源在于物质一元论不能作为物理学的哲学基础。

六、唯物宇宙观

科学思想作为文化的一部分，在相当长的时间内世界各地都是沿着自己的传统在发展；从16世纪开始，随着西方殖民主义的掠夺，希腊传统的科学逐渐传播到世界各地。如今所说的近代科学，主要指希腊科学传统的扩展，其间也不乏阿拉伯、中国和印度等地科学成果的积累。物理学思想的发展在很大程度上跟古希腊哲学有着非常密切的关系，古希腊哲学的自然观主张人与自然分离。

在古希腊文化传统中，从公元1世纪基督教创立开始，就出现了理性和信仰、哲学和神学的纷争，科学思想的发展亦被打上深深的烙印。基督教成为国教之后，“知识服从信仰”成为教会的基本准则之一，于是就有人提出“学问来源于经验”与之抗衡。

基督教创立不太久，某些护教派发现那些愚昧贫乏的教义抵抗不住古希腊、罗马文化，特别是哲学，就开始从古希腊、罗马哲学中寻找为教义辩护的依据，从而发展出貌似科学的神学，进而宣布真正的哲学和真正的宗教是同一的和信仰先于理性的原则。中世纪的欧洲几乎一切学术都在宗教神学的桎梏之下，自然科学也不例外，布鲁诺被活活烧死，伽利略遭受终生监禁，都因为他们的理论对神学不利。

唯物主义宇宙观针对信仰先于理性提出物质第一性、意识第二性，自然科学总算找到了哲学基础。由于近代科学确定只研究属于第一性的质量和重量，而不研究与感觉有关的第二性，即把意识范畴留给宗教，总算争得了一席之地。当我们立足于现代科学的成果和困惑，去反思物理学发展的历史时发现，把物质和意识的关系视为全部、特别是近代哲学重大基本问题的唯物主义哲学，根本就不能作为物理学的理论基础。为了从神学桎梏下挣脱出来，选择第一性、第二性之分的哲学虽说必要，终归总逃不掉为临时应付而“举债”付出更高的代价。

物质和意识对立，对立的双方是自然和人，这是古希腊自然与人分离自然观的延续。这种哲学适用的范围应该是人天系统，即探讨的中心课题是人与自然的关系；而物理学则属于纯客观地探讨自然界的秩序和原理的学问，亦即是说它只研究物质和物质之间的联系、相互作用和运动变化规律等问题，丝毫不涉及物质与意识关系的内容。故而我们认为，唯物主义宇宙观虽说使物理学摆脱了宗教神学的束缚，而成为一门独立的学科，却不能做为物理学的哲学基础。

自然界是一个有机整体，要探讨其运动变化的规律，就不应该将所有的物理客体用“物质”一个概念概括。因为变化只能发生在至少两种客体之间，如MN和NM；而MM则是永远无法观测的。

“科学史界越来越多的学者认识到，站在现代科学的立场寻找历史来龙去脉的做法有误入歧途的危险，转而采取从原来的境况中重新阐释科学思想”〔7-2〕，不少人发现了《周易》中保留着自然学的原初形式，可以为科学发展提供有益的哲学启迪。本人沿着这条进路摸索多年，学习探寻的心得是，物理学只有依据两系统结构论的自然观，才可以讨论变与不变。

易以道阴阳；万物负阴而抱阳，冲气以为和；阴变阳，阳变阴，其变无穷；阳变阴合，乘机而为动静；二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象——仅依据上述五句富涵哲理的格言，对物质、时间、空间、运动和因果关系等重要概念做一些简要的剖析，就可以理出一条新的思路。如果依据两系统结构论，对物理学的概念和理论进行一次新的整合与梳理，极有可能会将物理学带出当前的困境。不当之处，敬请各位师长、同仁指正。

参考书目：

1、朱伯昆主编《国际易学研究》第三辑，华夏出版社1997年版

2、董光璧等著《世界物理学史》吉林教育出版社1994年版

3、《马克思恩格斯选集》第三卷人民出版社1972年版

4、(英)霍金著《霍金讲演录》湖南科技出版社1995年版

5、倪光炯等著《近代物理》上海科技出版社1979年版

篇10

(一)地位与作用。

复数的概念是复数的第一课时,在实数的基础上;进一步研究X=-1而得到复数系。

复数在近、现代科学中发挥着极其重要的作用。如,流体力学、热力学、机翼理论的应用;渗透到代数学、数论、微分方程等数学分支。复数在理论物理、弹性力学、天体力学等方面得到了广泛应用,是现代人才必备的基础知识之一。

复数在高考中的地位逐渐下降:题量减少,难度降低。通常就考一题,或者是客观题,或者是主观题,均为中低档难度题。复数的概念与代数的运算是本章的基础知识,也是高考的必考内容。

(二)教学目标。

1.知识要求。

(1)了解引入复数的必要性,理解复数的有关概念。

(2)使学生初步体会i=-1的合理性。

(3)使学生会对复数系进行简单的分类。

2.能力要求。

在培养学生类比、转化的数学思想方法的过程中,提高学生学习能力。

3.育人因素。

培养学生科学探索精神和辩证唯物主义思想。

(三)教学重、难点。

1.重点。

复数的有关概念。

2.难点。

对i和复数定义的理解。

二、学生分析

由于复数是从实数的基础上进一步扩充数系。因此,学生对学习复数的概念存在有不同于实数概念的差异。学生在教师的引导下能基本掌握本节知识。

本班学生层次为理科基础班、基础较差,所以讲解过程不宜较多展开,要简明扼要地让学生掌握复数的概念,特别是i的规定。

三、教学法

(一)教法。

目标教学法、讨论法;学法:归纳―讨论―练习。

(二)教学手段。

多媒体电脑与投影机。

四、教学过程

(一)引入部分。

1.教师引入内容:因生产和科学发展的需要数集在逐步扩充,数集的每一次扩充,对数学学科本身来说,也解决了在原有数集中某种运算不是永远可以实施的矛盾,分数解决了在整数集中不能整除的矛盾,负数解决了在正有理数集中不够减的矛盾,无理数解决了开方开不尽的矛盾。但是,数集扩到实数集R以后,像x=-1这样的方程还是无解的,因为没有一个实数的平方等于-1。由于解方程的需要,人们引入了一个新数i,叫做虚数单位,并由此产生的了复数。

由意大利米兰学者卡当在十六世纪首次引入,经过达朗贝尔、棣莫弗、欧拉、高斯等人的工作,此概念逐渐为数学家所接受。复数有多种表示法,诸如向量表示、三角表示、指数表示等。它满足四则运算等性质。它是复变函数论、解析数论、傅里叶分析、分形、流体力学、相对论、量子力学等学科中最基础的对象和工具。

2.学生对此部分内容在了解的基础上要能够产生学习复数的兴趣和好奇心。

(二)概念讲解部分(此过程应按部就班,层层递进)。

1.虚数单位i。

(1)它的平方等于-1,即i=-1。

(2)实数可以与它进行四则运算,进行四则运算时,原有加、乘运算律仍然成立。如:ai+bi=(a+b)i,ai-bi=(a-b)i,aibi=abi=-ab,ai/bi=a/b(b≠0)。

2.与-1的关系。

i就是-1的一个平方根,即方程x=-1的一个根,方程x=-1的另一个根是-i。

3.i的周期性。

i=i,i=-1,i=-i,i=1。此部分由学生发现得到。

4.复数的定义。

形如a+bi(a,b∈R)的数叫复数,a叫复数的实部,b叫复数的虚部全体复数所成的集合叫做复数集,用字母C表示。

5.复数的代数形式。

复数通常用字母z表示,即z=a+bi(a,b∈R),把复数表示成a+bi的形式,叫做复数的代数形式。

6.复数与实数、虚数、纯虚数,以及0的关系。

对于复数a+bi(a,b∈R),当且仅当b=0时,复数a+bi(a、b∈R)是实数a;当b≠0时,复数z=a+bi叫做虚数;当a=0且b≠0时,z=bi叫做纯虚数;当且仅当a=b=0时,z就是实数0。

7.复数集与其它数集之间的关系(由学生讨论得到)。

N?芴Z?芴Q?芴R?芴C.

8.两个复数相等的定义。

如果两个复数的实部和虚部分别相等,那么我们就说这两个复数相等。

这就是说,如果a,b,c,d∈R,那么a+bi=c+di?圳a=c,b=d。

复数相等的定义是求复数值,在复数集中解方程的重要依据。一般的,两个复数只能说相等或不相等,而不能比较大小。如3+5i与4+3i不能比较大小。

现有一个命题:“任何两个复数都不能比较大小”对吗?不对如果两个复数都是实数,就可以比较大小只有当两个复数不全是实数时才不能比较大小。如3+5i与4+3i不能比较大小。

复数不能比较大小的一种解释:例如:i与0能不能比较大小?

(1)如果i>0,那么i•i>0•i,即-1>0。

(2)如果i0,(-i)>0•(-i),即-1>0。

(三)典例剖析(重引导,由学生比较概念得到结论)。

例1.请说出复数2+3i,-3+i,-i,--i的实部和虚部,有没有纯虚数?

答:它们都是虚数,它们的实部分别是2,-3,0,-;虚部分别是3,,-,-;-i是纯虚数。

例2:实数m取什么值时,复数z=m+1+(m-1)i是:(1)实数;(2)虚数;(3)纯虚数。

解:(1)当m-1=0,即m=1时,复数z是实数;

(2)当m-1≠0,即m≠1时,复数z是虚数;

(3)当m+1=0,且m-1≠0时,即m=-1时,复数z是纯虚数。

例3:已知(2x-1)+i=y-(3-y)i,其中x,y∈R,求x与y。

解:根据复数相等的定义,得方程组2x-1=y,1=-(3-y),所以x=,y=4。

(四)练习(达标)。

课后练习1、2。

(五)小结。

这节课我们学习了虚数单位i及它的两条性质,复数的定义、实部、虚部,以及有关分类问题,复数相等的充要条件,等等。基本思想是:利用复数的概念,联系以前学过的实数的性质,对复数的知识有较完整的认识,以及利用转化的思想将复数问题转化为实数问题。

五、课后反思的三个方面

(一)学生对概念的掌握。

(二)数的发展和完善过程给学生的启示。