萊布尼茨對真空的研究及其現(xiàn)代價(jià)值

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　　萊布尼茨生活于被科學(xué)史家譽(yù)為“天才的世紀(jì)”的17世紀(jì)，與開普勒、伽利略、笛卡爾、帕斯卡、波義耳、牛頓等科學(xué)巨匠處于科學(xué)史上的同一個(gè)時(shí)代。萊布尼茨不僅是一位偉大的數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家，而且是近代一位(也許是唯一一位)可比肩亞里士多德的百科全書式學(xué)者。他在自然科學(xué)以外的其它人類理智領(lǐng)域，比他同時(shí)代的其他科學(xué)巨匠取得了更多的成就。他被譽(yù)為德國的科學(xué)、哲學(xué)之父，還在神學(xué)、技術(shù)發(fā)明、法學(xué)、歷史學(xué)、語言學(xué)、政治學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著堪稱同時(shí)代一流的建樹。西方的一位學(xué)者曾這樣評價(jià)：“萊布尼茨可能是近代世界最全面的天才，……觸及了現(xiàn)代知識的幾乎每一個(gè)分支。他是最后一位希望掌握現(xiàn)代知識的所有領(lǐng)域，并且是百科全書式人物的人。”也許正因?yàn)槿R布尼茨所涉及的研究領(lǐng)域過于寬泛、龐雜，他的許多研究成果的重要價(jià)值在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)未得到重視，譬如他對真空問題的研究。盡管由于當(dāng)時(shí)的客觀條件所限，萊布尼茨在真空研究中更多的依靠科學(xué)的猜測和哲學(xué)的思辨，但其結(jié)論竟與200多年后的科學(xué)大師愛因斯坦、狄拉克等人對真空研究的成果暗合，確是令人不得不感嘆其思想之天才。

　　1、“真空問題”的歷史脈絡(luò)

　　對真空問題的研究及爭論可追溯到古希臘。德謨克利特等原子論者認(rèn)為，世界是由原子和虛空構(gòu)成的，提出了真空這一命題;而亞里士多德則認(rèn)為，宇宙中充滿了“以太”,因而真正的虛空是不存在的，他的名言是“大自然厭惡真空”.這可以說是人類對真空問題探討和爭論的源頭，并一直延續(xù)至今。

　　不過，在這里有一點(diǎn)必須指出，真空的概念是有歧義的，有所謂“物理真空”和“哲學(xué)真空(或稱形而上學(xué)真空)”之分，而“物理真空”又有“經(jīng)典真空”與“量子真空”之別。歷史上對真空概念不同時(shí)期也各有側(cè)重，古希臘的真空概念更多是哲學(xué)意義上的，偏向于“虛空”、“虛無”的含義;17世紀(jì)的真空概念是“物理真空”和“哲學(xué)真空”兩者兼而有之;而現(xiàn)代的真空概念更多地是指“物理真空”.當(dāng)然，“物理真空”和“哲學(xué)真空”的概念區(qū)分并不是完全清晰的，也無法成為在該領(lǐng)域嚴(yán)格區(qū)分科學(xué)問題和形而上學(xué)問題的依據(jù)，真空問題依然是(也許會永遠(yuǎn)是)科學(xué)、形而上學(xué)糾纏在一起的一個(gè)前沿領(lǐng)域。

　　17世紀(jì)的真空研究與笛卡爾有很大的關(guān)系。實(shí)際上，人們對自然的看法總是首先基于自身的日常經(jīng)驗(yàn)。對于物質(zhì)與空間的關(guān)系也不例外。按照常規(guī)思維，人們很自然地把空間想像為一個(gè)巨大、不動的空房子，物質(zhì)就是被一件件搬到這座房子里的東西，因而空間必然是先于物質(zhì)存在的。這樣，空無一物的真空就是可能的。這就是所謂的絕對空間的觀念。于是有人就想像地球到太陽間的地帶是真空。但笛卡爾不這么認(rèn)為。在他看來，空間與物質(zhì)不可分，空間只存在于已有某些物質(zhì)的地方，是物質(zhì)的存在才使空間得以存在;空無一物的真空是不存在的。他說：“實(shí)際上，我們無法想像一個(gè)空無一物的容器，一如無法想像一個(gè)沒有谷的山：這將意味著無需廣延就能設(shè)想容器的內(nèi)容，或者無需實(shí)體就能設(shè)想廣延：確實(shí)，沒有什么東西能夠不具有廣延。”至于星際間的地帶，笛卡爾認(rèn)為不是真空，而是充滿了物質(zhì)的，這種物質(zhì)就是以太。笛卡爾從以太演繹出了他的宇宙學(xué)說。

　　笛卡爾否認(rèn)真空存在的學(xué)說受到了托里拆利、帕斯卡等人的強(qiáng)有力挑戰(zhàn)。他們兩人分別做的“托里拆利實(shí)驗(yàn)”、“真空實(shí)驗(yàn)”使人們“眼見為實(shí)”地相信實(shí)驗(yàn)中水銀柱上方的玻璃管中存在著一段真空。近代原子論者及牛頓學(xué)派也都相信真空的存在。從那時(shí)起，贊成真空存在一派似乎占了上風(fēng)。

　　2、萊布尼茨“相對時(shí)空”與牛頓“絕對時(shí)空”的對立

　　萊布尼茨是笛卡爾之后否認(rèn)真空存在的代表人物，為此他與堅(jiān)持真空存在的牛頓學(xué)派發(fā)生了激烈的爭論。他認(rèn)為，真空即是虛無。牛頓學(xué)派的克拉克就曾指責(zé)笛卡爾和萊布尼茨把真空與虛無等同了起來�？死�克認(rèn)為，沒有物質(zhì)的空間無疑是一無所有的空間，但并不表示空間本身也被消除了。在克拉克看來，“如果廣延是物質(zhì)的本質(zhì)，那么物質(zhì)就等同于空間本身;由此可以推出，物質(zhì)必然是無處不在的、無限的和永恒的，并且它們是既不能被創(chuàng)造，也不能回歸虛無，這是荒謬的。”也就是說，依牛頓學(xué)派，笛卡爾和萊布尼茨的錯誤之癥結(jié)就在于把空間與物質(zhì)等同了起來。

　　我們知道，經(jīng)典力學(xué)大廈賴以建立的基石是牛頓的絕對時(shí)空觀，其精要可概括為“時(shí)空獨(dú)立于物質(zhì)而存在”.萊布尼茨明確反對牛頓的絕對時(shí)空觀。他曾寫道：“我把空間看作某種純粹相對的東西，就像時(shí)間一樣;看作一種并存的秩序，正如時(shí)間是一種接續(xù)的秩序一樣。因?yàn)橐钥赡苄詠碚f，空間標(biāo)志著同時(shí)存在事物的一種秩序，只要這些事物一起存在，而不必涉及它們特殊的存在方式;當(dāng)我們看到幾件事物在一起時(shí)，我們就察覺到事物彼此之間的這種秩序。”在這里，萊布尼茨把空間看作是一種“并存的秩序”;把時(shí)間看作是“接續(xù)的秩序”.所謂“并存的秩序”、“接續(xù)的秩序”,更通俗的理解即為一種關(guān)系，即相對時(shí)空觀。

　　萊布尼茨認(rèn)為，空間、時(shí)間本身不是如牛頓理論所言是絕對的、實(shí)在的存在。時(shí)空與物質(zhì)及其運(yùn)動密不可分，離開了物質(zhì)就無所謂空間，同樣離開了物質(zhì)的運(yùn)動也就無所謂時(shí)間�？臻g并不是邏輯上先于和獨(dú)立于物質(zhì)存在的容器。他認(rèn)為，物質(zhì)在邏輯上先于空間的存在，并以空間的形式排列，空間只不過是一種關(guān)系，除此之外沒有什么空間存在。因而萊布尼茨認(rèn)為，牛頓理論中的絕對空間是不存在的，一個(gè)物體僅能改變其與另一物體的相對位置，它不能改變其在絕對空間中的位置，因?yàn)榭臻g是非實(shí)在的，除了物體間的位置關(guān)系，不存在絕對意義上的參照系，也即不存在所謂的絕對空間本身。時(shí)間也是如此，除了是事件之間的關(guān)系外，它什么都不是，也就不存在絕對時(shí)間。由于反對絕對空間和絕對時(shí)間，萊布尼茨自然也反對牛頓理論中的絕對運(yùn)動概念。與他的相對空間觀念對應(yīng)，他認(rèn)為，運(yùn)動也不過只是一個(gè)物體相對于另一個(gè)物體的位置變化，因此，運(yùn)動根本不是什么絕對的東西，它只存在于關(guān)系之中。也即，那種依托于不動的絕對空間背景之上的絕對運(yùn)動根本是不存在的，任何物體的運(yùn)動必然與其它物體的運(yùn)動相關(guān)。與以上的這些觀點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，萊布尼茨自然否認(rèn)虛空的存在，因?yàn)樗�是反對原子論的，同時(shí)他認(rèn)為空間既可以被充滿也可以是空的這種觀念是無法接受的。

　　3、萊布尼茨對真空研究的現(xiàn)代價(jià)值

　　針對真空存在派的托里拆利、帕斯卡等人的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，萊布尼茨也試圖從更多科學(xué)的角度及“物理真空”的方面去否定真空。他指出，托里拆利實(shí)驗(yàn)中水銀柱上方玻璃管中的那段根本就不是真空，那里不過是排除了粗大的物質(zhì)，但仍充滿了精細(xì)的物質(zhì)，如光線仍可透過進(jìn)入其內(nèi)。因而，他認(rèn)定其中并不是真空，因?yàn)楣庖彩俏镔|(zhì)。萊布尼茨還為此作了一個(gè)形象的比喻。他說容器就好比是一個(gè)滿是細(xì)孔的箱子，將它放到水里，箱子里有魚和其他粗大的東西，把這些粗大的東西拿掉，這箱子里仍然還是充滿水的。萊布尼茨實(shí)際上在這里是通俗講解了笛卡爾的充滿以太的宇宙模型。因而，萊布尼茨認(rèn)為空的空間不過是一種想象。

　　20世紀(jì)初物理學(xué)革命后，人們開始重新審視真空問題，愛因斯坦和狄拉克分別基于相對論和量子力學(xué)對真空進(jìn)行了研究，愛因斯坦認(rèn)為真空是“廣義相對論的以太”;而狄拉克把真空看作是“量子場的基態(tài)”.這樣，這兩位20世紀(jì)的物理學(xué)大師就為現(xiàn)代真空研究奠定了“真空不空”這一基本結(jié)論框架。實(shí)際上，不管是在愛因斯坦還是在狄拉克那里，真空都被當(dāng)成是宇宙背景。應(yīng)該說，萊布尼茨的上述關(guān)于真空的看法今天看來在某種程度上是正確的，它正與現(xiàn)代的愛因斯坦和狄拉克的把真空看作是宇宙背景的理論暗合，的確是天才性的猜測。但由于萊布尼茨實(shí)證研究力度不夠，牛頓學(xué)派對萊布尼茨的上述論證深不以為然，因而也不可能改變牛頓學(xué)派關(guān)于真空的觀點(diǎn)。不過，萊布尼茨的相對時(shí)空的理念及對真空的研究成果給20世紀(jì)物理學(xué)革命中擯棄牛頓的絕對時(shí)空提供了思想資源。此外，他在與牛頓學(xué)派有關(guān)真空問題的爭論中，還廣泛涉及了近代科學(xué)中一些非常重要的概念，如原子、以太、引力、物質(zhì)等，實(shí)際上為后世留下了極其寶貴的思想遺產(chǎn)，寫下了科學(xué)思想史上璀璨的一頁。

　　當(dāng)然，愛因斯坦和狄拉克的上述真空概念也是屬于“物理真空”層面，只是再歸細(xì)類的話，愛因斯坦的屬于“經(jīng)典真空”,狄拉克的屬于“量子真空”.因而，像任何其他“物理真空”的概念一樣，它們也逃脫不掉似胡攪蠻纏的“哲學(xué)真空”的追問：既然真空是空無一物，也就是無，那又何來真空的概念?即是宇宙背景那還是真空嗎?真空的宇宙背景到底是什么?當(dāng)然，對立者也可反問：真空什么也不是，但什么也不是的東西經(jīng)過確定就真的不存在嗎?實(shí)際上有關(guān)真空的此類問題在古希臘愛利亞學(xué)派的巴門尼德提出他的關(guān)于“存在”與“非存在”的學(xué)說時(shí)就存在著，后世的不同僅僅在表述方式上。而有關(guān)真空問題的研究將會繼續(xù)(甚至可能永遠(yuǎn)是)如萊布尼茨與牛頓學(xué)派論爭的那樣是一個(gè)科學(xué)問題與形而上學(xué)問題糾纏在一起的獨(dú)特領(lǐng)域。因?yàn)�，如果認(rèn)為真空被愛因斯坦和狄拉克認(rèn)定為宇宙背景而似已得到解決不再是問題的話，那么，人類的理性必然會再去追問似“無中生有”的宇宙誕生機(jī)制以及那個(gè)宇宙“奇點(diǎn)”到底是什么。這實(shí)際上就是真空問題的另一個(gè)版本。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 漢姆普西耳.理性的時(shí)代--17世紀(jì)哲學(xué)家(陳嘉明譯).北京：光明日報(bào)出版社.1989:142~143

　　[2]柯瓦雷•牛頓研究(張卜天譯).北京：北京大學(xué)出版社.2003.164

　　[3] 柯瓦雷•牛頓研究(張卜天譯).北京：北京大學(xué)出版社.2003.165

　　[4] 萊布尼茨.克拉克.萊布尼茨與克拉克論戰(zhàn)書信集(陳修齋譯).北京：商務(wù)印書館.1996.18

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