第三章 描述的理论和物理学史

自然分类和说明在物理学理论进化中的作用

我们提出，物理学理论的目的是变成自然分类，是在各种实验定律之间建立作为一种真实秩序的图像和反映的逻辑的协调，逃避我们的实在就是按此秩序组织起来的。我们也可以说，凭靠这个条件，理论将是富有成果的，将启发发现。

但是，一种反对意见立即引起了我们在这里正在详述的学说。

如果理论必须是自然分类，如果它以与实在被聚集的相同方式聚集外观，那么首先探询这些实在是什么难道不是达到这个目的的最可靠的途径吗？在希望体系最终成为事物的本体论秩序的图像的过程中，不去构造以尽可能浓缩、尽可能严格的形式描述实验定律的这一逻辑体系，而是力图说明这些定律并力求揭开那些潜藏的事物的面纱，难道不是更有意义吗？而且，这难道不是科学大师们行进的道路吗？通过致力于说明物理学理论，他们难道创造不出拥有预言并引起我们惊叹的多产的理论吗？与模仿他们的榜样并重返在第一章中所谴责的方法相比，我们能够做得更好一些吗？

毫无疑问，数位天才——我们把近代物理学归功于他们——曾经建立了他们希望给自然现象以说明的理论，一些人甚至相信他们把握了这种说明。但是，这无论如何不是反对我们就物理学理论详述的见解的结论性论据。空想的希望可以促成令人钦佩的发现，但是这些发现并未使空想实现，而空想却使它们产生。大大有助于地理学进步的大胆探险归因于寻找黄金之地的冒险家，不过却没有充足的理由在我们的全球地图上标印“假想中的黄金国”。

因此，如果我们想要证明寻求说明是物理学中的真正富有成效的方法，那么这还不足以表明大量的理论是由为这种说明而努力的思想家创造出来的；我们必须证明，寻求说明实际上是阿里阿德涅线团 ^[14] ，该线团引导他们通过实验定律的混乱，并容许他们描绘这个迷宫的设计图。

现在，给出这样的证明不仅是不可能的，而且正如我们将要看到的，甚至肤浅的物理学史研究也提供了相反的丰富论据。

当我们分析打算说明可感觉的外观的物理学家所创造的理论时，我们一般并未花费长时间去辨认，这一理论是由两个实际上迥然不同的部分形成的：一部分仅仅是打算分类定律的描述部分；另一部分是打算把握潜藏在现象之下的实在的说明部分。

现在，认为说明部分是描述部分存在的理由远非为真，描述部分才是说明部分由以成长的种子和滋养它发展的根；实际上，两部分之间的链环几乎总是最脆弱的和最人为的。描述部分借助恰当的和自主的理论物理学方法独立地发展；说明部分达到充分形成的有机体，并像寄生虫一样附着在描述部分上。

理论不是把它的能力和多产归功于这个说明部分；绝非如此。在理论中有效的一切东西——理论据此似乎是自然分类并把预期实验的能力授予它自己——可以在描述部分找到；这一切是物理学家忘记追求说明时发现的。另一方面，在理论中为假且与事实矛盾的无论什么东西，尤其可以在说明部分找到；物理学家之所以把错误引入理论中，是由他想要把握实在导致的。

由此可得出下述结论：当实验物理学的进步与一个理论对立并且迫使它做出修正或改造时，纯粹描述的部分几乎整体进入新理论，从而使新理论继承旧理论全部有价值的所有物，而说明部分却坍塌了，以便为另一种说明让路。

这样，借助连续的传统，每一个理论都把它能够构造的自然分类的份额传递给紧跟它的理论，就像在某些古代游戏中，每一个奔跑者把点燃的火炬传给他前面的信使，这种连续的传统保证了生命的永恒和科学的进步。

由于只是显现出被消除的说明不断破碎，肤浅的观察者是看不见传统的这种连续性的。

让我们用一些例子支持我们刚才所说的一切。光折射理论将提供它们。我们之所以从这些理论中借用它们，实际上并不是因为它们格外有利于我们的论题，相反地，而是因为那些肤浅地研究物理学史的人也许认为，这些理论把它们的主要进步归功于对说明的追求。

笛卡儿曾经给出描述单折射现象的理论；它是两篇令人赞美的专题论文“折光学”和“大气现象”的主要对象，二文是作为《方法论》的序言。在入射角的正弦和折射角的正弦之间的不变关系的基础上，他的理论以十分明晰的秩序排列各种形状的透镜以及由这些透镜构成的光学仪器的性质；它解释参与视觉的现象，分析虹的规律。

笛卡儿也给光效应以说明。光只是外观；实在是白炽物体在渗透所有物体的“微妙物质”内的急剧运动造成的压力。这种微妙物质是不可压缩的，以至组成光的压力在其中即时地传播到任何距离：不管一点距光源多么远，正是在同一瞬时，光源发光，该点被照亮。光的这种即时传播是笛卡儿创造的说明体系的绝对必要的结果。比克曼（Beeckman）不愿承认这个命题，他模仿伽利略（Galileo），企图借助在那时相当幼稚的实验反驳它。笛卡儿如下致函比克曼：“依我之见，它〔光的即时速度〕是如此确定，以致如果凭借某种不可能性发现它犯有错谬之罪，那么我会乐于向你立即承认，我对哲学一无所知。你对你的实验如此满怀信心，致使你宣称，如果时间间隔无法把人们在镜面看见灯笼运动的瞬时与人们知觉它在他的手中的瞬时分开的话，那么你自己准备认为你的哲学全都是假的；另一方面，我向你宣布，如果能够观察到时间间隔，那么我的整个哲学就会被完全打翻。” ^[15]

是笛卡儿本人创造了折射的基本定律，还是如惠更斯暗讽的从斯涅耳（Snell）那里借用的，这成为动感情争论的问题；答案是可以怀疑的，但对我们来说无关紧要。确定的东西是，这个定律和以它为基础的描述理论不是笛卡儿提出的光现象的说明的产物；笛卡儿的宇宙论没有扮演产生它们的角色；只有实验、归纳和概括才能提出它们。

而且，笛卡儿从未尝试把折射定律与他的光的说明理论联系起来。

实际上，在“折光学”的开头，他确实展开关于这个定律的力学类比；他把从空气进入水中的光线方向的变化与用力扔出的、从一种介质进入另一种阻力较大的介质中的球的路线的变化加以比较。但是，确切地讲，这些力学比较把折射理论与发射说关联起来，它们的逻辑可靠性遭到诸多批评，要知道在发射说中光线被比作为从光源猛烈抛射出的小粒子雨。伽桑狄在笛卡儿时代坚持这种说明，牛顿稍后也采纳它，但是它与笛卡儿的光理论并不类似；它与后来的理论不相容。

于是，笛卡儿的光现象的说明和笛卡儿对不同折射定律的描述只不过是并置而已，而没有任何关联或渗透。因此，当丹麦天文学家罗默（Römer）表明，光以有限的和可测量的速度在空间传播时，笛卡儿的光现象的说明土崩瓦解了；但是该学说中描述和分类折射定律的甚至最微小的部分也没有随之倒塌；后者即使在今天还继续形成我们基础光学的较大部分。

一条光线从空气中传入某些晶体介质（例如冰洲石）内部，它提供两条不同的折射光线：一条是遵循笛卡儿定律的寻常光线，而另一条是逃脱这一定律限制的非常光线。这种“来自冰洲石的可劈开的晶体的美妙而异常的折射”，是在一六五七年由丹麦人埃拉斯穆斯·巴尔泰耳森或巴尔托林努斯（Erasmus Barthelsen or Bartholinus）发现和研究的。 ^[16] 惠更斯打算系统阐明同时描述单折射定律、笛卡儿工作的对象和双折射定律的理论。他以巧妙的方式成功地这样做了。在提出在非晶体介质或在立方晶体中单光线遵循笛卡儿定律之后，他的几何学构图不仅勾勒非立方晶体中的两条折射光线，而且也完备地确定了支配这两条光线的定律。这些定律是如此错综复杂，以致听凭它自己应变能力的实验也许不会解决它们；但是，在理论给出它们的公式后，实验在细节上证实它们。

惠更斯是从原子论的宇宙论的原理，从那些在他看来“真正的哲学借以构想所有自然效应的原因”之“力学的理由”，引出这个漂亮的和多产的理论吗？绝不是。虚空、原子及其坚硬性和运动的考虑在构造这一描述中根本未起作用。声传播和光传播之间的比较，两条折射光线之一遵循笛卡儿定律而另一条却不服从它的实验事实，关于光波在晶体介质中的波面形状的巧妙而大胆的假设——这位伟大的荷兰物理学家着手揭示他的分类的原理的步骤就是这样的。

惠更斯不仅没有从原子论物理学的原理引出双折射理论，而且这个理论一旦被发现，他也没有力图把它与这些原理结合起来。事实上，为了解释晶体的形态，他设想晶石或岩石晶体是由球体分子的规则堆叠形成的，从而为阿维（Haüy）和布喇菲（Bravais）准备了道路；不过，在提出这个假定后，他满意地写道：“我将只添加一句话，这些小球体完全有助于形成上面假定的光波的球面，几个球面以同一方式与它们的轴处于平行。” ^[17] 惠更斯通过把恰当的结构赋予晶体，来说明光波波面的形状，我们在这个短句中拥有他为此而尝试的一切。

因而，他的理论将依然未经触动，而光现象的说明将连续地彼此接替，因为它们是脆弱的和衰朽的，不管它们的作者表明多么坚信它们的持久价值。

在牛顿的影响下，发射的、微粒的说明与波动理论的创立者惠更斯给予光现象的说明针锋相对；由于这个说明沿着博斯科维奇的原理的路线与引力宇宙论结合在一起，这位伟大的荷兰物理学家认为它是荒谬的，拉普拉斯为惠更斯的构想做了辩护。

拉普拉斯不仅借助引力物理学说明一位称赞截然相反的观念的物理学家发现的单折射或双折射理论，他不仅“从我们受惠于牛顿的那些原理，借助穿越许多无论什么透明介质和大气的光的所有运动现象都服从严格计算” ^[18] 演绎出该理论，而且他也认为这一演绎增加了说明的确定性和精确性。毋庸置疑，双折射问题的解决是由惠更斯的构想给出的，它“被认为是实验结果，可以置于那位罕见天才的最漂亮的发现的高水准上。……我们不应该犹豫不决地把它们置于物理学的最确定和最美丽的结果之中”。但是，“迄今这个定律仅仅是观察的结果、近似的真理，在那里最精细的实验还是落在误差限度内。不过，它所依赖的作用定律的简单性应当使它被看作是严格的定律。”拉普拉斯在确信他提供的说明的价值方面甚至走得如此之远，以至于宣称，唯有这个说明能够消除惠更斯理论的不可能性，使健全的心智接受它；由于“这个定律经历了与开普勒（Kepler）的漂亮的定律相同的命运，开普勒定律长期以来没有受到正确评价，因为它们与不幸地渗透在开普勒所有著作中的体系的观念结合在一起”。

就在拉普拉斯如此轻蔑波动光学的时代，由杨和菲涅耳发扬光大的波动光学却取代了微粒发射光学；但是，多亏菲涅耳，波动光学才经历深刻的变化：光源的振动不再在光线的方向上起作用，而是在垂直于光线的方向上起作用。指导惠更斯的声和光的类比消失了；不过，新说明还是导致物理学家以惠更斯设想过的方式采纳被晶体折射的光线的构图。

无论如何，在改变它的说明部分时，惠更斯学说也丰富了它的描述部分；它不再仅仅表达支配光线路程的定律，而且也表达它们的偏振状态的定律。

现在，这个理论的持有者处在反过来反对拉普拉斯的有利位置上，尽管他曾对他们的立场表示轻蔑的怜悯；正是在菲涅耳光学正在凯旋的时刻，这位伟大的数学家写下下述句子，情况变得不讥笑它就难以卒读：“在我看来似乎是，双折射和恒星光行差现象即使不是把十足的确定性，也是把极高的可能性给予光的微粒发射体系。这些现象按照以太流波动的假设是费解的。被晶体偏振的、在通过平行于第一个晶体的第二个晶体时不再分开的光线的奇异性质显然指明，同一晶体对各种不同的光分子具有不同的作用。” ^[19]

惠更斯给出的折射理论并未覆盖所有可能的情况；较大范畴的晶状体即双轴晶体提供的现象无法进入它的框架。菲涅耳建议扩大这个框架，使人们不仅能够分类单轴双折射定律，而且也能够分类双轴双折射定律。他是如何成功地这样做的呢？是通过寻求光在晶体中传播模式的说明吗？绝不是；他是通过几何学直觉完成它的，在那里没有为关于光本性或透明体构成的任何假设留有余地。他注意到，惠更斯不得不考虑的所有波面能够通过简单的几何学构图从某种二次面推导出来。这个面对单独折射的晶体来说是球面，对单轴双折射介质来说是回转椭面；他设想，通过把同一构图应用于三个不等的轴，人们能够得到适合于双轴晶体的波面。

这种大胆的直觉得到最杰出的后继者的报答；它不仅使菲涅耳提议的理论与所有实验决定审慎一致，而且它也使人们有可能猜测和发现意料之外的和自相矛盾的结果——实验家把它们遗忘了，从未想到寻找它们。伟大的数学家哈密顿（Hamilton）从双轴晶体的波面形状推导出这些奇异现象的定律，物理学家劳埃德（Lloyd）随后寻找并发现了这些现象。

因此，双轴双折射理论具有我们在其中辨认出自然分类标志的那种多产性和预言能力；可是，它们并非诞生于任何说明的尝试。

菲涅耳并不是没有力图说明他所得到的波面的形式；这种尝试曾激起他的强烈的感情，致使他没有公布导致他发现的方法；这个方法只是在他去世后才变得为人所知，当时他的关于双折射的第一篇学术论文最终被豁免出版。 ^[20] 在他活着时发表的关于双折射的论著中，菲涅耳力图借助有关以太性质的假设重建他已发现的定律；“但是，他由以构成他的原理的那些假设并未经受透彻的审查”。 ^[21] 当菲涅耳的理论限于起自然分类的作用时，它是令人赞美的，但是只要它作为说明给出，它就变得站不住脚了。

相同的情形对于大多数物理学学说都为真；在这些学说中持久的和多产的东西是逻辑工作，它们通过逻辑工作借助从几个原理演绎出为数众多的定律而成功地把这些定律自然地加以分类；短命的和不结果的东西是着手说明这些原理的劳动，为的是把这些原理附属于与潜藏在可感觉的外观之下的实在有关的假定。

人们往往把科学进步与涨潮相比较；当应用于物理学理论的进化时，这种比较在我们看来似乎是十分恰当的，可以进一步详细地追踪它。

无论谁对冲击到海滩的波浪投以短暂的一瞥，他都看不见潮水上涨；他看到波浪升起、奔腾、伸展它自身，覆盖狭带似的沙滩，然后离开它似乎要征服的干地带而退回去；新的波浪紧随而至，有时比前一个波浪跑得稍远一些，但有时甚至还达不到前一个波浪浸湿的海洋贝壳。不过，在这种表面的往复运动下，产生了另外的运动，后一种运动更深奥、更缓慢，漫不经心的观察者是察觉不到的；它就是在同一方向稳定地继续着的累进运动，海面借以不断地上升。波浪的来来去去是下述说明尝试的忠实图像：那些上升的东西反而被弄碎，那些前进的东西反而后退；在那之下持续着缓慢而不断的进展，它的潮流稳定地征服新的土地，这对物理学学说而言保证了传统的连续性。