受哲學(xué)思想的啟發(fā)導(dǎo)致的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)

愛因斯坦說：“如果把哲學(xué)理解為在最普遍和最廣泛的形式中對知識的追求，那么，哲學(xué)可以被認(rèn)為是全部科學(xué)的研究之母?！痹诳茖W(xué)史上，一些科學(xué)家自覺學(xué)習(xí)哲學(xué)，主動汲取哲人的思想營養(yǎng)，善于吸收優(yōu)秀的哲學(xué)成果，在科學(xué)研究中做出了重要的貢獻(xiàn)。

奧斯特受自然哲學(xué)思想的指引發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)

電流磁效應(yīng)是丹麥哥本哈根大學(xué)教授奧斯特（H. C.Orsted，1777—1851）發(fā)現(xiàn)的。1820年4月的一天，他在課堂上演示實(shí)驗(yàn)，他使伏打電池的電流通過一條細(xì)鉑絲，發(fā)現(xiàn)在鉑絲近旁的指南針（磁針）受到了干擾，盡管效應(yīng)十分微弱，但是他沒放過這一現(xiàn)象。7月，他重新做了實(shí)驗(yàn)，一開始使用的導(dǎo)線很細(xì)，得到的磁效應(yīng)仍然很弱，換成粗導(dǎo)線后，磁效應(yīng)增強(qiáng)。

奧斯特

奧斯特在做電流磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

奧斯特起初想磁針的運(yùn)動也許是因?yàn)殡娏魍ㄟ^導(dǎo)線，使導(dǎo)線變熱產(chǎn)生的空氣流引起的。為了檢驗(yàn)這一點(diǎn)，他把一張金箔放在導(dǎo)線和磁針之間，以阻擋氣流，但是磁針仍發(fā)生偏轉(zhuǎn)。接著，奧斯特在帶電導(dǎo)線和磁針之間放上各種介質(zhì)，如玻璃、金屬、木板、陶器等等，發(fā)現(xiàn)帶電導(dǎo)線對磁針的作用并不減弱。他改變導(dǎo)線中的電流的流動方向，發(fā)現(xiàn)磁針的朝向轉(zhuǎn)了180度：磁針的北極指向了原來南極所指的方向。這表明磁針的指向與電流方向有關(guān)。他做了60多次實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果是一樣的。奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)的基本規(guī)律：電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)繞電流做圓周運(yùn)動。他寫成題為“關(guān)于電沖突對磁針影響的實(shí)驗(yàn)”的論文，在法國雜志《化學(xué)與物理學(xué)年鑒》上發(fā)表。

奧斯特的發(fā)現(xiàn)一開始并沒受到重視。但很快，法國物理學(xué)家阿拉果重復(fù)了他的實(shí)驗(yàn)，消除了一些人的懷疑。另一位物理學(xué)家學(xué)家安培對此也饒有興趣，他得出了電流和激發(fā)的磁感線方向間關(guān)系的右手螺旋定則；他對平行載流導(dǎo)線之間相互作用做研究，給出了電流元之間相互作用力的公式即安培定律；他又提出了分子電流假設(shè)，建立了所謂的“電動力學(xué)”。

有人認(rèn)為奧斯特是碰巧發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的，其實(shí)他做出重大發(fā)現(xiàn)并非偶然。

奧斯特早在哥本哈根大學(xué)求學(xué)期間，就對德國哲學(xué)家康德的批判哲學(xué)深感興趣，他發(fā)表了論文《論自然科學(xué)的形而上學(xué)基礎(chǔ)》，闡述了康德的哲學(xué)思想對自然科學(xué)的指導(dǎo)作用，他因這篇論文在1799年獲得了哲學(xué)博士學(xué)位，并為他日后的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

1801年奧斯特在德國柏林逗留了半年。他研究了德國自然哲學(xué)家謝林的哲學(xué)思想，贊同謝林的基本觀點(diǎn)：所有的自然力是由同一原因引起的。他結(jié)識了年輕的化學(xué)家里特爾，里特爾用電流分解水得到了氫和氧，證明電效應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)是有聯(lián)系的。謝林認(rèn)為這是自然哲學(xué)的最好依據(jù)，并提出了所謂的“動力論”，即“力”這種非物質(zhì)客觀實(shí)體是自然界中的最終和最深刻的東西，而且電、磁、熱、光等諸種“力”都可以相互轉(zhuǎn)化。奧斯特和里特爾一起做了許多有關(guān)電流的實(shí)驗(yàn)，揭示了電、熱、光和化學(xué)效應(yīng)之間的聯(lián)系，堅(jiān)定了對謝林的“動力論”的信念。但他不贊同謝林熱衷于純思辨、企圖以自然哲學(xué)取代物理學(xué)的做法，他主張關(guān)于力的統(tǒng)一的觀點(diǎn)必須到豐富的自然界里用實(shí)驗(yàn)去證實(shí)。

自1803年起，奧斯特在哥本哈根大學(xué)承擔(dān)繁重的教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，堅(jiān)持不懈地進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。他重復(fù)了美國的富蘭克林在1751年用萊頓瓶中的電荷使磁針磁化或退磁的實(shí)驗(yàn)，他想到電可以實(shí)現(xiàn)磁化或退磁，說明電與磁是有聯(lián)系的。他還進(jìn)行了聲學(xué)的研究，試圖發(fā)現(xiàn)振動中的電效應(yīng)。在1812年，奧斯特出版了《關(guān)于化學(xué)力和電力的同一性研究》一書，總結(jié)了對電、伽伐尼電流、磁、光、熱及化學(xué)親和力的研究，他認(rèn)為所有化學(xué)親和力以及熱、光，都是由正負(fù)電荷產(chǎn)生的。

正如美國科學(xué)史家斯泰福在評論這一發(fā)現(xiàn)時(shí)所說的：“奧斯特從謝林的‘美妙而偉大的思想’和從一般自然哲學(xué)原理所接受的激勵(lì)，以及里特爾的實(shí)驗(yàn)和思考的雙重影響，應(yīng)該被承認(rèn)是物理學(xué)中這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)的因素。這可以成為例子，說明在科學(xué)王國外的智力因素對科學(xué)發(fā)展具有潛在的影響?！?/p>

貝塔朗菲受辯證法思想的啟示創(chuàng)立一般系統(tǒng)論

奧地利學(xué)者貝塔朗菲（L. Von. Bertalanffy，1901—1972）在1920年代研究理論生物學(xué)，發(fā)表了《有機(jī)生物學(xué)》《現(xiàn)代發(fā)展理論》《生命問題》等著作。在《有機(jī)生物學(xué)》中，他指出生命機(jī)體是一個(gè)有機(jī)的整體或系統(tǒng)、基本特征是它的組織，強(qiáng)調(diào)了將活的有機(jī)體當(dāng)作“組織系統(tǒng)”的必要性，指出“生物學(xué)的基本任務(wù)就是發(fā)現(xiàn)生物組織中層次水平上生物系統(tǒng)的規(guī)律”。

貝塔朗菲認(rèn)為傳統(tǒng)物理學(xué)所處理的只是封閉系統(tǒng)，即被看成與環(huán)境相隔離的系統(tǒng)，而每一個(gè)生命有機(jī)體本質(zhì)上是一個(gè)開放系統(tǒng)，它是在連續(xù)不斷地吸入與排出、不斷構(gòu)成與破壞組織成分之中維持其自身的。只要它還是活的，就不會處于化學(xué)與熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而是處于穩(wěn)態(tài)之中。顯然，傳統(tǒng)物理學(xué)的公式，原則上不能適用于作為開放系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)的生命有機(jī)體。貝塔朗菲把他的機(jī)體論生物學(xué)稱為“機(jī)體系統(tǒng)論”，這個(gè)理論的要點(diǎn)是整體性、動態(tài)結(jié)構(gòu)、能動性和組織等。他敏銳地覺察到以系統(tǒng)概念為核心的新理論生物學(xué)的建立，將導(dǎo)致在生物學(xué)領(lǐng)域爆發(fā)一場“哥白尼革命”。

用貝塔朗菲的話說，系統(tǒng)“表面上是一種蒼白的抽象和空洞的概念，但是充滿隱藏的含義、激動的和爆發(fā)性的潛力”，這個(gè)具有爆發(fā)性潛力的“系統(tǒng)”概念，成了他的理論起點(diǎn)，促使他萌生了關(guān)于一般系統(tǒng)論的思想。他打算建立一種跨學(xué)科的科學(xué)，即從更一般的意義上制定出適于各種系統(tǒng)的原理和模型，而不討論它們的特殊種類、元素以及所包含的各種“力”。

貝塔朗菲

貝塔朗菲著《一般系統(tǒng)論》中譯本

從20世紀(jì)30年代末起，貝塔朗菲就開始從機(jī)體生物學(xué)轉(zhuǎn)向建立一般系統(tǒng)論。1945年，他發(fā)表了論文《關(guān)于一般系統(tǒng)論》，這是他建立一般系統(tǒng)論的宣言。他指出，一般系統(tǒng)論要研究各種系統(tǒng)的一般方面、一致性和同構(gòu)性，要闡述和導(dǎo)出適于一般系統(tǒng)或其子系統(tǒng)的模型、原理和規(guī)律。他主要研究了機(jī)體系統(tǒng)、開放系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)的理論，試圖以機(jī)體系統(tǒng)理論解釋生命的本質(zhì)。他把開放系統(tǒng)作為系統(tǒng)的一般情形，全面考察了開放系統(tǒng)有關(guān)的穩(wěn)態(tài)、等終極以及有序性的增加等問題，從數(shù)學(xué)上描述了系統(tǒng)的各種性質(zhì)，如整體性、加和性、競爭性、機(jī)械性、集中性、終極性、等終極性等。所有這些工作，為他的一般系統(tǒng)論奠定了理論基礎(chǔ)。1968年貝塔朗菲出版了專著《一般系統(tǒng)論——基礎(chǔ)發(fā)展應(yīng)用》，標(biāo)志著這門學(xué)科的成熟和新發(fā)展。

貝塔朗菲認(rèn)為，他提出一般系統(tǒng)論受到了許多先哲思想的啟示：“一般系統(tǒng)論的思想淵源可以追溯到萊布尼茨，庫薩的對立協(xié)合說……馬克思和黑格爾的辯證法?！?/p>

萊布尼茨從單子彼此的適應(yīng)中和它們的從屬關(guān)系中曾經(jīng)引伸了系統(tǒng)論的原則，他力圖揭開與單子固有的內(nèi)在的相互作用，而且揭開與單子有關(guān)的各種外部的聯(lián)系；庫薩的對立協(xié)合說對認(rèn)識世界種種事物和現(xiàn)象及其相互關(guān)系提供了新的視角和方式；黑格爾首次用系統(tǒng)方法構(gòu)造了龐大的哲學(xué)體系，他認(rèn)為世界不是表示一成不變的事物的集合體，而是過程的集合體。

馬克思把系統(tǒng)思想應(yīng)用到社會科學(xué)領(lǐng)域，他的《資本論》充分體現(xiàn)了系統(tǒng)性原理。恩格斯用系統(tǒng)思想認(rèn)識自然界和自然科學(xué)，他多次指出，自然界和自然科學(xué)就其本質(zhì)而言，乃是“關(guān)系和聯(lián)系的系統(tǒng)”，并強(qiáng)調(diào)，“相互作用是事物的真正的終極原因”。馬克思和恩格斯的辯證法思想極大地啟發(fā)了貝塔朗菲，成為他的理論先驅(qū)。

采用邊學(xué)邊做的任務(wù)式教學(xué)時(shí)，并聯(lián)式的知識點(diǎn)可以安排限時(shí)自學(xué)或者課前閱讀，課中提問或測試來考察學(xué)習(xí)情況，并直接應(yīng)用到實(shí)際的任務(wù)中去，串聯(lián)式的知識點(diǎn)在講解完成后用改進(jìn)型的任務(wù)來增強(qiáng)對難點(diǎn)的理解。不管是串聯(lián)方式還是并聯(lián)方式，對于過程中的注意力散失可以用加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生和學(xué)生與老師之間的交流或者是改變所提供的教學(xué)資源的類型來恢復(fù)注意力。用足夠數(shù)量并且有趣的練習(xí)任務(wù)來推動學(xué)生將所學(xué)知識由有意注意到自動動化加工是最關(guān)鍵的步驟。

湯川秀樹受老莊思想的影響發(fā)現(xiàn)π介子

在20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家已經(jīng)搞清楚了原子核是由質(zhì)子和中子組成的，他們在積極思考：核是怎么成為一個(gè)整體的、核力是如何形成的？日本物理學(xué)家湯川秀樹（1907—1981）也在追究這個(gè)問題，他要找到將核世界統(tǒng)一起來的要素和核力生成的原因。他在與電磁場進(jìn)行類比的基礎(chǔ)上，認(rèn)為這個(gè)要素可能是一種新的力場：“基本粒子的相互作用可以用力場來加以描述，就像帶電粒子間的相互作用可以用電磁場來描述一樣?！边@種場是質(zhì)子和中子在其周圍放出一種特殊的場，他稱之“u場”。u場如同其他場，也是量子的集合，這個(gè)u量子是媒介粒子。粒子不斷地放出u量子，又不斷地把u量子吸收回去，核子之間就是通過交換u量子產(chǎn)生著強(qiáng)大的相互作用力。u量子到底是一個(gè)什么樣的粒子呢？湯川秀樹想到，新的核力場與電磁場既有類似之處，但是又有區(qū)別：作為電磁場的載體，傳遞電磁力的量子是光子，然而核力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電磁力，核力的作用范圍很小，那么核力場的量子必定是一個(gè)有較大質(zhì)量的“重量子”。

湯川秀樹經(jīng)過艱苦的數(shù)學(xué)計(jì)算推出：“伴隨著這種場的量子具有自己的質(zhì)量mu。我們得到的mu值大約是電子質(zhì)量的200倍?！彪娮拥馁|(zhì)量較小，被人稱“輕子”；而質(zhì)量大約為電子質(zhì)量l 840倍的質(zhì)子和中子被稱作“重子”，由于這種核力場的量子質(zhì)量介于輕、重兩者之間，湯川秀樹把它叫作“介子”。

1937年，安德森在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了介子，但質(zhì)量與湯川秀樹預(yù)言的不一樣，這使湯川秀樹深感困惑。然而很快搞清楚了，湯川秀樹預(yù)言的介子是與核力有關(guān)的介子，這種粒子與安德森發(fā)現(xiàn)的介子不屬于同一種類。1947年鮑威爾在宇宙射線中果然發(fā)現(xiàn)了湯川秀樹預(yù)言的介子，以后被稱為“π介子”，它的發(fā)現(xiàn)不僅擴(kuò)大了基本粒子的種類，而且證實(shí)了一種全新的物理觀點(diǎn)。湯川秀樹因此獲得了1949年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

湯川秀樹在總結(jié)其一生的物理學(xué)研究時(shí)指出:“與其他物理學(xué)家不同，對我來說，長年累月吸引我，給我最深影響的是老子、莊子等人的思想。它雖是一種東方思想，但在我思考有關(guān)物理學(xué)問題時(shí)，它仍不知不覺地進(jìn)入其中。”

湯川秀樹

湯川秀樹在授課

老莊認(rèn)為事物無時(shí)無刻不在變移，盈虛、生死都只是一時(shí)的現(xiàn)象，其形態(tài)絕不固定。湯川秀樹從積極意義上對以上觀點(diǎn)加以闡發(fā)，他說：“老莊思想的特點(diǎn)可用不同于‘到達(dá)’和‘通過’或‘一時(shí)停止’來表達(dá)，它們是非常獨(dú)創(chuàng)、有趣的思想。絕無終點(diǎn)的看法是正確的?！彼赋?，老莊關(guān)于變化、發(fā)展的思想與自然科學(xué)體現(xiàn)的沒有絕對不變的認(rèn)識或定理，只有不斷發(fā)現(xiàn)、不斷創(chuàng)新，才能尋得新真理的精神是一致的。

老子曰“道可道，非常道。名可名，非常名。”湯川秀樹對此解釋為，真正的道，即自然法則，不是慣例之道，常識之理。真正的名或概念，不是絕對的，而是具有相對性。如此，可以深刻理解20世紀(jì)的物理學(xué)正是從超越‘常道’、發(fā)現(xiàn)新道開始的。自然科學(xué)就是在不斷淘汰舊概念舊理論，創(chuàng)造新概念新理論中發(fā)展、前進(jìn)的。

湯川秀樹十分贊賞莊子的“知魚樂”典故?；玖Ｗ颖仍舆€要小，很難用實(shí)驗(yàn)手段來識別其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，他堅(jiān)信用某些沖破現(xiàn)有知識框框的奇妙思維方法可以把握住基本粒子的結(jié)構(gòu)，如莊子“知魚樂”一類的直覺思維方法，盡管不會像莊子知道魚的內(nèi)心那樣簡單，但經(jīng)過科學(xué)地改造和提高，可以彌補(bǔ)邏輯和實(shí)驗(yàn)方法的不足，有助于基本粒子的研究。

湯川秀樹說，他在思考基本粒子的過程中深受《莊子》中“混沌”典故的啟發(fā)：“混沌是和基本粒子世界很相通的。莊子說，如果企圖笨拙地把某種樣貌強(qiáng)加給混沌，就意味消滅混沌。雖然人們對此有不同的看法，但我看來，它揭示了我們在基本粒子方面遇到的形勢?！?/p>

現(xiàn)代科學(xué)家的工作與哲學(xué)思維緊密聯(lián)系在一起

像奧斯特、貝塔朗菲和湯川秀樹一樣，不少有重大貢獻(xiàn)的自然科學(xué)家都有很高的哲學(xué)素養(yǎng)，他們既是科學(xué)偉人，同時(shí)又是科學(xué)哲人，或者說，他們都是一些具有哲學(xué)氣質(zhì)的自然科學(xué)家。開普勒從畢達(dá)哥拉斯主義出發(fā)建立了行星運(yùn)動理論；牛頓從經(jīng)驗(yàn)主義出發(fā)建立起古典力學(xué)；愛因斯坦從唯理論的唯物論出發(fā)建立了廣義相對論；海森堡受柏拉圖的《蒂邁歐篇》啟發(fā)，決心尋找反映自然秩序的數(shù)學(xué)核心，建立了矩陣力學(xué)，等等。

德國著名的物理學(xué)家玻恩說：“每一個(gè)現(xiàn)代科學(xué)家，特別是理論物理學(xué)家，都深刻地意識到自己的工作是同哲學(xué)思維錯(cuò)綜復(fù)雜地聯(lián)系在一起的，要是對哲學(xué)文獻(xiàn)沒有充分的認(rèn)識，他的工作會是無效的?！痹诮裉?，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了前所未有的新特點(diǎn)，人類認(rèn)識能力不斷提高，認(rèn)識活動從宏觀領(lǐng)域向兩個(gè)方向擴(kuò)展：一是進(jìn)入宏觀、漲觀領(lǐng)域；二是進(jìn)入微觀、渺觀領(lǐng)域。一系列新的認(rèn)識對象出現(xiàn)了，這些對象具有極大的復(fù)雜性、綜合性和整體性，自然科學(xué)正面臨著新的突破，孕育著新的革命。在自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)生深刻的變革時(shí)期，要把握如此復(fù)雜的認(rèn)識對象，適合科學(xué)發(fā)展的新特點(diǎn)，自然科學(xué)家轉(zhuǎn)向哲學(xué)分析，求得哲學(xué)的啟迪就變得十分必要。他們學(xué)習(xí)優(yōu)秀的哲學(xué)思想成果，從古希臘哲學(xué)到文藝復(fù)興時(shí)期的哲學(xué)，從德國古典哲學(xué)到馬克思主義的辯證唯物主義哲學(xué)，甚至到西方現(xiàn)代哲學(xué)，都能為開展正確有效的思維得到有益的啟示，拓寬思路，找到破舊立新的思想武器，選擇正確的探索途徑，建立更宏偉的科學(xué)大業(yè)。