恩斯特馬赫與原子論論文

　　恩斯特馬赫（Ernst Mach，1838年2月18日~1916年2月19日）是奧地利著名的物理學家，生理學家，心理學家，科學史家和科學哲學家。他的整個工作，他的精湛的實驗，他的歷史著作，他的科學哲學學說，將列入人類的思想寶庫，永遠受到人們的懷念與發掘。他的堅定不移的懷疑主義和獨立性，他珍惜思想自由勝過珍惜生命安全和對智力財產的佔有的高尚品格，他的人道主義的言論和行動所顯示的博大胸懷，將作為一種精神財富，永遠激勵著人類自身的更新和文明社會的進步。

　　然而，反對相對論和原子論，似乎成了馬赫科學生涯中的兩個汙點。關於前者，沃爾特斯在他的近著中一反傳統的成見，認為馬赫1913年7月所寫的《物理光學原理》序言是他的大兒子偽造的。這是否成定論，還有待日後見分曉。至於馬赫對原子論的態度，正是本文將要論述的課題。

　　一、馬赫對原子論態度的變化

　　馬赫在其科學生涯中對原子論的態度前後有所變化，大體可以劃分為三個時期。 1．贊同和懷疑時期。從1860年作為維也納大學的無公薪講師，直到1863年，馬赫對自然現象採取徹底的機械論解釋，並且毫無保留地接受了原子論，承認氣體動力學理論，至少是把原子論當作有用的工作模型或工作假設。在這個時期，馬赫仿效在物理學家中流行的觀點，對物理現象作了富於哲學性的原子論的描述。他早期關於原子論的觀點包括在關於多普勒效應、毛細現象、氣體光譜、共振以及聲音在耳中傳播的研究中。

　　在1861~1862年的冬季學期，馬赫在維也納大學舉行了“醫用物理學”講座，這些講稿在1863年以《醫用物理學綱要》為題出版了。他在書中使用原子理論解釋物質的物理性質和化學性質。他把原子分為兩類：與相隔距離的平方成反比的力相互吸引的物質原子，比距離平方增加還要急劇減少的相互排斥的以太原子。他覺得物質的原子理論比動力理論和連續理論更能可信地解釋各種物理現象，熱和光現象也受到原子假設的支援。他認為，以原子論為基礎的波動論對物理學而言是有生命力的，因而原子論也是有生命的。

　　在1862年的一個短評中，馬赫探討了化學物質明線光譜純粹力學解釋的可能性，希望能夠利用這一研究明確解釋原子理論的許多觀點；在1863年發表的論述聽覺器官的文章中，他藉助於可想象的任意維度探討了原子和分子的性質。

　　也就在馬赫贊成並使用原子論的時候，他已對該理論持有某種程度的疑惑。在前述的《醫用物理學綱要》中，馬赫還是直率地討論了原子論的不足之處。他評論說，無論將來可能提出什麼樣的關於物質的形而上學概念，按原子論所得的結果總有可能轉變為另一種概念，正如極座標公式可以在直角座標中表達出來一樣。他指出，作為物理學目標的最高原理還沒有找到，我們此時只能滿足於所謂的原子理論。他心裡很清楚，原子論還沒有受到判決實驗的檢驗，所有物理現象是否能夠還原為原子的平衡和運動，我們還只能猜測。他雖然藉助能量守恆定律和熱力學理論在電與原子概念聯絡起來方面取得了部分成功，但仍覺察到深深的暗影籠罩了電的本性問題。在同年發表的“論聽覺器官理論”的文章中，年輕的馬赫對把自然現象還原為原子或分子的力學運動的嘗試表示懷疑。他開始批判性地審查機械論和原子論在科學理論結構中的作用，把依據二者所進行的解釋拋在一邊。

　　1863年夏季，馬赫就心理物理學發展的系列講演，標誌著他對機械論和原子論已失去興趣。他證明，精密科學的表達沒有必要歸結為任何一門特殊科學，我們不能簡單地把每一種東西都扔進標有質量、時間和空間的三隻桶中。基於原子論無法研究智力活動，原子論甚至不能作為臨時假設來處理人的思維過程，他指出，大多數人習慣於使問題實體化，但是這種觀點具有內在的困難。他反問道：“我們如何設想原子呢？有色的，灼熱的，發聲的，堅硬的？”

　　1864年，當馬赫到格拉茨大學接受了數學正教授職位後，他對原子論的觀點發生了重大的修正。這年，他就熾熱氣體的光譜發表了第二篇短論。他說：“……我決沒有認為原子理論是本質上已經成立的東西；而寧可把它看作是有用的、暫時性的經驗處方，看作是接近真理的一種有規則的虛構。” 他在同年的另一篇文章中對原子和力學解釋表示失望。但是，在此後的將近10年內，馬赫處理感覺心理學和生理學的實驗顯著增加了，對原子概念並沒有表現出特別的關心，原子似乎在馬赫的考慮中消失了。

　　2．批判時期。1872年，馬赫出版了《功的守恆定律的歷史和根源》，這本小冊子標誌著批判時期的開始。它囊括了馬赫青年時期所思考的重要問題，也是他有生之年繼續深入探討的課題：科學理論的意義和作用，生理學和感覺心理學對一般自然科學認識論的重要性，思維經濟原則，牛頓力學的不妥之處，原子論的毫無結果，對古典派的因果關係的尖銳批判，物理還原論，機械論，唯物論，以及一切形而上學臆測的形式。在這本著作中，馬赫把他批判原子論的觀點明顯地與他的自然觀、科學觀和方法論聯絡起來，他透過對歷史的考察，提出了明確拋棄力學自然觀的結論，他堅決反對亥姆霍茲和克勞修斯用原子，分子論解釋熱理論的觀點。

　　對原子論的尖銳批判也出現在他80年代和90年代的主要專題著作中。例如，在《力學力評》（1883年）的“科學的經濟功能”一節中，馬赫寫道：“但是原子這一精神設計物並不是根據連續性原理形成的；恰恰相反，這是為著一定的目的而專門設計的產物。原子不能被感官感知；像一切物質一樣，它們是思維的東西。而且，原子被賦予了與迄今在物體中觀察到的屬性絕對矛盾的性質。原子論儘管很適宜於摹寫某些事實，但是熟悉牛頓定律的物理學家只能把它看成是暫時的幫助，還要努力以更自然的方式求得一種令人滿意的理論來代替它。在《感覺的分析》（1886年）中，他斷言原子論並不能適應統一科學的需要。他認為，“物理學和化學中那些人造的、假設的原子和分子”只是表示“感性要素相對穩定的複合體”的“一種不自覺地構成的、很自然的思想符號”。“這些理智方法的價值對於物理學和化學的特殊的、有限的目標所起的作用是無可非議的。它們永遠是把物理學和化學的經驗符號化的方法。”但是，它們並不能給予我們對經驗更多的東西。

　　3．在他—生的最後20年，馬赫曾做出某些嘗試，試圖使他的觀點系統化，並使之與新證據相一致。1908年，讓佩蘭以出色的實驗證實了分子的實在性。此後，尤其是1910年後，馬赫對原子理論的功效的估計發生了重大變化，他在新著作中再也沒有出現過否定原子論的言論，並多次說過原子理論的經濟性。其中有三件事頗值一提。

　　其一，據維也納物理學家斯忒藩邁耶爾（Stefan Meyer）報道，有一次他向馬赫演示α粒子在熒光屏上產生的可見痕跡時，馬赫喊道：“現在我相信原子的存在了，在短短的兩三分鐘內，我的整個世界觀改變了。”這插曲有人說發生在1903年，但很可能發生在1910年（是年維也納鐳研究所建立）。這是否能說明馬赫承認原子的實在性，還是有疑問的，因為對馬赫這樣的人來說，接受一個理論決不意味著接受相應的本體論。

　　其二，1910年9月愛因斯坦到維也納訪問馬赫，他向馬赫提了這樣一個問題：如果證明了由假定原子的存在就有可能預測氣體的一種性質——這種性質不用原子假設就不能預測，而且這是一種可以觀察到的性質——那麼該採取怎樣的立場呢？當時，馬赫是這樣回答的：如果原子假設有可能使某些可觀察到的性質在邏輯上聯絡起來，而要是沒有這種假設就永遠無法聯絡，那麼就不得不接受原子假設。在這樣的情況下，假定原子可能存在，那該是經濟的，因為人們能夠由此推匯出觀察之間的關係。

　　其三，馬赫1914年6月在寫給奧地利的化學家的信中指出，他已重新評價自己在《功的守恆定律的歷史和根源》中關於科學史和科學哲學的早期研究。他把這本書說成“與事實不符，過時的和怪癖的”。沃爾特斯認為，從信的上下文推斷，馬赫在這裡意指在原子理論方面的進展。這些事例雖不能充分說明馬赫明確承認了原子存在，但起碼可以說明他的態度有所轉變，說明他晚年還保持著內心的自由。

　　二、馬赫不贊成原子論的理由

　　關於馬赫不贊成原子論的理由，有人從哲學（感覺論）上找原因，有人從科學上找原因，有人認為二者兼而有之。L．勞登認為，這種尋找理由的途徑雖然也有一定的道理，但並不是令人滿意的。

　　從馬赫感覺論的認識論找原因的人認為，馬赫斷言世界僅僅是由感覺（或要素）構成的，任何超越於感覺的實在都是不合理的，我們就外部客體所能說的一切只是我們實際或可能的感知的速記方式。因為原子和分子原則上超越於我們感官所能達到的範圍，它們根本是不可感知的，所以原子和分子論是沒有意義的。

　　勞登指出，—上述看法從年代上是講不通的，因為在馬赫成為虔誠的感覺論者之前很久，他就對原子論的存活力和有效性發生了嚴重的懷疑。幾乎在他《感覺的分析》之前1／4世紀，以及現象論的認識論之前10年，馬赫就對原子、分子論持有重要的保留意見。作為馬赫反對原子論基礎的感覺論缺乏任何實質性的證據。否則，便要宣稱馬赫早在發表任何認識論問題或一般哲學問題之前很久就採納感覺論了。其次，馬赫對原子和原子論的大量保留與原子不能還原為感覺毫無關係。他的論據來自各個方面，而不在於他的哲學體系。最後，這種解釋無法指出，冒犯馬赫哲學的敏感性的問題特別是原子論。因為馬赫本人曾堅定地指出，每一種科學理論都假定超越於我們感覺經驗的客體，都要把精神的概念新增到我們的感覺經驗上。可是，馬赫並未因此而反對化學元素理論、靜力學和天體力學等理論。他既不一般地反對理論化，也沒有反對他所處時代的大多數科學理論。

　　E．希伯特提出，馬赫拋棄原子論有兩個直接的科學理由（[2]）。一是馬赫發現某些經驗現象（尤其是元素光譜）似乎不能用原子論來解釋；二是在1865年後，馬赫大部分科學工作與宏觀水平的問題有關，而原子，分子則涉及到微觀問題。希伯特宣稱，假如馬赫致力於物理學的其他領域，他會十分樂於容忍原子論。勞登認為，這並未言中馬赫反對原子論的基本理由。假使希伯特的說法是對的，那麼馬赫對原子論的態度就應該與他的科學研究內容一致。這就很難解釋，馬赫為何在他早期工作中利用原子論時就對原子論發生了懷疑。說馬赫反對原子論是基於實驗上的反對，那麼奇怪的是，在馬赫論及原子論的大多數場合，都沒有詳述支援原子論的實驗是軟弱無力的，他也沒有列出與他所處時代的微觀物理學衝突的經驗異常的詳細清單，而19世紀後期大多數反原子論者都是這樣做的。這是因為，馬赫並不關心僅僅證明原子論是假的，他更想證明原子論作為一種理論化是不恰當的和危險的。

　　據此，勞登得出結論說，馬赫反對原子論既不是由於抽象的認識論，也不是由於具體的物理學，其根源在於馬赫關於科學探索的目的和方法的觀點，這提供了馬赫對原子、分子假設提出大多數批評的框架。他逐一分析了馬赫反對原子論的四個主要理由，目的—理論的反對理由，解釋的反對理由，綱領的反對理由，推論的反對理由。

　　勞登的分析能給人以有益的啟示。我覺得，探討馬赫不贊成原子論的原因，必須在抽象的哲學和具體的科學之間的中介層次去尋找，即在馬赫的自然觀、科學觀和方法論中去尋拔。這是因為，19世紀的原子論既不是抽象的哲學理論，也不完全是純粹的物理學和化學理論，它是一種帶有強烈哲學色彩的科學理論。因而，在哲學與科學的結合部探討馬赫不贊成原子論的原因是恰當的。另外，這樣作對解釋馬赫在科學生涯中對原子論態度的變化也是自然的。假如馬赫從感覺論出發反對原子論，那麼他晚年的態度就不會有微妙的變化，因為人們至今也不能直接感覺到原子，假如馬赫以科學的理由反對原子論，那麼在佩蘭實驗之後，他就應該像奧斯特瓦爾德和彭加勒等人那樣，痛快地承認原子的存在，而他並沒有這樣做。以此看來，從馬赫的自然觀、科學觀和方法論入手，也許可以找到馬赫不贊成原子論的思想真諦。

　　1．對於馬赫來說，拋棄力學自然觀是與懷疑批評原子論同步進行的，因為原子論本來就是力學自然觀在物質結構方面的具體體現，是力學解釋的基礎之一。早在馬赫在維也納大學作無公薪講師時，他就對把力學作為整個物理學基礎以及一切物理現象都要用力學來解釋的力學自然觀發生了疑問。他指出力學沒有明確在什麼是先驗的、什麼是經驗的、什麼是假設的之間作出區分，並批評了牛頓的質量定義（物質的量）。在《功的守恆定律的歷史和根源》中，他通過歷史的考察，明確提出要否定力學自然觀，因為這種自然觀是誤想的後果。《力學史評》是馬赫系統批判牛頓力學體系的著作。他在書中強調，力學原理儘管在一些領域是有效的，但決不能把它們推廣到經驗界限之外。“把力學作為物理學其餘分支的基礎以及用力學觀念來解釋所有現象的觀點”（力學自然觀）是一種“偏見”和“神話”。馬赫由對原子論的贊成到否認，是與他的自然觀的轉變密切相關的。在19世紀中葉，還原論的觀點也頗為流行，它實際上也屬於力學自然觀的思想範疇。在馬赫看來，原子論這一特殊企圖只是更為普遍的自然科學還原綱領的一部分。一方面，原子被看作是把自然界的一切還原為力學的媒介物，尤其是對那些難以直接還原為力學的熱、化學變化等現象，不可見的原子的行為就起著這種作用。另一方面，在把第二性的質還原為第一性的質時，原子同樣起媒介物的作用。

　　因此，馬赫批判原子論的論據是與直接反對機械論和還原論的自然觀聯絡在—起的。企圖把一切自然現象還原為力學原子的行為，就是要人們承認一切變化都是力學變化，一切質統統是力學的質。然而，馬赫斷然否認世界上有純粹的力學現象，不認為我們關於時間和空間關係的經驗對我們關於顏色、聲音、溫度等等的經驗更具有客觀意義，也不認為把所謂客觀物體的第二性的質還原為不可感知的物質的猜測性的第一性之質是有健全意義的。熱、光、功、壓力等是可感覺的物體的明顯的質，沒有必要加以還原。馬赫強烈地感到力學的原子論的侷限性，尤其是把它用於生物學和心理學時。他認為費希納和其他科學家試圖用原子、分子術語解釋智力現象是“臭名昭著的荒謬”。作為一位心理—物理學家，馬赫明智地避開了費希納關於所有心理現象都能夠還原為物理現象的路線；作為一位物理學家，他堅定地認為物理學中的每一事物並不能被力學窮竭。馬赫相信，各種現象並不處於相互還原的關係中，每一門科學都有自己的領域、概念、方法。這是馬赫對原子論持異議的一個前提條件。

　　2．從科學觀上考察，馬赫不贊成原子論的理由可以在他關於科學理論的目的和結構的觀點，即在現象論的描述觀和實證論的構造觀中去尋找。

　　馬赫認為，科學的任務不是別的，僅是對事實作概要的陳述；科學的目標廣就是用直接可測量的諸量的函式關係來描述各種現象。這種現象論的描述觀對科學理論的要求是：透過作出儘可能少的關於存在的許諾，能夠解釋已知的自然規律，並導致發現新的自然規律。為了達到這一目的，理論完全可以有效地超越我們已知的世界，可以斷言我們還未探索的現象的關聯。不過，它們必須受到兩個因素的制約：其一是，理論應該導致我們正確預期觀察材料之間的關聯，即它們應該預言後來的實驗可以證實的某些定律；其二是，如果它們是科學體系中相對永久的部分，我們就必須能夠得到這樣的理論所假設的所有實體存在的直接證據。

　　馬赫承認，原子論曾經幫助科學家發現了現象之間的關聯（如化學中的定比定律和倍比定律），它曾具有巨大的啟發功能。但是，原子論早就耗盡了它的有用性，它對熱現象的描述就不如現象論的熱力學，況且人們並沒有原子存在的直接證據。馬赫的立場很明確：理論僅就能夠在實驗上確定或測量的實體或性質作出描述和斷言。但是，馬赫在對原子論的使用上並不是教條的。只要理論能導致發觀新的`經驗上可檢驗的關係，馬赫就認為它們在科學上是有用的，而不管我們是否能夠觀察到理論所假定的實體。如果我們無論如何也看不到理論所涉及的一些實在存在的直接經驗證據，那麼我們就應該認為這些實體是方便的虛構，而不認為它們暴露了自然界的真實本體。在馬赫所處的年代，原子和分子明顯地屬於這個範疇，馬赫在1882年的講演中強調了這一點。

　　19世紀的實證論，並不反對推測性的理論構造，從孔德到馬赫，都熱情地接受了康德的能動認知者的觀點，輕視18世紀那種認為理論是以某種方式從材料中機械地產生出來的經驗主義和歸納主義的觀點，都強調理論和假設對於連貫地收集實驗證據是先決條件。但是，實證論者對科學理論化的看法畢竟是保守的。他們認為，一旦給定理論的目的是把事實關聯起來，一旦給定關聯的過程必須採取超越於事實的過程，就不應該假設任何對於關聯任務來說是不必要的實體或過程。為了整理和關聯已知的現象，就要提出假設和理論，這樣做就要使用機械論和實體，它們原則上超越了實驗分析所能接近的東西，這便把科學和形而上學混為一談了。

　　馬赫揮起實證論的奧卡姆剃刀，從科學思維的經濟原理出發，要求把一切形而上學的東西從科學中統統排除掉。他指出，不受實驗分析和控制的任何理論實體都應刪除，或者作為虛構物、作為臨時性的技巧來看待。馬赫認為原子概念就是這種形而上學的理論實體，自然應在刪除之列。

　　3．從方法論的角度看，馬赫反對原子的原因在於他對假設的看法及原子論者的錯誤推論上。

　　對於假設在科學中的作用，馬赫向來是持肯定態度的。但是，他也強調指出，不能把假設的內容看得比事實更有價值；如果對假設的信賴超過了對事實的信賴，那對科學進步是有害的和危險的。關於假設的作用，馬赫告誡說：一旦假設透過代替比較熟悉的觀念，而盡最大努力推進了我們關於新事實的觀點，它的功能就耗盡了。一旦腳手架達到了它的目的，就應該迅速地拆除它。假設並不是我們的目的，它僅僅是通向描述性的物理學理論的準備步驟。他認為原子和分子假設是建立在形象抽象的基礎上，它們作為一種不可見的實在還沒有從外部被規定。而且，它與實際的物理經驗相矛盾，與物質連續性的觀念相對，它是一個很不經濟的概念。

　　在把原子論看作是一種啟發性假設這一點上，馬赫並沒有否認原子論，而且肯定了它的價值。所謂啟發性假設，即不具有存在的意義，而僅對作進一步的實驗、新的觀測或探索綱領有啟發意義；啟發性假設僅僅是一種工具，或者是一種手段。但是，馬赫反對把原子假設視為實在論的假設，即認為原子論具有實在論或本體論的意義。他正是在這個意義上否定原子論的。

　　原子論的擁護者常常假定，他們的理論行得通的事實是這個理論真理性的推論證據（presumptive evidence）。馬赫認為，這是靠不住的，因為在物理學和化學領域，有非原子論的理論（如熱力學理論）也符合事實。在馬赫看來，科學理論必須滿足兩個條件：它能夠精確地解釋事實，它應該內在地一致。在原則上有許多不同的關於世界的理論或概念，它們都能滿足這兩個條件。在這種條件下，優先選擇一種模式構想世界而不選擇另一種模式構想世界，完全是任意的。不同的概念能夠以同樣的精確性表示觀察領域的事實，原子論者的推論證據是站不住腳的。

　　馬赫對原子論的另一重要保留意見是該理論涉及到“超驗”推理。在這裡，馬赫的中心論據出自他對牛頓著名的哲學推理第三法則的解釋。該法則試圖指定條件，在這個條件下我們可以從我們已知的世界的宏觀結構推論出他的微觀結構的性質。但是，歸因於原子的許多性質（如剛性、不可分性等）都不是實驗室的物體所顯示出來的性質。由此可見，原子淪者犯了一個基本的歸納推理、理論推理的謬誤，這隻能引起馬赫對它的懷疑。

　　綜上所述，可以看出，馬赫對原子論的保留意見既不是起因於他的感覺論，也不起因於他的物理學，而是源於他對自然界和自然科學的總的看法，以及他對科學的作用、意義和方法的理解，換句話談，源於他的自然觀、科學觀和方法論。

　　三、最後幾點說明

　　1．嚴格地講，馬赫並不是一般地反對原子論，而是對原子論持有保留意見。這不僅表現在他早年對原子論的基本贊同上和晚年對原子論的態度轉變上，即使在他批評原子論最激烈的時期，他也只是不同意把原子看作本體論意義上的實在，他仍肯定了原子論作為一種“作業假設”和“輔助概念”的價值。馬赫這一看法不僅僅是一種歷史的觀點，用這種觀點來看待今天的場論和基本粒子理論，豈不是富有啟發意義嗎？

　　2．馬赫和批判學派的其他代表人物在批判力學自然觀方面是步調一致的，這也是他們成其為批判學派的主要依據。但是，在對原子論的態度上卻不盡相同，不能混為一談。馬赫的態度前已述及，他對奧斯特瓦爾德的能量學和唯能論並不贊成。彭加勒在科學共同體內既避免把他與能量學聯絡起來，也避免把他與力學物理學聯絡起來，他偏愛熱力學，但並沒有否定原子論。他只是認為原子、分子論不能解釋所有已知的實驗事實，既不能把它視為真實的，也不能把它視為虛假的，它作為助發現的工具是貧乏還是豐富，依然是一個懸而未決的問題。他在“中性假設”的意義上承認原子論的價值，並在佩蘭實驗之後承認了原子的實在性。奧斯特瓦爾德早年也是一位原子論者，後來他才轉向能量學和唯能論而反對原子論。在佩蘭實驗之後，他承認了自己反原子論的錯誤，但並沒有放棄唯能論的立場。迪昂由於專注於熱力學，由於他對科學方法論的一般解釋，他徹底地反對力學模型和原子論。他不相信實際已知的物理現象能夠方便地從粒子假設中推匯出來，他認為分子和原子實在性的問題是純粹的形而上學，都在科學轄域之外。

　　3．在辯論原子和分子的解釋中，在反對19世紀原子論固有的力學綱領中，在堅持科學從根本上是描述的，在要求微觀理論必須在觀察和測量水平上是富有成效的，馬赫講的並不僅僅是個人的看法，而是整個一代物理學家和哲學家的渴望與憂慮。即使在原子論的最熱情的信徒中間，也普遍接受了馬赫關於科學理論是健全的和合理的方法論標準，玻耳茲曼和普朗克便是如此。

　　參考文獻

　　G．Wolters，MachⅠ，MachⅡ ，Einstein und die Relativittstheotie，Eine F1schung und ihfc Folgen，1987。其內容大要見《自然辯證法通訊》1988年第2期作者的文章：“現象論、相對論和原子：為恩斯特馬赫的科學哲學恢復名譽”。

　　E．N．Hlbert，The Genesis of Mach’s Early View On Atomism，Boston Studies in the Philosophy of Science VI，pp．79~105。

　　E．Mach， The Science of Mechanics， a Critical and Historical Account of Its Development，6th ed。， Translated by T。 J。 McCormack， Open Court Publishing Company， U。S。A。 1960， p。559。

　　馬赫：《感覺的分析》，洪謙等譯，商務印書館，1986年第2版，第24，239頁。

　　參見Motion and Time，Space and Matter， Edited by P。 K．Machamer and R。 G。Turnbull， Ohio State University Press，1976中Laurens Laudan所寫的Chapter Fourteen。