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本书一方面通俗地介绍了十九世纪末、二十世纪初的科学革命和半个世纪的科学发展；另一方面讨论了与科学相关的哲学问题，包括外部世界的实在性、物理宇宙的科学图景、因果性、自由意志、和相对的关系。本书是二十世纪物理学大师普朗克一生研究的心得所在，从科学走向哲学，追寻人类命运和终的真理。

章 五十年科学史

第二章 外部世界是真实的吗？

第三章 科学家眼中的物理学“宇宙”

第四章 因果关系与自由意志：问题的陈述

第五章 因果关系与自由意志：科学的答案

第六章 从相对到

尾声   一次苏格拉底式的对话

马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克（德语：Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日—1947年10月4日，享年89岁），出生于德国荷尔施泰因，德国著名物理学家、量子力学的重要创始人之一。普朗克和爱因斯坦并称为二十世纪重要的两大物理学家。他因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃做出了重要贡献，并在1918年荣获诺贝尔物理学奖 。

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每个最终被证明有效的、产生价值的假设，在一开始只是在发明者脑中模糊地现。当阿基米德在一个早晨跳出他的浴缸，大喊“无利”①时，他显然没有想出可以确定各种物体密度的全部原理。毫无疑问，有些人会对他一开始的尝试嗤之以鼻。这可能就是为什么大多数科学先驱，虽然相信自己正走在新发现的轨道上时，却迟迟未能揭示他们最初对新发现的本质。他们必须要顶着纯粹主义者的炮火，而这对任何人来说都不是一个明智的立场，他们要在痛苦中遵循着自己的直觉，在他们的尝试失败时也不能气馁，而要持之以恒。物理学的每一个假设都必须经历一段艰难的孕育期和分娩期，才能被带到阳光下，以现成的科学形式交到其他人手中，让外行人不动脑子就可以应用它们。

除了适用于个别情况下的动力学定律外，物理学也承认其他定律，它们被称为统计学定律。后者以相当准确的程度表达了一个特定事件发生的概率，因此它们容许在特殊情况下出现例外情况。一个典型的例子是热的传导。如果两个温度不同的物体相互接触，根据热力学的两个定律，热量总是会从较热的物体传递到较冷的物体。我们今天从实验中得知，这个定律只代表了种可能性，因为（尤其是在两个物体的温度差非常小时）在某些特殊的接触点和某个特殊的时刻，热量可能会以相反的方向传导——即从较冷的物体传导向较热的物体。热力学第二定律和所有统计学定律一样，只对大量相似事件的平均值有确切意义，对每一事件本身并没有什么确切意义。如果我们考虑个别事件，我们只能描述出一个确定的可能性程度

在审视建立于理性主义基础上的各种世界哲学时，我们看到的下一个伟大的名字是或特弗里德·威廉·莱布尼茨。根据莱布尼茨的哲学，这个世界是为了实现一个与造物主的至高智慧相对应的计战划而创造的。在每一个被创造的事物中，神都为它植入了个体存在的法则，所以世界上的每个事物都是独立于其他所有事物存在并发展的，只遵循个体命运的法则。所以，莱布尼茨认为，事物之间的因果关系只是表面上的。这意味着我们必须排除因果原则。

当理论科学的某项新进展被明确地建立起来时，与之相关的某些问题经常被贴上“毫无意义”的标签。不仅如此，有时还会有人尝试去证明这些问题在“先验的”基础上是毫无意义的。这是一种错觉。无论是地球的绝对运动

也即地球相对于光以太的运动还是牛顿的绝对空间，其本身都并不像相对论的拥护者经常宣称的那样，是毫无意义的。前三个问题只有在引人狭义相对论时才没有意义，后一个问题只有在引入广义相对论时才没有意义。

因此，当我们回首过去的几个世纪，就会发现，解释自然的种种理论在当时被认为是合理且优秀的，但在面对某些新的科学理论的光芒时，则已经黯然失色。它们曾服务过它们的时代，然后就消逝了。尽管已被在科学意义上更为开明的信条所代替，我们也必须记住，那些旧理论对于它们的时代也曾拥有过道理和意义，就像另外一些理论在我们的时代也拥有了道理和意义；直到某一天，还会有更新的理论产生，来代替它们的位置。

因果律直到最近才被一致接受为科学研究中的基本原则。但现在，围绕着它又产生了一场观点上的争论。至今为人所信的因果性原理，它对每一个物理事件真的都具有良好的效力吗？还是说，当应用在更加精细的原子上时，它就只有概括性和统计性的意义了？这个问题无法通过援引任何认识论理论，或通过实验测量来决定。当一个物理学家尝试着建立他关于外部宇宙的假想图景时，按照他的喜好，他可能会，也可能不会，把他的理论综合体建立在动力学意义上的严格因果性原则之上，或者他可能只采用一

种统计学意义上的因果性。重要的问题是，他所采用的因果性原则能够让他的理论走多远。要回答这个问题，只有暂时选择两个立场中的一个，然后再去研究从这个立场中通过逻辑可以衍生出的结论，就像我们处理实证主义的问题时一样。

现在，除非你拥有一个合理的理论，你才能根据它提出合理的问题。换言之，一个人在头脑里必须先产生某种理论假设，然后再将其置于实验测量的检验中。这也就是为什么经常会发生这样的情况：一种特定的研究路径，在一种理论中是有意义的，而在另种理论中就没有意义了。同样，一个问题的重要性，常常会在其所依据的理论发生改变时，也跟着改变。

回顾物理学迄冷为让的发展道路，我们必须承认，进一步的发展在本质上取决手对测量方法的发展和更加广泛的应用。在这一点上，我与实证主义的观点是一致的。但是我们之间的区别是，实证主义认为通过感官知觉进行的实验测量，是物理学进步贯穿始终的全部过程；而我认为，对于物理现实的研究应该把测量结果看成或多或少错综复杂的混合物，它代表的是对外部世界中事件所产生的种种反应的记录，而这种记录的准确性也相对地取决于，在记录工具本身之中，以及在研究者用来理解现象的感觉器官中，到底发生了什么。

编辑推荐

在目前信息技术大变革、科学理论止步不前的时代，以此书对上个世纪的伟大科学成就、经典理论，进行广泛和深刻的反思，以求推陈出新。

适宜公众阅读的大师们的经典之作

从新物理科学研究到哲学问题的大跨度探讨

书摘插图

如果我们把某些还处于所谓发展初级阶段的理论也考虑在内，我们可以说，在19世纪末，理论物理学作为一个整体，代表了一个完整且各部分完美地结合在一起的结构壮观的那一面。然而，敏锐的观察者一定会注意到，这个基础上的某些部位有一些开放的缺口，看起来并不让人满意。赫兹也注意到了这一点，而且他成功地让大家注意到，事实上，对这一结构的整合将被证实是不可能的，或至少是非常困难的。这些缺口很快成为科学批判的攻击对象。这种批判也发展成为一种创造性的运动，终引起了理论物理学自牛顿时代以来所经历过的为重大的扩展。

在物理学中，或者说，事实上在所有学科中，没有一个学说体系会自愿改弦更张。这时总会需要外部环境提供压力。其实，一个理论系统越易懂、越全面，它就越会顽固地抵抗一切将它重建或扩展的力量。这是因为，对于一个具有全面的逻辑融贯性的思想的综合体来说，对结构中某个部分所做出的任何更改，都一定会扰乱其他的部分。比如，要接受相对论，主要的困难并不仅仅是它有什么客观优点的问题，而是它将会在多大的程度上颠覆理论动力学的牛顿式结构。事实上，除非从外界施加一个强大的压力，否则就无法对一个牢固构建的思想综合体进行任何改变。这种强大的压力必须来自一种结构完善的理论，并且该理论经由实验研究的测试已经得到了牢牢的巩固。只有这样，我们才能让迄今为止被公认为正确的理论教条“投降”。而且只有这样，我们才能成功迫使整个学说结构得到根本修正。在经历过这种类型的重建之后，会不可避免地出现需要用实验研究来解决的一系列新问题。正是在解决这些问题的过程中，人们提出新的理念，从而产生了对进一步的理论和假说的表述。

这种理论与实验的选择性游戏，一方面在理论构建中以抽象理性为准，另一方面又以客观现实上的应用对理论进行检验，是现代物理的独有特征。事实上，它在所有的科学进步中都有着重大的意义，因为它是能够产生值得依赖并经得住考验的结果的安全可靠的来源。

理论物理学中有两个问题，可以说，在赫兹生命的后阶段，吸引了他几乎全部的注意力。但他在解决这两个问上的所有尝试全都失败了。这两个问题终成为我们今天的物理学从中发展出来的核心。这两个问题研究的是：①阴极射线的本质；②电动力学运动。这两个问题都有着它们自己的历史，每个问题都提供了一个独立发展的起始点。前一个问题引出了电子理论，后一个问题引出了相对论。

前言

正如艾萨克·牛顿（Isaac Newton）曾在信中对罗伯特·胡克（Robert Hooke）所说，“如果我看得更远些，那是因为站在巨人的肩膀上。”（"If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants."）我们通过出版19、20世纪近代科学革命中的先驱者、创始人和代表人物的著作，以期将现代文明赖以发展的重要科学方法、理论和思想，作为新的“巨人的肩膀”，向公众普及。丛书借由各个学科大师的经典论述展现了近代科学革命的重大论题，帮助大众读者和科学爱好者了解当时的巨擘们所承担的历史使命，感受一百多年前“巨人的肩膀”的坚实与高大。当然，我们同样期望在推动兴趣读物的大众普及之余，也能以原汁原味的科学经典，为当前科学从业人员的理论研究与思想探索带来一定的启发。

当今时代与数百年前一样，依然是科学的时代，是信息技术逐渐成熟，向着未来技术过渡的时代。然而，相比19世纪末、20世纪初轰轰烈烈的科学革命（以相对论、量子力学取代经典物理学为代表），可以说我们的时代在科学理论上已经进入了美国科学哲学家伯纳德·科恩所说的“常态科学”（normal science）阶段：基础理论虽仍在进步（比如堪称日新月异的凝聚态物理和量子信息理论），但基本的科学理论范式并没有再发生颠覆性的变革，至今局限于相对论、量子力学和两者结合下产生的量子场论。

审视历史，方能看到未来。为此，“巨人的肩膀”丛书的每一辑都将包括相对论和量子力学的著作各一本，或是直接的物理学讨论，或是背后的思想性论述，与读者一起重温现代物理学两大支柱刚刚树立之时紧张而热烈的思想环境和精彩而曲折的探索历程。除此之外，我们也会从生物学、计算科学、心理学、科学史、科学哲学等学科各具开创性的著作中，遴选适当书目，以多个学科组成丛书的每一辑，从多角度拼出科学变革的整体图景。

我们深知，翻译和编辑不同科学门类的代表人物尤其是理论范式开创者们的著作是一项难度很高的工作，能力所限，难免有错误和疏漏之处，还望方家不吝指正！

书籍介绍

本书一方面通俗地介绍了十九世纪末、二十世纪初的科学革命和半个世纪的科学发展；另一方面讨论了与科学相关的哲学问题，包括外部世界的实在性、物理宇宙的科学图景、因果性、自由意志、绝对和相对的关系。本书是二十世纪物理学大师普朗克一生研究的心得所在，从科学走向哲学，追寻人类命运和最终的绝对真理。

即使我们的感知能力迅速发展，我们也无法最终揭示自然的奥秘。或许，我们将能够再更加精细的原子活动中，看到因果关系的运作方式，就像在经典力学中旧的因果表达方式的基础上，我们可以将一切观察内容当作是自然之中真正发生的东西，进行感知并生成实际的图像。