编者按：自19世纪末迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验冲破牛顿力学框架以来，物理学在20世纪取得划时代的进步，同时也出现了一系列重大的疑难问题。到了21世纪初，更有不同实验室报道了一系列“超光速和亚光速”现象，这些实验如果属实，那无疑将抽掉相对论的根基。杨本洛教授有鉴于上述情况，提出了对自然科学体系进行历史性和全局性梳理的问题，并已出版了多本专著。这些专著中有大量的数学推导，不是作为定位在高级科普的本刊所适宜介绍的，但其中包含的基本哲学理念，则是本刊读者感兴趣而需加以关注的。由此，本着百家争鸣的精神，本刊特约杨教授撰写这方面的系列文章，陆续刊出，以飨读者。

2000年，英国《自然》杂志正式报道了“超光速”现象的实验结果。其后，不同实验室相继报道了一系列“超光速和亚光速”现象的发现。人们知道，恰恰在差不多整整一个世纪以前，即19世纪末，由于迈克尔逊-莫雷实验的发现，当时的物理世界处于一片恐慌之中，从而最终导致“相对论”的出现。虽然与一个多世纪前不同，当今的物理世界似乎并没有出现类似的轰动性反响。但是，无容否定，这一实验事实如果是真实的，它必将重新构成对于“相对论”乃至整个现代物理学存在基础的一种逻辑否定。也正因为此，不仅科学界本身，甚至许多国家的政府，都不能不对于发现超光速现象的真伪表现了一种实质性的巨大关注。

艾萨克 · 牛顿

时隔一个世纪，对于两个同样能够对整个自然科学体系构成巨大冲击的事件，科学世界表现了两种完全不同的态度。应该说，这种差异的存在决定于完全不同的历史背景。在19世纪末，随着牛顿经典力学的广泛应用以及麦克斯韦经典电磁场理论的构建，当时的物理世界形成了一种错觉，以为人类对于物质世界的认识体系已经大体完成。因此，一旦出现了与经典认识相悖的经验事实，自然激起当时科学世界的巨大反响。但是，今天的科学世界已经成熟了许多，或者说，对于当今的科学世界，面临着太多为人们熟知的科学难题了，诸如何为“湍流”的问题、理性力学家于20世纪50年代就已经提出“经典热力学中大量存在的数学推导不严格问题和物理理念神秘性”的问题，乃至如何为量子力学构建哲学基础等一系列重大的疑难问题。因此，在面对这样一个巨大的冲击时，当代科学世界所表现的一种“遇乱不惊”态度恰恰是可预料的。当然，从另一个方面讲，由于人类的自然科学体系是一个整体，因此，这一经验事实的发现再次告诉人们：现代自然科学体系真实地面临着如何进行一次历史性和全局性梳理的重大课题。

人类认识体系的时代特征以及对“牛顿和爱因斯坦哲学”的一般反思

人类对于物质世界的理性认识总是逐步深化的，本质地依赖于对于物质世界不同存在形式和运动形式的逐步揭示。因此，人类认识自然的能力，只能决定于人们探测物质世界的技术水平。正因为此，当人类对于物质世界存在形式和运动形式的了解愈益广泛化的同时，必须对于不同历史时期逐步形成的“习惯认识”进行理性重整。或者说，人类的认识体系必然存在“时代的”和“历史的”重双烙印。并且，面对着无尽的大自然时，人类的“理性认识”体系几乎总滞后于人类对于物质世界一种直觉意义上的认识。因此，除了形式逻辑上可能存在的疏忽以外，人们没有任何理由要求我们前人的认识完美无瑕，同样也根本不可能期待我们的后人不对我们认识中曾经存在的不足、幼稚和错误进行重新认识和批判。这样，遵循“理性原则（保证一切科学陈述的严格无矛盾性）”的指导，在对于认识的“承继性批判和批判性继承”的循环往复过程中，深化和完善人类的认识体系，将成为人类认识无尽大自然过程中的必由之路。

阿尔伯特 · 爱因斯坦

牛顿力学体系的逻辑不完备性

理论物理作为自然科学中的一个重要分支，本质上反映了人类在认识和表现物质世界时的一种基本意识和思维基础。因此，在理论物理中，任何一个基元概念的紊乱必然导致整个理论体系的逻辑紊乱和意识紊乱。事实上，从形式逻辑考虑，作为整个现代自然科学基础的牛顿经典力学体系并不完整，从而导致了整个现代自然科学体系在哲学理念和形式逻辑两个方面的严重紊乱。

通过美国出版的《物理百科全书》中的相关陈述，人们不难发现，现代物理世界已经正确意识到牛顿体系真实存在的形式不完备问题。相关陈述指出：“牛顿并没有意识到，如果`牛顿运动定律'能够称之为一种`定律'，那么，由于`力'自身缺乏定义，这个定律在形式逻辑上存在明显的不足。”但是，即使暂时不考虑这种形式逻辑上的不完备性对于整个理论物理学所存在的负面影响，当今物理世界对于牛顿力学体系形式逻辑不完备的认识同样远不充分。事实上，正是这种认识上的不充分性存在，不仅使得人们至今无法真正回答马赫批判的问题，还使得整个理论物理学前提性地陷入了一种哲学紊乱之中。

在许多现代的优秀的物理教科书中，人们早已正确指出，牛顿运动定律只能被视为是对于“力”所构造的形式定义。或者说，牛顿对于现代整个人类科学事业的开拓性贡献根本地在于这样一个事实：在整个人类历史中，是牛顿通过对于物质世界中“某一类理想化物质对象——质点共同存在的行为特征”的考察，第一个为通常感觉意义存在的“力”构造了一个形式定义：

f=ma；

在这个形式定义式中，除了我们将加速度a暂时被视为一种独立意义的存在，式中的另一个物理量m，即表示物质对象自身“大小程度”的质量应该被视为对于被描述物质对象的一种“理想化”认定。当然，由于被界定为“力”的定义，对于任何能够被视为“理想化质点”的物质对象，该形式表述必然具备了一种普适意义。

如果说以上陈述已经为人们事实上所认知了，但是，还需要注意另一个重要的事实：任何一种形式的“力”，只能存在于“不同”的“物质对象”之间。因此，作为这样一种形式认定的自然延伸，为牛顿运动定律所描述的“力f”以及与其相关的“加速度a”需要保持逻辑上的一致性，定义在某一个确定的“施力体（Supplying the force）”所张的几何空间S之中，即：

在这个形式表述中，对于此处所说的一个“理想化质点”而言，施加力的“施力体”同样可以被视为一种理想化的“物质环境”。在物理学中，将针对某一个特定物质对象的形式表述定义在某一个特定“物质环境”所张的几何空间之中，不仅从形式逻辑考虑是必要的，而且，从整个哲学理念考虑，这样一种被赋予了特定“物质意义”的形式表述具有前提性的根本意义。也仅仅于此，人们可以理性地回答马赫对于牛顿力学的批判，可以将依赖“循环定义”而得以存在的无穷多个“惯性系”从所有的物理学陈述中删除出去。当然，也不再存在一种纯粹“自欺欺人”式的尴尬；由于“非惯性系”中的“惯性力”明显违反了牛顿定律，经典力学不得不将这个“实际应用”之中的力称之为“虚拟力”以掩盖这样一个重大的前提性矛盾。

从数学表述形式考虑，牛顿力学极为简单。但是，对于整个当代自然科学体系而言，牛顿力学的意义远不在于仅仅为计算“质点”以及“质点系”的运动变化规律提供了一种计算方法，更为重要的仍然在于它所展示的哲学理念，或者它所提供表现和描述物质世界的一种基本思想。正因为此，在牛顿经典力学中，如果某一个前提性概念存在重大的逻辑悖论，那么它的影响远不止于牛顿力学自身，而必然影响到整个自然科学体系。事实上，仅仅从形式逻辑考虑，由于“定义在`循环逻辑'之上的`无穷多惯性系'这样一个前提性悖论”存在，一切“与运动状态相关的物理学量”本质上都无法得以唯一确定，从而使得当今的整个物理学体系陷入了包括“质能变换”在内的一系列基本物理学陈述都处于“自我否定”的一种巨大矛盾之中。

当然，当现代自然科学体系面临一系列巨大困惑需要解决的时候，人们不得不从哲学和数学两个不同的侧面，重新认真思考牛顿力学的缘故。

迈克尔逊-莫雷实验的可解释性和相对论中荒谬性的历史渊源

毫无疑问，牛顿力学属于自然科学中的一个重要组成部分，尽管它在形式逻辑方面存在众所周知的不足。但是，对于爱因斯坦所构建的“相对论”则不然，它与牛顿力学所存在的不足根本不可同日而语。当某一个所谓的“认识体系”不得不与“神学”构成千丝万缕联系的时候，寓于其中的过度荒谬性，不仅对于过分急切地希望了解物质世界的科学世界，而且对于这个认识体系的构造者都同样具有一种难以想象的欺骗性。在近代科学史中，人们常常将以寻求真理为终身使命的爱因斯坦的一生称之为一种悲剧。其实，这样一种过分依赖于自己的“自觉和顿悟”必然而生的欺骗性，才是造成这样一个难以想象的历史性悲剧的始作俑者。

当然，从历史唯物主义的视角考虑问题，那么，人们需要意识到，一个过分荒谬的相对论的出现仍然具有某种历史必然性。事实上，因为牛顿经典力学以及经典电磁场理论中一系列前提性的理性认识并没有真正形成，所以当人类面对许多没有意料中的物质真实时而自然出现的某种认识困惑。

如果从哲学理念考虑，牛顿力学的问题根本地在于：人们并没有真正认识到，人类永远不可能为“无尽的物质世界”构造某一个“同一化”的规律。大自然的存在形式和运动形式无以穷尽，并且，这些不同的物质存在处于互相依赖的“不可分割”状态之中。

因此，面对大自然，人们可能做的仅仅是如何使用“同一化”的语言，去表现处于某种“特定”物质环境之下的某种“理想化”物质对象自身蕴藏的某种抽象同一性。其实，通过牛顿运动定律加以形式定义的“力”，正是在“理想化质点”与其所处的某种“物质环境”的相互作用中，对于它们自身蕴含共性特征的一种大概表现。因此，对于牛顿运动定律，如果离开对于“理想化物质对象”和“理想化物质环境”同时做出前提性的明确界定，相反，构造一种纯粹依赖于人们“心智活动”而存在的“惯性系”，进而将其想象为独立于“特定物质环境”而存在的一种“普适性”定律，那么，正如人们早已见到的那样，由于循环定义中的“惯性系”不具备确定的意义，经典力学乃至整个理论物理学陷入了由于一切运动学量无法得以唯一确定而造成的逻辑紊乱之中。

必须承认：只要某种物理现象的存在是真实的，那么这种现象必然是可解释的。但是，必须同时意识到：可解释性绝不意味着能够为这种存在提供某种绝对意义的因果关系，可解释性的真实内涵仅仅在于这种存在与其他任何形式存在之间的严格无矛盾性，或者逻辑一致性。事实上，当19世纪末的物理世界以为迈克尔逊-莫雷实验所揭示“以太相对于地球的运动速度恒为零”这样一个“物理真实”不可解释的时候，不可解释性的全部内涵仍然在于这种真实存在似乎违背一个最朴素的基本理念：当两个独立的物体运动时，它们的相对运动速度必然等于两者运动速度之差：

　　v_1，2=v₁-v₂

式中，v₁和v₂分别为两个独立物体的运动速度，而v_1，2为两者为两者之间的相对运动速度。于是，当麦克斯韦以及那个时代的人们将“以太”视为一种独立物质，而地球视为另一种独立物质，一旦发现沿着地球运动的方向与逆着地球运动方向测量以太相对于地球的运动速度没有任何变化，即对于两次不同测量存在

因此，唯一的推论是：以太相对于地球的运动速度恒为零。

如果的确像那个时代的人们想象的那样，可以把“以太”和“地球”视为两种独立存在的物质，那么，迈克尔逊-莫雷的实验结果应该是“反常”的，不可能为人们所接受。或者说，人们只能像爱因斯坦构建“相对论”所声言的那样，需要把这个实验所反映的“光速不变”现象和一个过分朴素而自然的“速度叠加原理”视为两种“矛盾着”的真实存在，它们无须也不容做出任何理性的解释。但是，全部的问题在于：关于“以太和地球”是两种独立存在的前提性认定并不真实。更为明确地讲：为麦克斯韦最初提出的测量“以太相对于地球运动速度”的实验，就是一个完全错误的命题。

人们不难做出严格的证明，为麦克斯韦所构造的经典电磁场理论，在一系列基本理念以及数学推导中都存在的不足或者错误。但是，即使暂时不考虑这些缺憾，人们仍然可以容易地发现麦克斯韦在哲学上出现了与牛顿力学相同的错误：没有能够将形式系统与其表现的物质对象构成一种确定的逻辑关联。事实上，如果仍然采用经典电磁场理论中的一般表述形式，即：

詹姆斯C · 麦克斯韦

可以断言，电场强度E和磁场强度B作为电荷分布密度ρ和电流密度分布函数J的函数，不能随意地定义于某一个“人为”确定的几何空间之中，而逻辑地依赖于被描述的“物质”真实，即只能定义在属于Euclid空间R3，由某一个给定“电荷集合”所张的几何空间Vph之中。对于某一个电磁场，该电荷集合既可以像人们通常认定的那样，被定义为电磁场的“源”，也可以被等价地视之为与电磁场“互生互联”的确定“物质环境”。显然，无论从基本的哲学理念还是从形式逻辑两个不同方面考虑，将表现电磁场的“形式系统”和诱导电磁场的“源”构成一种确定的逻辑关联具有前提性的基本意义。同时，人们可以判断：这种形式意义上必须的联系，与牛顿力学应该将形式表述的“力”定义在“施力体”所张几何空间之间本质上彼此完全一致。

超光速现象的存在基础和物质世界的多样性

一旦完成了这样一个前提性的认识，任何人也不会对迈克尔逊-莫雷实验所表现的物理真实会感到丝毫不解。事实上，麦克斯韦提出“测量`以太'相对于地球运动速度”的命题中所指的“以太”，仅仅是地球激发的“地磁场”。与此同时，电磁波只不过是“波”的一种特定形式。因为“波”所表现的是特定物质集合“之上”，不同扰动形式的一种传播，所以出现在某一个“物质集合”之上任何扰动以及扰动传播的速度，必然独立于那个“物质集合”的整体在某一个更大几何空间中的运动状况。因此，当“地磁场”随着地球在包容地球的一个更大空间中运动的同时，地磁场中任何电磁扰动的传播速度必然独立于地球自身的运动速度。从而作为一种逻辑推论：迈克尔逊-莫雷实验所表现以太相对于地球运动速度恒为零的结果恰恰是自然的。

事实上，正如人们熟知的那样，波的传播速度通常总被人们定义为一种物性参数，它表现了波的载体自身所具有的某一种物理特征。因此，如果人们确信除了“电磁作用——电荷以及运动中电荷所表现的一种非超距作用”以外，还存在其他的基本作用形式，或者其他形式的“非超距”作用，那么，作为这种认定的基本推论，现代实验科学家所发现形形色色“超光速”或者“亚光速”的存在，正是大自然存在不同基本作用形式的一种逻辑必然。

相反，将“电磁波”绝对化，甚至需要借助于以改变形式语言基本语义的所谓“时空观革命”，将“电磁波的波速”所表现的一般物理学特征置于一切物理学陈述之上，不仅像人们已经实际上看到的那样，必然违反了以“逻辑自洽性”为基本内涵的“理性原则”，而且也成为对于物质世界自身复杂性的一种简单否定。

人们甚至可以逻辑地认定：物理学中通常所说的“有形实体”（Tangible entity），本质上仅仅是不同形式“无形场”（Intangible field）的一种“凝聚态”。或者说，相对于某一种特定的“非超距”作用，场似乎表现为一种“空虚”的几何体。但是，对于另一种相对较弱的作用而言，这个原本空虚的空间，则成为一种“实在”。这样，对于人类所面对的那个本质上不可分割的大自然，可以视为这些不同形式的“场——不同非超距作用所影响的空间”的迭合和交叉，最终形成一个“无尽无涯、无始无终”的复合体。

结束语

人类面临的物质世界本质上是一个彼此关联、不可分割的整体。因此，当人们通过某一个确定的形式表述对于物质世界中的某一个特定部分的行为做出无矛盾的描述的时候，对于物质对象以及对于物质对象产生根本影响的物质环境的认定，从科学哲学和形式逻辑两个方面考虑都必然具有一种前提性的意义。

[参考文献略]