《物理学原理（第一卷）时间、空间、质量》

第一章 中华传统文化中的物理学

§ 1.3 从盖天说到浑天说

人类对于自然界的认识是没有止境的。这种认识发展的特点就是先从对自然界的观察中来获取自然界是“什么样的”开始；然后思考“为什么”会这样，这就是建立理论。只有不断地考虑 “为什么”，人类的认识范围和能力才会不断的发展。但是人类关于“为什么”的知识都是有限的，只要一直问下去，总要到回答不出来的时候。所以从“什么样”到“为什么”也不失绝对的，一般说来，回答了一个那个时代的人所满意的“为什么”就算建立了一种理论体系，这种理论体系也可以看作是那个时代、那个时代的有限论域内的一种逻辑关系。从太阳影子的测量这个我们已知的物理学的最早的观察到建立理论的过程，我们可以清楚地看到科学发展的曲折道路。

所谓科学发展的曲折道路就是从观察自然界是“什么样”到探究“为什么”是那样的道路。那种对于“为什么”的探究，既是人类科学不断前进的动力，只有在不断探究“为什么”的过程中，人类才能不断得到更完善的关于自然界是“什么样”的图景；但是有时候又会成为人类思维和科学发展的障碍，在获得关于自然界是“什么样”的图景以后很长一段时间里，科学家所想出来的几乎所有的关于“为什么”会那样的答案总是不完善的。说不完善是说得客气的，严格来说总不是正确的，因为所有那些由科学家所想出来的说明“为什么”的理论，总是不可能超过人类观察得到的结果，就像中华古文明中，哪个时代的认不可能分清楚在太极八卦中，哪个是对于人类永恒的公理，哪些是有限领域下才合理的，哪些是根本上就没有意义的。但是人类想获得自然界“什么样”的知识，没有前面的“为什么”的知识作依据也是不可能得到的，人类已有的“为什么”的知识是获得下一步“什么样”的知识的前提。所以这种并不完全正确的理论，如果能够促进人们的思维向着正确的方向去发展，那也是有用的理论，它会促使人们去进行新的观察并获得更多的关于自然界是“什么样的”的图景，而这种新的关于自然界的图景总是否定而不是证明科学家的已有的“为什么”是那样的理论。如果不是把已有的旧理论仅仅作为发展科学理论的出发点，并把对于那些理论的否定看作是科学发展的必然的结果，而坚持以旧理论作为检验实验结果合理性的逻辑前提，这种理论就会成为障碍社会发展的僵化的理论。如果坚持把已有的“为什么”的理论作为人类思维和获得新知识的准则，这种已有的理论就会成为科学发展的障碍，而对于旧理论的否定就是科学发展的动力。

华夏土地上的古人懂得了用空间 (虽然还只是平面上的空间) 和时间，来描述他们对生活在其中的物质世界及其变化情况的的感觉，而那时其它地方的古人也许还没有那样的时间和空间的概念，但是他们也同样有对于是周围世界的变化的同样的感觉。据说，现在非洲丛林里还有原始部落的人没有时间的概念，都说不出自己的年龄，但是他们同样感受到岁月的流逝，人生的衰老。所以物质世界的存在及其变化形式，与人对它的描述方法是一种复杂的关系：它们不是一回事。也就是说时间属于人类的理念，而本身不是一种客观实在。但是人类的理念要尽可能正确地反映物理实在。 空间和时间不是属于物质世界本身的概念，而是属于人类思维的能力范畴的概念，当然人类的思维能力的合理性就在于它能够与物质世界的运动形式保持某种确定的关系。这种关系就是产生逻辑的依据。

在《易经》的自然科学理论的实验现象获得了肯定的结果，也就是在人们知道了太阳的影子的运动规律“是什么样”以后，人们就要问为什么太阳运动有这样周而复始的规律，在中国就产生了《盖天说》和《浑天说》两种理论 ^[9]。

盖天说认为天是一个在上面的穹窿形，地是一个在下面的同形的穹窿形。两者相距 >40000千米 。北极是天穹的中央，日月星辰绕之旋转不息。当星星绕到看不见时，解释为距离太远了，使光变弱到看不见而不是到“地之下去了”。为了解释一年四季太阳在天空中高度不同，设计了七衡 (圆)六向图，认为不同季节，太阳在不同的圆上运动。这些解释是相当勉强的，只是在那个落后的时代也可以算作一种说法了。

浑天说是中国古代的另一种宇宙学说。典型表述如汉代张衡在《浑仪注》中所说：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮……天转如车毂之运也，周旋无端，其形浑浑，故曰浑天。”即认为地球在宇宙之中如蛋黄在鸡蛋之中。这实际上只是表观的天球概念。只讲述了天转而地静的视觉。至于地球是否在运动则不得而知。另外张衡认为天球之外的宇宙在时间上和空间上都是无穷的。即它在《灵宪》中所谓的“宇之表无极，宙之端无穷”。

其实盖天说和浑天说，都不是严格的物理学的逻辑体系。而通过垂直地面的竹竿影子的测量所得到的空间和时间概念，尽管简单却确实是物理学的时空概念的雏形，直到现在仍是合理的 ,严格的逻辑体系。因为不论盖天说和浑天说都把地球看成不动的。而地球的运动，地球的自转，特别是它的自旋轴的方向，是决定昼夜更替、四季相易的根本原因。 理论和实验的关系就是那么复杂：一个朴素而简单的实验它往往包含着那些华丽的理论所没有的真理性，但是没有理论，实验本身不会说明比实验事实更多的东西。实验事实一般是感性的、杂乱的、狭隘的，因而不大能够引起人们的关注。一经理论的包装实验事实马上变得富丽堂皇了，变得系统的，普遍的，能够引起大众关注的，理性的学问了。但是在多数的情况下，理论家们通过包装却把实验事实中最核心的事实给淡化了，而加入了大量华丽而虚假的内容。 易经就是一个很好的例子。

以后在进一步讨论逻辑的时候，我们可以看到：盖天说不是客观的物理实在，但是如果引入无限大的概念，就可以成为描述空间的一种逻辑结构。也就是说人类从地面的测量中，只能得到与地球特殊条件相联系的空间概念；以太阳为中心的测量也只能得到与太阳特殊条件相联系的空间概念，都不能作为从具体物质运动中抽象出来的空间概念。而把某一个球体想象成无限大，就可以得到与具体的物理现象中分离出来的关于空间的逻辑观念。这就是从中国古人到欧几里得到笛卡儿一直到希尔拜特的欧式空间的概念之间的距离。这种与物理实在相分离的逻辑概念，对于描述空间的物质存在形式是一个很好的模型，它可以不受观察点的限制，可以把从地球上的观察和测量转换成一太阳为中心的观察和测量。但是如果把它看作一种物理实在，就会成为一种错误。

同样地心说也好，日心说也好，作为一种对于物理实在来说，都是一种有限论域下合理的理论体系：地心说对于描述地面和地表空间来说，是一个好的模型，对于描述太阳系的天体运动则成了不合理的理论体系。日心说对于描述太阳系的星体运动是一个好的理论体系，但是一出太阳系这个有限理论的范围同样也不适用了。而作为从物理实在中分离出来的人类描述空间的思维概念，不论以地球为中心还是以太阳为中心都是不合理的。

人类思维能力的发展要解决两个不同的而又容易混淆的问题：一个是人类的思维能力如何从物理实在中抽象出来，界定出合理的逻辑前提，这时候不能把人类用来描述物理世界的逻辑思维体系与物理实在相混淆；另一个问题是人类描述物理世界的逻辑体系总是与特定的有限论域相联系的，科学的发展主要就是有限论域的扩展。当有限论域扩展的时候，我们一方面要相应扩大逻辑前提的内容，另一方面要对原有的逻辑前提给以更合理的描述，这种更合理更细致的理解和描述一般说来不应该与原有的逻辑前提的基本界定相矛盾，因为在原有的逻辑前提的界定中，本来就是与特定的物质运动相分离的。虽然这些观念现在还无法说得很清楚，因为我们这里主要描述的是物理学的发展过程，而不对逻辑作详细的深入的研究，而且我们现在还只有一个逻辑基元——时间，那些问题也不易讨论清楚。但是先建立这样的概念对于以后的深入研究是有好处的。