莱布尼茨对真空的研究及其现代价值

莱布尼茨生活在17世纪，被科学历史学家誉为“天才的世纪”。他与开普勒、伽利略、笛卡尔、帕斯卡、波义耳和牛顿同时出现在科学史上。莱布尼茨不仅是一位伟大的数学家和哲学家，而且是一位可以与亚里士多德相媲美的现代百科全书式的学者(也许是唯一的一位)。除了自然科学之外，他在人类理性的其他领域比他同时代的人取得了更多的成就。他被誉为德国科学和哲学之父，在神学、技术发明、法律、历史、语言学、政治学等许多领域都取得了一流的成就。一位西方学者曾经评论说:“莱布尼茨可能是现代世界中最全面的天才，...触及现代知识的几乎每一个分支。他是最不想掌握所有现代知识领域的人，是一个百科全书式的人物。”也许是因为莱布尼茨的研究领域过于广泛和复杂，他的许多研究成果的重要价值一直没有得到重视，比如他对真空的研究。尽管莱布尼茨由于当时客观条件的限制，在真空研究中更多地依靠科学思辨和哲学思辨，但他的结论实际上与200多年后科学大师爱因斯坦、狄拉克等人的真空研究成果相吻合。这真让人不得不感叹他思想的天才。“真空问题”的历史背景关于真空问题的研究和争论可以追溯到古希腊。德谟克里特斯和其他原子论者认为世界是由原子和真空组成的，并提出了真空的命题。另一方面，亚里士多德认为宇宙充满了“以太”，因此没有真正的空虚。他的名言是“大自然讨厌真空”。这可以说是人类关于真空问题的讨论和辩论的来源，这个问题一直持续到今天。然而，这里必须指出，真空的概念是模糊的。有所谓的“物理真空”和“哲学真空”(或形而上学真空)，而“物理真空”不同于“经典真空”和“量子真空”。在历史上，不同时期对真空的概念有不同的强调。在古希腊，真空的概念更具哲理性，往往意味着“空虚”和“虚无”。17世纪的真空概念既是“物理真空”又是“哲学真空”。真空的现代概念更多地是指“物理真空”。当然，“物理真空”和“哲学真空”这两个概念之间的区别并不完全清楚，也不能作为严格区分这一领域的科学问题和形而上学问题的基础。真空问题仍然(也许永远)是一个科学和形而上学交织在一起的前沿领域。17世纪的真空研究与笛卡尔有很大关系。事实上，人们对自然的看法总是基于他们的日常经验。物质和空间的关系也不例外。根据传统思维，人们自然会认为空间是一个巨大的、静止的、空的房子。物质是一个接一个搬进这个房子的东西，所以空间必须先于物质存在。这样，空真空是可能的。这就是所谓的绝对空间概念。所以有些人想象地球和太阳之间的区域是真空。但是笛卡尔不这么认为。在他看来，空间与物质密不可分。空间只存在于某些物质已经存在的地方。物质的存在使空间存在。没有真空。他说:“事实上，我们不能想象一个没有任何东西的容器，就像我们不能想象一座没有山谷的山一样:这将意味着容器的内容可以想象没有广泛或广泛没有实体:事实上，没有任何东西可以没有广泛。”至于星际区域，笛卡尔认为它不是真空，而是充满了物质，即以太。笛卡尔从以太推导出他的宇宙理论。笛卡尔否认真空存在的理论受到托里切利、帕斯卡和其他人的强烈挑战。两人分别进行的“托里切利实验”和“真空实验”使人们相信“眼见为实”实验中水银柱上方的玻璃管中存在真空。现代原子学家和牛顿学派也相信真空的存在。从那以后，支持真空的阵营似乎占据了上风。莱布尼茨的“相对时空”与牛顿的“绝对时空”的对立莱布尼茨是笛卡尔之后否定真空存在的代表人物。为此，他与牛顿学派进行了激烈的争论，牛顿学派坚持真空的存在。他认为真空什么都不是。牛顿学派的克拉克曾指责笛卡尔和莱布尼茨将真空等同于虚无。克拉克认为，没有物质的空间无疑是没有一切的空间，但这并不意味着空间本身已经被消灭了。在克拉克看来，“如果延伸是物质的本质，那么物质就等同于空间本身；由此可以推断，物质必须是无所不在的、无限的和永恒的，它们既不能被创造也不能回归虚无，这是荒谬的。”换句话说，根据牛顿的学派，笛卡尔和莱布尼茨错误的关键在于将空间等同于物质。我们知道，牛顿的绝对时空观是建立经典力学大厦的基石，其本质可以概括为“空间和时间独立于物质而存在”。莱布尼茨显然反对牛顿对时间和空间的绝对观点。他曾写道:“我认为空间是纯粹相对的东西，就像时间一样；作为一个共存的秩序，正如时间是一个连续的秩序。因为就可能性而言，空间标志着同时存在的事物的顺序，只要这些事物一起存在，而不涉及它们特殊的存在方式；当我们一起看几样东西时，我们就意识到了事物之间的这种顺序。”在这里，莱布尼茨将空间视为“共存秩序”；把时间想象成一个“连续的顺序”所谓的“共存秩序”和“后继秩序”通常被理解为一种关系，即时间和空间的相对观。莱布尼茨认为，空间和时间并不像牛顿理论所说的那样是绝对和真实的。空间和时间与物质及其运动密不可分。没有物质就没有空间，没有物质就没有时间。空间不是逻辑上先于物质并独立于物质存在的容器。在他看来，物质在逻辑上先于空间的存在，并以空间的形式排列。空间只是一种关系，除此之外没有别的空间。因此莱布尼茨认为牛顿理论中的绝对空间是不存在的。一个物体只能改变它与另一个物体的相对位置，它不能改变它在绝对空间中的位置，因为空间是虚幻的。除了物体之间的位置关系，没有绝对的参照系，也就是说，没有所谓的绝对空间本身。时间也是如此。除了事件之间的关系之外，没有什么，也没有绝对的时间。莱布尼茨自然反对牛顿理论中的绝对运动概念，因为他反对绝对空间和绝对时间。与他的相对空间概念相对应，他认为运动只是一个物体相对于另一个物体位置的变化。因此，运动根本不是绝对的，它只存在于关系之中。换句话说，依赖于静止绝对空间背景的绝对运动根本不存在，任何物体的运动必须与其他物体的运动相关联。与上述这些观点相关联，莱布尼茨自然否认虚荣心的存在，因为他反对原子论。同时，他认为空间可以被填满或空着的想法是不可接受的。莱布尼茨真空研究的现代价值在于托里切利、帕斯卡和其他真空存在主义者的一系列科学实验。莱布尼茨还试图从更科学的角度否认真空和“物理真空”。他指出托里切利实验中水银柱上方的玻璃管部分根本不是真空。这只是去除了粗糙的物质，但它仍然充满了精细的物质，如光，它仍然可以渗透进去。因此，他认为没有真空，因为光也是物质。莱布尼茨也对此进行了形象类比。他说这个容器就像一个充满毛孔的盒子。把它放进水里。盒子里有鱼和其他笨重的东西。移走这些笨重的东西。盒子里仍然装满了水。莱布尼茨在这里用一种流行的方式解释了笛卡尔的充满以太的宇宙模型。因此，莱布尼茨认为空的空间只是一种想象。20世纪初物理革命后，人们开始重新审视真空问题。爱因斯坦和狄拉克分别基于相对论和量子力学研究真空。爱因斯坦认为真空是“广义相对论的以太”。狄拉克认为真空是“量子场的基态”。这样，两位20世纪的物理大师为现代真空研究奠定了“真空不是空的”的基本结论框架。事实上，无论是爱因斯坦还是狄拉克，真空都被视为宇宙的背景。应该说，莱布尼茨关于真空的上述观点在今天看来在某种程度上是正确的。这与现代爱因斯坦和狄拉克的理论一致，即真空是宇宙的背景。这的确是一个天才的猜测。然而，由于莱布尼茨的实证研究不够有力，牛顿学派深不赞同莱布尼茨的上述论点，因此不可能改变牛顿对真空的看法。然而，莱布尼茨的相对时空概念和他对真空的研究成果为20世纪物理学革命拒绝牛顿的绝对时空提供了思想资源。此外，他还广泛涵盖了现代科学中一些非常重要的概念，如原子、以太、引力、物质等。在他与牛顿学派关于真空的争论中，这实际上为后世留下了极其宝贵的思想遗产，并在科学思想史上写下了光辉的一页。当然，爱因斯坦和狄拉克的上述真空概念也属于“物理真空”的层次。然而，如果爱因斯坦的属于“经典真空”，而狄拉克的属于“量子真空”。因此，像任何其他“物理真空”的概念一样，他们也无法逃避“哲学真空”这个棘手的问题:既然真空什么也不是，也就是说，什么也不是，那么真空的概念是什么？那是宇宙的背景还是真空？真空宇宙的背景是什么？当然，对手也可以问:真空是什么，但什么是什么，真的不存在后，确认？事实上，当古希腊学派的巴门尼德提出他的“存在”和“不存在”理论时，真空问题就存在了。后世的差异只是在表达方式上。对真空问题的研究将会继续(甚至可能继续)，就像莱布尼茨和牛顿学派争论的那样，牛顿学派是一个科学问题和形而上学问题交织在一起的独特领域。因为，如果认为真空被爱因斯坦和狄拉克认为是宇宙的背景并且似乎已经解决了不再是一个问题，那么人类理性将不可避免地再次询问宇宙的诞生机制，它似乎是“无中生有”的，以及宇宙的“奇点”到底是什么。这实际上是真空问题的另一个版本。