《自然辩证法》与哲学视角下的自然科学成就

中国科学技术大学物理系，宋兆炜

自然科学与哲学之间一直存在着紧密联系。在近代科学诞生之前，哲学与科学之间并不存在严格的界限，作为博物学家的古代科学家往往同时也是哲学家。随着科学的发展，科学与哲学之间的界限渐渐清晰，但科学与哲学之间的联系仍然紧密。钱学森先生曾说：“不懂哲学的科学家是渺小的，不懂科学的哲学家也是渺小的。”对于科学工作者来说，如何正确使用哲学来引导自己的科学研究，无疑是一个十分重要的问题。而在《自然辩证法》一书中，恩格斯将唯物辩证法应用于科学，建立了今天被称为科学技术哲学的理论体系。

《自然辩证法》成书背景

17世纪欧洲哲学界主要存在两派在争论：欧洲大陆的唯理论派和英国的经验论派。唯理论派由笛卡尔创立，代表人物有斯宾诺莎、莱布尼兹等。唯理论派认为人的理性是知识的来源，人类首先本能地掌握一些如数学公理的基本法则，而后所有知识都可以通过单纯的推理得到。与之相对的是由培根创立，霍布斯、洛克、贝克莱、休谟等人发展的经验论派。经验论派注重从感性经验和直觉中获取知识，强调经验和客观物质世界的作用，认为知识的来源是物质对象，而不是推理。

从左至右：笛卡尔、斯宾诺莎、莱布尼兹，培根、洛克、休谟。

18世纪英国哲学家大卫休谟将经验论推向了唯心主义经验论的极端。休谟认为所谓因果关系只是经验的积累。例如人们认为在空中释放的物体会下落只是因为见过太多次，有足够的经验积累，而事实上我们无法确定如果在空中释放一个物体，它是否会如我们预期一样下落。休谟对因果律的诘难在科学界和哲学界都引发了巨大的影响——如果无法驳倒休谟，一切自然科学知识都无法作为“确定性知识”而存在。由于休谟认为知识的来源是知觉印象而非客观世界，认为客观规律存在但由于无法直接观测而不可感知，哲学界无法通过客观事实反驳其观点。对休谟的反驳使哲学界陷入了单纯抽象逻辑的推理与辩论中，脱离了哲学“如何解释世界”的最初目标。

唯心主义经验论出现后哲学逐渐出现脱离认识客观世界与规律，成为纯粹抽象逻辑的趋势。这样发展的哲学自然无法成为科学家认识世界的引导。恩格斯对这一时期科学与哲学的关系做了如下描述：“自然科学家相信，他们只有忽视了哲学或者侮辱了哲学，才能从哲学的束缚中解放出来。” 然而，正确的世界观与方法论的指导对于科学发现是必要的，“因为他们离开了思维便不能前进一步，为了要思维，思维规定就是必要的”。从唯物辩证法的角度阐述已有的科学发现，为科学发展提供指导，便成为《自然辩证法》诞生的契机。

《自然辩证法》内容与核心思想

《自然辩证法》是恩格斯一部未完成的著作。在这部作品中，恩格斯总结了自己多年来对自然科学研究，将马克思主义观点，尤其是辩证唯物主义，应用到了科学上，对19世纪中期的主要自然科学成就用辩证唯物主义的方法进行了概括，并批判了自然科学中的形而上学和唯心主义观念。

《自然辩证法》批判了形而上学自然观，批判性吸收了费尔巴哈的唯物主义和黑格尔的辩证法，并由此论证了辩证法是更有利于促进科学发展和人类认识自然的世界观。恩格斯首先批判了唯心主义经验论：“自然界不能是无理性的，而理性不是反自然的”。又由十九世纪自然科学三大发现论证出唯物主义自然观才是认识客观世界及其规律的正确自然观，只有建立在唯物主义自然观上的辩证法——“一种建立在通晓思维的历史和成就的基础上的理论思维”才是能引导和推动科学发展的方法论，并从唯物辩证法的角度解读了从古代至当时重要的科学成就。

恩格斯像与《自然辩证法》书影

十九世纪自然科学三大发现

能量守恒定律、细胞学说和进化论被称为十九世纪自然科学三大发现，恩格斯由此得出了唯物主义自然观是认识世界的正确方法的结论。

能量守恒定律：不同形式的能量可以相互转化，转化过程中能量总量不变，这一发现不仅将各种自然现象，如机械力、电磁现象、热解释为能量存在与转化的形式，也证明了不同能量可互相转化，因此可用统一的量度表示。 能量守恒定律的发现证明了自然界中运动的统一，以科学事实的形式否定了形而上学中永恒和不变的思想，论证了自然界是普遍联系且不断运动变化和发展的整体这一唯物辩证法的观点 。  

细胞学说：一切多细胞有机体都是由单个细胞通过生长、分裂和分化发育而来。细胞学说在发现后成为了解剖学、生理学和胚胎学的基础，并解释了不同生物之间同一性的来源。

进化论：复杂高等的生物是由简单低等的生物进化而来。解释了生物机体之间差异性的来源。

进化论和细胞学说共同揭示了事物的同一性和差异性之间的辩证关系：差异性包含在同一性之中，同一低等物种可进化出彼此之间存在巨大差异的不同高等物种。真实而具体的同一性之中包含着差异和变化，由种类数量丰富的细胞组成的生命体是从单个细胞发育而来。差异性和同一性不是如形而上学认为的对立且永恒不变，而是相互包含，互相转化，交替作用。

十九世纪自然科学的三大发现说明世界是普遍联系的整体和不断发展的过程，使唯物辩证法“立足在完全不同的牢固的基础上了”。自然科学从此由经验科学转化为理论科学，成为唯物主义的自然知识的一个体系。

辩证法的内容和含义

恩格斯在《自然辩证法》中将辩证法简单概括为以下三条规律：量转化为质和质转化为量的规律、对立的相互渗透的规律、否定的否定的规律。恩格斯认为，辩证法的规律是从自然界及人类社会的发展中被概括出来的，因此是认识客观世界的。

量转化为质和质转化为量的规律：事物具有质和量两属性，量指衡量事物处在某种状态的数量或具体形式，质是指事物的本质，质的差别基于量的差别。量变是连续的、逐渐的、不显著的变化，质变是事物根本性质的变化，往往表现为突变。在自然界中，质的转变只有通过物质或者运动的的量的增加或减少才能实现。处在不断变化状态的事物的每一次性质的变化都是由量变慢慢积累开始，当这种积累达到一定程度时就会导致质变，量变是质变的准备。例如物理学中物质状态的变化：对水加热水的温度就会升高（量变），当水温上升至水的沸点（量变积累）时水就会气化（质变）。量转化为质和质转化为量的规律揭示了事物发展的状态。

量变引发质变

    对立的相互渗透的规律：一切存在的事物都由既相互对立、又相互统一的一对矛盾组合而成。矛盾着的双方既对立又统一，相互依存，相互渗透。从而推动着事物的发展。对立的相互渗透的规律揭示了事物发展的源泉和动力

矛盾的普遍存在：NS磁极、正负电荷、光与影

否定的否定的规律：事物的发展是一个过程连着一个过程的，过程的更替要通过否定来实现。在事物发展的长链条中，经过两次否定，三个阶段——即肯定、否定、否定之否定——就表现为一个周期。否定之否定后的状态并不是原有的肯定的状态，而是一种更上层楼后的“扬弃”。在肯定、否定、否定之否定的过程中，事物发展的总趋势是前进的、上升的，而道路却是迂回曲折的。例如在对于宇宙中心的认知过程中，哥白尼否定了地心说，提出日心说，在否定了托勒密地球是宇宙中心的观点的同时也保留了托勒密宇宙存在绝对静止的中心的观点。而20世纪早期均匀的各项同性宇宙的宇宙学模型虽然否定了哥白尼宇宙存在中心的观点，但也保留了太阳是地球公转中心的观点。这些例子均体现出科学发展曲折上升的过程。否定的否定的规律揭示了事物发展的过程。

宇宙中心的变迁

从辩证法角度看自然科学成就

微积分

有关微积分：极限、无穷大和无穷小的定义的争论引发了第二次数学危机。恩格斯从质量互变关系出发，认为当一个量大到研究对象的状态变化对它没有影响时，便可以将它定义为无限，例如在研究落体运动时认为地球质量和半径都无穷大。而自然界量变的极小过程——例如一杯水中最上层水分子的蒸发、光辐射中单个光子辐射的过程——和微分运算是完全类似的过程。通过这种方法我们同样可以定义高阶无情的和无穷小，例如日地距离就是地球半径的高阶无穷大量。恩格斯对这一思路做了这样的总结：“只要数学计算的是现实的量，它就也要直截了当的应用这种观点……数学的无限是从现实中借来的，所以它只能从现实来说明，而不能从它自身、从数学的抽象来说明。”

运动的量度

有关运动的量度的争议在伽利略发现落体定律不久之后就出现了。伽利略指出：物体的冲量和动量是由物体的质量和速度决定的，质量是常数时与物体的速度成正比。笛卡尔接受了这一观点并认为动量是运动的量度并提出了宇宙中运动的总量不变（动量守恒）的观点。而莱布尼兹将力分为死力（静止物体所受的力）与活力（运动物体所受的力），从落体定律出发，发现把一定质量物体举到一定高度所用的力（即功）与(活力)成正比，因此认为是运动的量度。莱布尼兹和笛卡尔一样认为宇宙中运动的总量不变，但活力的说法却解释不了碰撞过程中活力的损失。

瑞士数学家约翰·伯努利用弹性形变的方法对活力做了深刻的说明：活力与弹簧因压缩所具有的能量等价，而非弹性物体类似于压缩受限制的弹簧，碰撞中活力损失是由于产生了热。后来，丹尼尔·伯努利和托马斯·杨分别提出了势和能的概念。伯努利引出了势函数的概念，并且认识到从势函数可以引出活力，活力的下降与势的升高等同。而托马斯·杨则提出用能代替活力的概念。1743年，达朗贝尔在《动力学论》中指出了两种量度的等价性，宣布对争论进行“最终的判决”。

恩格斯根据当时自然科学的最新成就，尤其是能量守恒定律的发现，揭示了两种量度的本质区别。恩格斯指出，机械运动有两种量度：在不发生机械运动“消失”而产生其他形式的运动，如完全弹性碰撞时，应用动量作为运动的量度。而如果发生了机械运动“消失”而其他形式的运动产生，如摩擦生热时，应使用MV作为运动的量度,表现为已经消失的运动的量度，“一句话，MV是以机械运动来量度的机械运动，是以机械运动转化为一定量其他形式的运动的能力来量度的机械运动。”