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浅谈自然科学发展中蕴含的哲学思想-摘自论文资源库

浅谈自然科学发展中蕴含的哲学思想
作者:枫乔 文章来源:论文资源库存 点击数: 更新时间:2010-8-6

  浅谈自然科学发展中蕴含的哲学思想

  ——从计量学中质量单位的重新定义说开去

  摘要:计量学是一门与科学研究、工业生产、经济贸易甚至日常生活都息息相关的自然科学。本文以作者博士论文工作的主要应用背景为基础,通过介绍计量学中质量单位“千克”定义的发展历史、现状和未来趋势,梳理其中蕴含的哲学思想。质量单位的定义来源于人们认知自然的需要,质量单位定义的发展变化反映出人们认知水平的进步。在质量单位的定义过程中,也蕴含了人们对绝对与相对、变与不变及微观与宏观的哲学思考。

  1 前言

  我的博士论文侧重于计量学领域,主要研究提高基本物理常数(阿伏加德罗常数)测量准确度的方法。研究背景涉及两个方面,一是基本物理常数的精密测量,二是千克的重新定义。从研究目的上讲,前者在某种程度上是为后者服务的。这是因为,千克重新定义需要用基本物理常数来实现,而基本常数的精密测量是保证定义能被广泛接受的前提条件。千克的重新定义是当前计量学领域的头等大事。然而,计量学不是一门孤立的科学,相反,它与其他学科紧密相关。可以说,每个从事科学研究的人都直接或间接地运用着计量学的知识。不仅如此,它与工业生产、经济贸易、甚至日常生活都息息相关。若读者暂时接受上述关于计量学重要性的结论,则显然应接受如下观点:千克的重新定义对于其他学科和领域也同样重要。随着博士论文研究的深入,我对千克重新定义的研究内容也有了更多的了解和理解,并对其研究目的、研究历史和发展方向产生了较大的兴趣。本文将通过梳理千克定义的研究历史和发展方向,浅谈其中蕴含的一些哲学思想,与读者分享。

  计量学的发展与人类历史的进程是紧密联系的。度量衡就是中国古代的计量学。春秋战国时期,各国使用的尺寸、升斗和斤两标准不一,但由于国与国之间相对封闭,因此相安无事。待秦始皇统一中国后,这些标准不一的度量系统带来了诸多的麻烦和不便。于是公元前221年,秦始皇即下令统一度量衡,明确规定标准的度量衡器由官府负责统一监制。这可算是中国计量学发展的一个里程碑。随着人类历史的发展,尤其是当前全球化的时代,度量标准的差异会对各个领域产生影响和不便,它不但可能阻碍学术交流、国际贸易和大工业生产的发展,甚至可能给人类带来巨大损失。例如,1998年美国耗资1.25亿美元的火星气候轨道探测器因进入了错误的火星运行轨道而被烧毁,而原因就是科学家将一个用英制单位描述的关键技术参数误当作了公制单位。由此可见,制定统一的度量标准对人类社会的发展意义重大。

  计量学是一门关于测量的科学。人类认识自然和改造自然都是通过一定的“量(quantity)”来进行描述和体现的。例如,今年是清华建校99周年,这里衡量清华建校的“量”是 “时间”;再如,紫荆食堂的一个馒头大约有0.1千克重,这里衡量馒头重量的“量”是 “质量”。诸如此类,稍作思考就会发现,不论是在日常生活中,还是在科学研究中,每人每天都会与这些“量”打交道。计量学就是专门研究“量”的科学,包括对“量”进行分类、定义、测量、维护与统一等。在计量学中,对“量”进行描述的方式是“数值+单位”,例如上文中关于清华建校,描述时间量的单位是“年”,数值是99;类似的,描述馒头重量的单位是“千克”,数值是0.1。这种描述方式也被广泛应用于人类活动的各个领域。在现代计量学中,选取了7个物理量(分别是长度,质量,时间,电流,热力学温度,发光强度和物质的量)作为基本量并将其单位(分别是米,千克,秒,安培,开尔文,坎德拉,摩尔)作为基本单位,其他物理量可用这7个基本单位的组合得到,称为导出单位。基本单位和导出单位共同构建起了计量学研究的广厦。7个基本单位是整个计量学的基础和核心,对7个基本单位进行定义、复现、保存、量值传递是计量学研究的最根本课题。在7个基本量中,质量是与人类活动关系最为密切的物理量之一。质量定义的历史与人类活动的历史有着千丝万缕的联系。质量定义的发展史不但包含了人类进步的足迹,也处处蕴含着人类丰富的哲学思想,闪耀着智慧的光芒。

  2 质量单位——绝对与相对

  质量是一切宏观物质的固有属性[1-2]。在人类的社会生活中,每个人都会与这个属性打交道,打交道的方式是通过亲身体验物质表现出来的重量。例如,我们身边的每个事物,都有一定的重量,轻则如一张报纸,一支笔,一杯水,一本书,重则如一张办公桌,一辆自行车,甚至一台轿车。以我们的实际经验为标准,可以认为在宏观物质中,“质量”是绝对存在的,是一个永恒的、绝对的属性。然而,人类又是如何去认识和描述这种“绝对属性”的呢?在上述例子中,我们用了“轻”、“重”等字眼。这是通过我们的自身体会,以自己的身体承受能力为标准,通过“相对比较”,对物质质量进行认知和描述。可见,人对物质质量这个“绝对属性”的认知和描述是通过“相对比较”实现的,这不可说不是绝对与相对的某种联系。另外,对于同一件事物——比如一张办公桌,对于一个普通人来讲,可能会觉得“重”,但对于一个举重运动员来讲,却可能会觉得“轻”。同一个“绝对”的实物,却得到了“相对”不同的描述。这也表明,人对事物的认识和描述,本身就是一个相对与绝对相互转化的过程。

  当然,上述主观性的描述是定性的、粗略的、并带有随意性的。因为,你可能可以清晰地描述出一张报纸和一台轿车在重量上的差别,但却难以同样清晰地描述出一杯水和一本小书的差别;另外,不同的人对同一件事物的描述也往往会有出入。这些粗略和随意的描述和认识是由于参考标准的粗略和随意而造成的,它同时也限制了人类对事物的认识深度。

  计量科学的发展为人类更深刻、更准确地认识事物的质量属性提供了可能性和条件。按照计量学的理论来描述事物的质量这个属性,将明显要比主观性的认识更深入和深刻。然而,从计量科学对质量的描述思路中,我们仍能明显地感受到这种绝对与相对的辩证关系。

  在计量学中,对质量进行定量描述是通过“单位”实现的。“单位(英文:unit)”本身是一个相对的概念。为了描述两个事物的“量”,我们必须设定一个参考标准,将两个事物分别与参考标准相比,从而得到比较结果。这个“参考标准”,就是“单位”。以单位为基础,再辅以精密的测量手段,即可对事物进行定量的、具体的且相对客观的描述。根据国际上现行的质量单位的定义,“千克”是质量的单位。那么,1千克是多少呢?国际上规定:1千克是“千克原器”的质量。这里的“千克原器”是一个由铂铱合金制成的砝码,目前普遍认为是世界上最稳定的砝码。也就是说,该砝码就是一个用于描述质量的参考标准,根据该砝码,首先人为规定了一个“单位”——千克,然后,通过诸如天平等比较工具,可将其与其他任何事物进行比较,从而得到它们的质量数值。由于都是在同一个单位体系下进行评价,因此事物的质量属性可进行定量和具体的描述。随着比较工具精密度的提高,这种描述也将愈发精密,愈发准确。例如:一张报纸15克,而一支笔是20克。这种描述显然要比上述用“轻、重”等词语描述深刻得多。现在人们不但能描述到大至地球的质量(6×1024千克),也能描述小至一个原子的质量(2×10-27千克),甚至能区分出最小为1×10-9千克的极微小差别。可见,“千克”的定义和应用极大地推动了人类对客观世界的认识,尤其是对质量这种宏观物质固有属性的认识和理解。

  然而,从千克的定义也可知,这个定义本身就是相对的。既然我们可以指定一个砝码为1千克,那为何不能指定一块石头就是1千克呢?——从理论上说,当然是可以的。质量是物质的绝对属性,但如果你要试图描述一个物体的“绝对质量”,也许最可能的结果就是放弃这种想法。另外,如果不与其他物体比较,绝对质量也是没有意义的一个概念。可见,对于物质的质量这种绝对属性,我们目前仅能以相对的方式(定义单位并与之进行比较)来获取和了解它的相关信息,尽管这种信息都是相对的——因为要依赖于单位的定义,但这并不妨碍人们认知质量更深层次的性质,诸如:质量有相对大小,质量具有可加性,质量保持守恒定律等等。

  3 质量单位定义的发展史——变与不变

  作为一个参考标准,质量的单位应该具有稳定、恒定等不变的特点,因为这有助于该定义能够长期有效地被推广和使用。从我国质量单位定义的发展史,也能观察出这个

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