2．1 牛顿的历史局限性
物理学难道真的走到尽头了吗？回答当然是否定的。
“科学从认识的较低阶段上升到较高阶段，愈升愈高，但是永远不能通过所谓绝对真理的发现而达到这样的一点，在这一点上它再也不能前进一步，除了袖手一旁惊愕地望着这个已经获得的绝对真理出神，就再也无事可做了”。(《马克思恩格斯选集》第四卷)
物理学也是如此，物理学从来不具有一种对一切时代都是完美无缺的形式，因为它的内容的有限性总是和可能观察到的事物的无限丰富多样性相对立的。这两者的对立统一，永远是物理学发展的持续动力。
创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，牛顿当然也不例外。牛顿在他所处的时代中“不仅作为某些关键性方法的发明者来说是杰出的，而且他在善于运用他那时的经验材料上也是独特的，同时他还对于数学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能”(爱因斯坦语)。
但是，由于受到时代的局限，牛顿在否定亚里士多德以来有关错误论述和含糊概念、创立牛顿力学的同时，也在其中隐含了自我否定的潜在因素。诚如恩格斯所说的：“凡在人类历史领域中是现实的，随着时间的推移，都会成为不合理的；因而按其本性来说已经是不合理的，一开始就包含着不合理性”。(《马克思恩格斯选集》第四卷)
牛顿虽说是理性时代的先驱者之一，但他的科学工作却并未抹掉神学的印记。特别是在1712年为《原理》补写的“总释”中，他更是把至高无上的上帝描绘成浑身是眼、浑身是耳、浑身是脑、浑身是臂，并有全能进行感觉、理解和活动。上帝不仅是自然界的主宰者，而且也是力学理论的担保者。
撇开其神学印记不谈，牛顿所提出的一些基本概念和基本原理也存在着固有的局限性。尽管牛顿的解决是天才的，而且在他那个时代也是必然的，“是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一的道路”(爱因斯坦语)。牛顿甚至比以后几代的物理学家更了解他的力学著述中所隐含的基本困难，只是由于牛顿尽力把他的体系表现为由经验必然性所决定的，特别是由于经典力学在实践上的巨大成就，足以阻碍后人去思考那些基本概念和基本原理的先验特征，以至于在相当长的时期内，无论谁也没有想到，整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造。
经典力学基本概念和基本原理的固有局限性主要表现在以下几个方面。
第一，尽管牛顿一再声明“我不做假设”，但他还是引入了超越经验的绝对时间、绝对空间等基本概念。按照牛顿的说法，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动，牛顿以著名的旋转水桶实验证明绝对运动的存在。
第二，牛顿虽然对引力的本质持审慎态度，但最终还是对它作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。经典力学的定律和公式都是机械决定论的。
第三，在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。
第四，经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。
这些固有的局限性，就是后来引起物理学危机与革命的内在根据。相对沦、量子论就是在克服上述局限性的过程中逐步发展起来的。
2．2 经典物理学与经典力学的潜在矛盾
经典物理学是物理学家自觉运用经典力学的基本概念和基本原理建立起来的理论体系。但是，与物理学家的主观愿望相反，经典物理学的深入发展反过来却削弱了经典力学的基础，暴露出经典力学的某些局限性。
在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过于对光的描述了。如果微粒说是正确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何也不能使人心安理得。
同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。
托马斯·杨把以太比作穿过树丛的清风；柯西提议以太具有负压缩性；麦卡拉认为以太是与己知弹性体根本不同的新型弹性物质；斯托克斯却把以太喻为沥青和果子冻；开耳芬则异想天开，视以太犹如不含空气的均匀泡沫，粘在固体上久久不破。这种众说纷纭、莫衷一是的以太实在是叫人准以捉摸，它必然像幽灵一样和普通物质并存着。这样一来，经典力学和光学就失去了结构上的统一。
为了寻求这种结构上的统一，洛奇1882年宣称，以太是“一种充满空间的连续实体，它能够像光那样振动，能够分裂为正电和负电，能够以漩涡的形式构成物质，能够连续地无冲撞地传播”，并自诩这是以太的“现代观点”。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如堕五里雾中。
经典力学的基本概念和基本原理在热力学中也遇到了一些麻烦。1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从来也未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理做保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。
玻耳兹曼注意到这一难题，他洞察到趋于平衡分布的问题是解决可逆性之谜的关键。1872年他提出了 H定理，并且证明了 H函数随时间的变化总是负值或零，而且变为零时只能是趋于平衡状态下的麦克斯韦分布，嫡增大正是由于 H减小的缘故。
但是在1876年，洛施密特对此提出诘难。他认为微观运动是可逆的，与麦克斯韦分布不同的分布也是稳定的。为了克服微观可逆性与宏观不可逆性的对立，玻耳兹曼在1877年的论文中对 H定理作了统计解释。他认为：“不管开始时粒子的位置和速度如何，经过很长时间。分布总会趋于平衡，这是无法证明的。但是人们却可以证明，经过某一长时间后，导致平衡分布的初始条件的数目比不能导致平衡分布的数目要大得不可比拟。”
玻耳兹曼的结论是：H定理是统计性的，它减少的几率最大，当然H也有增加的可能性，只是几率非常小而已，以至于实际上无法实现，所以宏观过程总是不可逆的。玻耳兹曼虽然依据经典力学摆脱了上述麻烦，但与此同时却产生了另—个矛盾，即热力学的统计性质与经典力学机械决定论的矛盾。
经典力学所受到的最大冲击来自电磁理论。在牛顿的影响下，超距作用的假设迅速传播到物理学的其他领域。由于人们能够从超距作用推导出数学上简单、优美的势理论，确实也有助于这种传播，而接触作用则仅仅用于变形体力学。因此，电磁现象的早期理论也是超距作用理论。直到十九世纪下半叶，在法拉第和麦克斯韦的影响下，情况才有所变化。
按照他们的电磁理论，电磁作用并不是即时传递的超距作用，而是通过电磁场(或以太)以有限速度传播的非超距作用。
爱因斯坦和英费尔德后来曾这样揭示两种理论体系之间的对立：电磁场定律“不像牛顿定律那样联系两个相隔很远的事件，它们不是把此处所发生的事情跟彼处的条件联系起来。此处的与现在的场只与最邻近的以及刚过去的场发生关系。假如我们知道此处和现在所发生的事件，这些方程便可以帮助我们预测在空间上稍微远一些，在时间上稍微迟一些会发生什么。它们能使我们用一些小步骤来增加场的知识，把这些小步骤加起来，我们便可以由远处所发生的事件推出此处所发生的事件。牛顿的理论恰恰相反，它是只允许把距离很远的事件联系起来的大步骤。”
另外，经典力学中运动着的质点是能量的唯一载体，具有能量并且可用空间坐标的连续函数来描述的场同质点一样，也是一种不能再简化的物理实在。这样，在经典力学和经典电磁学两种理论体系之间就存在着超距作用与媒递作用、间断的质点与连续的场的尖锐对立。
2．3 不识庐山真面目，只缘身在此山中
我们在上面对经典力学的基本概念和基本原理的局限性，以及经典物理学与经典力学的潜在矛盾进行了逻辑分析(不是历史描述)。诚然，经典物理学的形成和确立，是经典力学基本概念和基本原理推广的丰硕成果，但是随着时间的推移，这两种理论体系之间的裂痕也日益显露出来。
事实上，这种状况比我们分析的还要广泛，还要深刻。但是，当时的物理学家们十分迷恋经典力学，囿于机械自然观而不能自拔。他们看不到上述矛盾，至少是没有意识到矛盾的尖锐性。他们以循规蹈矩为至善，以改弦更张为异端，只是习惯地对经典力学修修补补，硬把那些带有革命性的新发现和新思想纳入旧有的理论框架之中。甚至连在统计力学和电动力学领域做出杰出贡献的麦克斯韦也不例外。尽管可以把麦克斯韦视为动摇了以力学作为物理学最终基础这一信念的人，可是他却在其自觉的思考中紧抱着机械自然观不放，把热、光、电现象统统归结为以太的力学作用。
1884年，威廉·汤姆孙好像发表机械观的宣言一样说：“我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。
如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能理解。”威廉·汤姆逊为了用以太这一力学模型解释光、电、磁现象，竟然在1890年别出心裁地提出：电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光却是由以太波动式的振动引起的。
汤姆孙1888年的言论大体代表了—代物理学家的思想，他说：经典物理学五十年间所完成的主要进展，其“最引人注目的一个结果就是增强了用力学原理来说明一切物理现象的信念，促进了追求这种说明的研究。”他进而断言；“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上。”
玻耳兹曼1886年5月29日在皇家科学院的讲演中断然宣称：“如果你要问我，我们的世纪是钢铁世纪、蒸汽世纪，还是电气世纪，那么我会毫不犹豫地回答，我们的世纪是机械自然观的世纪……”
不仅机械自然观广为流行，而月力学先验论也风靡一时。在十九世纪八十年代前后，经典力学的基本概念和基本原理在物理学家当中造成一种权威性，并被人为地打上了“思维的必然性”，“先验地给予”等等烙印，使人们忘记了它们的世俗来源，而把它们当作某种一成不变的东西。
他们想，每一种自然现象必须用力学来解释，这不是偶然的、讲究实际的，而是合乎逻辑的、必然的。按照他们的观点，力学原理不仅仅是以经验为根据的、真实的定律，而且象几何学上的公理和定理—样，也是先验的或必然的真理。
在相当长的一段历史时间内，人们对牛顿及其力学的崇拜也达到迷信的程度。牛顿于1797年去世时，人们这样褒扬他：自然及自然之定律统统隐藏在暗夜之中，上帝说：“让牛顿干吧！”于是一切便大放光明。
拉格朗日也对牛顿大唱赞歌：只有一个宇宙，而且恰巧历史上也只有一个人是这个宇宙规律的解释者。正如前面已讲过的，这种迷信一直蔓延到十九世纪末，以致不少物理学家都持有这种维多利亚式的态度——经典力学与经典物理学已经完美无缺了，所有值得知道的东西都已经知道了。
“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。要使物理学家意识到经典力学基本概念和基本原理的局限性，下决心变革经典力学的基础，就必须使他们挣脱力学先验论和机械自然观的束缚，破除对经典力学的迷信。一个新的思想启蒙势在必行，恩斯特·马赫正巧在这种特定的历史条件下扮演了启蒙者的角色。
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