导 言：
奥地利物理学家马赫以“马赫数”、“马赫带”效应而著名，他还是一位杰出的科学史家、科学哲学家。他直接影响了逻辑实证主义和实用主义，对牛顿时空理论的批评和对于认识论的观点深深影响爱因斯坦，推动了广义相对论的发展，对20世纪初的物理学的发展起到了启蒙的作用。
撰文|董光璧（中国科学院自然科学史研究所研究员）
责编|下雪
● ● ●
►恩斯特·马赫 (Ernst Mach，1838—1916)
1
没有天赋的少年
恩斯特·马赫祖籍在波西米亚古哈布斯堡王室领地布拉格北部山区的一个小镇——雷伯奥。其祖父约翰·约瑟夫·马赫（Johann Josef Mach，1782—1806）是个农民。父亲约翰·尼波姆·马赫（JohannNepomuk Mach，1805—1879）受过高等教育，后来成为兹林贵族巴隆·布莱顿的家庭教师。后来，他娶了约瑟芬·兰浩（Josephine Lanhau，1813— 1869），她热爱音乐、绘画和诗歌，是一个快活而又文雅的女子。恩斯特·马赫 1838 年2 月 18 日诞生于契尔里兹他的外公家，在图拉斯做的洗礼。
1840 年，恩斯特·马赫两岁的时候，他家从契尔里兹迁到维也纳东温特希本布仑的一个孤立的农庄，父亲在维也纳当家庭教师。在这里，他们几乎是过着与世隔绝的生活，很少有客人来访。他和两个妹妹没有玩耍的朋友，有时老保姆给他们讲神怪的故事。尽管如此，他们并不因此而感到有广泛交往的必要，也不觉得孤独和无聊。
在恩斯特·马赫的记忆中还留有他童年生活的痕迹。比如，他记得两岁时他如何在草地上奔跑，追逐下山的太阳；当他握着将要萌发的有弹性的植物种子时，它突然开放像一个活东西，像一个活的动物夹住他的手指时，他是如何害怕和惊奇。3 岁的马赫曾经被视觉问题所困扰，他不能理解为 什么在近处的东西移到远处，看上去会变小。4、5 岁时父亲带他到维也纳，当他登上城墙往下看时人都变小了，他也感到非常惊奇。有一次，保姆带他去给邻近的一个磨坊主人送信，磨坊的直立的风车在风力的推动下转动，使他又吃惊又好奇。他出神地看着车轴的齿轮如何带动磨盘的齿轮转动。风车和机器迷住了马赫幼小的心灵。后来那个聪明的磨坊主人还制造了一台平式风轮风车。在马赫看来，这个不因风向改变而停下来的风车，比他最初看到的那个风车好懂多了。机器和机器零件充满了童年马赫幼稚的头脑。马赫后来在研究康德关于因果概念的时候，常常回忆起这些童年的经验。他写道：“这个印象把我的幼稚的思想从信仰奇迹的暗昧阶段提高到因果思想的水平。从此，我不再把我不理解的东西看作背后有什么神秘物存在……”
马赫 7 岁时，他的父亲开始引导和培养他热爱科学，带他做些简单的实验。有一次父亲拿了个空花盆问他里面有什么东西。他说“没有什么”。于是爸爸用一个软木塞堵在盆底中心的小孔上，然后让他把这个盆子推进一个水桶里，当花盆被压进水中一般距离时，那个软木塞突然冲出。恩斯特·马赫就是这样在父亲的引导下做实验的。他也常常自己设计一些实验，但总不够小心。例如，有一次他试验樟脑是不是会燃烧，结果烧了眉毛。马赫对数学很有兴趣，在父亲的指导下，不久就能自学了。8 岁时他的代数知识已超过他父亲的一个 14 岁的学生，他能跟着他们一起正常听课。
1847 年，马赫被送到希登斯梯顿的本尼迪克特僧侣主办的一个中学初级班学习。然而这个 9 岁的孩子学习希腊语和拉丁文有困难，对于“敬畏上帝乃是智慧之端”之类的格言毫无兴趣。唯一有兴趣的课是地理课，从此欧洲大陆的地形一直深深地印在他的脑海中。由于这个教会学校的教师认为他“没有天赋”，劝告他的父亲说，这个孩子不适于研究学问，应该让他去学一门手艺或者一种行业。他父亲只好把孩子带回家，亲自教给他中学的课程。
博学的父亲在家里给他讲授拉丁文、希腊语、历史、初等代数和几何原理等。当他进步慢的时候，他父亲就对他大喊“挪威头脑”或“格陵兰人的头”。只是在阅读古典作家的作品时，这些古代语言才引起了他的兴致。马赫在理解和翻译原文方面竟达到了熟练的程度。后来一位多年讲授古典语言的威尔赫尔姆·捷鲁萨莱姆说：“多么令人惊奇，物理学家马赫在掌握古典语言上比许多专家都好！”
马赫上午听父亲讲课，下午有时间就去干庄稼活。他自己后来说，这种经历使他懂得了“对体力劳动者应有的尊重”。恩斯特·马赫的父亲是个“自由思想者”，他也通过父亲的授课接受了这种观点。父子二人对奥地利 1848 年革命失败后的教会*动反**统治感到“压抑”。少年马赫心目中的理想国家是美国。他曾请求父亲允许他去学木匠，以便他迁居到美国时有一门手艺。父亲应允之后，每星期有两个整天，他在邻近的一位熟练的木工师傅那里学做细木工，这样他学了两年多光景。他后来还常常回忆那段有益的经历：“晚上疲倦的时候，坐在散发着香味的木堆上，设想未来的机器，如飞机之类的东西”。他认为当年学木匠得到的经验使他学会了如何对辅助工作的成绩作出正确的评价。
1853 年，15 岁的马赫，这个天真快活的少年，进入克雷姆希尔的一所虔敬派僧侣主办的中学高年级学习。他对那些枯燥乏味的王朝更换和战争没有兴趣，对那些没完没了的宗教祈祷训练反感。使他最愉快和尊敬的是他的博物学教师。他给他们讲拉马克的进化论和康德 - 拉普拉斯宇宙形成论。当时受到的最大的鼓励不是来自学校，而是他父亲的藏书。父亲的藏书中有一本康德的《未来形而上学导论》，15 岁的马赫如饥似渴地阅读了它。这部著作给他留下了深刻的印象，他对认识论产生了兴趣。马赫强调，他的自然科学思想和心理学思想，都是受康德这部著作启发的：“虽说我不墨守康德的思想，但是我仍然感激他给予我的启发，这种启发也引导我对力学进行历史的批判的研究”。
两年以后马赫中学毕业了，这时他也不再想去美国了。他的家也迁到尤高斯拉维亚附近，他的父亲在那里经营丝蚕饲养兼作临时家庭教师。1869 年母亲去世，父亲活到 1879 年。
2
40年科学实践
1855 年，马赫进入维也纳大学，学习物理和数学。他的老师冯·埃廷豪森（Anareas Ritter Von Ettinghausen，1796—1878）是维也纳物理研究所的领导者多普勒（Christian Doppler，1803—1853）的继任人。在他的指导下，马赫成为一个熟练的实验物理学家。他制造的一个消色差双物镜给他带来最初的科学声望。1860 年，22 岁的马赫通过中世纪式的大学毕业考试并获得了博士学位。大学毕业后，马赫先是做家庭教师维持生活，“在这种令人沮丧的情况下”他取得了大学编外讲师的资格，但“不晓得下一年将何以为生”。毕业当初他本想到在哥尼斯堡的物理学家弗兰兹·诺依曼（Franz Neumann）手下从事研究工作。但是由于他当时没钱买走在维也纳的称心如意的实验设备，这迫使他先去解决两个问题：第一，当一个有报酬的讲师；第二，想办法购买廉价实验仪器。整个 1861 年他向维也纳医科大学的学生讲了《医科大学生物理学》和《高级生理物理学》，表现出他是一个很好的教师，得到了应有的报酬。1863 年，他的第一个讲演在医学物理学文摘上发表了。1862 年夏季，他作了一个题为《历史发展中的力学原理和机械论者的物理学》的讲演。这是他以后写的那本力学史的书（1883 年）的前身。
这时马赫还产生了把物理学应用于生理学和心理学的兴趣。其原因有几个：首先是费希纳（Gustav Fechner，1801—1887）1860 年出版的《心理学基本原理》一书吸引了他；其次是物理学家赫尔姆霍兹（HermannVon Helmholtz，1821—1894）和杜博依斯·雷蒙德（Emil du Bois-Reymond）在生理学和心理学方面的引导工作；第三，那时在维也纳生理学的研究特别盛行。马赫特别被冯·布吕克（Ernst Wilhelm Von Bröcke，1819—1892），一个脑生理学家、赫尔姆霍兹的助手的讲演所打动。马赫在这方面进行了研究并很快获得了成果。1862—1864年他作了关于这方面的一系列讲演，特别是关于赫尔姆霍兹的最新的听觉声学发现的一系列讲演。这些讲演有一些在杂志上发表，并且在后来以《赫尔姆霍兹音乐理论引论》为题出版了一本书。这本书没有得到职业专家的承认，被置之不理。当他对生理学实验产生了兴趣，并认为有可能取得进展以后，就不再想去诺依曼那里了。
马赫从这时起就表现出他是一个富于实践精神的科学家，在作一个编外讲师的艰苦条件下坚持研究。他最初的一些实验是相当成功的。在他的老师埃廷豪森的鼓励下，为平息关于多普勒理论的争论，他设计并建造了仪器，于1860年进行多普勒理论的实验研究。同年，当马赫读了费希纳的 1858 年的论文和 1860 年的书中关于计算感觉的“韦柏- 费希纳定律” 公式，他进行了费希纳对数率的实验研究。这年他还进行了显微照相术、几何光学的研究。 1861 年，他又从事精神上的痛苦的知觉敏感性的研究。1862 年，又改进血压测量设计和液体的分子行为的实验研究，1863—1864 年，他改进和超过赫尔姆霍兹在声学和耳朵结构方面的实验研究。
这期间马赫结交了两个朋友。1862年他认识了工程师约瑟夫·波普尔 - 林库（Josef Popper-Lynkeus，1838—1921），他是马赫的第一个也是长期的哲学同盟者。1863 年马赫结交了新闻记者和音乐评论家谷尔克（Eduard Kulke，1831—1897），同马赫以后所交往的“自由思想”的朋友们一样，他俩都是犹太人。
1864 年至 1867 年，马赫在格拉茨教书和研究。1864 年，他被委任了奥地利格拉茨大学数学讲座的职位，后来又增加了物理讲座。这时他“很快就摆脱了当讲师时的那种贫困生活，开始进行工作而不再为挣钱糊口费心思了。”他专心致志，充分进行科学研究。三年当中，他讲了几门课程：数学、物理学、生理学和心理学。他讲授的《心理学基础》吸引了许多听众，包括大学教授。这 3 年期间他出版了 3 本书和发表了27 篇论文，关于感知觉方面的论文大约在这个时期开始发表。这期间最重要的发现是后来被称之为“马赫带” 的生理理象。
►1865年，马赫在视觉感知研究中使用的快速运动的扇形盘
什么是“马赫带”呢？马赫发现，一个带有不规则的锥形黑色缺口的白色圆盘在其旋转时，形成明暗分明的两条色带，而不是如所想象的那样亮度连续变化。在 1865 至 1868 年之间，马赫写了研究这一现象的 5 篇文章，认为这奇怪的带反映了神经抑制，它不是完全“主观”的印象。不幸，他的这个神经“抑制”假说，由于当时不能被人们理解而被忽视近 30 年，直到 1890 年一些科学家又独立地重新发现了这些带。C. H. 温德是他们之中的第一个。当他偶然地知道了马赫的工作时，他承认马赫的优先权，将其命名为“马赫带”。至今还有以“马赫带”为题名的专著出版。
马赫在心理学方面的贡献，除了“马赫带”以外，人们还常常把第一个认识到格式塔性质归功于他。当 1890 年冯·埃伦菲尔（Christan Von Ehrenfels）发表《格式塔性质》一文时，马赫说他自己早在 1865 年就已经在费希特的杂志上（第 46 卷）给出了这方面的主要思想，即经验的整体不只是等同于知觉的部分之总和。1967 年出版的卡普雷塔（Patrick J.Capretta）的心理学著作似乎承认马赫是格式塔心理学的先驱。
在格拉茨这 3 年马赫同费希纳和赫尔曼（Emmanuel Hermann，1839—1902）的交往对他有重要意义。费希纳的哲学和心理学思想，极大地鼓舞了马赫写一本心理学的书（《感觉的分析》），并奉献给这位莱比锡教授。两个人的会见使他们之间的通信增加，由于费希纳反对马赫的某些观点又使得他们的通信中断。马赫搁置这部手稿达 20 年之久。在这段时间，他细心研究了费希纳的不同意见。赫尔曼是个经济学家，他的见解启发了马赫去建立他的“思维经济”学说。马赫在一篇文章中写到“政治经济学家赫尔曼，依照他自己的专业，探求各类领域的经济要素，在 1864 年与他的交往使我习惯于把研究者的智力活动叫作经济的”。
1867 年春天，马赫同马露西（Ludovica Marussig，1845—1919）在格拉茨结婚。同年 4 月到布拉格，任布拉格大学实验物理学教授，一直到 1895 年。他们生了四个儿子和一个女儿。长子路德维希·马赫（Ludwig Mach，1868—1951）后来成为他科学工作的合作者。三子亨利希·马赫（Heinrich Mach，1874—1894）专攻化学，获博士学位不久，因服*眠药安**过量而死去，给恩斯特·马赫带来很大的悲痛。1867—1879 年间，他出版了 4 本书，发表了 62 篇论文。这些研究大多数是科学的课题。他的著作《光 - 声研究》（1873）、《运动的色调变化对多普勒理论的贡献》（1874 年）、《动觉大纲》（1875 年）都是关于实验工作的著作，其中关于运动感觉的比较重要。但是《能量守恒定律的历史和根源》（1872 年）一书中至少哲学和科学一样多，因此马赫才第一次作为哲学家进入学术界。
马赫在物理学方面的贡献最著名的是在声学方面有关冲击波的工作。1881 年，马赫去巴黎参加国际电气展览会，一个偶然的机会，他听到比利时炮术师 L. 迈尔逊的一个报告。这个报告提供了一个关于炮口喷出的压缩空气的*破爆**冲击的破坏作用的理论。回到布拉格之后，马赫就想建立一个实验检验迈尔逊的理论。当时，对于解决这类问题他已积累了相当丰富的经验，特别是在弹道学方面有关抛体速度及其在运动中拍照问题。1884 年，马赫的第一个重大努力是从拍摄飞弹、声波、电火花波和抛体冲击波四类不同速度类型的照片入手开始的。1886 年 7 月 10 日，马赫终于给奥地利科学院两张成功的抛体冲击波照片。 1885 年，马赫发表的重要的论文，第一次用了我们现在称之为“马赫数”的表示。它是一个比例，即用声速去除流速。这个比例不久就被许多科学家采用。给予“马赫数”这一名称的是 J. 阿克莱特教授，他在1928 年的一篇文章中使用了它。
3
卓越的科学史家
马赫是一个卓越的科学史家。他关于力学史、热学史、光学史以及能量守恒发展史的著作是研究科学史这门学科的重要文献。可以说，至今也没有任何一部科学史著作能收到像他的《发展中的力学》启发爱因斯坦创立相对论那样的显著成效。
马赫研究科学史和他的教学经历有密切关系。马赫不但是个科学家也是一个出色的教育家。1879—1880 年和 1883—1884 年他先后在布拉格大学和布拉格大学分为德语和捷克语两校后的德语大学任校长，著有《医科大学生物理概论》（1863 年）、《中学低年级自然科学教科书》（1886 年）和《大学生物理学教科书》（1891 年）等广为流传的物理学教材。他编辑过教育杂志，他也热衷于普及教育，在奥地利贵族院讲演，提倡成人教育。在大学讲课，他把历史的叙述方法作为最简单易懂的叙述方式来使用，而抽象的概括在他看来则揭示了 “认识论的经济动机”。他把科学看作普遍的生命现象和进化现象的组成部分，最后完成了生物学上经济认识论的特质。因此，他提倡用历史的方法教科学。他认为应该阐明现代理论的逻辑发展，而不仅仅是介绍历史上个别科学家的特殊作用的思想的历史事实，这样，通过对历史的分析研究，人们可以对现代科学获得更好的理解，而不仅是为了理解科学的过去。也就是说马赫研究科学史的指导思想是着眼于科学的现在和未来，着眼于科学发展的逻辑和认识论上的批判分析。这是他的科学史著作的显著特点，也是他的科学史研究的成功之处。
马赫研究科学史是从 1870 年开始的。那年夏天，他因患病不能进行实验工作，就开始研究科学史。他把早在维也纳和格拉茨就已用心思虑过的思想写成了《能量守恒定律的历史和根源》大纲，1872 年成书出版。这部著作是他 1867 年发表的同名讲演和他的第一篇重要的论文《关于质量的定义》（1867 年）的进一步发展，又是后来出版的他的力学史这部最重要的著作的基础。
马赫在他的《自传》遗稿（1913）中说，在这部著作中，他“第一次就力学和热学问题提出了关于自然科学的认识论思想”，“以尽可能概括的形式提出了关于思维经济、关于科学的任务就是从概念上确定真实事物的基本思想”，包含了“一般唯能论的要点”。《能量守恒定律的历史和根源》这本书通过对历史的考察得出否定机械论自然观的结论。他反对赫尔姆霍兹和克劳修斯以力学为基础用原子、分子解释热学理论的观点。他认为历史事实表明在力学发展之前能量守恒的现象就已为人类所认识。他指出，能量守恒定律的根源是人类长期经验的总结：“不消耗能量做功是不可能的”。力学并不比光学、声学、电磁学和热学更基本，它成为物理学的基础只是历史的偶然。由此他进一步批判了力学先验论，认为主张从一般因果律先验地导出力学诸法则的努力是没有意义的。但是马赫的这本书写得不够严谨，又因为书中非难热力学理论和原子论，所以不能打动当时大多数的物理学家，也没有获得哲学家的支持，只得到少数人的注意。W. 陶比亚在他 1876 年出版的《哲学的拓荒者》中批评了马赫的观点，而一个内在论哲学家 A. 莱克雷尔在他的 1879 年出版的著作《科学的实在论》中赞扬了马赫的这本书，甚至称它是“革命的”。
《发展中的力学》是马赫最重要的科学史著作。他在世时此书就先后于，1883 年、 1888 年、1897 年、1901 年、1904 年、1908 年、1912 年七次出版。马赫去世后又出了第八版（1921 年）和第九版（1933 年），马赫在这部著作中批判了力学先验论，打击了机械论自然观。书中详细分析指出，牛顿的绝对时空观念没有经验根据，并认为牛顿力学把来自经验的东西和任意约定的东西混在一起了，他强调力学的现在的形式完全是历史的偶然。在这本书中他比较集中地论述了他的思维经济学说，并从思维经济的观点阐明力学假设并不比别的优越，“把力学看作物理学其他分支的基础是没有根据的，由力学说明一切物理现象是一种偏见”。马赫的这本书同《能量守恒定律的历史和根源》命运不同，在科学家中产生了极大的影响，马赫同时代的许多著名科学家如奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald，1853—1932），赫 兹（Heinrich Hertz，1857—1894）， 玻尔 兹 曼（Ludwig Boltzmann，1844—1906）都阅读了它并深受其影响。
4
维也纳大学的科学哲学教授
马赫自己曾经声明说：“我仅仅是一个自然科学家而不是哲学家。我仅寻求一种稳固的、明确的哲学立场，从这种立场出发，无论在心理生理学领域里，还是在物理学领域里，都能指出一条走得通的道路来，在这条道路上没有形而上学的烟雾能阻碍我们前进。我认为做到这一点，我的任务就算完成了。”但在哲学史上，马赫被认为是从孔德的实证主义到逻辑经验主义的过渡人物。
马赫童年在感觉和因果性解释方面的那些难题，表明他从小就萌发了哲学的思维。所以当他 15 岁阅读了康德的著作时，就开始对认识论感兴趣了，在维也纳上学时就暗暗地学了一点哲学著作。1860 年以前他就读过贝克莱，利希滕贝格和霍尔巴特的著作。在 1860 这一年有三件事对马赫哲学思想的发展有重要影响。这就是达尔文的《物种起源》的广泛传播，费希纳《心理学基本原理》的出版和在卡尔鲁尔召开的化学会议上 S. 坎尼扎罗支持 A. 阿佛伽德罗的分子学说。其后在维也纳和格拉茨工作时，他就认真思考科学中的哲学问题。最主要的是他的感觉生理学的研究把他“引向对认识论批判的研究”。他 1862年的讲演《历史发展中的力学原理和机械论者物理学》，1867 年的论文《关于质量的定义》都是讨论科学哲学的问题。他的许多有关科学史的著作和论文，是从对科学的历史分析探求科学认识论问题。1886 年出版了他的主要哲学著作，也是心理学著作《感觉的分析》。由于他在科学认识论方面的造诣，他的母校维也纳大学专门为他开设了一个科学哲学讲座，叫“归纳科学的历史和理论”，这使他成为世界上第一个科学哲学教授，直到他中风瘫痪（1898 年）而于 1901 年退休。退休以后他仍然在妻子的精心照料下从事著述，其中包括把他发表的一系列科学哲学讲演，汇集成一本书，叫作《认识与谬误》，于 1905 年出版。这也是他的很重要的哲学著作。
马赫的主要哲学著作《感觉的分析》，1886 年初版，相隔 14 年才修改再版。马赫在第二版序言中说：“本书就其以前的形式来说，曾经得到多方面的热忱欢迎，但也激起了强烈的反对。”的确，这本书一出版就受到两个心理学家、哲学家施通普夫（Karl Stumpf）和李普斯（Theodor Lipps）的批评。事实上，马赫从他的这部著作出版开始就成了一个有争议的哲学家。我们可以看看菲利普·弗兰克（Philipp Frank，1884—1966）在其著作《现代科学及其哲学》（1957 年）中的一段描述：“尽管对马赫的反感在德国科学家和哲学家中间特别显著，然而他对某些科学家和哲学家集团来说是具有非凡的吸引力的。但是反对他的带有敌意的反映是非常强烈的。”马赫为人谦虚谨慎，在《感觉的分析》第二版序言中说：“如果说我对于那些反对我的观点没有用批判的和论战的方式作详细的讨论的话，那么，这的确不是由于我轻视那些观点，而是因为我深信这类问题不能用讨论和论战来解决。在这里，唯一有益的办法是把未成熟的思想或内容矛盾的思想，耐心地、经年累月地搁在心里，诚实地努力完成未成熟的思想或除去矛盾的成分。”他在第六版最后一章还说：“公开的批评即使是反对我，也是中肯的，而它的坦率态度对我很有教益”。
《感觉的分析》第二版（1900 年）在几个月内销售一空，接着出第三版、第四版……，至 1911 年已出了六版。1897年出版了英译本，1907 年出版了俄译本。这时马赫的哲学思想已经广为流传了。正如列宁在《唯物主义和经验批判主义》一书中指出的那样，马赫已经成为“最有名望的经验批判主义的代表”了。
马赫的哲学著作的影响超出了学术界，也影响到奥地利和俄国的社会主义运动。这是和马赫当时的政治态度有关系的。马赫退休后，在 1901—1913 年期间被选为奥地利贵族院议员。马赫的社会哲学的基础是信仰人类道义的进步。顺便说一下，他很赞赏中国的道德准则和正义感。他支持个人自由和限制国家权利，赞成社会经济改革，主张重新分配财产；他对资本主义世界经济和工业状况感到愤懑，拒绝在经济改革中有产者利己主义的固执观念。因此他被称为“半个人主义和半社会主义”者。1896 年，他曾与有社会民主思想的工人并肩*行游**反对基督教社会主义*党**。1899 年，他把一大笔款捐献给成人教育同盟和社会民主*党**的报纸《工人报》。1901 年，矿工举行*工罢**，奥地利议会贵族院表决有利于工人的 9 小时工作法案，半身瘫痪的马赫，坐救护车去议会投支持票。1902 年，他成功地反对基督教社会主义*党**在萨尔兴堡开办一个专门的罗马天主教大学。1906 年，马赫被社会主义者、理论家狄慈根（Josef Dietzgen，1828—1888）的思想吸引，并且他还鼓励他的具有社会主义倾向的追随者也去研究狄慈根的著作。1907 年，马赫的政治活动达到高峰。他在贵族院投票支持改革选举法。他还为报纸写了几篇文章，反对基督教的*动反**行为。
马赫与奥地利社会民主*党**的创始人之一，维克多·阿德勒（Viktor Adler）以及他的儿子物理学家、哲学家弗里德里希·阿德勒（Friedrich Adler，1874—1960）是好朋友，在奥地利社会民主*党**中间享有很高的威望。当时由于马克思（1883 年）和恩格斯（1895 年）先后逝世，社会主义者面临着一个扩大宣传和发展马克思主义的问题。他们当中许多人认为，通过与最新的现代科学哲学和实践着的科学家的联系，马克思主义的理论会得到发展并通俗化。这样，中欧的一些社会主义者就选中了马赫的科学哲学。在奥地利是以弗里德里希·阿德勒和鲍埃尔（Otte Bauerl，1881—1938）为代表的一批马赫主义者。一些俄国的社会主义者和教授也在苏黎世进行着这方面的研究。俄国的布尔什维克的重要成员波格丹诺夫（A.A. Бorданов，1873—1928）受到阿芬那留斯（R.H.L.Avenarius，1843—1896）的早年学生—— 俄国著作家列希维奇（V.V.Lesevichi）的引导，接受了马赫主义，终于成为在俄国的马赫主义者的代表。为了维护马克思主义哲学的纯洁性，列宁于 1908 年着手写作和俄国马赫主义者论战的重要哲学著作《唯物主义和经验批判主义》，1909年在莫斯科出版。
另一方面，1910 年在维也纳由弗兰克、哈恩和纽拉特掀起了一个宣传马赫实证主义哲学的浪潮。1901 年，俄国由英格迈尔在莫斯科也组织了一个实证主义协会，其成员包括二十几个第一流的教授和知识分子。1911 年在柏林也开始了类似的活动，它是以希尔伯特、克莱因、黑尔姆、弗洛伊德，还包括爱因斯坦以及许多与实证主义无关的著名人物签名发表了一个宣言开始的，后来佩措尔德（Josef Petzoldt，1862—1929）和丁格勒（Hugu Dingler）成了这个运动的推动者。1912 年秋，在柏林成立了实证主义哲学会，1913 年出版了实证主义哲学杂志。1927 年，在维也纳由纽拉特组织成立马赫学会。1929 年以马赫学会和实证主义哲学会的名义发起，在布拉格召开了第一次国际会议，形成逻辑经验主义学派。
对于马赫，一些人猛烈地攻击他，另一些人热忱地赞同他，无论是谁几乎都不得不对他的学说采取明确的态度。的确，很少有科学思想家能够引起这样尖锐的意见分歧。那么，他研究科学哲学的一般意向，他的哲学学说的基本精神究竟是什么呢？
马赫自己说，他不想建立一个哲学体系，只是想寻找一种哲学立场。我们知道，19 世纪后半叶机械论的科学观受到科学发展的冲击而走向衰落。马赫无疑是最早洞察到这种倾向的人之一。为了“挽救”科学世界观的“危机”，他强调经验论，反对力学先验论。他从区分科学“解释”和力学的“解释”出发，去寻求一个不受某种特殊类型的解释限制的、适用于一切自然现象的统一的科学解释，以便将个别学科联系起来形成一个统一的整体。为此他选取了一条达到这一目标的纯经验主义的路线，力图从科学中排除一切不能由经验证实的“形而上学”的命题。这就是马赫科学哲学的一般意向。
马赫认为，无论是唯物主义还是唯心主义哲学都含有他所谓的“形而上学”，因而不能达到统一的科学的目标。于是他创立了标榜中性的“要素一元论”，作为他统一科学的理论基础。他主张一切物理的经验和心理的经验有一个共同的“要素”，他叫它“世界要素”。这些“要素”构成最广义的物理学和自然科学心理学的桥梁，这些“要素”按照所研究的联系，或者是物理对象，或者是心理对象。这样马赫所设想的“要素”就成为他的科学解释的基点。马赫主张“思想对事实的适应是一切科学工作的目标”，“科学的任务就是对事实作概要的陈述”。既然按马赫的设想，事实最终应分解为“要素”，而思想适应事实就是指适应要素之间的某种规律性的联系，那么，作为科学任务的“对事实作概要的陈述”也就是对“要素”的陈述。马赫说：“全部自然科学只能是描述和描写我们通常称之为感觉的要素的复合”。马赫还主张“思维经济”原则，他的统一科学的目标就是对经验作经济的描述。他认为把事实分解为“要素”，科学的任务就成了对“要素” 的描述，这就是一种经济设计，他认为抽象理解的最大限度，只有数学函数可以提供。因此，他宣称，科学的任务就在于用数学函数来描述或描写经验事实之间的依存关系，也就是感性“要素” 之间的依存关系，这是科学唯一的对象，是科学的最终目的。马赫认为因果概念在实践生活中是有用的，但在理论上是没有根据的，因为它不能为科学实验所证实，因而是有害的。为避免这个不科学的因果性思想，他主张用数学函数代替因果概念。他认为这样的代替在科学上可以消除因果概念中的一些主观的、非科学的因素；可以排除科学中的一切不可知因素，如物质实体，可以科学地解决世界的固定不变性。
对于马赫的哲学观点，列宁在他的批判马赫主义者的著作《唯物主义和经验主义》中，从马克思主义哲学的立场剖析了马赫哲学思想的渊源，指明了它的唯心主义的实质，但这并不能排除和否定马赫的科学哲学对自然科学发展的有益作用。
►1888 年，马赫的摄影作品，围绕一个超音速*弹子**的弓形冲击波。
5
马赫思想与20世纪的物理学
马赫同量子论和相对论的创始人普朗克和爱因斯坦等人有过交往，1913 年他愉快地接待了爱因斯坦的来访。作为一个科学家、科学史家和科学哲学家，他的学术思想对相对论和量子物理学乃至 20 世纪自然科学的发展都产生了重大的影响。
普朗克年轻时曾是马赫思想的信奉者。他自己承认，在 1885 至 1889 年间他曾是最坚定的马赫哲学思想的追随者之一，马赫的学术思想对他影响很大。1879 年普朗克写作博士论文《论热力学第二定律》时曾阅读了马赫的《能量守恒定律的历史和根源》这本书。他对马赫思想最早的反应是在他获哥廷根大学哲学系二等奖的一篇论文《论能量守恒定律》（1887 年）中。后来他倾心于对普遍性进行理论概括，从 1890 年开始探索普遍性概念。在 1895 年他开始反对黑尔姆、奥斯特瓦尔德的唯能论，表现了他哲学思想的转变。1908 年 12 月 9 日，他在莱顿大学自然科学系作题为《物理世界图像的统一》的讲演，在这个讲演的第四部分批评了马赫的哲学思想，这引起普朗克和马赫之间长达 3 年之久（1908—1910）的论战。
普朗克的批评在物理学家中引起了不同的看法。阿德勒、佩措尔德和弗兰克等人写文章为马赫辩护，P. 金森、爱因斯坦和 G. 克兰兹在给马赫的私人信中支持马赫。马赫在 1909 年出版的《能量守恒定律的历史和根源》德文新版中，对普朗克的批评作了答复。普朗克的那次讲演出版后，马赫于 1910 年发表了《我的科学认识论的指导思想及其在当代被接受的情况》进行回答，而普朗克又以《论马赫的物理认识论——一个答复》（1910 年）再进行批评。
普朗克接受马赫的“统一科学”的目标，但认为一个理想的不变的体系和物理定律足以描述和说明现象并达到统一的世界图像，而不需要任何感觉要素。他特别指出玻尔兹曼的统计理论已经有助于统一力学和热力学，并因而促成一个统一的世界图象，而马赫的反对恰恰妨碍了这个统一的图像和统一科学的发展。普朗克相信原子和物理世界的实在不同于感觉对象的实在，但他认为原子、物质、自然定律是实在的，因为它们有不变的特征。他说：“不依赖于一切人和智力的独立存在状态，永恒不变，我们叫它实在。” 他要求科学家们考虑，马赫的科学哲学究竟带来什么后果，是健康的还是有害的？他认为像奥斯特瓦尔德的“唯能论”、瓦尔德的“现象主义化学”、焦曼的“连续物理学”、皮克、阿德勒和马赫的反原子论等都是有害的。普朗克在莱顿大学的讲演中对马赫的批评总的来说是抑制的，只是在结尾时用了尖刻的措辞，引用了圣经的话“根据他们的果实，你就能识别他们”。
马赫说，他对普朗克的两个哲学观点——无批判地相信一个永远不变的世界图像绝对有效和存在永恒不变的实在——感到好笑。马赫对普朗克在长达 32 页的讲演中的针对性批评非常生气。他在反批评的文字中说：“我们之间的基本分歧与原子的实在信念有关。……普朗克用基督的温和，但最后用众所周知的圣经警句作为假先知栽赃于我，…… 我的回答是简单的：如果相信原子的实在如此重大，那么我放弃物理学行业，我将不当专业物理学家，并且我还交还我的科学荣誉。简言之，信仰者团体感谢你，而对我来说思想自由第一。”
1933 年，吕威（Heimrich Löwy）发表了一篇文章——《关于量子论的一个历史备忘录》，说马赫在普朗克发现量子前 5 年（1895 年）在给波普尔 - 林库的一封信中就化*运学**动表达了不连续性的观点，并且在他 1896 年出版的《热学原理》中也作了记载。普朗克曾仔细地读过这本书，应该是了解马赫这一观点的。关于这个问题，毕伯尔在 1940 年还写了一本书。据此，马赫的追随者尼索拉夫斯基在 1949 年 2 月 14 日给恩斯特·马赫的儿子路德维希·马赫的信中说，“恩斯特·马赫是普朗克量子论的先驱”。G. B. 温伯格于 1937 年，J. 蒂勒（Joachirn Thiele）于 1968 年曾先后各自进行过重演马赫关于化*运学**动不连续性理论的测量，以检验马赫的理论是否是一个预见，以及是否可能对普朗克的发现有重要影响。
温伯格在 1937 年还指出，马赫 1870 年以后在原子理论方面应用“n- 维离子”的思想，预见了后来薛定谔和其他量子物理学家的工作。马赫引入 n- 维空间的目的是为了表示可观察和测量的原子间行为的最大自由度。这个 n- 空间或者 n- 自由度数是由对实验材料的成功的表示和正确的描述来确定。温伯格认为这个程序正是量子力学的特征，无论是马赫还是现代量子物理学家，他们的多维性假设毕竟都是服务于描述在实验中真正被观察到的东西。他说，把马赫作为现代量子力学之父是恰当的。尽管我们不一定要同意这个结论，但马赫的科学哲学思想直接或间接地影响了一大批量子物理学家，特别是哥本哈根学派，这是事实。鲍林是马赫的一个积极支持者的儿子，马赫是他的法定教父。约尔丹是一个极端的马赫主义量子物理学家，他公开宣称“我是一个马赫的信徒”，并认为他已经证明了马赫的观点在理解量子力学和相对论方面是有益的。薛定谔在维也纳长大成人，他也采纳了马赫的科学方*论法**，直到晚年他仍然以一个纯粹马赫主义的风格写下：“构成我们的精神和世界的是同一要素，心物归一”。玻尔和海森堡的科学思想中也不乏马赫思想的成分。
马赫与相对论的关系主要反映在他的著作尤其是力学史著作对绝对时空观念的批判性的研究成果，以及关于认识论的观点的某些方面启发了爱因斯坦。
爱因斯坦对马赫思想感兴趣大约是从 1897 年开始的。那时他到了苏黎世，他的一位大学生朋友贝索向他推荐了马赫的著作《发展中的力学》，爱因斯坦强烈地被它吸引并深受影响。著名的科学史家，也是爱因斯坦研究专家霍尔顿（Gerald Holton）教授认为，在 1905 年的爱因斯坦关于狭义相对论的论文中表明了有马赫影响的成分。马赫本人对爱因斯坦的工作也是十分关注的。1909年出版的马赫的《能量守恒定律的历史和根源》德文新版中，包含有对爱因斯坦和闵可夫斯基有关相对论工作的一个简短的评述，并且马赫把这个新版书寄赠给了爱因斯坦一本。爱因斯坦收到他所敬慕的科学家马赫的赠书后，立即写了回信。这封信是 1909 年 8 月 9 日从伯尔尼发的。在这封信中除了表达他的“衷心感谢”之外，并且对马赫和普朗克之间的争论表示了对马赫的同情，说马赫在青年物理学家当中很有影响。8天之后，爱因斯坦又写了第二封信，从信中可以看出马赫对爱因斯坦8月9日的信作了回复，马赫的回信还表示了对相对论的兴趣。爱因斯坦在这第二封信中已经是对马赫以“弟子” 自称了。
1910 年，马赫发表的两篇文章都涉及相对论方面的工作。其中一篇提到，爱因斯坦和闵可夫斯基的工作发展了他在《能量守恒定律的历史和根源》和《认识与谬误》中提出的，区别度量空间和物理空间的思想；另一篇说，他认为物理世界的动力学模型是假说，它不能详尽地描述世界的多样性，时空仍然是个问题，而爱因斯坦、闵可夫斯基等人进一步研究了这个问题。弗兰克说，1910 年他在维也纳访问马赫时所得到的印象是，马赫与爱因斯坦的相对论，尤其是与其哲学基础完全一致。
1911年3月，爱因斯坦受聘为布拉格大学理论物理学教授。这是马赫长期工作过的地方，马赫的气氛是很浓的。爱因斯坦在这年 3 月完成、6 月交德国《物理学杂志》发表的论文《关于引力对光的传播的影响》的脚注中说，他的论文和马赫的研究完全一致。
爱因斯坦于 1912 年秋又回到了苏黎世联邦工业大学任教。在这里他与他的朋友 M. 格罗斯曼合作解决了广义相对论的数学问题。1913 年初，爱因斯坦又给马赫写信。这封信也表示了对马赫的拜服，信中有“您对新理论所表示的友好的兴趣我非常高兴”的话。爱因斯坦在这封信中向马赫介绍了他关于引力理论的基本观点。信中说“质量的全体产生一个 Gμγ场，它控制一切”，这就是爱因斯坦经过反复思考和讨论，他后来（1918 年）提出的称之为“马赫原理”的早期说法。同年 6 月 25 日爱因斯坦又向马赫写了第四封信。信中说，如果日食时能观测到星光被太阳的引力场所弯曲的现象，“那么您的有关力学基础的天才的研究——不顾普朗克不公正的批评——将获得光辉的证实。因为一个必然的结果是，完全按照您对牛顿水桶实验的批判的含义，惯性来源于相互作用”。爱因斯坦终于提出了相对论的引力论，并于 1916 年 3 月写了完整的总结性的论文《广义相对论基础》。
爱因斯坦还称马赫为相对论的先驱。1916年发表在德国《物理学杂志》上的爱因斯坦悼念马赫去世的文章中说，马赫“对牛顿水桶实验的那些看法表明他的思想同普遍意义的相对性（加速度的相对性）要求多么接近”。而 1930 年 9 月 18 日给维纳的信中叙述广义相对论的来源时，他也十分肯定地说：“可以十分正确地认为马赫是广义相对论的先驱。”
但是，1913 年 7 月，马赫在为他的著作《物理光学原理》上卷（1921 年出版）所写的序中，拒绝承认他是相对论的先驱，因为“相对论变得越来越教条”。其中还谈到他本来要写有关电磁理论和相对论的内容，因为身体的关系不得不罢休。1915 年底，他又向他的儿子路德维希·马赫重申他反对相对论的意见。关于这个问题虽有不少文章讨论，但仍然是个未能完满解决的矛盾。
马赫对 20 世纪初期的物理学革命性的变革起了思想启蒙的作用。但是 20 世纪科学的发展史也表明马赫的科学方法的实证主义观点不能适应科学发展的需要。正因为如此，普朗克、爱因斯坦、海森堡等这样一些著名的科学家先后以不同的程度脱离了实证主义的哲学立场。从科学哲学的发展来看，早在 20 世纪 20 年代逻辑经验主义就认识到对科学纯经验的分析的局限性，代之以经验 - 逻辑的分析。马克思主义强调的科学与社会经济的联系在当代已被更多的科学家和科学哲学家所重视。马赫的科学哲学的基本观点已经过时，但是马赫的“思维经济”学说中所体现的“简单性原则”，关于科学理论的数学抽象的要求以及他的统一科学的目标，正被愈来愈多的科学家所追求。就连从他的学说引申出来的“可观察性原则”也仍在一定的范围内适用。总之马赫在历史上不愧为一个思想深沉卓有成效的科学家。爱因斯坦说：“马赫的真正伟大，就在于他坚不可摧的怀疑态度的独立性。”
参考文献
［1］The Sicence of Mechnics, Enalish trans, The Open Count Publishing Co., 1960.
［2］《感觉的分析》，洪谦等译，商务印书馆，1975.
［3］Conservation of Energy, English trans., The Open Publishing Co., 1911.
［4］T. John, Blackmore:Ernst Mach, Univ.of California Press, 1972.
［5］ 弗·赫奈克：《马赫自传遗稿评介》，《外国哲学资料》第五集，商务印书馆，1980。
［6］ Fridrich Herneck, Die Bezihunge Zwischen Einstein und Mach, dokumetarisch dargerstellt, Wiss. Zs. d. Fridrich-Schiller-Univ, （Mat-Naturwiss.Reihe）, 15, 1（1966）．
本文原载于《自然辩证法通讯》1982年第3期，《科学春秋》获授权转载。
制版编辑 |下雪
本页刊发内容未经书面许可禁止转载及使用
公众号、报刊等转载请联系授权
copyright@zhishifenzi.com
科学春秋
在科学中寻觅历史
在历史中思索科学
微信ID：kexuechunqiu
投稿kexuechunqiu@sina.com
授权copyright@zhishifenzi.com
长按二维码，关注科学春秋