論近代物理學的起源和意義

智慧之神優雅從尤斯的頭腦中凸出。她是一個完美的人，但現代科學在科舉考試和考察中并不總是這樣的。相反,伽利略和笛卡兒的革命——現在看來那仍然是一場革命——是經過艱苦的思想準備的。研究這種孕育思想的歷史,大書而特書那些輝煌的時刻,是多么的趣味盎然、多么的激動人心并且是多么的令人振奮;人類的心靈總是頑強地面對著相同的永恒難題,遭遇相同的困境,不間斷地跨越相同的障礙,而同時為了超越困境也慢慢地為自己鍛造出了各種新工具、新概念以及新的思想方法。這是一部漫長而令人激動的歷史;長得無法在此盡述其詳。只是為了要理解伽利略-笛卡兒革命的起源、內涵和意義,我們不免要回頭望一望,至少是去看看伽利略的同代人和他的幾個先行者。最初,近代物理學研究的是重物的運動,也就是我們周圍物體的運動。這樣說來,物理學源自于努力想解釋我們日常經驗中的事情和現象——如下落、拋落運動——這些都促進了物理學基本定律得以建立的一系列思想觀念的形成,雖然這種促進作用不是唯一的、主要的或直接的。近代物理學不單單是在地球上產生的,它也來源于天體。正是在天上,它找到了自己至臻至美的樣本以及歸宿。如此看來,近代物理學的“序幕”和“終場”都在天上,或者用更審慎一些的語言說,近代物理學起源于天體問題的研究,而且在物理學史中物理學始終保持了與天文學的聯系。這一事實具有深刻的意義,也帶來了深遠的影響。這意味著古代和中世紀的秩序宇宙(Cosmos)觀念為天體宇宙(Universe)觀念所替代,前者認為宇宙是一個封閉的整體,在其中萬物都是在性質上被決定的、并且在等級上被安排好的,不同的部分(天體和地球)分別遵循不同的定律;后者則認為宇宙是一個開放而無限延伸的存在整體,不同的部分由相同的基本定律支配并統一起二來。這種替代決定了天上的物理學(Physicacoelestis)融入地上的物理學(Physicaterrestris)之中,并使得后一種物理學能夠使用由前一種學科發展起來的方法——假說演繹的數學方法——來解決問題;它揭示出建立并完善一門單純地上的物理學是不可能的,至少可以說,一門擺脫了天上力學的地上的力學是不可能的;它也解釋了伽利略和笛卡兒的片面性。在我看來,近代物理學是隨著伽利略的著作完成而誕生的,他在自己的著作中,把慣性運動定律作為基礎的、也是本質的定律,這種看法是相當正確的。因為“不懂得運動就不懂得自然”(ignoratomotuignoraturnatura),而且近代科學的目標正是想用“數學、圖形和運動”來解釋一切。盡管確實是笛卡兒,而不是伽利略最先認清慣性運動的含義和意義,但是牛頓把這一功勞完全歸于伽利略也并不完全錯。事實上,雖然伽利略從來沒有明確地表述過這一原則——他也不可能這么作——但是他的力學卻隱含著這一前提。而只是因為他不情愿得出或承認他自己的運動觀念的最終結果,不愿意完全徹底地拋棄他千辛萬苦建立的理論假說的那些試驗數據,才阻礙了他邁出這最后一步——從古希臘有限秩序宇宙向近代的無限宇宙轉變的一步。慣性運動定律對我們來說是極其清楚、正確、甚至幾乎是自明的。很顯然靜止的物體將保持其靜止,就是說只要可能就將處其所處,不會自動離開。相反,一旦處于運動之中,就將繼續運動,保持其原有的方向和速度,因為實際上,我們找不到任何它應該改變狀態的理由和原因。所有這些看起來不但是可能的,甚至是當然的。但是事實上,人們普遍接受這一“顯然的”、和“天經地義”的觀念和看法,卻是近代的事情:這是伽利略和笛卡兒的功勞。而在古希臘和中世紀,所謂慣性運動“顯而易見”被認為是錯誤的,甚至是荒謬的。只有我們承認——或者認識到—由近代科學的基礎而來的這些“清楚”、“簡單”的觀念就其本身而論(perseetinse)并不是清楚簡單的,而只是由決不簡單的一系列事件中分離出來的某種概念和公理,這一事實才可能得到解釋。這一點反過來也使我們理解,為什么發現如此簡單的東西(如現在我們教給孩子們的、連他們都能理解的運動基本定律)會需要花費人類最深邃、最聰明的頭腦那樣痛苦的努力,而且這樣的努力還往往是沒有結果的:這是因為他們并沒有去“發現”或“建立”這些簡單明確的定律本身,而是致力于建立使這些發現得以可能的思想框架。他們必須首先著手于重塑和改革我們的思想本身;為其賦予一系列新的概念,并發展出一條通往存在的新路,發展出自然的新概念,科學的新概念.換句話說,一種新哲學。我們非常熟悉,或者說相當習慣于那些構成近代科學基礎的概念和原則,以至于我們幾乎不可能正確地評價在建立這些原則時不得不面對的種種困難、以及不得不跨越的種種障礙。我們認為伽利略的運動概念(以及空間概念)實在太“理所當然”了.我們甚至相信那是我們從經驗和觀察中得出來的,盡管顯然沒有人會遇到真正的慣性運動——這種運動在現實中是絕對不可能的。我們同樣熟知對自然的數學研究方法,我們不會覺得伽利略的名言“自然這本大書是用幾何語言寫成的”比他說要象數學那樣來處理力學的奇談怪論更狂妄,就是說,他要用是幾何學才使之變得真實的世界來代替真實的經驗世界,并用不可能的世界來解釋真實的世界。在近代科學中,正如我們所熟知的,運動被認為是從一點到另一點的純粹幾何變換。于是運動完全與運動著的物體無關;對無論在運動或在靜止的物體本身來說,它正在運動或靜止都沒有什么區別,也不會產生什么變化。就是說,物體對運動和靜止都是無所謂的。這樣的結果就是,如果我們只考慮單獨一個物體,就不能把運動歸結于這個特定的物體,一個物體只有和其他物體——我們認定是靜止的物體——聯系起來才能決定它是否在運動。這樣我們也就可以把運動歸結為兩個物體中隨意的哪個物體。一切運動都是相對的。正如運動不能影響運動著的物體那樣,物體的一種運動無論如何也不能影響同時在進行中的另外一種運動。這就是說,一個物體可以具有任意數量的運動,合運動的結果遵從純粹幾何學的規則;反之亦然,每一種運動也都可以遵照相同的規則分解為任意數量的分運動。因為無論怎樣的運動都被認為是一種狀態,而靜止是決然與前者相反的另一種狀態,所以,為了改變一個特定物體的狀態,從運動到靜止或相反,就必須施加一個作用力。于是顯而易見處于運動狀態中的物體將永遠保持這一狀態;如果說不需要用力的作用或理由來解釋或維持物體的靜止狀態,那么同樣也不需要力或理由來解釋或維持物體的勻速直線運動。這樣,說得更明確一些,慣性運動定律是假定了:(A)可以把一個選定的物體與它所有的自然環境完全隔離開;(B)一種空間觀念——它與歐氏幾何中同質、無限的空間完全相同;以及,(C)一種運動和靜止的觀念——視運動和靜止為狀態,并把它們置于本體論的同一存在層次。難怪這些觀念很難得到伽利略的同代學者和前輩們的承認和理解;對于恪守亞里士多德主義的學者來說,把運動認作是一種永久的、真實的相對狀態是荒謬和矛盾的,就象對我們來說,經院主義的基本形式是荒謬的和矛盾的一樣;也難怪伽利略經過一番艱苦努力才成功地達到這一觀念,而另外一些偉人——只比他稍遜一點點的偉人——比如布魯諾、甚至開普勒卻都沒有能達到這一步。事實上,即使到了今天,我們剛剛描述的這些觀念也決不是很容易就掌握的,實際上常識總是更符合中世紀和亞里士多德的思想。現在我們必須把注意力轉向前伽利略時代的運動觀,主要是亞里士多德的運動和空間觀念。當然我只是想指出它與近代觀念不同的那些地方;因為亞里士多德的物理學總是被人誤解,所以我想強調,亞里士多德的物理學是經過一絲不茍地思考而得出的。它有高度的統一性,其理論部分,除了具有極深的哲學基礎之外,正如迪昂和P·塔納利(P·Tannery)所說,和伽利略的物理學相比,與經驗符合得更好,至少是與日常生活中的常識經驗符合得更好。亞里士多德物理學以感性知覺為基礎,所以無疑是非數學化的。它拒絕用數學的抽象來代替多姿多彩的、在常識經驗中已經定性的事實,而且它否定可能在下述任何一種觀念的基礎上建立數學化的物理學:(A)不遵從感覺經驗的數學概念,(B)不能夠解釋性質以及推出運動的數學。在沒有時間的圖形和數字的領域里,是沒有性質和運動的。至于運動—即使從這樣簡單的說明中也可以看出,很顯然,運動如果被看作是變化的過程(而不是狀態),就不可能自發地、自動地進行下去。為了使運動持續下去,就需要一個推動者連續的作用,一旦作用力沒有用到物體上面,物體就會停止運動,就是說,一旦我們所說的物體離開它的推動者,原因停止,結果也就停止(Cessantcausa,cessateffectus)。由此,可以絕對必然地得出,慣性定律認為是天經地義的那種運動是絕對不可能的,甚至是荒謬的。現在我們必須回到事實本身。我已經說過,近代科學的起源與天文學密切相關;更準確地說,它起源于必須面對當時一些權威的科學家在物理方面反對哥白尼的天文學。在事實上這些反對意見絕對是新的:但是有相反的情形就是,雖然它以一種現代的面目出現,用點燃一發炮彈的例子來代替過去的論證中扔一塊石頭的例子,但是它本質上完全和亞里士多德和托勒密反對地動說的理由是一樣的。體會哥白尼、布魯諾、第谷、開普勒和伽利略他們自己在這個問題上翻來覆去的討論是相當有意思和有啟發性的。去掉一些想象的因素,亞里士多德和托勒密的論證可以歸結為,如果地球是運動的,那么這種運動必然以下列兩種絕對肯定的方式影響到地面上所發生的現象:(1)這種高速的圓運動會產生一種巨大的離心力,使得地面上所有與地球不相連的物體飛出去;以及,(2)隨著這種運動,地面上與地球不相連或暫時不相連的物體會逐漸落在后面。所以,從塔頂落下的石頭,永遠不會掉落在塔底下,而垂直向上扔出的石頭就更不會落回原來的位置了,因為在下落的時間里,原來的地點已隨著地球“飛快的轉過去了”。這一論證沒有什么值得好笑的,因為從亞里士多德的物理學角度來看,這是相當有道理的。而從這種物理學出發,以上論證也是無可反駁的。要反駁,就必須整個地改變物理體系,發展出一種新的運動觀念:伽利略的運動觀念。正如我們已經看到的,亞里士多德的運動是運動者的變化過程,是發生在運動物體身上的。下落物體從A落到B,是從地面上的某一位置向后一位置,更明確些說是向地球的中心運動。它沿著這兩點的連線作直線運動。如果在這運動期間,地球環軸自轉,那么地球的自轉就既不涉及到A與中心的連線,又不涉及沿這條直線運動的物體:地球的運動不能影響到與地球已經分開的物體。地球的運動與被拋物體無關。此物體追不上地球,它按原來的路徑下落,就象什么也沒有發生過一樣。因為對物體來說,確實什么也不曾發生。即使A點(在塔頂)隨地球自轉,并沒有保持靜止,對物體的運動來說也并沒有什么不同:物體與之分離的那一個點的運動,在物體已經離開以后對它是沒有任何影響的。對我們來說,這種觀念奇怪之極。但卻決不是荒誕不經的:對于光線的直線運動(傳播),我們就正是用這種方式來理解的。而且它說明了,如果地球在運動,從塔頂拋落的物體就不會落在塔底,以及向天空拋出的物體就不會回到原地,當然在航行中的船上,從桅桿上拋下的物體就更不會落在桅桿底下了。哥白尼自己對亞里士多德所作的反駁非常有限,他只是說,如果是極其劇烈的運動,那么這種運動的后果就不妙了。但是對地球和地面上的運動來說,還是可以理解的,因為它們完全是很自然的運動。也正因為如此,所有參與地球運動的東西,云朵、小鳥和石塊等等才沒有落在后面。哥白尼的論證很無力,但是仍然包含了新的觀念,在后來的思想家那里得到了發展。哥白尼把“天上的力學”規則推廣應用到了地上.這一步至少意味著放棄了舊的、把宇宙按質分為兩個截然不同世界的作法。除此之外,哥白尼認為下落的物體參與了地球的自轉,由此來解釋下落物體的路徑肯定是直線的;地球的運動對于地球、物體、我們自己來說都是共同的,所以對我們來講“就象它并不存在一樣”。哥白尼的論證是基于地球與“地球的”物體之間的一種神秘的“自然共同體”觀念。后來的科學將以物理系統,即共同參與相同運動的系統觀念來代替它;并將依賴于運動的物理相對性,而不是僅僅依賴于運動的視覺相對性。而所有這些在亞里士多德的運動哲學基礎上都是不可能的.從而也使得必須要采用一種新的哲學。事實上,就象我們將越來越清楚地看到的那樣.我們這種討論將涉及一個哲學問題。隱含在哥白尼的論證之中的物理系統,或更進一步說,機械系統觀念是由布魯諾提出來的。智慧之光讓布魯諾看到新的天文學必須拋棄所有有關一個封閉、有限的世界的觀念,而以開放的、無限的宇宙觀念代替之。這就要求放棄與所謂非本性、劇烈相對立的“自然本性的”位置和運動的觀念。在布魯諾的無限宇宙中,柏拉圖的“象個容器”那樣的空間的觀念代替了亞里士多德象包殼那樣的空間的觀念,于是所有的“位置”都是完全同等的,所以對所有物體來講都是出于本性的。布魯諾顯然是吸收了哥白尼區分地球“自然的”運動和地面上物體“劇烈的”運動觀點的。如果我們假定地球是運動的,那么地球上發生的一切就應該能與一條海上漂泊的船上能發生事情對應起來;如果地球的運動對地球上物體的運動沒有影響,那么船的運動也就對船上物體的運動不產生影響。在亞里士多德那里,這種情況只出現于運動物體的起點、即出發點是外在于地球的、是不與地面接觸的例子之中。布魯諾指出,這種外在于地球的起點在決定運動物體的運動路徑中絲毫不起作用,起作用的是這一“位置”與機械系統的關系本身——相關或不相關。甚至同一“位置”相關于幾個系統也是可能的。這樣,舉個例子,我們設想兩個人,一個人站在正經過小橋的船的桅桿上,另一個人則站在那座橋上,這樣就可以進一步設想在某一時刻,兩個人的手會在同一位置上。如果在這一時刻,他們每個人各自扔下一塊石頭,站在橋上的人的石頭會落在水里,而站在桅桿上的人的石頭會跟上船的運動,相對于橋來說走一條弧線而落在桅桿下面。布魯諾解釋說,發生兩種不同情況只是因為,后一塊石頭本來參與的船的運動作為了石頭的“運動機制”的一部分。如上所述,布魯諾用中世紀一個唯名論派的沖力一動力學代替了亞里士多德的動力學。在他看來,這一動力學為他進一步的理論構造提供了堅實的基礎。但是正象歷史所表明的,這種自信是一個錯誤。確實,激發運動物體的沖力、機制或動力使得物體動起來,并且在運動中逐漸消耗自己,使布魯諾可以以此來反駁亞里士多德的一部分論證。但是它不可能面對所有的困難;更不可能在此基礎上構造出近代科學。對我們來說,布魯諾的論證相當有道理,但在當時卻未產生任何影響。既沒有影響到第谷,甚至也沒有影響到開普勒。第谷在和羅特曼(Rothmann)的辯論中.泰然自若地重復了過去亞里士多德派的反對理由(只是用了稍稍近代一些的表述方式);而開普勒雖然深受布魯諾的影響,但認為自己有責任回到哥白尼的思想上去,他用吸引力這樣一個物理概念代替了哥白尼有神秘色彩的自然共同體的概念。開普勒所持的立場是非常有意思的,也是非常重要的。他比其他任何人都更好地揭示了伽利略革命的最終哲學根源。從純科學的角度來看,最早提出慣性這個概念的開普勒毫無疑問在那個時代——如果不是最杰出的天才——也是最杰出的天才之一:他具有非凡的數學才華以及大膽的思想。他的一本書以《天體物理學》為題目,這本身就是對當時科學家的一種挑戰。但是在哲學上,比起伽利略和笛卡兒來,他的思想更接近亞里士多德和中世紀。他仍然按照秩序宇宙的形式來推理;運動和靜止仍然象光明和黑暗、存在和不存在那樣是對立的。于是,慣性僅僅意味著抵制運動,而不是象牛頓那樣是抵制狀態的改變;所以,正如亞里士多德和中世紀的物理學家那樣,開普勒也需要用一個原因或者作用力來解釋運動,而解釋靜止卻并不需要;同樣,他堅信,一旦推動力不復存在了,或不受運動機制、動力的影響,運動物體就不能繼續運動下去,只能漸漸停止。所以為了解釋向東和向西發射的炮彈射程相等之類的問題,他就必須找到一個真正的作用力,以此來拉住運動物體。開普勒在所有物體的相互吸引中找到了這個力,至少是所有地上的物體之間都存在這個力,就是說在一般情況下,地上的物體都受到地球的吸引。開普勒想象有無數個小彈簧把所有這些物體與地球聯結起來;用這些小彈簧就可以解釋云蒸霞蔚、飛沙走石何以不是靜止在空氣中,而是隨著地球一起運動;因為這些小彈簧無處不在,所以開普勒認為用它可以解釋沿地球自轉方向相反的方向也可能拋出石頭或射出子彈:物體所經歷的實際運動是它自身的運動和地球運動的一種結合或混合物。但因為地球運動對所有情況都是共同的,所以只有物體本身的運動才真正起作用。這就解釋了為什么相同的作用力、相同的火藥可以把炮彈向西和向東發射同樣的距離。由此亞里士多德和第谷對地球自轉的反駁得到了圓滿的回答。同時開普勒指出,把地球等同于一條行駛中的船是一個錯誤:實際上,地球一直吸引著和自己一起運動的物體,而船不是這樣的。所以在船上需要有一條物質紐帶,而地球不需要。我們沒有必要在這個問題上耽擱得更久:我們看到,這個非凡的開普勒,近代天文學的奠基者,同時也宣稱了整個宇宙的物質統一性,宣稱哪里有物質,哪里就有幾何學,但是他僅僅是因為一個原因沒有能建立近代物理學的基礎:他仍然相信運動在本體論上是比靜止高一層次的存在。簡短的歷史回顧之后我們再來看一看伽利略,就不會驚異他花費了大量時間來討論過去種種對亞里士多德的反駁。我們更可以欣賞他在《關于兩大世界體系的對話》中運用嫻熟的技巧來排列他的論證,從而為最終擊敗亞里士多德作了準備。伽利略充分意識到了他的任務的艱巨性。他深知將面對很多強大的敵人:權威、習慣,以及最最麻煩的是常識。對于不能理解其價值的人來說,僅提供出證據是沒有用的,比如說,對不熟悉數學思考的人解釋直線速度和沿徑速度的區別(兩者的區別是對亞里士多德和托勒密的第一反駁的全部基礎)是毫無意義的。這必須從啟蒙開始;逐步過渡到用不同的方式反復討論新的和舊的論證;舉出大量強有力的例證……真是一個艱苦的過程。因為正如我已經說過的,僅僅用速度和方向的形式來思考運動遠不及用推動力、沖力那樣來得自然。但是,事實上,我們并不能以推動力和沖力的形式來思想運動,我們僅僅能這樣來想象它。于是我們就必須做出選擇:是思想還是想象。象伽利略那樣思想,或如常識那樣想象。正是思想,純粹真正的思想,而不是經驗或感性知覺為伽利略的“新科學”提供了基礎。伽利略非常清楚這一點,拿球從船的桅桿上下落這個著名的例子來說,伽利略詳盡地解釋了運動的物理相對性原理,以及物體相對于地球的運動和物體相對于船的運動的不同。然后,不涉及任何經驗的因素他得出結論:球的運動不因為船的運動而有任何改變。更進一步,假設有亞里士多德主義者質問伽利略:“你作過實驗嗎?”伽利略會理直氣壯地宣稱:“沒有,但我不需要,不作實驗我也可以肯定它是這樣,因為它不可能不是這樣。”于是乎,應當這樣決定了是這樣。完美的物理學是先驗地產生的。理論推進了事實。經驗是無用的,因為在經驗之前我們已經擁有了我們苦苦追尋的知識。運動(靜止)的基本定律,決定物體在時空行為的定律都是數學本質的定律。和那些決定數字、圖形的關系和規則是一樣的。我們是在我們自己之中、我們自己的頭腦中而不是在自然之中找到和發現它們的,正象柏拉圖在很久之前就說過的那樣。伽利略這樣就宣告了亞里士多德主義的徹底崩潰,他宣稱,我們可以嚴格地、純粹地按數學證明那樣給出描述運動特征的定理,可以發展出自然科學的