第六章 科学的兴盛

相等时间内，你横着走过船而船不动。同一个原理对于力也适用。这一来，便能够求出若干个力的总效果，并且若发现运动物体所受的几个力的各自的定律，便也可能分析物理现象了。创始这个极有效的方法者是伽利略。

    在以上所说的话里，我尽量使用接近十七世纪的用语。现代用语在一些重要方面与此不同，但是为说明十七世纪的成就，宜暂且采用当时的表达方式。

    惯性定律解开一个在伽利略以前哥白尼体系一直无法解释的哑谜。前面谈过，假如你从塔顶上丢落一块石头，石头落在塔脚下，并不落在塔脚略偏西的地方；然而，如果说地球在旋转着，那么在石头下落当中它本应该转过一段距离才是。所以不如此，理由就在于石头保持着在丢落以前和地面上其它一切东西共有的那个旋转速度。实际上，假使塔真够高，那就会出现与哥白尼的敌派所推想的恰相反的结果。塔顶因为比塔脚更远离地心，运动得快些，所以石头应该落在塔脚稍偏东的地方。不过这种效果太小，恐怕测量不到。

    伽利略热心采纳太阳中心体系；他与开普勒通信，承认他的各种发现。伽利略听到有个荷兰人最近发明了一种望远镜，他自己也制了一架，很快就发现许多重要事情。他发现银河是千千万万颗单个的星集合成的。他观察到金星的周相①，这种现象哥白尼原先知道是他的学说的必然推论，但是凭肉眼无法辨识。伽利略发现木星的各个卫星，为对他的雇主表示敬意，他给这些卫星取名“sideramedicea”（梅狄奇家之星）。据了解这些卫星遵守开普勒定律。可是有个难处。向来总是说有五大行星、太阳和月球七个天体；“七”乃是个神圣数字。安息日不就是第七天吗？过去不是有七枝灯台和亚细亚七教会②吗？那么，还有什么比果然有七个天体会更得当呢？但是假若须添上木星的四个卫星，便凑成十一——一个不带神秘性质的数目。根据这理由，守旧派痛斥望远镜，死不肯通过它看东西，断言望远镜只让人看到幻象。伽利略写信给开普勒，愿他们对这些“群氓”的愚蠢能共同大笑一场；从信的其余部分看来很明白，“群氓”就是用“强词诡辩的道理，仿佛是魔法咒语”，竭力要把木星的卫星咒跑的哲学教授们。

    ①由于行星、地球和太阳的相互位置的变化，从地上看行星，有周期性的盈亏现象，这叫“周相”。水星和金星有明显的周相。——译者

    ②指《新约》《启示录》第一章，第11节中提到的以弗所、士每拿、别迦摩、推雅推喇、撒狄、非拉铁非、老底嘉等七个教会，全在西小亚细亚。——译者

    大家知道，伽利略先在1616年受到异端审判所秘密断罪，后来又在1633年被公开断罪；在这第二次断罪时，他声明悔过改念，答应决不再主张地球自转或公转。异端审判所如愿以偿结束了意大利的科学，科学在意大利经几个世纪未复活。但是异端审判所并没能阻止科学家采纳太阳中心说，还由于自己的愚昧给教会造成不少损害。幸亏存在有新教国家，那里的牧师不管多么急切要危害科学，却不能得到国家的支配权。

    牛顿（1642—1727）沿哥白尼、开普勒和伽利略开拓的成功道路，到达最后的完满成功。牛顿从自己的运动三定律（前两条定律该归功于伽利略）出发，证明开普勒的三条定律相当于下述定理：一切行星在每个时刻有一个趋向太阳的加速度，这个加速度随它与太阳之间的距离平方反变。他指明，月球向地球和向太阳的加速度符合同一公式，能说明月球的运动；而地面上落体的加速度又按平方反比律和月球的加速度沟通连贯。牛顿把“力”定义成运动变化的起因，也就是加速度的起因。他于是得以提出他的万有引力定律：“一切物体吸引其它一切物体，这引力和两个物体的质量乘积成正比，和其距离平方成反比。”由这公式他能够把行星理论中的全部事情，如行星及其卫星的运动、彗星轨道、潮汐现象等都推断出来。后来又明白，甚至在行星方面，轨道与椭圆形的细微偏差也可以从牛顿定律推求。这成功实在完满，牛顿便不免有危险成为第二个亚里士多德，给进步设下难破的壁障。在英国，直到他死后一个世纪，人们方充分摆脱他的权威，在他研究过的问题上进行重要的创造工作。

    十七世纪不仅在天文学和动力学上成绩卓著，在有关科学的其它许多方面也值得注目。

    首先谈科学仪器问题。①复式显微镜是十七世纪前不久，1590年左右发明的。②1608年有个叫李伯希（Lippershey）的荷兰人发明望远镜，不过在科学上首先正式利用望远镜的是伽利略。伽利略又发明温度计，至少说这件事看来极有可能。他的弟子托里采利（Torricelli）发明气压计。盖里克（Guericke，1602—86）发明抽气机。时钟虽然不是新东西，在十七世纪时主要靠伽利略的工作也大大改良。因为有这些发明，科学观测比已往任何时代都准确、广泛得不知多少。

    ①关于这个问题，参看武尔夫（A．Wolf）著《十六十七世纪科学工艺哲学史》（AHistoryofScience，Technology，andPhilosophyintheSixteenthandSeven－teenthCenturies）中“科学仪器”一章。

    ②关于显微镜的发明有两个说法，一说是荷兰眼镜匠彦森（ZachariasJanssen）在1590年左右发明的；一说是伽利略发明的（1610年宣布发明）。——译者

    其次，除天文学和动力学以外，在其它科学里面也有了重大成果。吉尔伯特（Gilbert，1540—1603）在1600年发表了论磁体的巨著。哈维（Harvey，1578—1657）发现血液循环，1628年公布了他的发现。雷文虎克（Leeuwenhoek，1632—1723）发现精细胞，不过另有一个叫史特芬·哈姆（StephenHamm）的人，好像早几个月前已经发现了。雷文虎克又发现原生动物，即单细胞有机体，甚至发现了细菌。罗伯特·波义尔（Robert，1627—91）是“化学之父，寇克伯爵之子”，在我年幼的时候，是这样教小孩子的；现在他为人们记忆，主要由于“波义尔定律”，这定律说：处在一定温度下的一定量气体，压力和体积成反比。

    到此为止，我还没谈到纯数学的进展，但是这方面的进展确实非常大，而且对自然科学中许多工作来讲，是绝对必需的。奈皮耳（Napier）在1614年公布了对数发明。坐标几何是由十七世纪几位数学家的工作产生的成果，这些人当中笛卡尔作出了最大的贡献。微积分是牛顿和莱布尼兹各自独立发明的；它几乎是一切高等数学的工具。这些仅仅是纯数学中最卓著的成就，别的重大成就不计其数。

    以上讲的科学事业带来的结果，就是使有学识的人的眼光见解彻底一变。在十七世纪初，托马斯·布劳恩爵士①参与了女巫案审判；在世纪末，这种事就不会发生。在莎士比亚时代，彗星还是不祥朕兆；1687年牛顿的《原理》（Principia）出版以后，大家知道他和哈雷（Halley）已经算出某些彗星的轨道，原来彗星和行星同样遵守万有引力定律。法则的支配力量在人们的想像当中牢牢生下了根，这一来魔法巫术之类的玩意儿便信不得了。1700年的时候，有学识的人思想见解完全近代化了；在1600年，除开极少数人以外，思想见解大体上还是中古式的。

    ①托马斯·布劳恩爵士（SirThomasBrowne，1605—82），英国著名医生，文人。1664年他曾以医生身分，在法庭提出证词，因而使两名妇女被按女巫治罪。原文说“世纪初”，是不对的。——译者

    在本章的下余篇幅里，我想简单说说那些看来是十七世纪的科学所产生的哲学信念，以及现代科学不同于牛顿科学的若干方面。

    第一件该注意的事就是从物理定律中几乎消除了一切物活论的痕迹。希腊人尽管没明白地讲，显然把运动能力看成是生命的标志。按常识来观察，好像动物自己运动，而死物只在受到外力强制的时候才运动。据亚里士多德的意见，动物的灵魂有种种功能，其中有一项是催动动物的身体。在希腊人的思想中，往往认为太阳和行星就是神，或至少是受诸神支配和遣动的。阿那克萨哥拉不这样认为，但他是不敬神之辈。德谟克里特不这样认为，但是除伊壁鸠鲁派的人以外，大家都轻视他而赞成柏拉图和亚里士多德。亚里士多德的四十七个或五十五个不动的推动者是神灵，是天空中一切运动的最终根源。如果听其自然，任何无生命物体很快会静止不动；所以要运动不停止，灵魂对物质的作用须继续不断。

    这一切都被第一运动定律改变了。无生物质一旦让它运动起来，倘若不被某种外部原因制止住，会永远运动下去。并且，促成运动变化的外部原因只要能够确实找出来，本身总是物质性的。不管怎样，太阳系是靠本身的动量和本身的定律运行下去的；不必要有外界干涉。也许仍好像需要有神使这个机构运转起来；据牛顿说，行星起初是靠神的手抛出去的。但是当神做罢这事，又宣布了万有引力定律，一切就自己进行，不需要神明再插手。当拉普拉斯（Laplace）提出，或许正是目前在作用着的这种种的力，促成行星从太阳中产生出来，这时候神在自然历程中的地位便再被压低一等。神也许依旧是造物主；但是因为世界有没有时间开端还不清楚，所以连这点也是疑问。尽管当时大多数科学家全是虔诚信仰的模楷，在他们的事业的感召下形成的见解对正统教义却有妨害，所以神学家心感不安是有道理的。

    科学引起的另一件事就是关于人类在宇宙间的地位的想法发生了深刻变化。在中古时代，地球是太空中心，万事万物都有关联到人的目的。在牛顿时代，地球是一个并不特别显赫的恒星的一颗小小卫星；天文学距离之大使地球相形下不过是个针尖罢了。看来决不会，这个庞大的宇宙机构是全为这针尖上的某些小生物的利益有意安排的。何况，“目的”从亚里士多德以来一直构成科学概念的一个内在部分，现在由科学方法中被驱逐出去。任何人都可以仍相信上天为宣示神的荣耀而存在，但是什么人也不能让这信念干预天文计算，宇宙也许具有目的，但是“目的”不能在科学解释中再占有地位了。

    哥白尼学说本来应当有伤人类自尊心，但是实际上却产生相反效果，因为科学的辉煌胜利使人的自尊复活了。濒死的古代世界像是罪孽感邪祟缠体，把罪孽感这种苦闷又遗赠给了中世纪。在神前谦卑，既正当又聪明，因为神总是要惩罚骄傲的①。疫疠、洪水、地震、土耳其人、鞑靼人和彗星，把若干个阴郁的世纪闹得狼狈无措，人感觉只有谦卑再谦卑才会避开这些现实的或将临的灾祸。但是当人们高奏凯歌：

    自然和自然律隐没在黑暗中。

    神说“要有牛顿”，万物俱成光明②。

    这时候要保持谦卑也不可能了。

    ①按天主教义说，有七件难赦的重罪（“七罪宗”）是万恶根源，“骄傲”为首。——译者

    ②这是英国诗人波普（AlexanderPope，1688—1744）为牛顿写的两行墓志铭体诗，最早发表在1735年（牛顿在1727年逝世）。原诗句的口吻情调使人自然联想到《旧约》开首《创世记》的最前三节，这里译文的语气也略拟中文本圣经。——译者

    至于永罚，偌大宇宙的造物主一定还有较好的事操心，总不致为了神学上一点轻微过错把人送进地狱。加略人犹大可能要受永罚，但是牛顿哪怕是个阿利乌斯派信徒，也不会入地狱。

    自满当然还有许多别的理由。鞑靼人已被拘束在亚洲地界，土耳其人也渐渐不成威胁。彗星让哈雷杀掉了尊严；至于地震，地震虽然仍旧令人恐骇，可是有趣得很，科学家对它简直谈不上遗憾。西欧人急速地富足起来，逐渐成为全世界的主子：他们征服了北美和南美，他们在非洲和印度势力浩大；在中国，受尊敬，在日本，人惧怕。所有这种种再加上科学的辉煌胜利，无怪十七世纪的人感觉自己并非在礼拜日还自称的可卑罪人，而是十足的好样人物。

    有某些方面，现代理论物理学的概念与牛顿体系的概念是不同的。首先说十七世纪时占显著地位的“力”这个概念吧，这已经知道是多余的了。按牛顿讲，“力”是运动在大小或方向上起变化的原因。把“因”这个概念看得很重要，而“力”则被想像成推什么或拉什么的时候所经验到的那种东西。因为这缘故，引力超距离起作用这件事被当成是万有引力说的一个反对理由，而牛顿本人也承认，必定存在着传递引力的某种媒质。人们逐渐发现，不引入“力”概念，所有的方程也能够写出来。实地观察得到的是加速度与方位配置间的某种关系；说这种关系是通过“力”作媒介造成的，等于没有给人的知识增添半点东西。由观察知道行星时时有趋向太阳的加速度，这加速度随行星和太阳之间的距离平方反变。说这事起因于万有引力的“力”，正好像说鸦片因为有催眠效能，所以能催人入眠，不过是字句问题。所以现代的物理学家只叙述确定加速度的公式，根本避免“力”字；“力”是关于运动原因方面活力论观点的幽魂发显，这个幽魂逐渐被祓除了。

    在量子力学诞生以前，一直没出现任何事情来略微变更头两条运动定律的根本旨趣：就是说，动力学的定律要用加速度来表述。按这点讲，哥白尼与开普勒仍应当和古代人划归一类；他们都寻求表述天体轨道形状的定律。牛顿指明，表述成这种形式的定律决不会超乎近似性定律。行星由于其它行星的吸力所造成的摄动①，并不作准确的椭圆运动。同样理由，行星轨道也决不准确地重复。但是关于加速度的万有引力定律非常简洁，牛顿时代以后二百年间一直被当成十分精确。这个定律经过爱因斯坦订正，依旧是关于加速度的定律。

    ①开普勒定律只对两个天体所成的系统来讲严格正确。行星因受其它行星引力的影响，略偏离椭圆轨道，这种作用在天文学上叫“摄动”。——译者

    固然，能量守恒定律不是关于加速度而是关于速度的定律；但在应用这条定律的计算中，必须使用的仍旧是加速度。

    至于量子力学带来的变革，确实非常深刻，不过多少可说还是争论不定的问题。

    有一个加到牛顿哲学上的变革，这里必须提起，就是废弃绝对空间和绝对时间。读者会记得，我们曾结合讲德谟克里特谈到过这个问题。牛顿相信有一个由许多“点”构成的空间，一个由许多“瞬刻”构成的时间，空间和时间不受占据它们的物体及事件影响，独立存在。关于空间，他有一个经验论据支持其个人意见，即物理现象令人能辨认出绝对转动。假如转动桶里的水，水涌上四围桶壁，中央下陷；可是若不让水转动而转动桶，就没有这个效果。在牛顿时代以后，设计出了傅科摆实验①，大家一向认为这实验证明了地球自转。即便按最现代的意见，绝对转动问题仍然造成一些困难。如果一切运动是相对的，地球旋转假说和天空回转假说的差别就纯粹是辞句上的差别；大不过像“约翰是詹姆士的父亲”和“詹姆士是约翰的儿子”之间的差别。但是假若天空回转，星运动得比光还快，这在我们认为是不可能的事。②不能说这个难题的现代解答是完全令人满意的，但这种解答已让人相当满意，因此几乎所有物理学家都同意运动和空间纯粹是相对的这个看法。这点再加上空间与时间融合成“空时”③，使我们的宇宙观和伽利略与牛顿的事业带来的宇宙观相比，发生大大改变。但是关于这点也如同关于量子论问题，现在我不再多谈。

    ①傅科（JeanBernardLéonFoucault，1819—68），法国物理学家。1851年他在巴黎用长67米的绳吊28公斤重的锤做成单摆，根据摆的振动而发生顺时针方向的运动，来证明地球自转。——译者

    ②恒星距离地球极远，星发出光来传到地上至少须经过几年，而星围绕地球的圆周比这距离更大几倍。假若恒星每日绕地球回转一周，即是说它在二十四小时内走过光在若干年才能走完的路程，运动得比光快的多。但是据相对论，宇宙中一切速度不可能超过光速。——译者

    ③相对论把空间和时间统一起来，除空间的三度以外，将时间看成第四度，这样构成的四度连续体叫“空时”。——译者