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第一 科学世界图景的演变（第1页）

第一节科学世界图景的演变

宇宙是人类生活的舞台，为了在这舞台上确定自己的位置，从古至今人类建立了各种宇宙模型，从地心说、日心说到宇宙大爆炸理论代表着人类对自身与世界关系的不懈追问。“真正影响一个时代思潮的是那个时代有教养阶层所持有的宇宙观。”[2]随着世界图景的演变，人们不断地修正着自己与自然、社会以及自身的关系。在这种意义上，科学家不仅是新生活图景的创造者，也是把人类引进一个新世界、欣赏异域风情的冒险家。

一、从哥白尼到牛顿

公元前6世纪的希腊人不再把变化无穷的自然现象归于神灵，他们设计了秩序原则和解释框架，使之能够按照少数几个主导观念来解释和进一步探究整个自然。在雅典和亚历山大（希腊的殖民地）分别出现了两种不同的自然认识方式：在雅典，哲学的形态表现为抽象的理论建构；在亚历山大，则表现为精确的数学计算。“雅典的自然哲学家关注的是能够解释一切的、关于整个世界的第一原理，亚里士多德是这一思想的集大成者；亚历山大的数学家把知觉到的现象看作是数学分析的出发点，进行精确的推导和严格的证明，托勒密的工作代表着亚历山大思想的顶峰。”[3]托勒密系统地总结了数理天文学的传统，完成了流传千古的《天文学大成》。在这部著作中托勒密以地球静止于宇宙的中心、诸天体沿着圆周轨道匀速地绕地球旋转为出发点，关注天体的运行轨迹，从而准确地预言行星在天空中的位置，并以此为核心，提出了本轮均轮模型。在此后的一千多年中，托勒密的地心说体系在西方天文学界一直占据统治地位。在《天文学大成》中能与模型相适应的观测数据，随着时间的推移被证明是不准确的。托勒密的体系是传统观念的象征，为了维护托勒密体系的权威地位，人们通过在托勒密体系中增加“轮子”，使之免遭质疑和挑战。随着轮子数目的增加，托勒密体系变得极其复杂、烦琐。

（一）哥白尼的革新

在15、16世纪，毕达哥拉斯柏拉图主义在意大利复兴，波伦亚大学的数学、天文学教授诺瓦腊批评托勒密体系太烦琐，不符合数学和谐的原理。哥白尼是诺瓦腊的学生，他仔细研究过所能找到的一切哲学著作。他所面对的问题是：行星应该有怎样的运动，才会产生最简单而最和谐的天体几何学？为了解决托勒密及其继承者尚未解决的行星问题，哥白尼针对当时能够阅读托勒密论著的一小群天文学家写作了《天球运行论》，他以阿里斯塔克的日心说为解决问题的出发点，地动说是他试图改良计算行星位置的技巧时的一个副产品。

然而，地动观念却对传统思想构成了严重的挑战：“在哥白尼的体系中，太阳取代地球成为行星运动的中心，地球失去了其独特的天文学地位，成了众多行星中的一员。从此，人类需要重新确定自己在宇宙中的位置。从地心说到日心说是人与宇宙关系的转型。”[4]哥白尼的新宇宙体系撼动了古代科学的整个结构，也造成了人类自我认同的危机。此后，西方科学哲学的发展主题就转变为重构科学体系、建立伦理生活的新秩序。

（二）新物理学的诞生

1609年，望远镜的发明和使用从根本上改变了讨论哥白尼体系和托勒密体系的标准和方式。用望远镜对天空进行观测的事实表明月球和行星的属性与地球类似，而不像恒星，哥白尼体系与新的观测事实极其相符。世界既不是托勒密式的，也不是亚里士多德式的。面对观测的事实，人们只有两个选择：一是拒绝透过望远镜观看，或拒绝接受所看到的东西；二是拒斥亚里士多德的物理学以及托勒密的地心说。对两个体系的讨论转向了哥白尼和托勒密认识范围之外的现象，人们开始寻找一种既能适合于运动的地球又能适合于宇宙的新物理学。

将望远镜用作科学仪器，奠定新的观测天文学和新物理学基础的人是伽利略。他试图解决两个独立的问题：一是落体在运动地球上的行为和假定地球静止时完全相同，二是为一般落体运动建立新的原理。

伽利略最重要的贡献是对自然的数学化。“他试图通过自己艰苦卓绝的努力向自己著作的读者表明，他所导出的数学规律如何能够表现于日常实在之中，比如自由落体运动或射出的炮弹的运动。只要有可能，他就会寻求日常情况下的实验验证。”[5]数学与实验的结合奠定了近代新物理学的基础。他的“理想实验”显现了完善的抽象思维是比望远镜更具革命性的工具。伽利略表明了抽象如何能够与经验世界相关联，如何从对“事物本性”的思考推导出与直接观察有关的定律。《关于两门新科学的谈话》和《关于两大世界体系的对话》是他留给后世的杰作。这两部著作是理解新旧宇宙体系的转换、探索日心宇宙动力学原理的基础。

（三）开普勒的新天文学

开普勒在中学时代就成了一名哥白尼主义者。1595年，25岁的开普勒发表了《宇宙的奥秘》。在这部著作中，开普勒宣布了他关于行星与太阳距离的重大发现。这本著作奠定了他在天文学领域的声望，他因此成为了第谷·布拉赫的助手。第谷·布拉赫用结构精良的巨型仪器改进了确定行星位置及其恒星相对位置的精度。他既不相信托勒密体系，也不相信哥白尼体系，他认为这两个体系都不能真正预言天象，在夜复一夜地观察行星位置的基础上，第谷提出了自己的体系。开普勒相信哥白尼的日心说，也相信第谷观测的精确性，他抛弃圆周，尝试卵形线，最终尝试椭圆。开普勒终于迈出了革命性的一步，发现了行星位置与轨道速度之间无可置疑的全新关系：每颗行星的轨道都是椭圆，太阳位于它的一个焦点上；太阳与行星的连线在任何相等时间内扫过相等的面积；任何两颗围绕太阳运行的行星（包括地球），其周期的平方与太阳平均距离的立方成正比。前两个定律显示了开普勒如何简化了哥白尼体系，第三定律则证明了天体的和谐。

（四）牛顿对宇宙的新解释

望远镜的发明不仅引起天文学的新高涨，而且推动了光学的研究。1619年开普勒公布行星运动第三定律后，从数学上推论开普勒基于观测获得的经验定律，成为当时自然科学的中心课题之一。1638年，伽利略《关于两门新科学的谈话》正式出版，激起了人们对他所确立的动力学基本概念作精确的数学表述的热情。新的科学问题对数学提出了新挑战：怎样确定运动物体的瞬时速度和加速度，以及怎样由速度或加速度公式确定物体移动的距离？怎样作任意曲线的切线（如望远镜光程设计就涉及切线问题）？怎样求函数的极大值、极小值（如行星与太阳间的最大和最小距离、抛射体的最大射程）？怎样计算曲线长度（如行星沿轨道运动的路程）、面积（如行星矢径扫过的面积）以及体积、重心与引力？等等。要克服这些困难，无论是古希腊的几何学还是中世纪及文艺复兴时代发展起来的代数，都明显地不敷应用。因此，在17世纪上半叶，几乎所有的科学大师们都竭力寻求新的数学工具。站在新的高度将以往分散的努力综合为统一的理论，是17世纪中叶自然科学赋予数学的紧迫任务。微积分的发明使牛顿成为上述任务的完成者。爱因斯坦说：“命运使牛顿处在人类理智的历史转折点上。”[6]

17世纪下半叶，牛顿同时代的科学家集中关注的问题是：行星如何在重力定律的作用下才能沿椭圆轨道运行？牛顿解决了这个悬而未决的问题，我们在天空中所看到的一切事物--恒星、太阳、月球、地球、行星和彗星的运动都遵循3个简单的定律和万有引力定律。他进而证明了我们在地球上看到的一切运动都受相同定律的支配。“牛顿把天上的运动和地上的运动统一起来。从此，承担起了解释整个可见宇宙的工作”[7]。

二、热和能：寻找变化发生的源泉

在18、19世纪，力学哲学的一个主要成就是回答了“热是什么”这个古老的问题。热力学是学科相关性最强的理论之一。对热的本质的研究引领着人们一步步思考变化发生的动因。在18世纪，热被看作是一种看不见、无重量的流体，称作热素。人们相信当两个温度不同的物体接触时，热质就从热的物体流向冷的物体，物体的固、液、气三态取决于它吸收了多少热质。直到19世纪50年代，人们接受的都是热质说。

（一）能量守恒定律

1837年，德国化学家李比希的学生弗里德里希·莫尔提出所有各种形式的能都是机械力的表现，热不是一种特殊的物质，而是各种物体中许多最小部分的一种振动。1842年罗伯特·迈尔提出体热来自食物化学能的见解，他进而指出力是不灭的和可以转化的，运动在许多情况下只不过产生热效应，因而热的来源只不过是运动。德国柏林大学的物理学教授赫尔姆霍兹从生物学现象出发得出了各种不同形式的能可以相互转化和守恒的思想。他指出，活的机体如果除掉从饮食取得的能以外，还能从一种特殊的活力获得能的话，那么它们就会是永动机。曼彻斯特的酿酒师兼业余科学家焦耳集中研究了电流的热效应，发现在一定时间内发出的热量与电路的电阻、通过电阻线的电流的平方成正比，这就是著名的焦耳定律。他的热功当量实验证明了机械功能够转化成热，能量是守恒的。热和功的等价性是热力学第一定律，即能量转化和守恒定律的基础。

（二）熵增原理

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯发表了《论热的动力》一文，他把自己对热机的研究表述为：能量不可能从低温物体转移到高温物体而不产生其他影响。换句话说，能量转化的自然过程是不可逆的。1865年，克劳修斯引入“熵”的概念，把可逆过程和不可逆过程区分开来。熵的意思是“转移的量”和“发生变化的能力”，用热量除以温度来表示。在自发的自然过程中熵趋于增大。克劳修斯认为宇宙是一个孤立系统，所以他把热力学第一定律表述为：宇宙的总能量是守恒的；第二定律表述为：宇宙的总熵无情地朝着它的极大值增长。从“熵增原理”得出的推论是：整个宇宙的演化就是逐渐退化，最后停止于热力学平衡，处于死寂状态。热力学定律告诉我们，在能量和物质趋于混乱的过程中，宇宙无休止的衰败是一切变化发生的根源。宇宙热寂说使人们看待世界的方式带上了悲观的色彩。

波尔兹曼把热力学第二定律解释为能在自发运动，系统中能的自发增加可以和这个系统的分子能的分布概率的增加联系起来。1877年，他证明熵与这种概率的对数成比例。热力学第二定律和它的分子解释给予了时间的流逝以方向和物理意义。这在牛顿力学体系是没有的，牛顿宇宙中的力学是可逆的，热力学的宇宙是不可逆的。