科学中的革命-第15部分

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“先验推理包含的并非是必然的结果，而只是一些可能的结果。”
　　　　毋庸置疑，开普勒为天文学的发展提出了一个革命性的纲领。因为他是一位喜欢反
思的人，他较为详实地记录了他的思想观点和方法的发展过程。我们已经对例如他那行
星运动第三定律的发现的契机作了细致的说明。在他的《新天文学》中，他非常审慎而
详细地阐述了他的思想革命和信仰革命的各个时期；他把错误的计算结果也都记了下来，
这样，读者就可以了解到他的思想和计算的演变过程，这些发展变化导致他最终抛弃了
传统的圆周运动天文学，并且开始探索其他类可能的轨道的曲线。虽然读者会对后面一
页又一页对开纸上陷入绝境的计算感到厌烦，但开普勒提醒自己不要忘了他靠手算完成
这些计算吃了多少苦。在得到了答案后，他把它们付样出版了。随着他的主要著作——
或《宇宙的奥秘》（1596）、《新天文学》（1609）、《鲁道夫星表》（1627）、或
《宇宙和谐论》（1619）以及《哥白尼天文学概要》（1618－162）等的出版，一场思想
革命完全变成了论著中的革命，书已出版，谁都可以阅读和利用。
　　　　那么，是否出现了一场科学革命呢？开普勒论著中的革命是否改变了大文学家的实
践、是否已成了天文学思想的基础以致于随继就会在科学中有一场开普勒革命呢？我认
为，回答是否定的。首先，从开普勒到牛顿，这期间的几代天文学家并没有完全接受新
的开普勒天文学。例如，占统治地位的天文学思想，不久就发生了变化，笛卡尔涡旋系
统而不是开普勒所提倡的研究天体作用的动力学成了它的中心。在某种程度上看，这是
由于开普勒末能成功地像牛顿最终做到的那样发明一门新的足以满足天文学需要的力学
所造成的结果。开普勒试图以一种修正过的亚里士多德学说为基础来创立一门天体力学，
但却没有（也不可能）如愿以偿。
　　　　其次，对于天空中也许存在着一些绵延数亿里的太阳力这一观点，也有人抱有截然
相反的看法。例如，伽利略在解释哥白尼天文学时，既没有承认也没有运用开普勒的行
星运动的三定律。在其《关于两大世界体系的对话》中，伽利略特别批评了开普勒的这
一暗示：起控制作用的力，能够像月亮有可能导致我们海洋的潮汐运动那样，穿越空间
向外运动。尽管椭圆轨道定律（开普勒第一定律）得到了从事实际工作的天文学家的普
遍承认，但椭圆的第二个或“空闲的”焦点的作用仍然令人费解，况且，由于数百年来
的偏见，对于行星轨道的形状不是圆形这一点，仍然存在着范围相当大而且是很“自然
的”反对意见。对许多天文学家来说，面积定律（开普勒第二定律）似乎使他们在概念
上困惑不解而不是有所帮助。无论如何，正如开普勒本人注意到的那样，这一定律除非
利用一些近似值，否则就不能作为精确计算行星位置的基础，为了取代开普勒的面积定
律，从开普勒时代到牛顿时代的天文学家们打算借用一种直接近似法，这种方法的基础
就是以空闲的焦点（它可以用来作为一种等分点）为中心的问量矩的匀速转动，即使对
于那些愿意接受并使用这两个定律的人来讲，这些定律本身也是古怪的东西，因为它们
看上去与所接受的基本原理并没有什么因果上的或演绎上的关联。
　　　　许多天文学家确实认识到了开普勒的第三亦即和谐定律（它是在1619年出版的《宇
宙和谐论》中而不是1609年出版的《新天文学》中发表的），开普勒在这条定律中展示
出，行星的恒星周期的平方与它到太阳的平均距离的立方的比是恒定不变的。不管这第
三定律多么有趣，它并没有实际用途，因为它既不能作出什么预见，也没有什么明显的
物理学上的原因、理由或证明，而且，它似乎只不过是开普勒对数字有多种好奇心的一
种体现。这个定律既无助于计算行星的位置，也无助于确定行星的轨道。原则上讲，它
可以用来预见行星在与太阳的任一已知的距离上出现的周期，但这是一个理论问题而非
实际问题。这一定律也像椭圆轨道定律和面积定律一样，看不出它能起到什么明显的物
理学原理方面的作用。
　　　　此外，在考虑开普勒天文学时，我们必须记住，在（《哥白尼天文学概要》中）最
后的总结里，开普勒所阐述的并不仅仅是行星运动三定律，亦即我们今天熟知的开普勒
定律。书中还有许多此类定律，其中包括，行星的大小和顺序与轨道的大小和顺序之间
的关系，以及行星轨道的非圆周性规则这种我们今天会认为不属于物理学范畴因而不予
考虑的问题。开普勒纳入此书的还有他的第一个发现：行星轨道的数目和大小与柏拉图
五种规则的几何体之间关系的定律。要接受开普勒的天文学，还存在着一个问题，即机
械论物理学原则与泛灵论物理学原则的混合。这二者的混合所导致的并不是一种纯粹的
研究物理作用及其所导致的物理运动的动力学。例如，轨道运动或行星的公转，是由物
理学上的太阳…行星的（磁的）作用力来说明的，而地球和太阳规则而持续的自转却被说
成是一种泛灵论的“灵魂原则”的结果。在开普勒那里，“解释运动的泛灵论原则与机
械论原则展开了竞争”（麦克斯·卡斯帕1959，296）。
　　　　实际情况是，在牛顿的《原理》（1687）以前，几乎没有什么理论的或实用的天文
学著作提到过开普勒行星运动三大定律，更不用说开普勒有关导致轨道运动的天体作用
的思想了。因而看起来很清楚，1687年以前，科学中未曾有过开普勒革命。我们回顾一
下便可得出这样的结论：开普勒的纲领仅仅构成了一场论著中的革命——这并不是因为，
在思想上，开普勒尚未十分成功地发展出一个可以恰当地说明他所发现的行星运动请定
律的动力学体系，而是因为他未能成功地使他的大部分的同代人和随继而来的后继者们
转过来相信他的椭圆轨道的行星天文学或他的天体物理学。
　　　　威廉·吉伯：实验论者及其代言人
　　　　像开普勒一样，威廉·吉伯也必须纳入17世纪初富有革命精神的科学家之列。他在
其著作《论磁石》（De　Mage，1600）中表明了他的科学的创新性；他在该书的副标
题中说，他的这本书是一部“Physiologia　nova，plurimis　＆argumentis　＆experime
ntis　demonstrat．”意思是说，他创立了一门“新的生理学”或自然哲学。一门新的自
然科学，一门被“许多论据和实验证明了的学说。”这门新的自然哲学就是磁学，而该
书的题目告诉读者，吉伯所关心的是磁石或天然磁石、“磁体”（例如磁铁）以及“地
球大磁石”。在此书中，吉伯通篇强调实验主义的思想，这一观念暗示着，知识的基础
是经验、实地的实践经验或者经验证明。在后期的古典拉丁语中，“experimentum”和
“experientia”这问个词既有“经验”（甚至“尽人皆知”的经验）的意思，也有“实
验”的意思，正像法语中的“expeence”和意大利语中的“espertenza”仍然含有的意
思那样。由此可见，吉伯是在强调实地的实践经验（例如铁匠和航海者的经验），通过
实验对自然界的直接研究，以及以经验而不是直觉或推测为基础的知识。
　　　　除了让人们注意到书的副标题所表明的该书的特色之外，吉伯还搜集了大量新的实
验信息，他在书页的空白处加了许多注释。以便说明他或多或少“根据对事物的重要性
和微妙性”所描述的“我们的发现和实验”究竟是什么（1900，ii）。吉伯研究了摩擦
后琥用中的引力现象，而他有关这一现象的论述，就是他对问题进行实验探讨具有创新
性的一个实例（Ch．2，bk．2儿他严厉地批评了“我们这个时代的”这样一些哲学家，
这些人‘自已没有什么发现，没有得到任何实践经验的支持，……没有取得一点进步”
（p．48）：不仅琥珀和贝褐碳（像他们所猜想的那样）对小的物体有吸引作用，而且钻
石、蓝宝石、红榴石、彩虹宝石、蛋白石、紫石英以及布里斯托石（一种英国宝石或晶
石），绿宝石和水晶也都有此作用。具有类似引力的还有玻璃（尤其是透光和透明的玻
璃），由玻璃或水晶制成的人造宝石，锑玻璃，还有从各种矿石中提炼制成的多种晶石，
以及箭石等。另外，硫磺、香乳脂和由染有各种颜色的虫胶合成的硬的封蜡也有引力作
用。甚至硬树脂，例如雌黄，也有这种作用，当然，它的作用不是很强的；在相对干燥
的天气中，岩盐、白云母石和明矾石则很难产生引力作用，而且，即使产生了其作用也
是很微弱的。
　　　　《论磁石》那篇写给“公正的读者”的前言，是对科学革命的原则呼声最高的陈述
之一。作者在其中自豪地说，那些“可靠的实验”和“业已证明了的论点”，优于“一
般的哲学家们的那些可能的猜测和看法。”在这里，吉伯谈到了“我们的哲学…来目…
对事物孜孜不倦的观察，”他还谈到了“真实的证明和……显然意义明确的实验，”以
及“（明显地使每一种哲学繁荣的）大量的实验和发现。”他还描述了进行哲学探讨的
正确方法，凭借这种正确的探讨，人们的认识才有了从“不难理解的问题”到“更为值
得注意的其他问题”以至最终到“有关地球的那些隐匿的最为神秘的问题”这样的不断
发展，从而“了解到那些问题的起因，而这些问题，或是由于古代人的无知，或是由于
现代人的疏忽，因而未被认识到并被漏掉了”（fol．ii）。
　　　　吉伯作了经验方面的记录；他最终也发明了一些理论并构想出了一些假说。吉伯本
人最重要的科学见解就是：地球本身是一个大磁石，它有南北两个磁极。他断定，他已
经从实验上说明了，完全呈球状且有两极的天然磁石会绕轴自转，他因此得出结论说，
地球肯定要进行自转，正如哥白尼已经告诉人们的那样。不过，吉伯对地球的公转没有
多大的兴趣，因为对他来讲，这是一个与磁性无关的问题嫩此而言，他不算是一位哥白
尼主义者。
　　　　人们会注意到，在吉伯的纲领中，《论磁石》的主题并非总是十分详细地贯穿始终
的，尽管这样，他认为一门新的科学即将出现这一明确断言的重要性并没有因此而减小。
像开普勒一样，吉伯也生活在一个过渡的时代，所以，看到“吉伯的大话和浮夸虽不可
取，但他却是位温和的逍遥派学者，而且从不进行他所批判的那些剽窃活动”（海尔布
伦1976，169），我们也就不会惊讶不已了。虽然海尔布伦非常恰当地拒绝承认“吉伯是
位革命英雄”，而且不愿相信他的“文艺复兴式的夸夸其谈是真实的，”但他还是盛赞
吉伯出版了“一本最早的有关地球物理学的一个特别分支的专著，”一本“首先发表的
有关大量相互联系且得到了再次证明的实验报告。”
　　　　然而，尽管吉伯有革命热情，但他并未创建一门新的科学。当时的迹象和以后半个
多世纪发表的磁学方面的著作，都没有表明这一学科发生了剧烈的变比。他在电引力这
一新兴的研究课题方面的著述，也未能使科学家们建立起一门新的物理学的分支学科；
只是到了下一个世纪才出现了这一学科。由此看来，吉伯的工作未能通过鉴别科学革命
的前两项检验，科学家和史学家也都未设想科学中有过一场吉伯革命。所以，虽然吉伯
确实是位富有革命精神的人，但他至多只是引起了一场论著中的革命。毋庸置疑，他的
《论磁石》包含着革命的种子，但它毕竟没有引发一场革命。
　　　　纵然吉伯没有引起或发动一场革命，他的工作仍可谓是以后所进行的一场革命的一
种征兆或预示。在以后的那场革命中，科学从一门主要是哲学和抽象的学科逐渐变成了
一门以经验、以那种通过实验直接对大自然提出问题而获得的特殊经验为基础的科学。
　　　　伽利略富有革命性的科学
　　　　比任何人都先提倡新的实验科学技术的科学家，就是伽利略。伽利略的科学纲领像
开普勒的纲领一样，确实是富有革命性的，而且，它还包含了有可能会潜在地影响所有
科学的方法和结果，从这一点来讲，它有着更为重要的意义。与开普勒不同，伽利略的
著作广为流传（并被译成了别的语言），而且，他的著作对他那个时代的科学家和科学
思想产生了巨大的影响。这种影响甚至随着对他进行的著名的审讯和定罪而扩大了。
　　　　似利略做出了大量发现，不过，他的革命活动主要在以下这四个独特的领域著称于
世，即望远镜天文学，运动原理和运动规律，数学与经验的关系的模式，以及实验科学
或实验法科学。（有人可能会十分恰当地举出一些例子来说明，伽利略在另一个领域也
很著名，这第五个领域就是科学哲学，然而，伽利略在这方面颇具革命特征的思想，都
包含在实验科学和数学与经验的关系方面了。〕
　　　　许多证据都可以证明伽利略在运动学领域进行了富有革命性的工作。而且，17世纪
中叶那些物理学著作的编、撰者们——克里斯蒂安·惠更斯，约翰·沃利斯，罗伯特·
胡克，伊萨克·牛顿——都承认并使用了伽利略的那些定律和原理。至少在两个世纪中，
许多科学史家和科学哲学家都在为伽利略革命而欢呼。此外，长期以来，物理学家和其
他领域的科学家们一直认为伽利略是位革命英雄，甚至夸大他的作用，以致于把他说成
是现代科学和科学方法或实验方法的创始人，是牛顿前两个运动定律的发现者。简而言
之，伽利略似乎轻而易举地通过了鉴别是否已经引起的一场科学革命的所有检验。
　　　　伽利略首次公开展示他的富有革命性的科学是在161O年，当时，他发表了用望远镜
探索天空所取得的最初一部分成果。在本书第1章中我曾谈到过伽利略对天空的看法的转
变过程，即从个人的观察经验到得出理智的结论的转变过程。他用类推原理和物理光学
说明，月球表面也像地球一样，峭壁林立，起伏不平。他发现，地球使月球生辉发亮。
他看到木星系统有四个卫星，金星有位相变化。他的望远镜不仅展示了有关太阳、地球
以及行星这些以前已为人知的天体的一些新的消息，而且在可视的范围内向人们展现出
了用肉眼从未看到过的大量的恒星（和卫星）。
　　　　伽利略的发现，以及其他人的发现，首次向所有人说明了天空是什么样。金星的位
相，如果与行星的表现尺寸联系起来，就能证明金星轨道所环绕的是太阳而不是地球，
并由此证明托勒密是错的。所有这些发现都是与哥白尼的这一命题相一致的：地球只不
过是另一个行星；也就是说，所有的发现表明，地球更像是个行星而不像是与行星不同
的东西。伽利略因此立即证明，他业已说明了哥白尼体系的正确性（尽管事实是，他的
发现与第谷·布拉赫的体系也是十分相容的，而在第谷·布拉赫的体系中，地球仍被看
作是位于中心，其他行星环绕着太阳，太阳则围绕着地球循环运动）。
　　　　这些发现使观测天文学发生了革命性转变，并且从根本上使哥白尼天文学讨论的层
次发生了变化。在1610年以前，哥白尼体系可能看起来是一种思想实验，一种假设的计
算系统，对那些否认地球看上去像是一颗行星（即我们认为是闪耀着极为灿烂的光芒的
星球）的人来讲，它是某种在哲学上荒诞不经的东西。在1610年革命发生并产生了成果
后，科学家能够（并且确实）证明，地球与其他行星实在相似，而且理应有同样的运动。
哥白尼非常正确地指出，地球只不过是“另一颗行星”。要想否认这种新的在经验上得
到了修正的哥白尼学说，只有拒绝用望远镜去观察，或者断言，通过望远镜所看到的肯
定是一种光学假象或是望远镜的透镜所产生的一种畸变，而不是行星的真面目。一些非
常明智的哲学家都采取了这一态度，这一事实表明，在当时，以经验证据为基础来认识
大自然是一种多么激进多么富有创新性之举。
　　　　伽利略在其中引起革命性变化的第二个领域就是运动学。这一课题一直被认为是自
然哲学的中心；所以，在其《两种新科学》（1638）第三天对话的开场白中，伽利略夸
耀说，他正在引进“一门有关一个极为古老课题的崭新的学科”（伽利略1674，147）。
也许，许多有关运动的新定律和新原理都应归功于伽利略。他发现了摆的等时性——当
一个自由摆动的摆沿弧线运动所经过的弧的长度越来越短时，它的运动速度也会减慢，
但它完成每次摆动的全程所需要的时间却（总是）保持不变。他通过激动人心的实验证
明，在空气中，重量不同的物体下降的速度几乎是相同的，而并不（像以前亚里士多德
以及今天未受过物理学教育的大部分人仍然认为的那样提与物体的重量成比例的。他发
现，自由降落是匀加速运动的一种情况，在这种情况下，运动速度随着时间的持续而增
加，运动的距离与时间的平方成正比。他提出了矢量速度的独立性原理，并采用了矢量
速度组合（合成）法，他运用这一原理来解决抛射体的轨道问题：他发现，这种运动的
路线是一条抛物线。因此，他指出，当大炮的炮简与地平线成45。倾角时，大炮的射程
最远。
　　　　在对抛射体的抛物路线所作的分析中，伽利略勾画出了惯性运动原理形成初期的情
况。一系列相继得到了改造的概念导致了牛顿1687年的惯性定律，显然，其中第一个概
念就是伽利略提出来的。不过必须要记住的是，伽利略主要是从运动学角度来分析运动
的。也就是说，尽管伽利略的讨论有一些或包含着一些力的作用问题，但他既没有尝试
去找出引起（或导致）运动的力，也不曾试图去发现作用力与运动之间严格的数学关系。
　　　　伽利略的第三个贡献是在数学领域。现代科学，尤其是物理学，其特征就是用数学
来表述其最高原理和定律。到了17世纪，科学的这一特征开始显示出了重要意义，而且，
这种特征的重要性在牛顿的《自然哲学的数学原理》（即《原理》）出版时到达了第一
个高峰。从伽利略在《两种新科学》第三天对“自然加速运动”的讨论里，我们可以看
到伽利略方法论具有革命性的一面。伽利略在提出这一话题时解释说，假设任何一种运
动并从数学上说明其本质，这种做法（就像以前经常做的那样）是完全合理的。不过，
他愿遵循另一种方针，亦即“找出并阐明与大自然所进行的那种运动［加速运动烬可能
完全一致的定义。”在考虑“在某一高度静止不同的”石头是怎样下落之后，他得出结
论说，“新增值的速度”的连续获得，是由“最简单和最明显的规律导致的”（伽利略
1974，153…154），这就是说，这种增值总是以同样的比率持续进行的。因此，（a）在
下落的每一连续相等的特定距离内，或（b）在所消逝的每一连续相等的时间间隔内，速
度的增加肯定总是相等的。伽利略出于逻辑上的理由对等距规则不予考虑，转而着手阐
述等时规则的各种数学推论，其中有这样一个结论：在匀加速运动中，“物体在任何时
间内所通过的距离都与各自所用的时间成倍比”（也就是说，它们各自都与那些时间的
平方成正比）。伽利略随后对“这是否就是大自然在她的下落的物体上施加的加速作用”
提出了疑问。
　　　　答案是通过一项实验找到的，这一实验程序“在把数学证明应用于物理学推论的那
些学科中是非常有用和非常必要的”（伽利略1974，169）。实验也许看起来是相当容易
的，但实验设计和对实验结果的解释，需要对现代科学的基本原理有高水平的理解（参
见下文）。要正确地评价伽利略程序具有何等的革命性和创新性，我们应当把它与中世
纪的数学家一哲学家们的活动加以比较和对照。在12、13和14世纪，数学家一哲学家们
一直在积极探讨运动问题（参见第5章｝，他们的数学发展处于一种抽象的水平。在这里，
运动问题属于一般的范畴，这一范畴包含了从“潜在性”到“实在件”（亚里土多德的
定义）的任何一种可以量化的变化，这里的“潜在性”和“实在性”包罗万象，从爱、
仁慈到（从一处向另一处的）地点的变化。所以，伽利略要根据（并举例说明）自然界
中实际出现的运动来阐述有关运动的数学定律，这的确是一个大胆的举动。以前同样也
没有人发展到用实验检验来证明物理学定律——而这里正是伽利略为