亚里士多德认为构成天体的并不是组成一切地界物体的土、水、气、火四元素?哥白尼的日心说真的比托勒密的地心说更先进吗?伽利略到底从望远镜里看到了哪些天文现象?开普勒与笛卡尔对“惯性”的认识有什么不同?胡克的数学水平比牛顿高吗?在经典科学史著作《新物理学的诞生》中,美国哈佛大学科学史教授、美国科学史和科学哲学协会主席伯纳德·科恩通过梳理上述历史细节与穿插有趣的科普内容,从地球运动引起的种种日常经验事实与物理学问
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出发,简明扼要而又系统地讲述了大师们为近代经典物理学所作的基础性贡献,让读者能领略到发生于16、17世纪的科学革命的勃勃生机与历险旅程。
因其雅俗共赏和权威性,该书自首版发行后已被译成十几种文字。有趣的是,科恩教授在二十五年后的再版中根据科学史的最新发展以及学术界的研究成果对正文做了许多修订,却基本上只是将所补充的新材料列为附录,这不由得使我们更加关注科恩希望努力加以保持的“原书的章法与节奏”,即:强调物理学的整体性,揭示环环相扣的结构如何让物理体系中一个环节的些微改变带来广泛而深远的影响。爱因斯坦曾指出:“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想逻辑体系。”身为牛顿研究专家的科恩不像初等教科书那样过分强调“逻辑”的一面,而是通过坚持历境主义的科学史研究
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,通过发掘与整理大量丰富而细致的史料,让读者能深入完整地了解彼时、彼地那些研究者们真实的思想与工作情况,因此得以荣获科学史领域的最高荣誉萨顿奖。
黑格尔在《法哲学原理》一书中曾说:“每个人都是他那个时代的产儿。”书中对每位学者与每种理论的中肯评价,都没有脱离对相应时代背景与条件的考量。在第一章的引子中,科恩并没有对与亚里士多德的名字紧密联系的旧物理学体系有太多苛评,而是通过总结人们在落体问题和一般运动概念上的常见误解,让我们知道身为“常识物理学”的旧物理学,其实能够为“大多数人在直觉上相信和遵循”。这个以静止地球为宇宙中心的完备的科学体系主张天界和天体由不发生变化的、“不朽”的以太构成,物体各自进行符合其本性的“自然”运动,因此地球如果做圆周运动的话必然是不“自然”的、违背本性的。既值得“庆幸”又悲哀的是,“除了两个重量不等的物体在空气中下落的实验之外,亚里士多德体系是足够令人信服的”,而恰恰是实验结果与旧理论体系的背离,召唤着新的物理学出现。
为我们熟知的哥白尼日心说与托勒密的本轮均轮地心说相比,的确比较容易解释行星的逆行,并且能够确定行星与太阳及地球之间的距离。但其实两者相当近似相似,而且几乎一样复杂、难说哪个“更为简单”。更重要的是,接受日心说将会引出一系列亚里士多德物理体系无法解决的难题,还会挑战人类关于宇宙和自我的观念体系。科恩在此睿智地指出,哥白尼的意义其实并不在于提出日心说,而是在于日心说“同伽利略、开普勒、牛顿等人的名字联系在一起”,能够在物理学中引发伟大的革命。
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《天球运行论》的1543年,在1609年面前相形见绌———那一年,伽利略等科学家第一次用望远镜系统地研究了天空,开普勒发表的《新天文学》确立了行星运动规律,望远镜里宇宙的空虚寥廓与无数颗恒星让人们感慨,地球相比之下只是一粒无足轻重的微尘,“人的这个小宇宙”瓦解了。遗憾的是,这两位大师同样证明了“一个时代总的思想模式能够在多大程度上限制那些最伟大的天才”。伽利略以革命性的落体定律证明了亚里士多德的错误,并且引入了“将逻辑演绎、数学
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和实验结合在一起”的方法,还将观测
天文学与数学物理学相结合;但他错误地沿袭了来自哥白尼的宇宙正球形观念与圆形行星轨道概念,使其惯性定律局限于所谓“圆周惯性”而非更为一般的“直线惯性”,所以他“从未得到一门真正的天体力学”。类似地,开普勒虽然通过引入椭圆曲线简洁地说明了行星运动“不做徒劳多余之事”,但因为他过分沉溺于亚里士多德的物理学与世界观,并且深信数字神秘主义与命理学,因此“试图把一种地界的物理学投射到天上”。
站在众多前人肩膀上的牛顿终于以1687年出版的《自然哲学的数学原理》“使整个科学结构为之改观,并且改变了西方文明的进程”,达至“数千年来人类力求理解世界体系、力和运动的原理”的种种努力的顶峰。我们都知道,牛顿关于绝对时间与绝对空间的看法,以及他的一整套“包含了空间、时间、秩序的世界观”,已经被现代原子物理学和量子理论改写,但时至今日,在运动速度远低于光速的“日常现象的广大范围”,牛顿力学依然适用。
真正应当警惕的是将牛顿力学无限上升为以“自然法则”名义运作的世界理性秩序的象征,而在哈雷彗星于1758年如期重现、海王星于1846年以纸上计算而非观测的方式被首先发现后,这种拉普拉斯式决定论的倾向似乎让科学意义下的自由意志概念寿终正寝,甚至让人与人类社会的知识服从“类似的理性演绎系统和数学推理,外加实验和批判性的观察”。当“信仰科学的时代”正式来临,在天体力学上极为重要的“三体”难题却对机械论世界观露出嘲笑的表情,混沌系统让那种“对自然完美的数学理解和对未来做出可靠预言的能力”受到质疑。当然,这已经是关于科学范式更新转换的另一种开放图式与历史图景了。
科恩在书中一再强调了科学活动的合作性和“集体的积累性”与个人天才之间的对立统一。事实上,这种密切关系可以用书中所引的卢瑟福的话来说明:“科学家们并非依赖于某个人的思想,而是依赖于思考同一问题的数千个人的集体智慧,每个人都在做他那一点点工作,从而为宏大的知识体系添砖加瓦,使之逐渐矗立起来。”科学史绝非科学的简单注脚,从某种意义上说,这部新物理学的诞生史也可以被看作是一段充满错误与局限、却又保持好奇与敬畏的历史,难怪其英文原著采用的是更为谦逊的名字:一种新物理学的诞生。一切的精确与完备都应存疑,而成长只有在不确定性中才有无限可能。
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