科學,到底是什麼?(18)_風聞
西方朔-2022-02-03 14:59
一
力學的英文是mechanics,希臘文是mechanica,原意為機械學,與“力”毫不相干。到了伽利略,才把mechanics由單純的機械學轉化為運動學,創立了新的物理學。但是,伽利略的力學仍然是無“力”之學。到了牛頓,力才被引入新物理學,使“力學”變得名副其實。
在亞里士多德傳統中,力學(機械學)屬於與自然相對抗的東西---比如水車,就是違反了水的自然向下的趨勢而反向運動的機械,因此,不可能歸入研究自然的物理學。亞里士多德把它們歸入立體幾何,和光學、和聲學、天文學並列。
到了希臘化時期,力學(機械學)作為數學學科在兩個方面有了極大發展。
第一是阿基米德把力學完全轉化為純粹的數學問題來處理,以公理化的方式賦予力學(機械學)以數學的嚴格性。他的《論平板的平衡》提出了重心的概念以及槓桿原理,他的《論浮體》提出了流體靜力學中的阿基米德原理。
第二方面是亞歷山大城的希羅的工作。希羅的《力學》(機械學)把所有機械歸結為5種原型機械,即槓桿、滑輪、輪和軸、楔子、螺旋,它們都可以歸結為天平的圓周運動。機械錶面看違背自然運動,但希羅通過理性分析發現,它們都可以被整合到物理學之中。
整個中世紀基本上不存在力學。
文藝復興時期,由於印刷術的發明,亞里士多德和阿基米德這兩個力學傳統同時發揮了很大影響,分別代表了力學的物理學方面和數學方面。人們認識到,力學具有物理和數學的雙重本性,有很強的實用性。
力學(機械學)地位的大大提升,與這個時代的時代精神有關:一種能夠支配自然的技藝,同時又能擁有傳統意義上獨獨屬於數學的高貴品性,很自然地贏得了那個時代知識分子的青睞。
伽利略既變革了亞里士多德自然哲學的運動理論,又使力學(機械學)傳統發揚光大,從而使這兩個歷史線索合而為一。
青年時期的伽利略繼承的是阿基米德力學傳統,採用純粹數學化方法處理機械力學問題,取得很大成功,被譽為“當代阿基米德”。後來,他以數學描述的方法研究自由落體運動,發現所有落體運動都是加速運動,而且所有落體運動的加速度都相等,為新運動學奠定了堅實的基礎。
藉助於對運動的數學和實驗研究成果,伽利略建立了亞里士多德運動理論的替代理論。
在《兩門新科學的對話》中,伽利略討論了勻速運動、勻加速運動、拋體運動,提出了慣性運動的概念。
伽利略關於自由落體運動和拋體運動的數學研究,以及發現它們共同遵循的數學規律,實際上打破了亞里士多德關於自然運動與受迫運動的區分(傳統上自由落體運動屬於自然運動,拋體運動屬於受迫運動)。
他的運動學理論一反亞里士多德追究運動之原因的目的論傳統,明確宣佈不考慮運動的原因,只做數學描述。這使得以運動學為基礎的新物理學,一開始就是高度數學化的學科。
亞里士多德傳統中的物理學研究真實物體的知識,數學只研究物體抽象的性質,這種區分開始瓦解。
二
笛卡爾追隨伽利略的數學化方略,繼續向亞里士多德自然哲學發起挑戰。笛卡爾比伽利略野心更大,他試圖顛覆亞里士多德的整個體系,建立一套全新的人類知識體系。
他在清算亞里士多德運動理論的同時,提出了一整套替代方案,那就是機械論的、數學化的世界圖景。笛卡爾在將數學與物理學合一方面做了兩件大事。第一件是物質空間化、空間幾何化方案,第二件是引入微粒宇宙觀。
笛卡爾認為,自然界只有物質與運動。物質的根本屬性是廣延,即空間。空間則是純粹的幾何學王國。如此,自然數學化的哲學基礎建立完畢。
而所謂運動,就是物質的位置運動。所有的物質都是微粒的集合,所有的物質運動,都是微粒的碰撞運動。
在《哲學原理》中,笛卡爾提出了慣性定律、運動守恆定律,以及他的宇宙以太渦旋理論。
這些定律和宇宙模型,雖然有嚴重缺陷,仍然被公認為亞里士多德自然哲學的替代世界觀。至此,亞里士多德自然哲學基本瓦解,新物理學以笛卡爾的機械論哲學為前提繼續前進。
在伽利略和笛卡爾的影響下,17世紀的科學先驅們慢慢把光學、天文學、力學這些應用數學或混合數學學科看成是物理學的分支,甚至把作為運動科學的力學看成物理學的基礎學科。力學論(機械論)自然觀成為占主導地位的自然觀。
到了牛頓寫作《自然哲學的數學原理》時,自然數學化運動最終大功告成,決定性地把物理學轉變為一門高度數學化的學科。他的偉大著作的標題,在亞里士多德的語境中顯然是自相矛盾的,而現在卻成了新物理學的標誌性特徵。