科学技术史之从文艺复兴到哥白尼革命

引子在科学上没有平坦大道，物理学经历的是一条非常曲折、非常艰难的道路。在创建物理学的过程中，许多著名物理学家作出了丰功伟绩，他们中有一些人往往被看成是望尘莫及的圣人、天才，以为他们的聪明才智是天生的。殊不知他们经历过的正是那条曲折的道路，由于他们做的开创性的工作，他们走过的道路甚至比后人还要崎岖。在这一讲和下一讲，我们就以天文学和力学的几位创始人：哥白尼、开普勒、伽利略和牛顿为中心，讲讲他们的科学思想和科学方法。从文艺复兴到哥白尼革命列奥纳多·达·芬奇哥白尼一、文艺复兴：产生巨人的时代文学：但丁《神曲》薄伽丘《十日谈》塞万提斯《堂·吉珂德》乔叟的诗歌莎士比亚的戏剧艺术：达·芬奇、米开朗基罗、拉斐尔思想：F·培根—“知识就是力量”文艺复兴运动是一个需要巨人而且产生了巨人的时代——在思维能力、热情和性格方面，在多才多艺和学识渊博方面。——恩格斯《自然辩证法》列奥纳多·达·芬奇（自画像）LeonardodaVinci(1452-1519)文艺复兴真精神的代表最后的晚餐作为画家、雕塑家、工程师、建筑师、物理学家、生物学家与哲学家的—达·芬奇如果你只知道《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》，那你仅知道半个达·芬奇……列奥纳多·达·芬奇是意大利一位精力充沛、十分有名的律师和一位名叫卡塔玲娜的可爱的农家女郎的私生子。他于1452年生于佛罗伦萨和比萨之间的芬奇。他受他父亲的教育。他接连在佛罗伦萨、米兰与罗马宫庭服务。1519年死于法国，那时他是弗朗西斯一世的臣仆和朋友。达·芬奇幼年时表现异常的才智，使他的同辈与后辈都觉得他的确是一个出类拔萃的人物。他的秀美的人材，优雅的态度，更是锦上添花，增进了他的思想与品格的力量。他对各种知识无不研究，对于各种艺术无不擅长。他是画家、雕塑家、工程师、建筑师、物理学家、生物学家、哲学家，而且在每一学科里他都登峰造极。达·芬奇认为真正的科学是从观察开始的；虽然如果运用数学的推理，可以达到更大的确实性，但是“科学如果不是从实验中产生并以一种清晰实验结果，便是毫无用处、充满谬误的，因为实验乃是确实性之母”。在他看来，对于自然界的观察和实验，是科学的独一无二的真方法。达·芬奇是从实用方面接近科学的。为了满足他的各种技艺的需要，他才去做实验，晚年时他对知识的渴求竟胜过对艺术的爱好，他作为画家，因而不能不研究光学的定律，眼睛的构造，人体解剖的细节以及鸟雀的飞翔。他作为军用及军事工程师，因而不能不正视一些只有了解动力学和静力学的原理才能解决的问题。达·芬奇当时已预见到后来由伽利略加以实验证明的惯性原理。他写道：“凡是感官可以觉察的东西都不能自己运动……每一物体在其运动的方向上都有一个重量。”他知道落体的速度随时间而增加，虽然他没有找出落体经过的空间与时间之间的确切关系。他还重新发现了阿基米得的液体压力的概念；他证明在连通器中液体面有相同的高度，如以不同的液体装入两管之内，其高度与液体的密度成反比例。他还研究过流体力学：水通过注孔的射流，沟道内的水流，以及波浪在水面的传播等。他从水上波谈到空气里的波以及声音的定律，并且认识到光也有许多类似的现象，因而波的理论也可应用于光。像的反射很象声音的反射，反射角等于入射角，同把球掷向墙壁时所发生的情况一样。达·芬奇的许多思想被保留下来，促进了后来科学的新发展。二、哥白尼革命文艺复兴以后，科学观点的第一次重大改变，是尼古拉·哥白尼完成的。他是数学家和天文学家。哥白尼Copernicus（1473-1543）哥白尼所提出的日心说挑战了托勒密的地球中心说，动摇了人类中心说的坚固地位。这场观念革命是人类思想史上关于宇宙概念以及人与宇宙关系概念的一次重大转型，是近代自然科学诞生的重要标志。哥白尼1473年出生于波兰的托伦。18岁考入克拉科夫大学（Cracow），对数学和天文学表现出浓厚的兴趣，开始收集资料。1496年到波伦亚大学学习教会法，1501年在帕多瓦大学学习。在获得博士法学博士学位后转向医学。在意大利期间受到了文艺复兴运动的熏陶。1506年，回到家乡后把行医作为自己的日常职责之一。1、托勒密的地球中心说的坚固地位在哥白尼生活的时代，在观察所要求的精确度范围以内，托勒密的地球中心说用来解释事实是相当成功的。从几何学的观点看，这个学说的唯一弱点是它的均轮与本轮的繁复性。可是在这个学说背后，有两大支柱：一是常识的感觉。一般人以为大地在他们的脚下是静止不动的（大地是万物向它坠落的坚实不动的基础），虽然有些人也想象它是浮在宇宙中心的球。一是亚里士多德的权威。亚里士多德(Aristotle,384-322BC2、哥白尼必须维护两个命题⑴埃克番达斯关于地球绕自己的轴周日自转的主张；⑵阿利斯塔克关于地球绕太阳周年公转的主张。3、来自科学与宗教两方面的反对如果地球围绕自己的轴旋转，向上抛出的物体下落时岂不要落在抛出点的西面吗？松动的物体不是会飞出地面，而地球本身不是会有分裂的危险吗？地球既然绕太阳运行，那么恒星如果不是遥远到荒谬的地步的话，恒星间相互位置看起来不是会变动不定吗？要对付当时认为完全合理的这些论据，并提出一个相反的理论，不但需要有极大的独创才能，而且需要有某种哲学观点为，以便为自己的学说辩护。当时，亚里士多德的经院哲学独霸思想界已达一个世纪，在阿尔匹斯山以北，只有奥卡姆的唯名论是它的有力对手；但柏拉图的唯心主义的唯实论，特别是经圣奥古斯丁解释的，还在意大利存留着。另一方面，在新柏拉图主义里面，有浓厚的毕达哥拉斯成分，它喜欢用数的神秘谐和或单位空间的几何学安排去解释宇宙。因此，毕达哥拉斯派和新柏图派总是要在自然界中寻找数学关系，关系越简单，从数学上看来就越好，因而也就越接近自然。因此，虽然毕达哥拉斯本人认为地球是围绕一团中央火运行的，但是，对于文艺复兴时期的科学来说，还存在着形而上学的成分。在十五、十六世纪，当人心被新旧思潮所激动的时候，具有这种毕达哥拉斯成分的柏拉图主义又在意大利复活了。当时的一些学者教人用数学去解释世界，哥白尼的老师诺瓦腊批评托勒密体系太繁复，不合于数学谐和的原理。4、哥白尼是如何思考的？哥白尼仔细研究过他所找得到的一切哲学家的著作，并发现：“据西塞罗说，希塞塔斯认为大地是动的……普卢塔克说，有某些别的人也持有同样的见解。……当我从这里觉到这种可能的时候，我自己也开始思考大地的运动了。……经过长久的多次的观察之后，我最后发现，如果除了地球的自转之外把其他行星的运动也考虑在内，并计算出其他行星的公转和地球的公转，我们就不但可以由此推出其他行星的现象，而且还可以把所有的行星、天体以及天本身的次序与大小都联系起来，以致在任何一个部分里，改变一件东西，就必然要在其他部分及整个宇宙中造成混乱。因为这个缘故……我愿意采纳这个体系。”E.A.Burtt,MetaphysicalFoundationsofModernScience,p.37在所有行星的中心居住着太阳，在这个位置它可以一瞬间照亮整个宇宙。对于这个最壮丽的神殿，谁能将这盏明灯安放到另外或更好的地方？—哥白尼《天球运行论》（1543）Ⅰ恒星天层。Ⅱ土星，三十年一转。Ⅲ木星，十二年一转。Ⅳ火星，二年一转。Ⅴ地球带着月球，一年一转。Ⅵ金星，九月一转。Ⅶ水星，八十天一转。中心是太阳。5、哥白尼的宇宙理论“首先，存在着包罗它自身及万物的由恒星组成的天球，因为这个缘故，它是不动的；事实上它是宇宙的间架，别的一切星星的位置与运动都是对它而言的。虽然有人以为它以某种方式运动，但我们认为，它看起来好象在运动的另一原因就在于我们的地动说。在运动着的天体中，第一是土星，三十年绕日一周。其次是木星，十二年一周。再次是火星，两年一周。第四是每年一周的轨道，我们说过其中包含地球，加上本轮式的月球轨道。第五是金星，九个月一周。水星占第六位，八十天一周。处在这些行星中间的是太阳。在这极美丽的庙堂中，谁能把这个火炬放在更好的地位，使它的光明同时照到整个体系呢？有人把太阳叫做宇宙的灯，有人叫做宇宙的心，更有人叫做宇宙的统治者，都没有什么不适当。……因为，太阳就坐在皇帝宝座上，管理着周围的恒星家族。……这样，我们就发现在这样有秩序的安排下，宇宙里有一种奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的谐和关系。这样的情形是用别的方法达不到的。”－－《天体运动论》Eng.trans.W.C.D.andM.D.Whetham,ReadingsintheLiteratureofScience,Cambridge,1924,p.13可见，哥白尼心中最重要的问题是：行星应该怎样运动，才会产生最简单而最谐和的天体几何学。他接受了古人的见解，恒星固定在一个天球上面，但有某种证据表明外面的圆周是指向同无限空间搭间的天球里面的凹面。哥白尼认识到他把行星运动的座标参照系由地球移到恒星上去了。这就牵涉到物理上和数学上的一场革命，而且足以摧毁亚里士多德的物理学和天文学。托勒密认为地球如果在动就会分裂成碎片，哥白尼答辩说，天球如果在运行，分裂的危险更大，因为它的周边更长，因此如果它运转的话，速度一定更快。这是一个物理推论。但哥白尼着重的是数学的谐和。他恳求数学家接受他的见解，因为他的体系比托勒密所说的均轮和本轮，即天体围绕地球运行时遵循的均轮和本轮简单得多。6、哥白尼：革新者？保守者？哥白尼的目的并不是要推翻旧的希腊天文学体系，而是要恢复那个体系的本来面目：如何将匀速圆周运动和古代传统更好的统一起来。哥白尼（1473-1543）7、是胆怯的革命者吗？1514年，《要释》（Commentariolus)1540年，《摘要》（Narratioprima）1543年，《天球运行论》（DeRevolutionibusOrbiumCoelestium,LibriVI)注意：orbium不是天体，而是带动可见天体的看不见的球！这是古代希腊的宇宙观念，仍然被哥白尼以及他同时代的人所接受。1543年5月24日，当一本刚印好的《天球运行论》送到哥白尼的病榻上时，他已经是奄奄一息了，他抚摸着这部凝结自己毕生心血的著作，几个小时后就与世长辞了。四个九年！……当我把这些情况都仔细斟酌的时候，害怕我的论点由于新奇和难于理解而被人蔑视，这几乎迫使我完全放弃我已经着手进行的工作。……在我把此书埋藏在我的论文中，并且埋藏了不是九年，而是第四个九年后，他反复鼓励我，又是甚至夹带责难，急切敦促我出版这部著作，并让它公诸于世。8、姗姗来迟的胜利哥白尼体系的胜利是姗姗来迟的。当时，有少数数学家的接受了这一体系，并作了一个重大的改进，用布有恒星的无限空间，去代替不动的恒星天球。但是，一直到伽利略把他新发明的望远镜指向天空，发现木星及其卫星，好象是一个缩小的太阳系的时候，哥白尼的理论才名声大著。9、意义哥白尼教人用新的眼光去观察世界。地球从宇宙的中心降到行星之一的较低地位。这样一个改变不一定意味着把人类从万物之灵的高傲地位贬降下来，但却肯定使人对于那个信念的可靠性发生怀疑。因此，哥白尼的天文学不但把经院学派纳入自己体系内的托勒密的学说摧毁了，而且还在更重要的方面影响了人们的思想与信仰。10、来自宗教的反对！“人们正在注意一个突然发迹的天文学家，他力图证明是地球在旋转，而不是日、月、星辰诸天在旋转。……这个蠢材竟想把整个天文学连底都翻过来，可是《圣经》明白写着，约书亚喝令停止不动的是太阳，而不是地球。”—马丁·路德11、哥白尼学说的殉道者－布鲁诺布鲁诺赞成哥白尼的见解，而其时比较谨慎的哲学家都敬而远之。布鲁诺也相信宇宙是无限的，而星星则散布于无尽的空间中。布鲁诺也是热忱的泛神论者，公开攻击一切正统的信仰。他受到了教会法庭的审判，不是为了他的科学，而是由于他的哲学，由于他热中于宗教改革，他于1600年被教庭烧死。乔尔丹诺·布鲁诺（1548-1600）《论无限的宇宙和多世界》十七世纪的物理学发展：开普勒、伽利略和牛顿一、第谷与开普勒二、伽利略三、牛顿的综合一、第谷与开普勒哥白尼的学说在天文学上引起了一场观念革命，事实上在一般科学思想上，也引起一场革命