科学史领域的不朽名篇:《牛顿综合的意义》
牛顿综合的意义
亚历山大·柯瓦雷著
张卜天译
选自《牛顿研究》
[1] 关于牛顿科学工作最优秀的一般性论著仍然是F. Rosenberger, I. Newton und seine physikalischen Principien [牛顿及其物理学原理] (Leipzig, 1895)。也可参见H. W. Turnbull, The Mathematical Discoveries of Newton [牛顿的数学发现] (London: Blackie, 1945);S. I. Vavilov, Isaac Newton [艾萨克·牛顿] (Moscow: Akademiia Nauk, 1943), German translation(Berlin: Akademie-Verlag, 1951);以及I. B. Cohen, Franklin and Newton [富兰克林与牛顿] (Philadelphia: The American Philosophical Society, 1956)。牛顿最出色的传记是L. T. More, Isaac Newton [艾萨克·牛顿] (New York and London: Scribner, 1934)。
[2] 用晶体和水滴来产生谱色,以及随之发展出来的彩虹理论,有着一段相当长的历史与历史背景,它可以从中世纪一直追溯到古代。十七世纪对它进行研究的著作主要有:Marcus Antonius de Dominis, De radiis visus et lucis in vitris perspectivis et iride tractatus[论透视镜中的可视与可见半径及论海潮](Venice, 1611);Descartes, Discours de la méthode [方法谈] (Leiden, 1637)后面所附的“Dioptrique”[屈光学]和“Météores”[气象学], Marcus Marci, Thaumanthias, liber de arcu coelesti deque colorum apparentium natura[关于天弧(彩虹)及其表面颜色的本性](Prague, 1648);F. M. Grimaldi, Physico-mathesis de lumine, coloribus et iride [关于光、色与潮的物理数学探讨](Bologna, 1665);特别是Robert Boyle, Experiments and Considerations Upon Colours [关于颜色的实验和思考](London, 1664)和Robert Hooke, Micrographia: or some Physiological Descriptions of Minute Bodies made by Magnifying Glasses [显微术] (London, 1665)。牛顿的功劳并不是发现这些现象,而在于(1)把精确的测量应用于他的研究,(2)把谱色解释成白光被棱镜分解(且重新组成)为各单色光,而不是像此前所认为的,是白光在通过棱镜时发生了质的改变。关于这个问题的历史,可以参见Vasco Ronchi, Storia della luce [光的历史] (Bologna: Zaichelli, 1939; 2nd ed., 1952) 以及Roberto Savelli, “Grimaldi e la rifrazione,” [格里马尔迪与折射] Cesalpina, 1951。
[3] 运动定律的发现归功于伽利略和笛卡尔。参见我的Études galiléennes [伽利略研究] (Paris: Hermann, 1939);还可参见R. Dugas, Histoire de la mécanique [力学史] (Paris: Éditions Dunod, 1950)和 La Mécanique au XVIIe siècle [十七世纪的力学] (Paris: Éditions Dunod, 1954),以及 A. R. Hall, The Scientific Revolution [科学的革命] (London: Longmans, Green, 1954)。
[4] 今天没有人会怀疑莱布尼茨发明微积分的完全的独立性;也从未有人怀疑过莱布尼茨发展的符号体系的优越性。参见H. G. Zeuthen, Die Geschichte der Mathematik im XVI. and XVII. Jahrhundert [十六、十七世纪数学史] (Leipzig: Teubner, 1903);C. B. Boyer, The Concepts of the Calculus [微积分概念史] (Columbia University Press, 1939; 2nd ed., New York: Hafner, 1949)。因此注意到下面这一点是很有趣的,阿达玛教授曾经认为莱布尼茨的体系逊于牛顿的体系就像“微分”的概念逊于“流数”的概念一样。参见Jacques Hadamard, “Newton and the Infinitesimal Calculus,” [牛顿与无穷小演算] in the Royal Society of London, Newton Tercentenary Celebration [牛顿三百周年文集] (Cambridge, England: University Press, 1947), pp. 35-42。
[5] 无穷小演算(infinitesimal calculus)是微积分(differential and integral calculus,或简称calculus)的旧名。——译注
[6] cosmos是指和谐、有序、结成整体的宇宙概念。——译注
[7] 参见我的“Galileo and the Scientific Revolution of the Seventeenth Century”[伽利略与十七世纪科学革命], Philosophical Review 52 (1943), 333-348。
[8] 哲学家们经常容易错误地判断其同时代哲学的地位,(当考察过去时)他们往往会忘记哲学的(和宗教的)的学说与其说是在表达,不如说是在反对当时流行的趋势。
[9] 关于近代科学兴起的心理社会学解释,通常是两种毫不等价的理论的混合体:(1)近代科学是十六、十七世纪技术发展的衍生物;它是由技术专家,民间的特别是军事的工程师(莱奥纳多,斯泰里努斯),由于威尼斯军械库的工匠等等创造的;(2)近代科学是由于随着工艺学日益增长的重要性,以及十六、十七世纪资产阶级的不断壮大,一些科学家开始思考从阿基米德时代就一直被忽略了的问题而产生的。在我看来,这两种理论都缺少以下几点内容:(1)对纯数学理论的兴趣在导致——并被保持下去——希腊科学再发现的过程中所扮演的角色;(2)天文学研究压倒一切的重要性及其独立的发展,它主要是由对宇宙结构的纯理论兴趣所推动的,相比之下,那些实际的需要,比如确定海上的经度等等所起的作用则要小得多。再有,他们忘记了数学家和天文学家(更不用说实验物理学家)同神学家和律师一样(甚至有过之而无不及)也需要钱,因此他们很可能故意去强调自己工作的实用价值,以把他们的科学“卖给”那些富有但却无知的赞助人。这种宣传手段绝不只是二十世纪的特色,它从十六世纪就开始了。培根主要是由于作为一个宣传家的技巧和效果(运用面部肌肉的能力),才使自己在十七、十八世纪的科学家中流行的。关于心理社会学(马克思主义者和半马克思主义者)理论的最好文献可以参见:F. Borkenau, Der Uebergang vom feudalen zum bürgerlichen Weltbild [从封建的世界观到资产阶级世界观的转变] (Paris: Alcan, 1934); B. Hessen, “The Social and Economic Roots of Newton’s Principia,” [牛顿《原理》的社会和经济根源] in Science at the Cross-roads [十字路口的科学]: Papers Presented to the International Congress of the History of Science and Technology Held in London, 1931, by the delegates of the U.S.S.R.(London: Kniga, 1931);以及E. Zilsel, “The Sociological Roots of Science,” [科学的社会学根源] American Journal of Sociology 47(1942), 544-562。关于对它的批评,参见G. N. Clark, Science and Social Welfare in the Age of Newton [牛顿时期的科学与社会状况] (London: Oxford University Press, 2nd ed., 1949); H. Grossmann, “Die gesellschaftlichen Grundlagen der mechanistischen Philosophie und die Manufaktur,” [机械论哲学的社会基础与生产者] Zeitschrift für Sozialforschung, 1935, pp. 161 sq。也可参见P. M. Schuhl, Machinisme et philosophie [机械论与哲学] (Paris: Presses Universitaires de France, 1938; 2nd ed., 1947),以及我的论文“Les Philosophes et la machine,” [哲学家与机器] Critique 23(1948), 324-333 and 27: 610-629;以及“Du monde de l’à peu près à l’univers de la prècision,” [从大概的世界到精确的世界] Critique 28(1948), 806-823, reprinted in Études d’histoire de la pensée philosophique(Paris: Armond Colin, 1961)。
[10] 正如我们所要看到的,牛顿的科学,或者至少是牛顿的世界观,断言了世界(太阳系)的目的论特征,但它不是从一个目的来导出世界的特征的。开普勒仍然沿用了这种解释方式。
[11] 空间的几何化必定隐含着空间的无限化,因为我们不能给欧几里得空间设定界限。相应地,秩序的瓦解可以被描绘成——M. Nicolson小姐的说法——“圆的打碎”,或者——我自己的描述——“冲破天球”。
[12] 参见我的Études galiéennes和 “Galileo and Plato” [伽利略与柏拉图], Journal of the History of Ideas 4 (1943), 400-428, reprinted in Philip Wiener and Aaron Noland, eds., Roots of Scientific Thought(New York: Basic Books, 1957)。
[13] 常有人说,近代科学的特征是放弃对原因的寻求,而只限于用定律去解释自然。然而,正如P. Duhem, ΣΩΖΕΙΝ ΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ, Essai sur la notion de la théorie physique de Platon à Galilée[拯救现象:论从柏拉图到伽利略的物理理论观念](Paris: Hermann, 1908), La Théorie physique: Son object, sa structure [物理理论的目的与结构](Paris: Chevalier and Rivière, 1906)所表明的,这种“实证论的”态度绝非在近代才产生,它在古希腊和中世纪的天文学与哲学中都有广泛的论述,托勒密体系中的圆、偏心圆、本轮往往被当作纯粹的数学工具而非物理实在。中世纪时期提倡此观点的主要是阿维罗伊;至于托勒密自己,则似乎在其《至大论》(Almagestum,Mathematical Syntax)中采纳了这种观点,尽管在《关于行星的假说》(Hypotheses of the planets)中还没有。另一方面,正如E. Meyerson, Identité et realité [同一与实在](Paris: Vrin, 5th ed., 1951), trans. Kate Loewenberg as Identity and Reality(New York: Dover, 1962)与De l’explication dans les sciences [科学中的解释] (Paris: Payot, 1921)中令人信服地表明的那样,这种抛弃从来都只是暂时的,科学思想总是试图透过定律到达其背后去找出现象的“产生机制”。我可以补充的是,一方面正是由于对天体运动的因果律的寻求,才使开普勒开创了被称为天的物理学的“新天文学”,而另一方面,正是由于缺乏重力理论,才导致伽利略错误地把引力当成了一种恒常的力。
[14] 因而牛顿的《光学》否认光透过棱镜时会发生任何质的改变。棱镜只是相当于一个把混合物分离开的筛子,它把白光分解成几种不同的光线,其实它们在混合的白光中就是这样。按照牛顿的说法,棱镜实验就像每个好的实验一样,它揭示了某种早已在那的东西,而没有产生任何新的东西。
[15] De revolutionibus orbium coelestium [论天球的旋转] (Nuremberg, 1543)。
[16] 前两条定律在Astronomia nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΟΓΗΤΟΣ sive physica coelestis tradita commentariies de motibus stellae martis [新天文学] (1609)中;第三条定律在Harmonices mundi [世界的和谐] (Lincii, 1619)中。
[17] Sidereus nuncios [星际使者](Venice, 1610)。
[18] Dialogo … sopra i due massimi sistemi del mondo [两大世界体系的对话](Florence, 1632)和Discorsi e dimostrazioni intorno à due nuove scienze [两门新科学的对话] (Leiden, 1638)。
[19] Discours de la méthode pour bien conduire sa raison et chercher la verité dans les sciences [方法谈] (Leiden, 1637)与 Principia philosophiae [哲学原理] (Amsterdam, 1644);但在1629与1630年他未发表的“Monde ou traité de la lumière”[论世界或论光]中已经出现了。
[20] 参见我的Études galiéennes。
[21] 因此,运动可以独自存留(sua sponte)——就像静止一样——它不需要一个内或外的动力或原因就可以持续。相应地,运动保持不变——因为变化隐含着原因——也就是说在同一方向保持同样的速度;正是对于这种运动——直线的和不变的——牛顿才用了“惯性的”这个术语;参见第三篇,“牛顿与笛卡尔”。“惯性”这个术语起源于开普勒,他赋予了它“对变化的抵抗”的含义。于是对开普勒来说,运动是一种变化,惯性就是对运动的抵抗;而对牛顿来说,运动不再是变化,惯性也成了对(正的或负的)加速度以及方向变化的抵抗之力。
[22] 笛卡尔曾明确地(expressis verbis)断言直线运动与静止的等价性。在牛顿的物理学中,相对运动和静止是等价的,而绝对运动和静止当然是不等价的。不幸的是,它们至少对我们来说还是不可区分的,如果对上帝而言不是这样的话。
[23] Issac Newton, Philosophiae naturalis principia mathematica, axiomata sive leges motus, Lex I [自然哲学的数学原理,运动公理或定律,定律一]。按照这条定律,运动是一种状态,加速度则是一种变化。圆周运动之所以是一种加速运动,是因为它暗含了方向的连续变化,因此很容易与静止相区别。马赫在他那部著名的牛顿批判著作中似乎忽视了这个简单的事实;参见The science of Mechanics [发展中的力学], trans. T. J. McCormack(La Salle, Illinois: Open Court, 1942), pp. 276-285。
[24] 参见Hadamard, “Newton and the Infinitesimal Calculus,”以及Boyer, The concepts of the Calculus。
[25] Zeuthen, Die Geschichte der Mathematik im XVI. und XVII. Jahrhundert; L. Brunschvicg, Les Étapes de la philosophie mathématique [数学哲学的发展] (Paris: Alcan, 1912)。
[26] 这段名言不是牛顿的发明,而是可以追溯到中世纪的夏特尔的贝纳尔,而且在十六、十七世纪也都被使用过。参见第五篇,第227页,注释3。
[27] 参见K. Lasswitz, Geschichte der Atomistik [原子论史] (Leipzig, 1890), vol. II; R. Lenoble, Mersenne et la naissance du mécanisme [梅森与机械论的诞生] (Paris: Vrin, 1943); Marie Boas, “The Establishment of the Mechanical Philosophy,” [力学哲学的建立] Osiris 10 (1952), 412-541,以及E. J. Dijksterhuis, Die Mechanisierung des Weltbides [世界图景的机械化] (Berlin: Springer, 1956), trans. C. Dikshoorn as The Mechanization of the World Picture(Oxford: Clarendon Press, 1961)。
[28] 关于牛顿的空间观念,参见Léon Bloch, La Philosophie de Newton [牛顿的哲学] (Paris: Alcan, 1908);E. A. Burtt, The Metaphysical Foundations of Modern Physical Science [近代物理科学的形而上学基础] (London: Kegan Paul, 1925; 2nd ed., 1932);Hélène Metzger, Attraction universelle et religion naturelle chez quelques commentateurs anglais de Newton [万有引力与自然宗教] (Paris: Hermann, 1938);也可参见Max Jammer, Concepts of Space [空间概念的发展] (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1954);Markus Fierz, “Ueber den Ursprung und die Bedeutung der Lehre Isaac Newtons vom absoluten Raum,” [论牛顿绝对空间理论的起源与意义] Gesnerus 11 (1954), 62-120;以及我的From the Closed World to the Infinite Universe [从封闭世界到无限宇宙] (Baltimore: Johns Hopkins Press, 1957)。还可参见A. J. Snow, Matter and Gravity in Newton’s Physical Philosophy [牛顿物理哲学中的物质与引力] (New York: Oxford University Press, 1926), 以及Stephen E. Toulmin, “Criticism in the History of Science: Newton on Absolute Space, Time and Motion,” [科学史批判:牛顿论绝对空间、时间与运动] The Philosophical Review(1959)。对牛顿而言(也对H. 莫尔或布雷德沃丁而言),或许可以这么说,空间是上帝在场与活动的永恒领地——它不仅是其感觉中枢(sensorium),而且也是其行为中枢(actorium)。
[29] 准确地说,我也应当提及斥力,它使微粒得以分离而不致集聚成团。然而,这些斥力是短程力,虽然它们在物理学中非常重要,但只要没有被用于建构一种以太理论,即“解释”以太是怎样作用于物体而产生引力的,那么它对于宇宙的建造就没有任何作用。参见第三篇的附录A和附录B。
[30] 事实上,它两者都是,即一种按照严格的数学定律起作用的超自然力量。
[31] 按照波斯考维奇的说法,中心力的物理学必然包含了一种物质的原子结构,即使物质被简化成点也是如此。
[32] 笛卡尔对引力概念的批评是他在攻击罗贝瓦尔时作出的。罗贝瓦尔曾在其Aristarchi Sami De mundi systemate partibus motibus eiusdem libellus cum notis. Addictae sunt Æ P. de Roberval notae in eundem libellum [萨莫斯的阿里斯塔克的世界体系] (Paris, 1644) 中断言了万有引力,梅森又在其Novarum observationum physico-mathematicarum [数学物理学的新观察] (Paris, 1644), vol. III中重新提及。笛卡尔指出(参见他1646年4月20日致梅森的信,Oeuvres [笛卡尔全集], ed. C. Adam and P. Tannery [Paris, 1897-1913], IV, 401),为了吸引物体B,物体A应当知道在那里才能找到它。换句话说,引力包含着泛神论(这一点吉尔伯特与罗贝瓦尔都认识到了,但未把它当成反对的理由)。
[33] 《哲学书简》最初是用英文出版的,标题是Letters Concerning the English Nation(London, 1733);后用法文出版,标题是Lettres philosophiques par M. de. Voltaire(Amsterdam [in fact Rouen, by Jore], 1734)和Lettres écrites de Londres sur les anglais par M. de Voltaire(Basel [in fact London], 1734)。后来在伏尔泰的修订下又出了许多版本。参见G. Lanson为这些书信的校勘版所作的导言:Lettres philosophiques, 2 vols.(Paris: Cornely, 1909; 3rd ed., 1924)。关于伏尔泰与牛顿,参见Bloch, La Philosophie de Newton [牛顿的哲学];Pierre Brunet, L’Introduction des théories de Newton en France [牛顿理论在法国的引进] (Paris: Blanchard, 1931), vol. I;以及R. Dugas, Histoire de la mécanique au XVII siècle [十七世纪力学史](Paris: Dunod Éditeur, 1954)。
众所周知,就像惠更斯对洛克的影响一样,伏尔泰是被莫泊丢变成一个牛顿主义者的,莫泊丢使他确信牛顿的引力哲学是正确的。莫泊丢甚至同意仔细阅读书信中的有关笛卡尔与牛顿的部分(第14封信与第15封信)。关于莫泊丢,参见Pierre Brunet, Maupertuis [莫泊丢] (Paris: Blanchard, 1929)。
[34] 参见letter XIV, Lanson edition, II, 1。
[35] 不仅天上的空间是空荡荡的,甚至是所谓的“固体”中也都充满了虚空。构成它们的微粒绝不是紧紧堆在一起,而是被虚空彼此隔开的。从本特利开始的信奉牛顿学说的人,都对指出“物质”实际上只占据空间中无限小的部分而倍感骄傲与欢乐。
[36] 按照牛顿的说法,只有这些微粒的引力才是真实的,无论它们到底是什么。它们的合力绝不是真实的力,而只是“数学的”力。因此,不是地球在吸引月球,而是地球上的每一微粒都去吸引月球上的每一微粒,这样产生的整体的引力只是一种数学的存在。
[37] 有一个经常被世代历史学家视作传说的著名故事说,牛顿关于引力的思想是由苹果落地所引发的。现在看来,这种说法似乎是完全真实的,佩尔塞尼尔在“La Pomme de Newton,” [牛顿的苹果] Ciel et terre 53(1937), 190-193中令人信服地证明了这一点。也可参见I. B. Cohen, “Authenticity of Scientific Anecdotes,” [科学逸事的真实性] Nature 157(1946), 196-197以及D. McKie and G. R. de Beer, “Newton’s Apple,” [牛顿的苹果] Notes and Records of the Royal Society 9(1951-52), 46-54, 333-335。
[38] 引力大小与距离的平方成反比的定律,是唯一可能把地球对苹果的吸引与对月球的吸引直接进行对比的定律,因为只有这样,地球或一个球体对外部物体的吸引才可以被视作好像质量都集中于球心,而不管它们之间的距离为多少。当然,它与另外一条定律,即引力大小与距离成正比的定律都有同样的数学性质,但由于在这种情况下,所有的天体都会同时结束它们的圆周运动,因此,这显然不是我们这个世界中的定律。
[39] 如果一种性质不能被增加也不能被减少,那么它就属于事物的本质属性。
[40] 事实上,他曾经——三次——试图用以太的压力来解释引力。参见Philip E. B. Jourdain, “Newton’s Hypotheses of Ether and Gravitation,” [牛顿关于以太和引力的假说] The Monist 25(1915)。
[41] 在《原理》第二版的“总释”中的那句著名的“我不杜撰假说”,并不意味着蔑视科学中的所有假说,而仅仅是针对那些不能被用数学处理的实验证明或否证的假说而言的,尤其是笛卡尔曾经试图作的那种整体上的质的解释。在牛顿那里,这句话的轻蔑意味与非轻蔑意味并存(在《原理》第一版中,运动的公理或定律被称为假说),这肯定是他从巴罗和沃利斯,甚至是伽利略那里继承来的。
[42] 对于马勒伯朗士和洛克而言,一个物体对另一个物体的所有作用——对运动的传递——都是不可理解的。
[43] 参见Brunet, L’Introduction des théories de Newton en France, vol. I。
[44] J. T. Desaguliers, Physicomechanical Lectures [物理力学讲演录] (London, 1717), in French translation(Paris, 1717);A System of Experimental Philosophy [实验哲学体系] (London, 1719);A Course of Experimental Philosophy [实验哲学教程] (London, 1725;2nd ed. In 2 vols., London, 1744-1745);W. J. s’Gravesande, Physices elementa mathematica experimentis confirmata, sive introductio ad philosophiam Newtonianam [物理学纲要], 2 vols.(Leiden, 1720-1721);Philosophiae Newtonianae institutions [牛顿哲学教程] (Leiden, 1728);Éléments de physique ou introduction à la philosophie de Newton [物理学纲要或牛顿哲学导论] (Paris, 1747);Petrus Musschenbroek, Epitome elementorum physicomathematicorum [物理学数学原理精要] (Leiden, 1726);Elementa physics [物理学纲要] (Leiden, 1734)。参见Pierre Brunet, Les Physiciens hollandais et la méthode expérimentale en France au XVIII siècle [荷兰物理学家与十八世纪法国的实验方法] (Paris: Blanchard, 1926)。
[45] 所有这些书,如果它不是用法文写的,就会马上被译成法文,以使欧洲所有有教养的人学习。
[46] 在伏尔泰和孔多塞看来,洛克与牛顿代表着哲学和科学的顶峰。
[47] 有一段流传很广的故事说,洛比达曾经——很严肃地——问道,是否牛顿也像其他凡人那样进食与睡眠。
[48] “Isaac Newton, and Ode,” [艾艾萨克·牛顿与赞颂] trans. Leon J. Richardson in Sir Isaac Newton’s Mathematical Principles of Natural Philosophy, trans. Andrew Motte, ed. Florian Cajori(Berkeley: University of California Press, 1947), p. xv.
[49] 在我看来,牛顿一定会得出结论说,对引力作纯机械的解释是绝对不可能的,因为若是如此,他只好假设另一种力——没有引力那么尴尬,但仍是非机械的——即斥力的存在。
[50] 于是(参见第15页,注释1),一个物体作用于另一个物体的整体效应就是原子作用的总和。
[51] 关于“哲学思考的规则”,参见第六篇。
[52] Newton, Mathematical Principles of Natural Philosophy, Book I, Theorem IV, Corr. 3-7。
[53] 参见Metzger, Attraction universelle以及John H. Randall, The Making of the Modern Mind [近代心灵的构建](Boston: Houghton Mifflin, 2nd ed., 1940)。
[54] 在一个由绝对坚硬的微粒构成的世界里,必定会有能量的不断损失;因此,牛顿的上帝必须不仅提供初始能量,而且还要不断地补偿能量损失。自然地,最后他只不过变成了一个修补匠。
[55] 十八世纪的乐观主义不仅可以在牛顿的世界观中,而且也可以在与之敌对的莱布尼茨的世界观中找到其哲学来源。更为重要的是,它只是基于社会、经济与科学的进步所带来的氛围中。十八世纪的生活是非常愉快的,而且至少在前半个世纪是有增无减。
[56] 当今的物理学被迫超越了解释的原子模式:总体不再等于部分之和,粒子不再能与其环境分割开,等等。
[57] 关于牛顿对化学的影响,参见Hélène Metzger, Newton, Stahl, Boerhaave et la doctrine chimique [牛顿、斯塔尔、布尔哈维与化学学说] (Paris: Alcan, 1930)。
[58] 参见Alfred North Whitehead, Science and the Modern World [科学与近代世界] (New York: Macmillan, 1925); Burtt, The Metaphysical Foundations of Modern Physical Science。