第16章机械自然观与科学方法论的确立

机械自然观与科学方法论的确立
近代科学诞生的主要标志，是建立了一套有别于古代和中世纪的自然观和方法论。

在17世纪行将结束的时候，这样一套崭新的自然观和方法论确实建立起了，而且在飞速增长的自然知识领域发挥作用。

它们就是机械自然观和实验－数学方法论。

近代的自然科学家和哲学家共同铸造了这个新的知识传统。

1，弗兰西斯•培根：知识就是力量
近代自然科学有别于中世纪知识传统的第一个特征就是注重实验。

在强调这种差别以及倡导实验方法方面，英国著名哲学家弗兰西斯•培根起到了引人注目的作用。

培根1561年出生于伦敦一个贵族家庭，父亲是伊丽莎白女王的掌玺大臣。

培根曾在剑桥三一学院学习法律，后来混入政界，学到了官场上的趋炎附势。

他仕途顺达，1584年进入议院，1601年开始受到女王的重用，1603年受封为男爵，1607年被新国王詹姆斯一世任命为副检察长，1613年就任检察总长，1618年成为大法官，1621年再封为子爵。

培根的事业达到了顶峰，但也到头了。

就在这一年，他被人控告受贿，从此断送了政治生涯。

以后五年，他埋头著书立说。

1626年在伦敦去世。

培根的一生道德上颇多污点，但以其出色的文笔写出了许多脍炙人口的散文。

这些文字批判经院哲学，宣传新的科学方法论，为促进人类的知识增长作出了积极的贡献。

1605年，培根发表《学术的进展》，为即将到来的科学时代而欢呼。

他高度评价印刷术、火药和指南针的发明，认为它们改变了整个世界的面貌。

他意识到科学技术将成为一种最重要的历史力量，因此高度赞扬科技发明，认为“在所能给予人类的一切利益中，我认为最伟大的莫过于发现新的技术、新的才能和以改善人类生活为目的的物品”。

“知识就是力量”这句名言就是在这样的背景下提出来的。

《学术的进展》出版以后，培根计划写一部巨著《伟大的复兴》。

全书将分六个部分：第一部分是导论，《学术的进展》可以充当；第二部分研究科学方法，1620年出版的《新工具》即属这一部分；第三部分是一部关于工匠学问和实验事实的百科全书；第四部分运用新方法说明第三部分所罗列的事实；第五部分讨论科学的历史；第六部分综合前面提出的假说和理论，建立新的自然哲学。

直到他去世，这部大著作也没有写出来。

1625年出版的《新大西岛》补充了他关于科学方法和科学组织的观点。

《新工具》是培根阐述他的科学方法论的主要著作。

在书中，培根批判了经院哲学所坚持的亚里士多德那一套科学推理程序，提出了自己的实验归纳方法论。

书名取为新工具，意在与亚里士多德的《工具篇》相左。

培根认为，经院哲学的学术传统完全丧失了与经验的接触，其思辨的方法充满了“难懂的术语”、“烦琐的推理”、“冗长的论述”、“故弄玄虚”和“空洞的结论”。

经院哲学家就象是蜘蛛织网那样，网丝和编织十分精细，但却是空洞的，毫无益处。

必须重视观察经验，自然的知识只有通过对事物有效地观察才能发现。

培根提出，正确的认识方法首先是不带偏见，可是人心中总是为种种偏见所纠缠。

他列举了四种“偶象”。

为整个人类所共有的偏见是“种族偶象”，比如相信“人的感觉是万物的尺度”、在任何事物中都看到一种目的、用拟人的方式解释自然现象等，都属于“种族偶象”；为个人所有的偏见是“洞穴偶象”，它
们大多是由于个人偏爱某个问题导致的，如培根同时代人吉尔伯特，只是因为对磁有强烈的兴趣，就试图建立一个以磁为统帅的自然哲学；由于运用语言产生的偏见是“市场偶象”，例如有些语词其实没有指称，但人们却误以为有一个真实存在的对应物；由于接受了特殊的思想体系而产生的偏见是“剧场偶象”，因为事实上，所有的思想体系都不过是一场戏剧，它们以一种不真实的布景方式重新表达世界。

正确的认识方法既不能是单纯的经验主义，象蚂蚁那样虽忙忙碌碌但没有目标，也不能是单纯的理性主义，象蜘蛛那样虽织工精巧但空洞无物。

必须将它们结合起来，象蜜蜂那样，从花园和田野里采集花朵，然后用自己的力量消化和处理它们。

培根主张，首先要尽量不带偏见的搜集事实，越多越好。

他相信如果他手里有比普林尼的《自然史》篇幅大6倍的《自然史》，他就完全能够给出一种新的正确自然哲学，解释自然界所有的现象。

为此，他特意开列了一张他认为值得研究的课题表，其中包括了130多个问题，请求英王詹姆斯一世颁布命令去搜集这方面的知识，但国王不感兴趣，只得作罢。

在占有了足够的经验事实后，首先必须分类和鉴别，然后是归纳。

培根给出科学研究的金字塔模型是：塔底是自然史和实验史的观察经验，往上是事实之间的关系；起初是偶然的关系，再后是稳定的关系，最后是内容丰富的相关性。

科学研究的方向是在金字塔里自下而上的方向。

培根的方法论基本上还是亚里士多德的那一套，他所批评亚氏的只是事实不够、归纳匆忙等，而在定性观察、按形式分类等方面与亚里士多德毫无二致。

培根反对假设演绎法，不重视数学在科学实验中的地位和作用，这使他对伽利略的科学工作毫无反应。

培根本人搜集了一些事实，但许多不太可靠；做了很少的实验，但没有得出什么有意义的结论。

最后一次关于雪能防腐的实验使他受寒，导致气管炎而身亡。

培根发明的有条理的归纳法在17世纪的数理科学中发挥不了什么作用，但在以后主要靠搜集资料得出结论的生物科学和地质科学中有用武之地。

培根在科学方法上的另一个重大贡献是，最先倡导有组织的集体协作研究。

在《新大西岛》一书中，他虚构了一个科学技术高度发达的国度。

这个国家由“所罗门宫”里的科学家进行管理，而所罗门宫是一个有组织的科学研究机构。

很显然，它是对未来科研机构的一个构想。

事实上，《新大西岛》出版后不到半个世纪，英国的实验科学家们便仿照所罗门宫成立了一个“无形学院”。

他们定期聚会讨论问题、交流最新研究成果。

1663年，无形学院被正式承认，成为著名的皇家学会。

培根由于本人并未投入当时的科学实践，精心设计的方法论也因不合时宜而未派上用场，但他的思想具有更为深远的意义。

他是科学实验的鼓动家，是未来科学时代的预言家。

著名科学史家迪克斯特惠斯说他在近代科学史上的作用，同希腊瘸腿诗人第泰尔斯相仿。

第泰尔斯自己不能打仗，但他的诗篇鼓舞了士兵英勇作战。

这个说法是很精辟的。

2，笛卡尔：我思故我在
在科学方法论上与培根形成对照的是笛卡尔的数学演绎方法，但与培根不同的是，笛卡尔在数学和力学上都做出了重要的开创性贡献，而且是机械自然观的第一个系统表述者。

他还被誉为近代哲学的开创者，因此其地位和重要性更为突出。

勒内•笛卡尔1596年3月31日出生于法国拉埃耶一个古老的贵族家庭，卡提修（Cartesius）是笛卡尔（Descartes）名字的拉丁化。

他从小体弱多病，但十分好学。

在耶稣会学院接受古典教育时，院长照顾他不必早起，这使他养成了早晨躺在床上思考问题的习惯。

1616年，笛卡尔厌倦了浪荡公子的生活，入伍参军。

此后数年，他相继在欧洲许多军队里当兵，还亲身经历了1620年的布拉格战役。

长期的行伍生涯也使笛卡尔感到疲惫，遂于1628年离开了军队来到荷兰，过着漂泊的生活。

无论是在热闹的军营还是在孤寂的公寓里，他都没有一刻停止过思索。

在荷兰期间，他集中精力做了大量的研究工作，于1634年写出了他的重要著作《论世界》。

书中总结了他在哲学、数学和诸多自然科学问题上的看法。

伽利略受审（1633年）的消息传来后，使他打消了出版该书的念头，因为书中赞成哥白尼的学说。

1637年，在朋友们的劝说下，他出版了《关于科学中正确运用理性和追求真理的方法论的谈话。

进而，关于这一方法的论文，屈光学、气象学、几何学》（简称《方法谈》），书中提出了他的数学方法论、他发明的解析几何以及他关于光学的一些研究成果。

1641年出版的《第一哲学沉思录》和1644年出版的《哲学原理》，进一步阐发了他的哲学体系。

1649年，瑞典女王克里斯蒂娜执意邀请他成为宫廷哲学家。

笛卡尔盛情难却，只好来到了斯德哥尔摩。

这里寒冷的气候对长年患气管炎的笛卡尔本来就十分不适，而偏偏这位刚腹自用的19岁的女王认为凌晨5点钟学习哲学最合适，笛卡尔不得不改变他一生睡懒觉的习惯，冒着严寒去王宫图书馆授课。

果然不久他就染上了肺炎，终于不治，于1650年2月11日在斯德哥尔摩去世。

1664年，他的《论世界》出版。

在《方法谈》中，笛卡尔提出了他的数学演绎方法论。

在他看来，培根的《新工具》强调知识来自经验是正确的，但他将科学推理的程序弄颠倒了。

经验诚然重要，但它面对的是十分复杂的对象，往往并不可靠，以它为基础进行推理很容易发生错误。

相反，演绎法不可能出错，只要其前提没有问题。

但是，如何才能得到一个真正可靠的前提呢？笛卡尔认为必须首先怀疑一切，然后在怀疑中找出那清楚明白、不证自明的东西。

他找到的第一个自明的前提是“我思”，因为什么都可以怀疑，但对我正在怀疑这件事不能怀疑。

怀疑即是我思，而我思意味着我在，因此，“我思故我在”是一个清楚明白的命题。

从这个命题出发，笛卡尔确认了上帝、外在世界的存在，提出物质－心灵的二元论：物质的本质属性是广延，心灵的本质属性是思维。

按照他的演绎推理方法，笛卡尔描画出了他的世界图景。

世界充满了物质，而物质就是连续的广延。

但我们眼前的世界分明到处是离散的物体，这是怎么回事呢？原来，物质处在不断的运动之中，而运动导致了局部的不均匀性。

笛卡尔曾经宣称：“给我广延和运动，我将造出这个世界”。

在他看来，整个世界处在一个巨大的旋涡运动之中。

通过演绎，笛卡尔还直接得出了运动的惯性原理：“静止的物体依然静止，运动的物体依然运动，除非有其他物体作用；惯性运动是直线运动”。

这条原理比伽利略通过实验所总结的定律更为明确更为普遍。

在《方法谈》中，笛卡尔还给出了机械自然观的基本论点。

“机械的”一词原义是“力学的”，但笛卡尔还赋予它另一层意思，即“可以用机械模型加以模仿的”。

在前一种意义上，笛卡尔是很彻底的机械论者。

他认为宇宙中无论天上还是地下，处处充满着同样的广延物质和运动。

他又将运动定义为位移运动即力学运动，提出了运动守恒原理，使宇宙处在永恒的机械运动之中。

在第二种意义上，笛卡尔也是一位很突出的机械论者。

他认为人造的机器与自然界中的物体没
有本质的差别，所不同的是，前者的每一部分都是我们很明确地看到的。

他相信，人体本质上是一架机器，它的机能均可以用力学加以解释。

笛卡尔在数学上的伟大贡献是发明了直角坐标系，这一发明将代数和几何统一了起来。

建立在直角坐标系基础上的解析几何将几何曲线与代数方程相联系，为数学的发展开辟了无限广阔的前景。

微积分出现可以说直接得益解析几何的建立。

笛卡尔这一天才的发明，最先发表在《方法谈》的附录《几何学》中。

在同一部书的另一附录《折光学》中，笛卡尔还用演绎法证明了光线折射的正弦定律。

笛卡尔不太重视实验，当然也谈不上在实验中引入定量分析。

他之重视数学，是因为数学是先天－演绎方法论的最好样版。

但是，靠着天才的直觉加上严密的数学推理，笛卡尔居然在物理学原理方面做出了有益的贡献。

他所构想的具体世界图景有许多是幼稚的，但他的机械论哲学却影响深远。

3，伽利略与牛顿的科学方法
真正代表近代科学方法论精神的既不是培根也不是笛卡尔，而是伽利略和牛顿。

伽利略最先倡导并实践实验加数学的方法，但是他所谓的实验并不是培根意义上的观察经验，而是理想化的实验。

地球上的任何力学实验都不能避免摩擦力的影响，但要认识基本的力学规律，首先要从观念上排除这种摩擦力。

这就需要全新的概念体系来支撑将做的实验，包括设计、实施和解释实验结果。

只有这种理想化的实验才可能与数学处理相配套。

伽利略的研究程序可以分为三个阶段：直观分解、数学演绎、实验证明。

面对着无比复杂的自然界，我们首先要通过直观隔离出一些标准样本，将这些样本完全翻译成数学上容易处理的量，然后由这些量通过数学演绎推出其他一些现象，再用实验来验证这些现象是否确实如此。

在伽利略的科学方法论中，第一步即直观分解相当重要。

它意味着将一个无比丰富复杂的感性自然界通过直观翻译成简单明了的数学世界，而这就是将自然数学化。

全部近代物理科学都是建立在自然的数学化基础之上的。

正是在这一点上，伽利略当之无愧地成为近代物理学之父。

牛顿的方法论集中载于《自然哲学的数学原理》一书的第三篇的开头，名为“哲学中的推理法则”，共有四条：
法则1，除那些真实而已足够说明其现象者外，不必去寻求自然界事物的其他原因。

法则2，对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。

法则3，物体的属性，凡既不能增强也不能减弱者，又为我们实验所能及的范围内的
一切物体所具有者，就应视为所有物体的普遍属性。

法则4，在实验哲学中，我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的，或者是非常接近于正确的；虽然可能想象出任何与之相反的假说，但是没有出现其他现象足以使之更为正确或者出现例外之前，仍然应当给与如此的对待。

牛顿的方法可以称之为“归纳－演绎”法，但是他完全不同意笛卡尔的先天－演绎法。

他认为，“虽然用归纳法来从实验和观察中进行论证不能算是普遍的结论，但它是事物的本性所许可的最好的论证方法，并且随着归纳的愈为普遍，这种论证看业也愈为有力。

”
因此他十分重视归纳，但这不意味着他忽视数学演绎，相反，他的公理法是构成牛顿力学体系的根本方法。

与从前的演绎法不同的是，牛顿认为演绎的结果必须重新诉诸实验确证。

可以看出，在伽利略和牛顿这样的近代科学大师那里，实验观察与数学演绎是十分紧密地结合在一起的。

4，伽桑狄、波义尔与原子论的复兴
希腊原子论者主张，世界是由肉眼看不见的不可再分的微粒即原子组成，原子的不同排列和组合形成了感性世界的丰富多样性。

这种将质的多样性还原为量的差异的原子论还原思想是与近代科学相吻合的。

然而，近代科学的先驱们一开始并未明确接受原子论思想。

伽利略虽然持有类似的想法，但很难说他是一个原子论者。

最早将古代原子论思想注入近代科学思想之中的是法国哲学家伽桑狄（1592－1655）。

他通过评介罗马著名的原子论哲学家伊璧鸠鲁而宣传原子论思想，而且最先尝试用原子论来解释托里拆利的真空实验，但他对原子的认识并未超过古人多少。

伽桑狄的著作影响了化学家波义尔，后者坚信的微粒哲学是原子论的第一个近代形式。

波义尔设想自然界的物质是由一些细小坚实、用物理方法不可分割的微粒所组成，这些微粒结合成更大的微粒团参与化学反应。

正是基于这一微粒哲学，波义尔才能对他做的每一化学实验作机械论的解释，而摒弃任何神秘主义。

原子论是机械自然观的一种具体形式，在17世纪它还不是一种科学理论。

科学的原子论直到19世纪才出现。

5，自然的数学化与机械自然观的确立
近代科学的显著特征是它的数学化，但它根源于自然的数学化。

哥白尼的宇宙体系只因比托勒密体系有着数学上的优越性，就激起了开普勒、伽利略等人为之辨护，最后导致了牛顿力学的诞生。

自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不移的真理，它也是机械自然观最重要的组成部分。

机械自然观作为一种全新的自然观，首先是与中世纪盛行的亚里士多德的自然观相对立的。

它主张，自然界并不是处处充满了形式和质，而是由质上完全同一的微粒所组成。

决定自然界物体千差万别的，是微粒量和空间排列的不同；运动不是物质属性的一般变化，而本质上是位置的改变；一切运动包括生物的生长不是受神秘的力的驱使，而是机械位移和机械碰撞的结果。

机械自然观还主张，科学的任务不是寻求最终的目的论的解释，而是对运动作出数学的描述；机械模型可以说明包括人体在内的一切自然事物；自然应该成为人类理性透彻研究的对象。

伽利略最早提出“第一性”与“第二性”之分。

物体的颜色、气味、声响等是第二性的东西，它们都依赖于人感官的参与，而广延、形状是第一性的东西，是物体的本质属性。

第一性质是纯粹的量，可以用数学来处理。

这个区分是自然数学化的基础，也是机械自然观的基础，因为正是将自然界完全还原为一个量的、数学的世界，质的东西才被抛置一边，自然界才表现出其机械性来。

笛卡尔第一次系统表述了机械自然观的基本思想：第一，自然与人是完全不同的两类东西，人是自然界的旁观者；第二，自然界中只有物质和运动，一切感性事物均由物质的运动造成；第三，所以的运动本质上都是机械位移运动；第四，宏观的感性事物由微观的物质微粒构成；第五，自然界一切物体包括人体都是某
种机械；第六，自然这部大机器是上帝制造的，而且一旦造好并给与第一推动就不再干预。

牛顿用自己的科学实践对笛卡尔的机械自然观作了一些局部的修改，例如，自然界中除了物质与运动外还有力的作用存在，但基本看法没有变化。

我们可以把机械自然观概括为四个方面：第一，人与自然相分离；第二，自然界的数学设计；第三，物理世界的还原论说明；第四，自然界与机器的类比。

机械自然观随着牛顿力学的建立而确立。

在近代生命科学中，它也取得了普遍的胜利。

血液循环理论的创立，就可以看成机械学在人体结构和功能方面的运用。