伽利略的原子论思想_近代科学革命的形而上学基础

伽利略的原子论思想
近代科学革命的形而上学基础*
杨敏姣 万小龙
(华中科技大学哲学系,湖北武汉 430074)
摘 要:伽利略通过消解亚里士多德物理学中不同质的对立进而从物理学的数学分析中达到他的原子论思想。

伽利略的原子论消除了天上与地上物质性的差异,使天文学上的物理陈述与数学陈述达成一致,为哥白尼天文学革命的实现提供了形而上学基础,同时,也为以数学和实验方法为特征的近代科学奠定了认识论与方法论基础。

关键词:伽利略原子论 亚里士多德物理学 托勒密天文学 哥白尼天文学
中图分类号 N09 文献标识码 A 文章编码 1000-0763(2012)05-0079-05
近代科学革命主要体现在天文学和物理学。

伽利略作为近代科学的奠基者,在他的科学中的方法论突破是创新的,并且,对于被普遍称为17和18世纪的 科学的革命 ,他的方法论的贡献是革命性的。

1 从他的主要著作中我们可以看出,在对物理学和天文学的论述中,以及在反驳中世纪晚期亚里士多德主义的论辩中,伽利略经常使用数学与实验的方法。

我们应该继续追问,在他的科学贡献和科学方法背后,作为其本体或者逻辑前提的形而上学基础是什么?这一基础又是如何形成的?它的产生对近代科学的发展产生了怎样的影响?由哥白尼天文学所引起的近代天文学革命是整个近代科学革命的先声,在这一意义上,哥白尼是近代科学革命的开创者。

然而,哥白尼革命最终得以实现的认识论与方法论基础则要归功于伽利略在原子论思想的基础上建立的物理学及其宇宙观。

本文通过对亚里士多德与托勒密天文学的比较,发现亚里士多德物理学与托勒密天文学在其内部并没有达成统一,并与当时革新的哥白尼天文学之间存在着根本的矛盾。

伽利略通过原子论消除了这一矛盾,使天文学上的物理陈述与数学陈述达成一致,为科学提供了形而上学基础,同时也为以数学和实验方法为特征的近代科学奠定了认识论与方法论基础。

一、亚里士多德宇宙论与托勒密天文学间的不协调
公元前四世纪开始,地球被认为是一个静止的球体,悬挂在一个携带恒星而转动的更大球体的几何中心。

太阳在地球和恒星天球之间的广大的空间中运动,在天球之外可以认为什么都没有。

这种 两球宇宙 的结构框架容纳了自公元前四世纪到哥白尼时代近两千年间的大量不同的天文学和宇宙论方案。

在古代,恒星和七颗行星被认为是天体的全部物体。

人们最早观察的 行星 是太阳,太阳复杂的螺旋形运动被分解为周日运动和一个同时沿黄道向东的运动。

其他六颗行星是月亮、水星、金星、火星、木星和
*基金项目:国家社会科学基金资助项目 量子信息中的哲学问题研究 (07JBZ0098)。

收稿日期 2011年5月5日
作者简介 杨敏姣(1980-)女,湖北武汉人,华中科技大学哲学系博士生,研究方向为科学哲学。

e-mail:yangmj94@yahoo.
万小龙(1964-)男,江苏常州人,华中科技大学哲学系教授,研究方向为量子力学哲学和科学哲学。

e-mail:hwanxl @
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土星,同太阳一样,这些行星都有与恒星一起的向西周日运动,又都在恒星中逐渐东移。

但除月亮和太阳以外,其它五颗行星都时不时被短暂的向西移动即 逆行 运动所打断。

为了说明行星运动的不规则性,希腊天文学家兼数学家阿波罗尼和西帕克斯发展了一套行星的数学机制,即本轮-均轮体系。

本轮-均轮体系能够定性地解释逆行、行星亮度的变化以及在黄道上相继两次旋转时间的变化等现象,但对于观察到的更小的不规则性则无能为力。

例如,金星并不总是达到它与太阳之间最大的45度偏离,一个行星相继两次逆行的时间间隔并不总是相同,除太阳外其他行星并不是一直处在黄道上等。

为了解释这些更精确的观察现象,托勒密天文学致力于发展一些新的细微的几何修正,例如对太阳引入一个小本轮或偏心圆来解释太阳在黄道上冬夏两个部分时间之差,以及引入偏心匀速点来解释行星运动不规则的速率。

托勒密的这套方法,给七颗行星运动的规则性和不规则性提供了第一个定量化的恰当解释,由于其良好的效果,使得托勒密天文学在他与哥白尼之间的13个世纪一直处于天文学领域的支配地位。

另一方面,亚里士多德生活在把同心球理论看作是最有前途的解释行星运动的那个世纪。

他将它们纳入了古代世界发展起来的最全面最详细也最有影响的宇宙论中。

对于亚里士多德来说,整个宇宙包含在天球之内,天球内部充满物质,天球之外什么都没有。

他认为宇宙内部的绝大部分由一种单一的元素以太所填满,它聚集成55个同心的真实的水晶球壳,七颗行星处在其中的七个球壳内层,其表面正是恒星天球的外层,所有天球都相互接触,最外层的天球通过球与球之间的摩擦带动整个天球系统运行,直到运动最终传到带动月球的最低天球,即以太壳层的最内层,这是天界或月上天的最低边界。

显然,为着数理目的而替代同心球理论的本轮-均轮体系,并不与亚里士多德提出的这些水晶天球相吻合。

前者注重对行星运动做定量的计算以达到对运动本身精确的描述,后者更侧重于对行星的运动做定性的解释,并不在乎它细节上到底如何运动。

于是,对行星运动定量的研究和定性地解释并没有达成统一。

虽然之后的天文学家们在这一问题上力图将托勒密与亚里士多德的理论结合起来解释天体的问题,但其内部的不协调始终没有完全得到消解。

亚里士多德的宇宙论物理机制虽不能有托勒密天文学精细的数学上的解释功能,但却能够在古代宇宙论思想中长期占据不容置疑的地位。

之所以如此,在于他第一次完整而系统地将他的物理学思想与他的天文学思想结成一体,并为神学中上天的威严和地球独一无二的核心地位提供了最权威的证明。

按照亚里士多德,月亮天球的内侧将宇宙分成截然分开的两个部分,月上天是由以太水晶球组成的天界,是永恒和不变的,月下天是人类的居住地,有着与天界完全不同的特性,是多样和变化的。

月下区被四种元素充满,如果没有外界的干扰,这些元素将会按照土水气火的顺序安置成四个同心球壳的系列,但由于火元素壳层被运动的月球天层所包围,从而在整个月下世界激起了各种元素的推撞混合,导致了地球上以不同比例混合而成的各种各样的物质。

亚里士多德的宇宙是一个有限的充实的空间,地球静止地处于这个有限空间的中心。

在基督教的宇宙论中,其他天体都是为它而造。

亚里士多德将天文学和物理学结合起来的做法给地上物体及其运动提供了一种融贯的解释,同时也表明了天文学与地上的物理学并不是相互独立的科学。

虽然他们二者都是以地心说作为出发点,然而亚里士多德的物理学却与托勒密天文学有着根本的不协调。

亚里士多德宇宙论中的天球和托勒密天文学中的本轮与均轮思想是古代两种截然不同的文明的标志性产物,即希腊文明和希腊化文明。

希腊文明的科学在方法上以定性为主导,在倾向上以宇宙论为主导;希腊化文明出现在亚历山大的征服之后,跟其希腊前辈相比它较少哲学性,更多的是数学性和数量化( 2 ,p.102)。

古代天文学的宇宙论框架主要是希腊传统的产物,而天文学家在测量宇宙、为恒星编目以及解决行星问题时使用的是希腊化文明的托勒密天文学的知识。

这种矛盾体现在哥白尼时代,即当时,天文学已经要求对行星进行越来越精确的定量化处理,但在对宇宙天体进行一般描述时使用的却是亚里士多德的天球理论。

要将天文学由对质的描述完全转变为对量的处理,需要对地球和行星的运动以及空间的观念做出一些根本的修正,而亚里士多德的宇宙论和物理学知识由于其权威性束缚了天文学的进一步发展。

这种物理学与天文学之间的不协调要求有一种新的物理学理论和形而上学思想来替代亚里士多德的物理学和宇宙论。

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二、伽利略原子论思想
中世纪冲力物理学的两个最重要的概念是加速运动中的 平均速度 和 冲力 的观念。

其中冲力概念指的是在一个强制的运动中注入到运动物体内的一些 非永久的、短暂的形式 。

亚里士多德的物理学主要研究变化,具体到运动学就是 位移 ,即位置随时间的变化,在对物体运动进行解释时用的是四元素说。

由于这两种物理学的基本概念都没有摆脱物质的束缚,没有将运动本身作为一种独立的对象来加以考察,因而是一种无法测量的性质的观念,是一种接近感性的经验,当然难以用数学的方法表达出来。

伽利略通过对落体问题的研究,将运动与运动的物体分离开来,使其获得独立的本体论地位,同时也使得物质变为纯粹的物质而不再一定与运动纠缠在一起。

伽利略突破了亚里士多德物理学和冲力物理学,获得了实现前人将物理学数学化的基础,为他进一步超越亚里士多德的物理学形而上学迈出了重要一步。

对于物体的上升和下落,中世纪亚里士多德主义者按照轻性和重性的概念来对其进行解释。

轻性是某种使物体上升的东西,重性是使物体下降的东西。

但很容易发现,同一个物体,如一块木头,放在空气中会下落,而放在水中会上升。

因此, 重 和 轻 并不是某种绝对的性质,而只是相对的性质。

物体上升或下降所具有的力恰好由物体本身所具有的重量和体积相同的介质所具有的重量之差额来决定。

这就意味着,所有物体都具有一个绝对重量,这个绝对重量由包含在一个单位体积中的质料数量来决定。

( 3 ,p.
77)从此,伽利略承认的自然运动就是重物的下落运动,所有的物体都是重物,甚至包括空气和火。

对伽利略而言,同质的阿基米德量值取代了中世纪晚期对纯元素与混合物所做的分别( 4 ,p.49)。

至此,伽利略已完成了将物理学数学化的所有基础。

他先是使运动与物体分离而获得独立的本体论地位,然后再将物体由亚里士多德的四种不同的质还原为两种对立的质进而还原为同一种质的不同量的差异,最终以同一种质的量的阶梯取代了运动和物体中不同质的对立。

这背后的形而上学便是伽利略的原子论思想,在他而言,这里的同一种质即原子。

关于这一思想的形成过程,我们可以从他的主要著作中找到验证。

在1632年出版的 两大世界体系的对话 第一天的对话中,伽利略一开始就对亚里士多德区分天上物质和作为元素的物质这一做法提出质疑,并通过它们的相关运动从逻辑上说明亚里士多德这一分类的荒谬,同时指出轻与重、稀与密都是对立的性质。

5 在他1638年出版的最后著作 关于两门新科学的对话 中则提到过 原子 一词。

例如在对话的第一日, 现在所说的这些关于简单的线的事也必须理解为对面和立体同样有效,假设它们是由无限多个而不是有限多个原子组成的 ( 6 ,p.22),又如, 我想他们会赞成一个连续的量由绝对不可分的原子构成的说法 ( 6 ,p.44)。

显然,这里的 原子 指的是一种几何原子,与古代原子论中的原子不同。

在后续的讨论中,伽利略又把原子这一概念推广到物质中,如, 还考虑这个实验是否不意味着物理实体是由无限小的不可分割的粒子组成 ( 6 ,p.50),以及 我们看到花和果以及一千种其他的固体散发出香味,而我们却没有观察到这些芳香的原子重新聚合为芳香的固体 ( 6 ,p.55)。

从以上的论述和引文中,我们可以看出,伽利略是在对亚里士多德物质元素进行批判的基础上,进而在对物理的几何分析中明确提出原子论思想的。

这里,伽利略的原子是一种逻辑的前提预设,然后从这一预设中演绎出物理学原理,从而为物理学的数学化提供可靠的形而上学保证。

它既不同于之后由伽桑狄及波意耳发展起来的实体原子论,也不同于古代德谟克利特等人的朴素原子论。

与之相比,从古希腊哲学史来看,亚里士多德的元素和古代原子论的原子则是在对世界本原的追问中从经验中逐步抽象出来的,还没有完全脱离经验的感性层面, 是关于世界本原的一种哲学臆造 ( 7 ,p.36)。

亚里士多德的物理学与其形而上学并没有完全分开,其形而上学没有实现其对物理学的超越,这不符合科学的理性要求。

伽利略原子论实现了这个超越,并赋予其科学的内涵,从此科学有了自己真正的形而上学基础。

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三、哥白尼天文学革命实现的基础
哥白尼的成就实际上是给出了一种新的论证来支持从古希腊以来就被几乎普遍地拒绝了的旧观点。

他证明了已知的事实,即关于天体运动可以定量详细地来解释,如果是太阳而不是地球被放置在宇宙的中心, 而且这个解释比地球静止的说明更加连贯 8 。

在1543年出版 天体运行论 时,哥白尼对天文学所做的攻击和引发的革命开始仅仅是针对托勒密及其后继者复杂的数学体系中的某些技术性细节;也就是说,哥白尼是在数理行星天文学中而不是在宇宙论或哲学中发现了异常,促使他推动地球的只是对数理天文学的改革( 2 ,p.141)。

关于他的宇宙论思想则是在保证不打破基本的亚里士多德宇宙这一基础上简单地调换地球与太阳的位置,把运动从太阳搬到了地球,并且仍然把所有行星运动的轨道平面描绘成相交于地球轨道的中心。

因此,哥白尼的地动宇宙没有一个合适的物理学基础,他既想遵循亚里士多德的宇宙观,又必须对行星运动做数学的精确描述,但如前所述,要实现后者就必须对前者做根本的修正。

传统物理学与数理天文学之间的不一致再次集中体现在哥白尼身上,并由于他的天文学成就使得对这一矛盾的解决显得更加迫切。

要使哥白尼革命得以真正实现,首先必须取消地球独一无二的特权地位,而要达到这一目的,就必须使天上和地上的物质在物理实在性上达致统一。

按照伽利略的原子论思想,天上与地上的物质都由同一种元素组成,没有必要再区分月下区与月上区,所有天体都遵循相同的物理学和天文学规律。

亚里士多德那套井然有序的水晶球宇宙也不再成为必要,地球与其他天体一样在空间中运动。

哥白尼的宇宙取消了地球的中心位置,代之以太阳作为中心,其宇宙依然是一种有限的宇宙,其特征依然是两球宇宙的结构。

原子论思想不仅从物理上消除了天与地的区分,使地球的运动成为可能,还为无限虚空和无限宇宙提供了科学的形而上基础。

不仅地球不是宇宙的中心,太阳同样不是。

原子论的宇宙观从古代就一直存在,两千多年前留基波和德谟克利特就已经设想了一个无限宇宙,包括许多个运动的地球和太阳,但这个学说从来没有撼动过亚里士多德思想而作为科学的基础,在于他们的宇宙论只是一种哲学的思辨,不具有实在的科学上的意义。

与之不同,伽利略的原子论思想作为一种科学本体论的预设,从中演绎出科学的实然概念并在现实世界中得到检验,从而成为研究真实世界的科学之基础。

我们知道,近代科学革命的完全实现最终是由牛顿完成的,他的万有引力定律从数学上实现了天与地也即传统天文学与物理学的统一;虽然伽利略本人并没有完成革命,但他的原子论思想使得这一革命的实现成为可能。

通常认为哥白尼天文学之所以被接受是由于其简单性与和谐性。

即使就现在的眼光来看,哥白尼的天文学也只是在定性解释行星运动方面比托勒密更简洁和经济,而他的数学体系并不比托勒密的更精确和简单;而且就那个时代人的眼光看来,一个运动的地球并不比一个处于宇宙中心静止的地球更和谐。

哥白尼的贡献在于他提出了一个地球作为行星的完整的数学体系,只是这个体系由数学上的 虚构 变为物理上的实在则还需要某些物理和形而上学方面的支撑。

伽利略的原子论消除了天上与地上物质性的差异,使天文学上的物理陈述与数学陈述达成一致,两千年来物理学与天文学之间的不协调终于从根本上得到调解。

四、伽利略原子论为近代科学奠定认识论和方法论基础
伽利略之前的物理学主要有两大传统。

一是亚里士多德传统,注重对物质运动寻找本体论上的解释,并过于依赖感性的经验,是一种思辨的物理学;二是阿基米德传统,强调数学形式在认识自然中的功能,认为只有理性的演绎才能获得真理,但其对物理实在本身缺乏应有的关注。

伽利略用对物质实在的不可见的原子替代亚里士多德可观察性质的水气火土,把基于日常经验辅直觉理论的古代 自然 科学变为以观念为优先的数学逻辑形式为主加上实验验证的现代理论科学,实现了以上两个传统的融合。

蒯因认为,具有经验意义的单位是整个科学,整体内的各个陈述在逻辑上是相互联系的。

哥白尼天文学之所以遭遇亚里士多德传统物理学的阻碍,正是在于其天文学的数学陈述与后者的物理学陈述不相协
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调。

哥白尼的数学陈述要求一种天和地统一的物理学描述,而亚里士多德分层次的物理学陈述不能为哥白尼提供合适的物理基础。

伽利略用同一本性的原子替代亚里士多德不同本性的五元素,为物理学建立了合理的形而上学,消除了物理学内部形而上学陈述与数学物理陈述间的不协调,为近代科学在认识论上扫清了道路。

由于伽利略将运动从物质中独立了出来,他不再关心物质运动的原因,而是关心运动过程本身。

对伽利略来说,真实世界就是处于数学连续性中的一系列原子运动,因果性只可能可理解地存在于原子本身的运动中,每一个发生的事件都要被看作是这些物质要素的数学变化的结果( 9 ,p.76)。

既然杂多的物质只是同一种质的不同量的构成的体现,那么科学最主要任务就只需要研究物理客体的各种量及其关系,定量的实验测量和数学研究方法就自然成为近代科学的两大方法。

数学方法的特点是假设演绎,伽利略为这一方法预设了 原子 这一前提概念,完成了他的先辈们将物理学数学化的努力;同样,伽利略所确立的实验验证的方法也不是之前传统意义上经验综合性质的实验,而是一种演绎的实验。

例如他的惯性运动实验要求的绝对光滑的平面,落体实验要求的不受空气阻力的情况, 近代力学产生之初,既没有明确的定义也没有物体的实验数据来描述这些概念 ( 10 ,p.337),这些概念都不是从经验中获取的,而是一种前提的预设。

近现代科学正是基于这两大方法而发展至今的。

五、结语:近代科学之后的发展
伽利略原子论将物质的差异作为同一种质的量的差异,使得物理学的数学化成为可能。

牛顿和莱布尼兹发展了伽利略的数理方法,进一步将物理量的差异及其关系还原为数的差异及其关系,各自独立创立了微积分。

莱布尼兹试图用一种普遍的文字和基于形式演算的逻辑推演技术去解决一切知识的发现和语言表述,基于此,他将数的差异还原为数的元素的差异,建立了二进制,为现代逻辑及其基础上的计算思想及机器奠定了理论基础。

伽利略的原子论建立了在物质上的观念优先的数学形式,之后的牛顿物理学将其力学体系建立在 绝对时间,绝对空间,绝对运动 上,把观念优先的数学形式扩展到了时空。

随着物理学研究朝着更大和更小两个方面的深入,相对论和量子力学所研究的问题已超出了我们所能观察的范围,伽利略在原子论基础上所创立的假设演绎和理想实验的方法再一次显示了它作为近代科学两大主要方法的生命力。

参考文献
1 Nola,R.Pendula,Models,Constructivism and Reali ty J .Science&Education,2004,13:349-377.
2 托马斯 库恩:哥白尼革命 M ,吴国盛等译,北京:北京大学出版社,2003。

3 亚历山大 柯瓦雷:伽利略研究 M ,刘胜利译,北京:北京大学出版社,2008。

4 爱德华 格兰特:中世纪的物理科学思想 M ,郝刘祥译,上海:复旦大学出版社,2003。

5 伽利略:关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 M ,周煦良译,北京:北京大学出版社,2006。

6 伽利略:关于两门新科学的对话 M ,武际可译,北京:北京大学出版社,2006。

7 炎冰,实验逻辑与力学宇宙 伽利略科学哲学思想新探 J ,自然辩证法通讯,2008(5)pp:32-37。

8 Finocchiaro,M.A.A Galilean Approach to the Galileo Affair,1609-2009 J ,Science&Education,2011,20:51-66.
9 爱德文 阿瑟 伯特:近代物理科学的形而上学基础 M ,徐向东译,北京:北京大学出版社,2004。

10 Roberts,B.W.How Galileo Dropped the Ball and Fermat Picked it Up J .Synthese,2009,180(3):337-356.
责任编辑 孟建伟
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