科学史 -丹皮尔-18

身上，解释得很含混的、没有理由再要求人们从哲学上给予严重考虑的笛卡尔的形而上学，终于打倒了亚里斯多德主义，变成现代最主要的世界观。无疑，这一段流利的文字真实地代表了那些不喜欢新科学观点的人们的反应。但在牛顿和他的直接弟子们看来，这是很不公平的论调。在他们眼里，牛顿赋予世界画面的惊人的秩序与和谐所给我们的美感上的满足，超过凭借任何天真的常识观点或亚里斯多德派范畴的谬误概念，或诗人们的神秘想象所见到的、万花筒式的混乱的自然界，而且这种惊人的秩序和和谐还更明白地告诉他们，全能的造物主有什么至善的活动。颜色、爱情和美丽的世界仍然在那里，可是象天国一样它存在于人的灵魂中，存在在一个受到上帝精神感召的灵魂中。这个灵魂使万物保持着庄严的繁复性，173 它所了解的万物的美比人目所看到的更多，而且它认定这个世界是非常之好。牛顿的真正态度，在爱迪生 （Joseph Addison）的有名诗句中，得到今人钦佩的表现：高高苍天，蓝蓝太空，群星灿然，宣布它们本源所在：① Opticks ， 3rded 。p. 108 。② 上引书P. 328 。① E.A.Burtt，The MetaphysiCal Fouhdations of Modern Science，NewYork， 1925，p.236 。----------------------- 页面 140-----------------------就算全都围绕着黑暗的天球静肃地旋转，那又有何妨？就算在它们的发光的天球之间，既找不到真正的人语，也找不到声音，那又有何妨？在理性的耳中，它们发出光荣的声音，它们永久歌唱：“我等乃造物所生”。事实上，只要对爱迪生的意思有丝毫的误解，就可以说他给了伯特博士一个先知的答复。我们必须承认，牛顿的科学后来被人拿来当做机械哲学的根据，但这并不是牛顿或他的朋友的过错。他们使用了对他们来说十分自然的神学语言，尽力使人明白他们的信念：牛顿的动力学，不但没有否定，而且加强了唯灵论的实在观。如果他们明白地把笛卡尔的形而上学的二无论哲学和牛顿的科学融为一治，也许还要安全些，因为笛卡尔的二无论哲学给心灵和灵魂明白地留下一席之地，虽然是更狭小的一席之地。不过在他们看来，有神论是具有根本意义的东西，是不发生问题的东西，因此他们在完全接受这个新科学时是没有什么疑惧的。用现代知识的眼光来看机械的自然观究竟具有什么意义，我们将在本书以后几章内讨论。牛顿假定，就 “自然哲学的数学原理”而论，世界是由运动中的物质组成的。这个假定不过是自然界的一个方面的定义而已，动力科学觉得从这个方面去看自然界比较方便。此外还有许多方面，如物理的方面，心理的方面，审美的方面，宗教的方面等，只有把这些方面合并起来加以研究，我们才有希望得到对真实的认识。牛顿虽然有异乎寻常的数学才能，但仍保持经验派的态度。他时常说他不制造假说，意思是指形而上学的、不能证明的假说，或 174根据权威而形成的理论，而且他从来不发表不能用观测或实验证明的学说。这不是因为他缺乏哲学的或神学的兴趣，其实事实恰恰相反。他是一位哲学家，也有深挚的宗教信仰；但是他觉得这些问题是从人类知识的顶点才能看到的境界，而不是人类知炽的基础；它们是科学的终点，而不是科学的开始。 《原理》一书，就从把已知的事实归纳起来的一些定义和运动的定律开始。以下两卷满载从这些命题推演出来的数学推论，建立了动力学和天文学两大学科。这本书第二版里，结尾处加上七页 “一般注释”，包含牛顿认为在这样的著作中他应该讲的、他的物理学发现，在形而上学上的意义。这是用当时的自然神学的语言写成的。它的要义就是天意论。他说： “这最美丽的太阳、行星、彗星的系统，只能从一位智慧的与无所不能的神的计划与控制中产生出来??。”神 “是永久存在，而且无所不在的，由于永久存在及无所不在，他就成为时与空”。所以在牛顿看来，绝对时间与空间是由神的永久的与无限的存在所组成的。在 《光学》一书的不太系统化和不太正式的问题中，牛顿还把他的许多思辨性的意见告诉我们。 “自然哲学的主要任务，是从现象出发，而不臆造假说，从结果推到原因，一直椎到最初的第一因，这第一因肯定不是机械----------------------- 页面 141-----------------------的。??从现象中不是可以看出有一位神吗？他无实体，却生活着，有智慧而无所不在。他在无限空间中，正象在他的感觉中一样，看到万物的底蕴，洞察万物，而且由于万物与他混合无间，还能从整体上领会万物。”①牛顿并不以为神只是造出并发动机器以后就让它自己永久动作的第一因。神在自然界是内在的； “他控制万物，知道存在着的或可以做出来的万物??既然无所不在，他在凭自己的意志移动他的无限而一致的知觉中枢范围内的物体，从而形成或改造宇宙的各部分的时候，就比我们凭我们的意志②来移动身体的各部分还要容易” 。牛顿还请上帝出来用直接干涉的方法，改正太阳系 75 中因为彗星的作用等扰乱原因而逐渐聚集起来的不合规律的地③方 。这种缺乏远见的情况在他是不常有的。在拉普拉斯指出这些原因有改正自身的倾向，并且证明太阳系具有动力学的基本稳定性之后，有人就拿这个论据来反对这个论据所要证明的结论。本特利 （Richard Bentley）——在讲道时——和克拉克 （Sam—ueI④Clark）对牛顿的形而上学的观念加以发挥，但也百些曲解 。本特刊断定：“万有引力是肯定存在于自然界的；它超出一切机械论和物质原因之上，而且是从一个更高的原因或神圣的能力与影响中产生出来的”，虽然它的常规是可以用机械的术语来描写的。克拉克则以为需要假定：重力不能用物质相互的冲动的吸引力未解释，因为每一冲量都是和物体的质量成比例的。因此必有一个原质可以钻进坚实、硬固的物体之内，而且 （由于超距吸引是不合理的）我们必须假定有一种非物质的灵魂，按一定的规则支配物质。这种非物质的力在物体内是普遍存在的，它无所不在，无时不在。??重力或物体的重量并不是运动的偶然效果，也不是极微妙的物质的偶然效果，它是上帝赋予一切物质的本原的、普遍的定津，而且靠了某种能够透入坚实物质的有效力量来把它保持在一切物质中。牛顿不把重力看作是物质的根本性质，而把重力看做是只有更进一步研究其物理的原因，才可以说明的现象。但本特利与克拉克却把他对于自然界中形而上学的、终极的、最后因的信仰当作重力的直接与切近的原因，而不知牛顿正是要仔细把两者分离开来。这里我们看见有人从有神论者的立场出发误解了牛顿，正如后来又有人从无神论音的立场出发误解了牛顿一样。事实上，牛顿似平注定要被人误解。超距作用，他卒以为是不合理的，却被人当做他的基本观念，而确立这个观念也就成了他的最大功绩。这 “最美丽的太阳、行星和彗星的系统”，牛顿以为只有一位仁爱的造物主才能形成，可是在十八世纪却成了机械哲学的基础，代替了古来的原子论，而成为无神的唯物主义的起点。显然，在牛顿的时代 （科学知识的第一次大综合时代），人类学术观点方面的革命，也带来了教条的宗教信仰的陈述方面的一场革命。一方面，人们再不能继续抱有亚里斯多德和托马斯哲学里 176包含的朴素的宇宙概念，再不能仰而观天，俯而震栗于地狱的雷声。光不再是弥漫四大、纯粹、无色的神秘物质，不再是上帝的住所，而成了一个物理现象，它的规律可用反光镜和透镜来研究，它的颜色可用三棱镜来分析。另一方面，在虔信主义与神① Opticks,Query 2 8.② Opticks, 3rd ed.p. 379.③ Opticks, 3rd ed ．p ． 378.④ 看A.J.Sonw,Matter and Gravity in Newton's Physical Philosophy,0xford，1926．p ．190。----------------------- 页面 142-----------------------秘主义中表现出来的发于本能而不能明白解说的那种柏拉图主义，对于这种新的心理态度也不适用了。人们已经接受了一种比较合乎理性的柏拉图主义。这种柏拉图主义与上面那一种一样认为永恒的真理是靠天赋的力量或内心的启示达到的，同时也把数学或几何学的和谐看作是存在的本质。这种柏拉图主义，经过伽利略与刻卜勒的思想而成为牛顿的数学体系。它承认内在力量或启示是理性的基础，这个理论于是成了一种唯智主义。它要在宇宙的物理秩序及道德定律中寻找神的自然真理。“这样就出现一种严肃的唯理论，与 ‘热情’一词所代表的一切浪漫主义形式的宗教相对立。宗教信仰的寄身之所由心转移到头脑中，神秘主义被数学所驱逐??这样就为最后也许能够①代替传统信仰的开明的基督教”，以及康德所追寻的“理性范围内的宗教”，开辟了道路。牛顿在伦敦牛顿在保卫剑桥大学，抵抗詹姆斯二世对剑桥大学的独立的干涉方面起了相当大的作用。他被选入解决王位继承问题的自由议会，1701 年再度当选。1693年，他害了神经分裂症。他遵从朋友的劝告，离开了剑桥大学。他们推荐他去当造市局的监督，不久升任局长。他放弃了他对比学与炼金术的研究，把这方面的著作锁藏箱内。迁居伦敦后，他的生活就完全不同了。他在科学上的成就为他赢得一个崇高的地位，从 1703年起一直到他去世时为止，他担任皇家学会的会长达二十四年之久。由于他的能力与名誉，他为皇家学会赢得很大的威信。虽然他早年常有心神游移的症状，但他在造币局的工作表现出他是一位能干而有效率的公务员，不过他对批评与反对，常有不能忍受的紧张情绪。 177 他的甥女嘉泰琳·巴顿 （Catherine Barton）是一个机智而貌美的妇人，为他管理家务。这是他一生的第二个时期。十八世纪里流传的关于牛顿的传说，都是讲这个时期的事。嘉泰琳嫁给康杜特 （John Condultt）；他们的独生女嫁给利明顿（Lymington）子爵。利明顿的儿子承继了朴次茅斯伯爵的爵位。因而中顿的财产为瓦洛普 （Wallop）家族所继承。1872年第五代朴次茅斯爵士把牛顿一部分科学文件赠给剑桥大学图书馆。后来牛顿的另外一些书籍与论文也拿出来出售了。凯恩斯 （Lord Keynes）爵士购得一部分论文，书籍则为旅客信托社 （Pi1grim Trust）所购得，并于1943年赠给三一学院。① G.S. Brett，Sir Isaac Newton，Baltimore， 1928，p ，269.----------------------- 页面 143-----------------------第五章 十八世纪数学与天文学——化学——植物学、动物学与生理学——地理发现——从洛克到康德——决定论与唯物主义数学与天文学不幸牛顿与莱布尼茨各自发明微分学以后，符号既不相同，又在发明先后问题上发生争执，因此事情就复杂化了。由于这些原因中的一个或两个原因，英国数学家与大陆数学家就分道扬镳了。前者用了牛顿的符号，但大半疏忽了他的新分析方法，而遵循牛顿常用以记载他的研究结果的几何学方法。因此，英国学派对于十八世纪前半期新微积分学的发展很少贪献，但在大陆上，特别是在詹姆斯·别尔努利 （James Bernouilli）的手里，微积分学却得到发展。牛顿体系中的一个空白，后来由于在实验中测定了地面重力和万有引力常数而填补起来； 1775 年左右，马斯基休 （Maskelyne）观测了铅垂线在山的两面的偏离，1798年卡文迪什 （Henry Caven- dish）用米歇尔 （Michell）设计的精细扭摆，观测了两个重球之间的引力。1895 年，波艾斯 （Boys）又使用这个方法，求得两个各为1克的质点，相距 1厘米时，其互相吸引的力为达因，由此算出地球的密度是水的5.5270倍。牛顿的工作成果由莫佩屠斯 （Maupertuis）等人的著作介绍到法国去，更由达兰贝尔 （d'Alcmher）、克勒洛 （Clairault）与欧勒 （Euler）加以发①展。伏尔泰 （Voltaire）于 1726 至 1729 年间侨居英国 ，他后来和夏特勒（Chatelet）夫人合作，发表了一本讨论牛顿体系的通俗著作，鼓舞了有名的法国 《百科全书》的许多作者。这部内容参差不一的巨著的第一版在 1751至 1780年间，经过许多困难，以三十五巨册刊布于世。狄德罗 （Diderot）是总编辑，在头几年达兰贝尔担任数学的编纂。这部书总结了当时的科学思 179 想。它的总的精神以有神论为主，但带有异端色彩，而且愈来愈倾向于攻击政府和罗马教会，最后乃至攻击基督教本身。在数学与其应用上，泰勒 （Taylor，1715年）与马克洛林（Mac- laurin，1698—1746年）证明怎样展开某些级数，并应用到振荡弦的理论和天文学上去。布莱德雷 （Bradley）根据恒星光行差的观测结果，求得光线传播的速度（1729年；参看399 页）。欧勒（1707—1783年）创立了分析数学的新分支，修订并改进了数学的许多分支，而且发表了几部关于光学和自然哲学的一般原理的著作。拉格朗日 （Joseph Louis Lagrange， 1736—1813 年）也许是十八世纪最大的数学家。他主要的兴趣在纯理论方面。他创立了变分学，并且把微分方程式问题系统化了。他的包罗万象的概括结论，常可应用到物理学问题上去。他自己出版了天文著作，提出了三体的相互吸引力的计算这一困难问题的处理方法。在他的巨著 《分析力学》里，他通过虚速度和最小作用原理把全部力学建立在能量不灭的原理之上。达·芬奇曾经利用虚速度 （或虚工作）的原理推出杠杆的定律，史特芬① M. S． Libby ， Voltaireand the Sciences ， New York， 1935； Merton ， Isis,No.38,1936，p ． 442.----------------------- 页面 144-----------------------给这一原理所下的定义是： “得于力者失于速”。莫佩屠斯把空间 （或长度）和速度的乘积的总和叫做“作用”，并且为了形而上学的理由，假定在光的传播这样的过程中，必定有某种东西是个最小量。他指出事实竟与光循最小作用的路径传播的假定一致。拉格朗日把这个原理推广到一切物体的运动上去，而把 “作用”定义为运动量的空间积分，或动能的时间积分的两倍。在哈密顿的方程式和普兰克的量子理论中，我们将要再遇见这个作用量。拉格朗日的微分方程式赋予这个学科以新的普遍性和完备性。这些方程式把力学的理论简化成普遍的公式，解决每个问题的特殊方程式，都可从这①些公式推导出来 。位普拉斯（Pierre Simon de Laplace， 1749—1827年）对于牛 180顿体系的贡献比拉格朗日更多；他是一个诺曼底乡下老的儿子，靠了他自己的能力和善于随机应变的才能，后来竟成了王政复辟时代的侯爵。②拉普拉斯修改了拉格朗日的位函数的方法 ，改进了引力问题的处理。他在一个很重要的方面完成了牛顿的工作，因为他证明了行星的运动是稳定的，行星之间的相互影响和彗星等外来物体所造成的摄动，只是暂时的现象。这样，他就证明牛顿担心太阳系久而久之会由于自身的作用而陷于紊乱，是没有根据的。1796年，拉普拉斯发表了 《宇宙体系论》，内容有天文学史，牛顿体系的一般叙述及星云假说；按照这个假悦，太阳系是从一堆旋转着的白热气体演化而来的。1755年，康德已经提出这个看法。他比拉普拉斯更进一步，认为有从虚无中创造出来，星云从原始的混沌中成形。现代的研究说明星云假说对于太阳和行星的比较小的结构不很适合，但对于在旋涡星云的形成过程和银河系发展的晚期阶段中可以看到的较大的恒星集团，也许是适用的。拉普拉斯的分析性的讨论见于他的主要著作 《天体力学》（1799—1805①年） 里。他用微分学诠释了牛顿的 《原理》的内容，并且补充了许多细节。鲍尔叙述拉普拉斯把他的书呈献于拿破仑的情形如下： 181 有人告诉拿破仑说，那本书没有提到上帝的名子。拿破全是喜欢幸话来难人的，他收到那本书时说： “拉普拉斯先生，有人告诉我，你写了这部讨论宇宙体系的大著作，但从不提到它的创造者”。拉普拉斯虽是最圆滑的政客，但在他的哲学的每一点上，却有殉道者坚强不屈的气概，于是他挺直了身子，率直她答道： “我用不着那样的假设”。拿破仑觉得那个回答很有趣，把这个回答告诉了拉格朗日。拉格朗日说道： “那是一个美妙的假设，它可以解释很多东西”。① 根据牛顿运动第二律，质点的动量的变率等于外加的力。应用这定律于互相正文的三坐标于质点上的力的三分量。从这些算式，拉格朗日得到运动的普遍公式有如以下的形式：式内L 是拉格朗日函数，代表体系中动能与位能的差，T 代表时间，Q 代表作用于体系之上、因而往往使任何坐标q 都有所增加的外力。② 要说明 “位”在物理学上的意义，我们可以这样说：任何方向上位的减少率，可以量度在那个方向上施于某单位的力，这单位可以是质量、电量或任何量。拉普拉斯证明位V 总是能满足以下的微分方程式：可以叫做V 的局部强度。珀松 （PoiSSOn）于1813 年得出一个更一般的形式：，这关系出现于数学物理的各部门之中，鲍尔 （Rouse BALL）说： “它以分析方法表现了一个普通的自然定律，这定律还不能用言语表达出来。”① 还有历史叙述的一册，出版于 1825 年。----------------------- 页面 145-----------------------拉普拉斯总结了当时有关概率论的研究成果，并且假定有一种只有在微小距离才能感觉到的吸引力，以解释毛细现象。他还说明为什么按照牛顿的公式，用密度除弹性的平方根所得的、声音在空气中的速度值大小。他发现这种不符的原因在于热。因为音波一紧一松时，要发出与吸收热，这样就使空气的弹性增加，因而增加了声音的速度。此后引力天文学的工作，不外完成牛顿和拉普拉斯的工作。牛顿引力假说的正确性在 1846 年由于有人预测有一个未知行星存在而受到最后的考验。这是把牛顿和拉普拉斯方法颠倒过来加以运用。天王星脱离自己轨道的摄动，无法用已知其他行星的作用，给予充分解释，要说明这些不规律的摄动，便须假设有一个新行星存在。这个行星的必然的位置由剑桥的亚当斯（J.c.Adams）与法国的数学家列维烈 （Leverrier）各不相谋地计算出来。柏林的天文学家加勒 （Calle）依照列维烈所指的方位，用望远镜去寻找，果然发现一颗行星，而命名为海王星。牛顿理论的精确性实在令人惊异。两个趾纪中一切可以想到的不符的情况都解决了，而且根据这个理论，好几代的天文学家都可以解释和预测天文现象。就是现在，我们也须用尽一切实验方法，才能发现牛顿的重力定律和现今天文知识有些微的不符。拉格朗日把 《原理》誉为人类心灵的最高产物，而且说牛顿不但是历史上最大的天才，也是最幸运的一位天才： “因为宇宙只有一个，而在世界历史上也只有一个人能做它的定律的解释者”。从现今我们 182所知道的自然界的极端复杂性来看，我们现在来评价牛顿时，就不会这样说。但这很可以说明牛顿的工作在后来的一个世纪中对于最能领会它的一位科学家产生了多大的影响。化 学十八世纪初，有许多心灵乎巧的观察者把实验化学推向前进。荷柏格（w，Homlberg）研究了碱和酸在各种比例下的化合，因此为酸与碱化合而成盐的理论提供了有力的证据。这理论创始于西耳维斯，实在是现代人关于化学结构的许多观念的起点，在科学史上是有重要地位的。此后三十年中，以莱登的波尔哈夫 （H.Boerhaave）和黑尔斯（S．Hales）的工作为最出色。波尔哈夫于1732年发表了“当时最完备、最光辉的化学论①著” ；黑尔斯研究了许多气体，如氢、碳的两种氧化物，二氧化硫、沼气等。他认为这些气体都是因为有其他物体存在以不同方式发生改变或者说 “受到薰染”的空气。早期化学家的最大困难，是了解火焰和燃烧的现象。物体燃烧时，好象有某种东西逃走掉了。在长时期中大家认为这种东西是硫，普鲁士王的御医斯塔耳 （C， E. Stah1， 1660—1734 年）把它叫做 “燃素”，意即火的原素。他的学说是从柏克尔 （Beccher）的见解发展而来的，在他死后，这个理论被人广泛采纳，在十八世纪末叶，一直支配着化学界的思想。雷 （Rey）与波义耳都证明过金属燃烧后固体物重量增加，所以 “燃素”必须具有负重员，于是亚里斯多德关于一个物体本质上是轻的观念又重新复活起来。当时化学家不顾物理学的成就，以这个假说去说明化学事实。由于这个假说和更① SirEd． Thorpe， Htstory of Chemistry ，vol．1， London，1921，P.67.----------------------- 页面 146-----------------------老的学说的影响，虽然有个别研究结果可以据以得出比较现代的看法，但这些研究结果对于当时的化学家的思想却没有什么影响；这些事实还有待重新发现、重新解释。第三章内已经说过，在氧被发现以前一个世纪，已经有人证明空气中有一种活跃的成分，而且是呼吸与燃烧所不可缺小的。1678年，博尔奇（BorcH）从硝石中制出氧气，1729 年，黑尔斯用水上收集法又得到这种气体。1640年，范·赫耳蒙特取得了二氧化碳并命名，183为 “西耳韦斯特（silvestre）气”；氢气的分离，甚至可追溯到帕腊塞耳苏斯 （Paracelsus）。他描写过铁屑在醋上的作用。不过这些观察结果都被忘记了，它们的意义也被人忽略了；当时人们仍然认为空气是唯一的气体元素。十八世纪化学工业开始推动这门学科。1755年，爱丁堡的布莱克（JosephBlaCk）发现一种新的有重量的气体，它与空气不同，是与碱类结合在一起的。他把这气体叫做 “固定下来的空气”。这就是现在我们叫做二氧化碳或碳酸的东西。1774 年，舍勒 （Scheele）发现了氯气。普利斯特勒 （JoscphPriestley， 1733—1804 年）加热于氧化汞，制出氧气，并且发现它有维持燃烧的独特性能。他根据前人的研究成果 （121 页），还证明氧是动物呼吸必需的气体。可是他认为这气体是去掉燃素的空气，竟不知道他的发现已经在化学史上揭开了新的一页。1781年，卡文迪什（Henry Cavendish，1731—1810 年）证明了水的复合性 （发表于1784 年），这样就把水从元素之一的崇高宝座推下来。但是他描述组成水的气体时，仍沿用 “燃素”与“去掉燃素的空气”等名词。1783 年，瓦特 （Jamees Watt）发表了同样的意见，因而引起评论者关于发现先后的争论。当时流行的见解认为水沸腾后成土。拉瓦锡 （Antoine Lau-rentLavoisier，1743—1794 年）指出，这种见解是错误的。他证明水沸后剩余的渣滓是容器 （玻璃之类）的溶解物，水经过多次蒸馏后，是纯洁而有不变①的密度的。由于“共和国不需要学者”，拉瓦锡后来和许多包税人一起走上断头台。拉瓦锡重做了普利斯特列和十文迪什的实验，精确地秤量了他的试剂和产物。例如在一个实验中。他让4 英两的汞与50 立方英寸的空气相接触，热到快要达到沸点的温度。红色汞灰出现并继续增加，一直到第十二天。汞灰的重量为45 洛令 （grain 英厘），剩余空气的体积为42 至43 立方英寸即原来体积的5/6。这剩余的空气不能再维持燃烧，小动物在里面几分钟就死去。再将这45 英厘的红色汞灰放在小曲颈觊加以强热。41l 英厘的金属汞和一种气体出现。把气体由水面收集起来，加以量度，体积为7到8 立方英寸，重为到4 英厘。但全部原物质都有下落——总质量是不变的。这气体维持火焰与生命比普通空气更有力量。拉瓦锡说：从这个实验的各种情况看来，汞在锻烧的时候，吸收了空气中适于养生和呼吸的成分，余下来的部分是有毒的，不能维持燃烧和呼吸。可见空气是由性质不同的、甚至可以说是性质相反的两种富于弹性的流体组成的。拉瓦① 拉瓦锡在政治上是十分反动的，1789 年法国大革命中，他以法国科学院负责人的身分，与反动统治者一起，进行了镇压革命的活动，因此最后为革命的人民把他送上了断头台。据说，1794 年 5 月初，在革命注庭宣判拉瓦锡及包税人等二十八人死刑时，拉瓦锡请求给他以足够的时间去完成他正在进行的关于汗的实