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 @79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。

80二、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。