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第四章 牛顿时代

1660年的科学状况——科学院——牛顿与引力——质量与重量——数学方面的改进——物理光学与光的理论——化学——生物学——牛顿与哲学——牛顿在伦敦

1660年的科学状况

    我们现在来到现代科学早期发展的最重要时期。因为靠了牛顿的卓越成就,伽利略和刻卜勒的研究成果,已经和牛顿自己的研究成果融合在一起,成为物理学上首次的大综合。前几章所叙述的改变给欧洲带来的科学与哲学的状况,可以大概描述如下。

    经院哲学的无所不包的知识大厦,虽然在唯理论的训练方面仍然有用,但早已不够用了。由于邓斯·司各脱与奥卡姆把唯名论复活过来,由于新柏拉图运动兴起,构成哥白尼和刻卜勒的工作的哲学基础,最后由于伽利略、吉尔伯特与其门徒用数学方法及实验方法取得很多成果,这座大厦已经动摇了。吉尔伯特与哈维表明怎样用经验的方法来进行实验,伽利略证明哥白尼与刻卜勒认为在天体现象中有根本意义的数学简单性也可以在地面上的运动中发现。经院哲学用“本质”、“原因”来不精确地描述运动,以说明物体为什么运动,现在这些已经为时间、空间、物质及力等概念所代替。这些概念第一次有了明晰的定义,而且人们还利用这些概念,运用数学的方法,发现了物体怎样运动,并测定了运动物体的实际速度与加速度。

    伽利略更用实验证明要使物体继续运动,并不需要继续施力。一经开动之后,物体靠了与重量有关的某种内在性质会继续前进。在这里,伽利略已经接触到质量和惯性的概念了;虽然他还没有明白地给这个概念下一个定义,他对落体的观察,如果了解得正确的话,已经足以表明这个概念与重量的确切关系。经院哲学家赋予亚里斯多德的本质与性质的无上地位,肯定地让给物质与运动了。哥白尼与刻卜勒赋予数学和谐的神秘意义,正在转变成另一种观念:在一个变化可以以数学公式用物质和运动来表达的时候,这个变化也就可以从机械上来解释,要么用伽利略的力来解释,要么用笛卡尔所想象的旋涡那样的接触来解释。在1661年,波义耳仍然可以反驳经院哲学的观念在化学中的重要性;在物理学中,它们已经死了,但还没有埋葬,从牛顿与其同代人的著作中,还可以听到旧日争论的回声。新的数学方法在动力学中的威力,到1673年惠更斯(Huygens)发表了他对重力、摆、离心力和振动中心的研究结果时,就更加明显了。

    原子说的一般观念被伽利略采纳了。而伊壁鸠鲁的旧说则由伽桑狄更充分地加以修正与发挥。人们最初是从动力学和天文学的大规模现象中形成这样的概念的:自然界从根本上来说是由运动中的物质组成的。现在,这种概念也参加到人们对于物体内部结构的看法中来。原子论并不是伽利略的动力学所必需的,但和根据伽利略的研究成果形成的一般科学观点却也能融合无间。

    行星间的以太观念是在十七世纪的思想中开始起作用的另外一个希腊观念。刻卜勒用这个观念来说明太阳怎样使行星运行不息;笛卡尔给它披上了不可捉摸的流质或本原物质的伪装形成他的天体机器的旋涡,并且提供了从纯粹广延性中推导不出来的重量与其他性质;吉尔伯特用它去解释磁力的吸引,而哈维则认为以太是把太阳热力传给生物的心脏与血液的媒介。

    以太观念那时还和神秘学派用来解释存在的本性的盖伦的灵气或灵性混淆不分。我们要记住现代人对物质与精神所作的区别那时还不明确。“灵魂”、“动物元气”一类观念,在当时仍然看做是“发射气”、“蒸发气”,可是在我们看来,“发射气”和“蒸发气”却是物质的。物质与精神的一致,就这样维持着。只有笛卡尔是例外。他首先明白地看出在空间中延展的物质和思想着的心灵有根本差别。在当时大部分人看来,这个分界线似乎存在于一边是固体与液体,另一边是气、火、以太与精神之间。所以用“以太”来解释现象,就是为直接的神灵干预留下余地。

    吉尔伯特对当时流行的观念表达得很清楚。他以为磁力是把物体吸引到磁石这边来的所谓“磁素”造成的。重力与磁力有同样的性质,每个物体都有一个“灵魂”,它能放射到空间中去并吸引一切物体。

    最后我们不要忘记,十七世纪中叶所有的合格的科学家与差不多所有的哲学家,都从基督教的观点去观察世界。宗教与科学互相敌对的观念是后来才有的。伽桑狄在重新提出原子论的时候,小心避免同古人给与原子论的无神论沾了边。虽然笛卡尔的反对者指摘他设计了一个十分有效的宇宙机器,没有给上帝的控制留下余地,可是笛卡尔仍然认为自然界的数学定律是上帝所建立的,通过思想世界也可以接近上帝。霍布斯的确把哲学局限于自然科学所取得的实证知识,对神学加以抨击,并且把宗教叫做公认的迷信。可是他却同意国家应该建立和实行以圣经为根据的宗教。不过,他的态度是一个例外。一般说来,一切学者都接受了有神论的根本假定,这并不是为了护教的缘故,而是由于他们认为这个假定是普遍接受的资料,任何宇宙学说都必须同它相符合。

中世纪的许多思想方法当时还残存着;波义耳需要反驳经院哲学家的化学观念,不亚于需要反驳炼金家的化学观念。哥白尼的理论虽为数学家和天文学家所承认,但是一般教科书所讲授的仍然是托勒密的体系,占星术仍为人所重视。由于内战的缘故,世事变化不定,机遇无常,因此占星家的每一个预言差不多都肯定有机会应验。就是牛顿,在少年时代也觉得占星术是值得研究的。1660年,他初入剑桥大学,在别人问他要学什么的时候,据说他回答道:“数学,因为我打算去检验人事占星术”。这个事例,说明牛顿一生中心理观点的转变,这转变主要是由他自己的工作造成的。占星术的著作,特别是历书之类,虽在牛顿之后很长时期里仍继续出版,但到十七世纪末年,就只有无知识的人才对它们感兴趣了。

科学院

    帮助造成牛顿的学术环境的还有一些别的因素。多年来受到亚里斯多德派的阻挠的新学术,这时已经渗透进有些大学。热心自然哲学的人数迅速地增加,增加的一个表现,便是学会或学院的纷纷成立。会员常常聚会,以讨论新问题并推进新学术。这类学会中的最早一个,在1560年出现在那不勒斯,名叫“自然秘奥学院”。1603至1630年,伽利略所属的第一个“猞猁学院”成立于罗马,1651年,梅迪奇(Medici)贵族们在佛罗伦萨创立了“西芒托学院”。在英国,学者们从1645年起,以哲学院或“无形学院”的名义,在格雷汉大学或伦敦其他地方集会。1648年,大部分会员因内战迁到牛津,但1660年,伦敦的集会又恢复举行。1662年,在国王查理第二的特许下,这个学会正式定名为“皇家学会”。在法国,同类的科学院于1666年由路易十四创立,类似的组织不久也出现于其他国家。这些学会进行了充分的讨论,集中了科学界的意见,公布了会员们的研究成果,因而这些组织成立后,科学的发展愈加迅速,特别是大半的学会不久都开始发行定期刊物。独立的科学杂志最老的一个似乎是《学人杂志》,1665年在巴黎首次发行。三个月后,又有《皇家学会哲学杂志》问世,这最初是皇家学会秘书私人的事业。别的科学杂志不久也相继出现,不过,直到十七世纪末叶或更后,数学家们还主要是靠私人通信来宣布他们的研究成果。这是一个效率低微的办法,有些发明先后的争执即由此而起,如牛顿和莱布尼茨之间的争执。

    刻卜勒的研究成果提供了太阳系的模型,但是,这个模型的大小——太阳系的实际大小——在用天文单位测定一个距离以前,是无法确定的。

    在1672-1673年,路易十四的大臣科尔伯(Colbert)派遣里希尔(Jean Richer)到法属圭亚那的卡宴(Cayenne)去进行航海上有用的天文学观测。他就测量过行星火星的视差。他的研究成果的最显著的结果,就是认识到太阳和较大行星的巨大体积,以及太阳系的惊人的规模。地球和地球上的人相形之下,就显得很小了。牛顿与引力

    我们已经简要地叙述过牛顿开始工作时科学知识和哲学见解的概况。爱萨克·牛顿(Isaac New-ton,1642-1727年)是一个有120英亩土地的小地主所有者的遗腹独生子。牛顿出生于林肯郡伍耳索普(Woolsthorpe in Lincolnshire),自幼身体纤弱,在格兰瑟姆文法学校(Grantham Grammar School)受过教育。1661年,他进了剑桥大学的三一学院,在那里他听过巴罗的数学讲演。1664年,他被选为三一学院的研究生(Scholar),次年被选为校委(Fellow)。 1665至1666年,剑桥瘟疫流行,他返回伍耳索普,开始考虑行星的问题。伽利略的研究表明,要使行星和卫星在轨道上运行,而不循直线向空间飞去,必定有一个原因。伽利略把这原因看做是力,但这个力是否存在仍有待于证明。

    据伏尔泰(Voltaire)说:牛顿在他的果园中看见苹果坠地时找到解决这个伺题的线索。这个现象引起他猜度物体坠落的原因,并且使他很想知道地球的吸力能够达到多远;既然在最深的矿井中和最高的山上一样地感觉得到这种吸引力,它是否可以达到月球,成为物体不循直线飞去,而不断地向地球坠落的原因。看来,牛顿的头脑中已经有了力随着距离平方的增加而减少的想法,事实上,别人当时似乎也有这样的想法。在牛顿的异父妹汉娜·巴顿(Han·nab Barton)的后裔朴次茅斯(Portsmouth)勋爵1872年赠给剑桥大学的牛顿手稿中,有一份备忘录,对于这些早期的研究有如下的叙述:

    就在这一年,我开始想到把重力引伸到月球的轨道上,并且在弄清怎样估计圆形物在球体中旋转时压于球面的力量之后,我就从刻卜勒关于行星公转的周期与其轨道半径的二分之三方成比例的定律中,推得推动行星在轨道上运行的力量必定与它们到旋转中心的距离的平方成反比例:于是我把推动月球在轨道上运行的力与地面上的重力加从比较,发现它们差不多密合。这一切都是1665与1666两个瘟疫年份的事,因为在那些日子里,我正在发现旺盛的年代对于数学和哲学,比以后任何年代都更加关心。惠更斯先生后来发表了关于离心力的研究成果,我想这些研究成果的取得应当在我以前。

    读者当会看出,这里牛顿没有谈到他的朋友彭伯顿(Pember ton)所说的故事:牛顿所使用的地球大小的数值不精确,所得出的推动月球在轨道上运行的力与重力不合,因此,他就把他的计算搁置起来。相反地,牛顿却说他发现“它们差不多密合”。卡焦里(Cajori)教授也指出这一点,并且提出证据,说明那时已经有几个关于地球大小的相当精确的估计值,牛顿在1666年很可能是知道的。其中之一是冈特(Gunter)的估计值:纬度1度等于66[2/3]法定英里,而据彭伯顿说,牛顿所用的数值是60英里。卡焦里说:

    既然牛顿买过“冈特尔的书”,那么,很可能地,也可只说是无疑地,他知道冈特尔的估计值:1度=66  2/3法定英里,这与斯内耳(Snell)的数值是近似的。如果牛顿用了66  2/3,他所算出的物体由静上坠落第一秒钟所走的距离就足15.53呎,正确的距离是16.1呎。误差只有3 1/2%。也许正是由于取得这样的结果,牛顿才说“它们差不多密合”。

    亚当斯(J.C.Adams)与格累夏(J.W.L.Glaisher)在1887年指出的牛顿所以迟迟不发表他的计算的原因,比较近乎情理。引力理论里有一大困难,无论如何牛顿是了解的。太阳和行星的大小与它们之间的距离比较是那样的小,在考虑它们之间的关系时,每一星体的全部质量可以看做集中在一点,至少是近似地这样的。可是月球与地球之间的距离相对地来说并没有那样大,要把月球或地球当作一个质点看,便有问题了。还有,在计算地球与苹果之间的相互引力的时候,我们须记住和苹果的大小或它对地球的距离相比地球是很庞大的。第一次计算地球各部分对于它的表面附近的一个小物体的引力总和显然有很大的困难。这大概就是1666年牛顿把他的工作搁置起来的主要原因。卡焦里说牛顿也明白重力随纬度而有变化,同时,地球自转所造成的离心力也有影响;他觉得重力的说明“比他原来所想的更困难”。1671年,牛顿又好象回到这个问题,但他仍没有打算发表。也许是同样的考虑阻止了他。还有,当时他的光学实验引起的争论也使他感觉十分不快。他说:“我在过去几年中一直在努力离开哲学而从事其他研究”。事实上,他对化学好象比对天文学更感觉兴趣,对神学好象比对自然科学更感觉兴趣。他在晚年就很不愿把他在造币厂的公务时间使用到“哲学”上去。

    惠更斯(Christian Huygens,1629-1695年)是荷兰外交家和诗人的儿子,1673年发表了他的动力学著作:《摆钟论》。惠更斯以动力系统中活力(现时叫做“动能”)守恒的原则为前提,创立了振动中心的理论,并发明了一个可以应用于许多力学与物理学问题的新方法。他测定了摆长与摆动时间的关系,发明了表内的弹簧摆,而且创立了渐屈线的理论,包括摆线的性质在内。

    但就我们的直接研究目的而论,他的最重要的研究成果是这部著作最后所谈到的关于圆运动的研究成果,虽然如上所说,牛顿在1666年一定也得到了同样的结论。我们可以用比较简单比较现代的方式把这一成果叙述如下。设有一质量为m的物体,以速度u在半径为r的圆上运动,象拴在一条线上的石头旋转时那样,则照伽利略的原则,必有一个力向中心施作用。惠更斯证明这个力所生的加速度a必等于u[2/r]。

    到1684年,总的引力问题就已经在大家的纷纷议论之中。胡克、哈雷(Halley),惠更斯、雷恩(Wren)似乎都独立地指出过:如果把本来是椭圆的行星轨道当作是圆形的,则平方反比必为力的定律。这一点可以立即从两个前提中推出。一个前提是惠更斯的证明:半径为r的向心加速度a是u2/r;另一个前提是刻卜勒的第三定律:周期的平方,即r2/u2随r3而变化。这后一结果说明u2随1/r变化。因而,加速度u2/r,也就是力随1/r2而变化。

    几位对这个问题进行进一步研究的皇家学会会员,特别讨论到如果一个行星像刻卜勒第三定律所指出的那样按平方反比的关系在吸引力下运行的话,它是否又能按照他的第一定律在椭圆轨道上运行。哈雷由于觉得没有希望从别的来源求得数学解决,就到剑桥三一学院去访问牛顿。他发现牛顿在两年前已经解决了这个问题,虽然他的手稿已经遗失。但牛顿重新写出一遍,并和“许多旁的材料”送给住在伦敦的哈雷。在哈雷的推动之下,牛顿又回到这个问题。1685年,他克服了计算上的困难,证明一个由具有引力的物质组成的球吸引它外边的物体时就好象所有的质量都集中在它的中心一样。有了这个有成效的证明,把太阳、行星、地球、月球都当作一个质点看待的简化方法就显得很合理了,从而就把从前粗略近似的计算提高到极其精密的证明。格累夏博士在阐释这个证明的重要性时说:

    从中顿自己的话中,我们知道他在没有用数学证明这个定理从前,从来没有料到有这样美妙的结果,但一经证明这个精妙的定理以后,宇宙的全部机制便立刻展开在他眼前。……把数学分析绝对准确地应用于实际的天文问题,现在已经完全在他能力之内了。

    这一成就为牛顿的独创的研究,扫除了障碍,于是他努力把天体的力和地球吸引物体坠落的力联系起来。他利用皮卡尔(Picart)测量地球所得的新值,再回到重力与月球的老问题去。地球的引力现在可以看做有一个中心了,而且就在地球的中心,验证他的假设也是很简单的事。月球的距离约为地球半径的60倍,而地球的半径是4000英里。由此算出月球离开直线路径,而向地球坠落的速度,约为每秒0.0044英尺。如果平方反比律是正确的,这个力量在地球表面应该比在月球强(60)2倍,或3600倍,所以在地面物体坠落的速度为3600×0.0044,或每秒约16英尺。这与当代观测的事实相合,于是这个证明完全成立了。于是牛顿就证明了平常向地面坠落的苹果或石头,与在天空中循轨道庄严运行的月球,同为一个未知的原因所支配。

    他证明了重力必然要使行星轨道成为椭圆,也就意味着对刻卜勒定律给予合理的解释,并且把他在月球方面所得的结果推广到行星的运动上去。于是整个太阳系的错综复杂的运动,就可以从一个假设中推出来。这个假定就是:每一质点对于另一质点的引力,与两点的质量的乘积成正比并与其间的距离的平方成反比。这样推导出来的运动和观测结果精密符合,达两个世纪之久。彗星的运动一向认为是无规则而不能计算的,现在也就范了;1695年,哈雷说,他在1682年所看见的彗星,从它的轨道来看,实在为重力所控制;它周期地回来,事实上与贝叶(Bayeux)毛毡上所绣的、在1066年被人当做是萨克逊人的灾祸预兆的那颗彗星,实在是同一颗彗星。

    亚里斯多德以为天体是神圣而不腐坏的,和我们有缺陷的世界是不同类的,而今人们却这样把天体纳入研究范围之内,并且证明天体也按照伽利略和牛顿根据地面上的实验和归纳所得到的力学原理,处在这个巨大的数学和谐之内。1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》的出版,可以说是科学史上的最大事件,至少在近些年以前是这样的。

    引力的次要效应之一是潮汐。在牛顿考虑这问题以前,人们有许多混淆不清的看法。刻卜勒以为潮汐的成因在月球,但他是占星家,因而他同时相信恒星与行星也有影响。也许正是由于这个缘故伽利略才嘲笑他说:“对于月球支配水以及神秘的特性等一类琐事,他都洗耳倾听,表示同意”。

《原理》一书第一次为潮汐理论奠定了健全的基础。牛顿用数学的方法,研究了月球与太阳的引力合在一起对于地上的水的影响,同时还把流动的水的惯性及狭窄的海峡与运河的骚扰效果估计在内。潮汐情况是很复杂的,自牛顿以来,有许多数学家提出过详细的理论,其中可以提到的有拉普拉斯与乔治·达尔文爵士。但《原理》书中的一般论述仍然是有效的。

质量与重量

    给予物质以惯性并且和重量迥然不同的质量的概念,起初暗合在伽利略的研究成果中,后来又明显地见于巴利安尼的著作中。巴利安尼是热那亚的弓箭队长、他把质与重加以区别。在《原理》中,这个分别更加明确。牛顿根据波义耳关于空气容积与压力的实验,从密度方面达到质量的概念。既然在一定量的空气中,压力p与容积u成反比例,因此,它们的乘积pu是一个常数,可以用来量度一定容积中空气的质量,或者用原子论来说,代表压缩在那个容积里的质点的总数。牛顿给予质量的定义是:“用物体的密度和体积的乘积来量度的、该物体中所含的物质的量”,而力的定义是“一个物体所受到的、足以改变或倾向于改变该物体的静止状态或等速直线运动状态的作用”。

    牛顿把观察的结果与定义归纳为运动三定律:

    定律一:每一物体都始终维持其静止或等速直线运动的状态,只有受了外加的力,才被迫改变这种状态。

    定律二:运动的改变(即运动量的改变率ma),与外加的致动的力成比例,而发生于这种外力所作用的直线方向上。

    定律三:反作用与作用总是相等而相反;换言之,两物体间的相互作用,总是大小相等,方向相反。

    牛顿所表述的动力学基本原理,支持了这一学科的发展达二百年之久。在1883年马赫发表他的《力学》第一版以前,没有人对这一表述所依据的假定提出过严格的批评。马赫指出牛顿的质量定义与力的定义使我们陷入逻辑上的循环论证中,因为我们只有通过物质对我们的感官所产生的作用才能知道物质,而且我们也只能用单位容积中的质量来作密度的定义。

    在总结动力学起源的历史时,马赫指出,伽利略、惠更斯与牛顿在动力学上的研究成果,实际上只意味着发现了同一条基本原理,可是由于历史上的偶然情况(这在一个全新的学科中是不能避免的),这一条基本原理却用许多貌似独立的定律或词句表达出来。

    当两个物体互相作用,例如靠了其间的引力,或靠了一条把它们连接起来的螺旋弹簧相互作用时,它们相互产生的反向加速度的比例是一定的,而只决定于这两个物体中的某种东西,这种东西,如果我们愿意的话,可以叫做质量。这个原理是靠实验建立起来的,我们可以下一个定义说:两个物体的相对质量,是用它们的相反的加速度的反比例来量度的,而它们中间的力就是其中任何一个物体的质量与其加速度的乘积。

    这样我们可以摆脱牛顿的质量定义与力的定义中包含的逻辑上的循环论证,而得到一个以实验为根据的简单陈述。由此可以批导出伽利略、惠更斯和牛顿的许多原理——如落体定律、惯性定律、质量的概念、力的平行四边形,以及功与能量的等效。

    通过落体的实验,伽利略发现速度与时间成正比例而增加。这样一来,本原的关系就是:动量的增加,可以用力与时间的乘积来量度,或mv=ft,即牛顿定律。假使伽利略首先发现的事实是:由加速度a而来的速度,随经过的距离s,按平方的关系而增加,则这种关系v2=2as(实即等于惠更斯的功与能量的方程式:fs=1/2 mv2),看起来就是本原的关系了。由此可见,力和动量所以看起来似乎比较简单和比较重要,功和能量的概念所以稽迟很久才被人接受,主要是由于历史偶然性的缘故。事实上它们是互相关联的,任何一方都可以从他方推导出来。

    再回到牛顿的定义时,我们还可以用另一个方法逃避逻辑上的循环论证。这个方法虽然不如马赫的方法完备,对有关的问题却有所阐发。牛顿已经认识到,人们从肌肉用劲的感觉得到力的机械概念,他本来很可以从这条道路找到一条逃避循环论证的途径。动力学可以看做是把我们对于运动中的物质的感觉提高到理性水平的科学,正如热学同温暖的感觉有关一样。我们从空间或长度与时间的经验,得到本原的观念;我们肌肉的感觉同样地给我们力的观念。这一感官所粗略地量度出来的等量的力,作用于不同的物体时,将产生不同的加速度,因此我们可以把每一物体的惯性,即对于f力的抵抗,称为它的质量,并可以说,它是用一定的力所产生的加速度a的反比来度量的。因此m=f/a。这样,质量的

观念就是从一个心理状态,即我们的肌肉对于力的感觉而来的。也许有人会批评这个方法把心理学引到物理学中来,但是,指出这样做,就可以免除物理学中逻辑上的循环论证,却还是有一定意义的。

    在这样得到了质量的明确观念之后,我们就从实验中发现物体的相对质量大致是一个常数。于是我们可以提出一个假设说:这个近似的常数是严格真实的,或至少有高度准确的真实性,这样,我们就可以把质量M当作长度L、时间T以外的第三个基本单位。从这个假设得来的无数推论在J.J.汤姆生与爱因斯坦的时代以前,同观测与实验是高度精确符合的。所以这个假设是经过充分的验证的,除了非常特殊的情况外,它还是有效的。

    质量既然可以用惯性来量度,剩下来的问题就是找出质量与重量的关系了。所谓重量也就是把物体拉向地球的吸引力。这问题也为牛顿所澄清了。

    史特维纳斯和伽利略的实验,表明两个重量不同的物体,W1与W2以同样的速度落地。物体的重量就是地球引力所产生的力,实验的结果证明重力所生的加速度a1与a2是相同的。根据上面所说的质量的定义,两物体的相对质量m1与m2可用以下的关系来确定:

      m1=W1/a1及  m2=W2/a2,

      a1=W1/m1及  a2=W2/m2。

    现在我们了解,任何公式的玩弄或任何形而上学的考虑(如经院哲学由亚里斯多德那里得来的)都不能导出两个自由落体的加速度的关系。等到史特维纳斯和伽利略用落体进行实验,才证明a1=a2是一个事实。但是,这一点既经证明之后,从方程式所规定的质量、重量与力的定义便得:

W1/m1=W2/m2或W1/W2=m1/m2

即两物体的重量与它们的质量成正比例。这是一个真正惊人的结果。牛顿指出,这个结果要求重力必须“是从一个原因而来的,这个原因并不是按照其所作用的质点表面的数量而起作用(机械的原因常是这样的),而是按照物体所含的实际质量的数量起作用的”。事实上,牛顿的天文学研究的结果,证明重力的作用必定“贯彻到太阳的中心和行星的中心,而不丝毫减少它的力量”。

伽利略的实验没有达到,也不能达到很大的精确度。巴利安尼更仔细地重新进行了这个实验。他从一点让一个铁球和一个同样大小的蜡球同时坠落。他发现当铁球已落了50呎而到地时,蜡球还差1呎。他正确地解释这个差异是由于空气的阻力,这种阻力虽然对两个球体是一样的,但对于抵抗重量较小的蜡球更为有效。牛顿对于这个结果更加以精密的考察。他从数学上证明一个摆锤摆动的时间必定与其质量的平方根成正比,与其重量的平方根成反比。他又用了不同的摆锤来做仔细而精确的实验,摆锤的大小相同,以使它们所受的空气的阻力相同。有的摆锤是各种物质的实体,有的是空球装上各种液体或谷类的颗粒。在所有的情况下,他都发现在同一地点,同长的摆在度量误差的极小范围之内,摆动时间是相等的。这样,牛顿就以更大的精确度证实了重量与质量成正比的结果,而这个结果本来是可由伽利略的实验推出来的。

数学方面的改进

    把数理力学应用于天文问题的一个直接结果,便是需要改进研究中所用的工具——数学。因为这个缘故,刻卜勒、伽利略、惠更斯、牛顿诸人工作的时代,也就是数学知识与技术进步很大的时代。

    牛顿与莱布尼茨以不同的形式发明了微分学。发明的先后,后来虽有争执,但看来都是独立发明出来的。变速观念的出现,要求有一种方法来处置变量的变化率。一个不变的速度可以用在时间t所经过的空间S来量度;不论s与t的大小如何,s/t一量是一定的。但是如果速度是变化的,那么要找某一瞬间的速度值,只能就一个差不多觉察不出速度变化的极短的时间来量度在这个时间内经过的空间。当s与t无限地缩小,而成为无限小时,它们的商数即是那一瞬间的速度,莱布尼茨把这一速度写成ds/dt,而叫做s对于t的微分系数。牛顿在他的流数法里,把这个数量写作s,这个写法用来不大方便,现在已被莱布尼茨的写法代替了。我们在这里不过是拿空间与时间来做例子罢了。其实任何两个量,只要是彼此依赖,都可用同样的方法来处理。x对于y的变化率都可写作莱布尼茨的记法dx/dy或牛顿的记法x。

    逆转的计算,即微分的总和,或从变率去计算变量本身的方法,叫做积分,常常是比较困难的工作。在研究某些问题时,如牛顿要从球体中亿万个质点的引力去计算整个球体的引力,就得用积分法。阿基米得用了类似的方法去计算面积与容积,但他的方法由于远远超过了他那时代,所以后来就失传了。

    含有微分系数的方程式叫做微分方程式。很多物理的问题都可表达为微分方程式;困难通常在于求它们的积分,从而求出它们的解答。有一个事实说明牛顿了解这个原理:他算出了一张数字表,来表达光线在大气中的折射,而所用的方法则无异于列出光线路径的微分方程式。

    在《原理》中,牛顿把他的结果改成欧几里得几何学的形式,其中许多结果可能是通过笛卡尔坐标与流数法求得的。微分学迟迟才为人知道;但在莱布尼茨和别尔努利(Bernouilli)所赋予的形式中,微分学却是现代纯数学和应用数学的基础。

牛顿在数学的许多别的分支中也有不少贡献。他确立了二项式定理,提出了很多方程式理论,而且开始使用字母符号。在数理物理学中,除了已经叙述过的动力学和天文学外,他还创立了月球运行的理论,算出了月球位置表,由这个表可以预测月球在恒星间的位置。这一工作成果对于航海有无上价值。他创立了流体动力学,包括波的传播理论,且对流体静力学作了很多的改进。

物理光学与光的理论

    单凭他在光学上的成就,牛顿就已经可以成为科学上的头等人物。光的折射定律,即入射角与折射角的正弦之比为一常数,是斯内耳在1621年所发现的。费马则指出,按这条路径前进,通过时间最短。1666年牛顿得到“一个三棱镜来实验有名的色彩现象”,而且他选择了光学来做他讲课和研究的第一个题目。他的第一篇科学论文也是讲的光学,1672年发表在《皇家学会哲学杂志》上。德·拉·普敕姆(De la Pryme)在他的日记中说:1692年牛顿往礼拜堂时,忘记了熄灯。这引起了一场火灾,把他的著作都焚毁了,二十年的光学研究成果也在其中。但牛顿在他的书的序言中却没有提及这仲事。他说:“1675年应皇家学会某些会员的请求,写了一篇关于光学的论文,……其余则是大约十二年后加入的。”

    1611年,斯帕拉特罗的大主教安托尼沃·德·多米尼斯(Auto-nio de Dominis)提出一种虹霓的理论。他说由水滴内层表面反射出来的光,因经过厚薄不同的水层,而显出色彩。笛卡尔提出一个更好的解释。他认为色彩和折射率有关,并且成功地算出虹霓弯折的角度。马尔西(Marci)使白光透过棱镜,并发现有色彩的光线不再为第二棱镜所散射。牛顿把这些实验加以扩大,并且把有色光线综合成白光,从而澄清了这个问题。他还认为望远镜里妨碍视线的各种色彩也是由于类似原因而产生的,并且错误地断定,要阻止白光分散成各种色彩就必然要在同时阻止放大率所必需的折射;因而他认为要改进当时的折射望远镜是不可能的,于是他发明了反射望远镜。

    其次,他还考察了胡克描写过的肥皂泡和其他薄膜上都有的薄膜的色彩。他把一个玻璃三棱镜压在一个已知曲率的透镜上,颜色就形成圆圈,后来被人叫做“牛顿环”。牛顿仔细地测量了这些环圈,并把它们一点一点地和空气层厚度的估计数比较。他又用单色光重复了这个试验,这时只有光环与暗环交错出现。牛顿断定每一确定颜色的光都是痉挛似地时而容易透射,时而容易反射。如果在反射光下去看白色光所成的环,某一在一定厚度下恰好透射过去的颜色便不会反射到眼里,于是眼所看见的便是白色光减去这一颜色的光,换言之即看见一种复色光。牛顿于是推断:自然物的颜色至少有一部分是由于它们的微细结构的缘故,他并且算出产生这种效果所必需的大小。

    格里马耳迪(Grimaldi)的实验,证明极窄狭的光束平常虽走直线,但遇到障碍时就沿障碍物的边角而弯曲,所以物影比其应有的形式为大,因而形成了有颜色的边沿。牛顿重复并扩大了格里马耳迪的实验。牛顿证明让光线通过两个刀口之间的狭缝,弯曲度就更大了。他对狭缝的宽窄和偏转的角度都进行了仔细的观察与测量。

    牛顿还考察了惠更斯所发现的光线通过冰洲石所生的异乎寻常的折射现象。在这种矿石里,一条入射光产生了两条折射光;在把这两条光线的一条分离出来,使它再通过另一冰洲石时,如果第二个冰洲石的结晶输与第一个的轴平行,这条光线仍能通过,如果两个冰洲石的轴恰成正交,这条光线便不能通过。牛顿看出这些事实说明不管一条光线怎样,它不能是对称的,而必然在不同的方面有一些不同。这就是偏振理论的要点。

    除了这些现象之外,在考虑光的性质时,还有一个事实也需要估计在内。 1676年,勒麦(Roemer)观察到当地球行到太阳与木星之间时,木星的卫星的掩食比平常约早七、八分钟,反之,若地球在太阳另一面时,木卫的掩食,则常迟六、八分钟。在后一情形下,木卫的光线须行过地球的轨道,即比前一情形的距离长些。观测所得的差异说明光的传播需要时间,而不是一发即到。

    牛顿说他本来还打算进行一些光学实验,但由于办不到,所以他对于光的性质也就没有得出明确结论,只提出一些问题让别人去探讨与解答。他的最后意见,似乎总结在第29问题中:

    光线是不是发光体射出的极小物体?因为这样的小物体可以直线地经过均匀的介质,而不弯曲到阴影中去。这正是光线的本性……。如果折射是由于光线的吸引力形成的,则入射角的正弦必定与折射角的正弦成一定的比例。

    根据光的微粒说,很容易说明这个“一定的比例”必定可以量度光线在密的介质中的速度和在稀的介质中的速度的比例。牛顿继续说:

    更使光线时而容易反射,时而容易透射,只需要它们是一些小物体,这些小物体靠了它们的吸引力或某种别的力量,在它们作用的物体中激起颤动,这些颤动比原来的光线更要迅速,于是次第赶上它们,并且搅动它们,仿佛轮流地增加或减少它们的速度,因而使它们具有那种特性。最后,关于冰洲石的反常折射,看来那很象是隐藏在光和冰洲石晶体质点的某几边的某种吸引力造成的。

    把光线看做是射入眼中的微粒的观念,可以追溯到毕达哥拉斯派。恩培多克勒与柏拉图则认为眼里也射出一些东西。这种触须式的理论也为伊壁鸠鲁和卢克莱修所持有。他们有一种混乱的观念,以为眼看物与手以棍触物有些相同。亚里斯多德反对这看法。主张光是介质中的一种作用()。所有这些都不过是精度,无论对与不对,同样是无价值的。不过,在十一世纪,阿耳哈曾(Alhazen)却举出一些明确的证据,说明视象的原因在于对象,而不是来自眼中,可是在他的时代以后很久,还时常有触须式的见解出现。

    笛卡尔认为光是一种压力,在充满物质的空间内传播。胡克说光是介质中的迅速颤动。这个波动说经惠更斯加以相当详细的发挥。他用几何学的作图法(图4),描绘了折射的过程。当光的一个波阵面(AC)由空气投到水面(AB)之时,水面上每一点就都成为一个反射到空气中去的小圆波,和散布到水里去的另一个小圆波的中心。如果把水面每一点的小圆波依次绘出,它们将相交而成新的波阵面,一在空气中,一在水里面(DB)。在这些波阵面,而且只有在这里,这些小波会彼此增强,而产生可感觉到的效果。这样形成的波阵面与我们所知的反射和折射定律都很相合。如果光的速度在水中比在空气中小(这假设与徽粒说所需要的恰好相反),则在某一瞬间,水中小波的半径将比空气中小波的半径小,所以折射的光线将更接近于法线,这正是自然界里所发生的现象。

    波动说的主要困难,在于说明清晰阴影的存在,即在解释光的直线传播。平常的波能绕过障碍物,不表现这种性质。一百年后弗雷内尔(Fresnel)解决了这个困难。他证明光的波长比所遇的障碍物的体积小得异常之多,所以光波和平常的波不同。但在牛顿看来,光的直线路径似需要微粒说才能解释。

    在上面所引的一节中,牛顿觉得要解释光的周期性,须得想象有一种比光更速的颤动。在以前的问题中,他明白地想象有一种以太担任别的类似的次要任务。例如,他在问题第18里说:

    如果在两个大而高的倒置玻璃圆筒里,悬上两个小温度计,不要让它们和圆筒相接触,然后把一个圆筒里的空气抽去,再把这两个圆筒由冷的地方搬到热的地方;在真空中的温度计将与在非真空中的一样变热,而且差不多一样的快。再把这些圆筒搬回冷的地方时,真空中的温度计与其他一个差不多一样快的变冷。暖室里的热是不是借一种比空气还要微妙的介质的颤动,在真空中传达呢?这种微妙的介质,是空气抽出后仍然存在在真空中的。这种介质是不是就是光折射和反射所凭借的媒介呢?光是不是就靠了这种介质的颤动传其热于物体,并且变得时而容易反射和时而容易透射呢?是不是热体中这种介质的颤动,帮助热体维持其热的强度与期间呢?热体传其热于附近的冷体时,是不是靠了从热体中传播到冷体中去的这种介质的颤动呢?这种介质是不是比空气还要稀薄与微妙万分,还要有弹性和活泼万分呢?它是不是很容易渗透到一切物体中去呢?它是不是(由于富有弹性)弥漫于一切天体中呢?

    牛顿接着表示:光的折射是由于这种介质在不同物体中有不同的密度的缘故;它在重物体中比较稀薄,在太阳和行星体内比在自由空间格外稀薄,而在自由空间中,离物质愈远这介质就愈浓密。他想这样去解释万有引力,去解释微粒说所需要的光在密的介质中的较大的速度。障碍物边缘的衍射是物质对表面以外的以太的影响所造成的一种折射。所以在牛顿看来,以太是光和可称量的物质之间的一种中间物。但是我们不要忘记,这些见解不过是牛顿书中正文以外提出的一些疑问。牛顿明白地指出进一步的实验是必需的,而他提出这些问题,是请旁人解答。有人抱怨说人们所以迟迟不接受光的波动说是由于牛顿的权威的缘故,但这种抱怨只有对于那些认为他的疑问里已经包含了解答的人,才适用。

    读者当会看出,如果光在空气中和水中的速度可以测量出来或加以比较的话,就可以进行一次决定性的实验,来判断这两个学说孰是孰非。1850年左右,弗科(Foucault)根据直接观测,第一次进行了这种实验。光的速度在水中较小,合于波动说的需要。

但近年来在阴极线中和放射物过程中发现了运动迅速的质点或电子。这说明和牛顿所想象的质点很相似的质点现时已可观察得到。事实上,牛顿理论的最可注意之点,是它和十分现代的观念相似,因为在牛顿看来与普兰克和J.J.汤姆生看来一样,‘优的结构基本上是原子的”,薛定谔等人还必须想象有一种由质点和波动组成的复合体,这同牛顿的想法更是依稀仿佛。当我们想到这些发现以及许多别的发现不过是一位青年人的成就,这个人后来做了造币局长,把他的晚年时间用于实际铸钱工作,又把他的闲暇消耗在思辨的神学著作上的时候,我们不禁对于他的心灵惊叹不置,象古代德谟克利特一样,他真可算是人类中杰出的天才。

化学

    前章所叙述的化学与医学的结合,直到十七世纪之末仍然统治着这两种学科。医药化学家逐渐把化学从依附于炼金术的不名誉的状态中解放出来,纳入职业研究的范围中去。已知的元素和化学反应的数目大大增加,从而奠定了提高化学理论的基础。

    我们讲过波义耳怎样在他的《怀疑的化学家》一书中,反驳“火的理论”的残余——一方面是亚里斯多德的四元素,另一方面是当时流行的化学理论,主张盐、硫、汞是三个主要原质。他的《怀疑的化学家》一书是化学走向现代观点的转捩点。

    牛顿在他的房间后面,剑桥大学大门口与三一学院礼拜堂之间的花园里,设立了一个实验室。他无疑是在这里进行他的光学和其他物理学学术的实验的,但他也研究了化学。他的族人和助手汉弗莱·牛顿(Humphrey Newton)说:

    他很少在两三点钟以前睡觉,有时一直到五六点钟才睡觉……特别是在春天或落叶时节,他常常六个星期一直留在实验室里,不分昼夜,炉火总是不熄,他通夜不睡,守过一夜,我继续守第二夜,一直等到他完成了他的化学实验才罢休。

    牛顿的化学兴趣似乎主要在于金属,在于化学亲合力的原因和物质的结构。在他的《光学》第31问题里,有这样一节:

    物体的小质点是不是有某种能力、效能或力量,使这些小质点可以起超距作用,不但作用于光而今光发生反射、折射与弯曲,而且互相作用,造成很大一部份的自然现象呢?物体因重力、磁和电的吸引而互相作用已是熟知的事情;这些例子表现了自然之理,因而在这些吸引力之外也许还有别的吸引力,因为自然是极有常规而不会自相矛盾的。至于这些吸引力如何形成,我不在这里讨论。我所说的吸引力也许是靠了冲动或我所不知的方法形成的。我用的吸引力一词,只是一般地指使物体互相接近的力量,不管它的原因是什么。因为我们在探讨吸引力形成的原因风前,必须先从自然现象了解哪些物体互相吸引,和吸引的性质与定律是怎样的。重力、磁和电的吸引,达到相当远的地方,因而常人的眼中也能看见。可能还有作用于极短距离的吸引力,直到现今还没有被人观察到,电的吸引力也许在没有被摩擦所激起的时候也可从达到那样的短距离。

    酒石酸盐在空气中潮解,不是由于它对于空气中的水蒸汽的质点有吸引的倾向吗?为什么普通的食盐、硝石或硫酸盐不潮解,岂不是因为它们没有那种吸引力吗?……纯硫酸能从空气中吸收很多的水,到饱和之后才不再吸收以后要在蒸馏中把水蒸发出去也很困难,这不是因为水的质点与硫酸的质点有同样的引力吗?硫酸与水依次倾入一个容器,而混合起来的时候变得很热,这不是说明溶液里各部中有极大的运动吗?而这个运动不是表明这两种液体在混和时,有激烈的结合,因而以加速运动互相冲击吗?

    牛顿在炼金术和化学上所花费的时间,比花在使他成名的物理学上的,可能还要多些。他没有写一本有关他的化学工作的书,除了在《光学》一书里所提的问题之外,只能在他的遗稿上找着一点记录。这些文件表明他对于合金特别感兴趣。例如,牛顿说熔点最低的铅、锡、铋合金,其成分的比例为5:7:12。他的这些笔记里节录了许多炼金术的著作,还有关于火焰、蒸馏、由矿石中提取金属,以及许多物质和它们的反应的化学实验的记载。这些手稿经人整理,并附上年表,而在1888年发表,但其节要过于简短,似乎有重加整理的必要。牛顿在化学上,虽然不象在物理学上那样有特出的发现,但他对于化学的见解远远超过当时的化学家。例如,他对火焰的意义就有深刻的认识。他认为火焰与蒸汽不同,就如赤热的物体与非赤热的物体一样。这种看法比亚里斯多德关于火是四元素之一的说法,与当时化学家用盐、汞、硫三原质来解释物质的见解,远远更接近于现代的思想。

    牛顿关于物质结构的见解已见上述。他承认了原子说,使它得到正统的地位,虽然那时原子论还不能达到精确与定量的形式,如以后道尔顿所完成的那样。伏尔泰在他的《哲学词典》中有这样一段话:

物质的充实性今天已认为是虚幻了……空虚,已经被承认了;最坚硬的物体都被看做象筛一样多孔,事实上确是这样。不可分割与不可改变的原子被接受了。不同的元素和不同的种类的存在物的永久性都应归功于这种原理。

生物学

    前章已经讲过透镜的改进与复显微镜的发明,对动物组织与器官的研究产生很大影响。在我们现在要讲的时期中,学者们,尤其是格鲁(Grew)与马尔比基(1671年)又把这样的方法推广到植物学中。关于植物的细胞与器官的正确的观念也开始形成。

    从德奥弗拉斯特(Theophrastus)到舍萨平尼(Cesalpinus),好像没有人注意生殖器官。首先从事这一研究的也许是格鲁。1676年他在皇家学会宣读了一篇植物构造的论文,他讲到雄蕊是雄的生殖器官,并叙述一了它的作用,但把这一学说的功绩归于牛津大学教授米林顿(Thomas Millington)爵士。杜宾根的卡梅腊鲁斯(Camerarius)、莫尔兰(Morland)、杰沃弗罗瓦(Geoffroy)诸人在巴黎科学院提出的论文中,又添了一些肯定的证据和细节。这些植物学家弄明白了:没有雄蕊粉囊里的花粉,雌蕊的受胎或种子的形成是不可能的。

早期动植物的分类,主要以功利主义的观念为根据或根据表面的显著特点,如把植物分为草本、木本与灌木等类便是。但在1660年,植物学史上的一个杰出的人物约翰·雷(John Ray,1627-1705年)开始发表论述系统植物学的一系列著作中的第一部著作。这些著作引起植物分类的大改进,同时也促进了形态学的进步,例如对于芽的真正性质的认识便是。约翰·雷最先看到把植物胚胎中的单子叶与双子叶加以区别的重要性,又利用果、花、叶和其他特性,首创植物分类的天然系统,并指出许多植物的纲目,至今仍为植物学家使用。此后他转而研究动物的比较解剖学,又促进了自然的分类,如将动物分为兽、禽和昆虫便是。约翰·雷常与维路格比(Francis Willughby)一块出外旅行,研究植物和动物,足迹遍于全球。约翰·雷不以古人的见解为最后权威,而将现代的自然历史建立在观察的稳固基础之上。

牛顿与哲学

    牛顿工作的两个最大的结果是,(1)证明地上的力学也能应用于星球;(2)从自然科学的大厦中排除掉不必要的哲学成见。希腊与中世纪认为天体具有特殊的和神圣的性质。这种见解已经部分地被伽利略的望远镜所解除了,但牛顿则更进一步加以摧毁。那时哲学与科学仍是混淆不清。连笛卡尔在为天文学建立一种力学理论时,也把它放在经院哲学的相反的观点和认为物质的本质是广延性的形而上学见解的基础上。牛顿摆脱了这些先入之见,实在是一种真正的进步。他对他的研究成果的解释,又包含了多少新的形而上学,我们将要在下面再加以说明。

    他的工作的意义,在他的直接弟子们看起来究竟怎样,可以从科茨(Roger Cotes)所写的《原理》第二版的序言中看出。在这里,科茨把残存的经院哲学和它固有的与不能解说的特性,笛卡尔想要在充满旋涡的实体空间的基础上建立自然界机械体系的、为时过早的尝试,以及牛顿只承认与观测符合的假设的方法,加以比较。科茨说:

    研究自然哲学的人可以大致分为三类。有些人把一些具体的神秘的性质归于几类物体,他们又断定某些物体的作用不可思议地决定于这些性质。亚里斯多德和逍遥学派所传下来的各学派的学说,一齐都包括在这里面。他们断言物体的若干效果是由于那些物体的特殊性质而产生的,但那些物体从何处得到这些性质,他们却不告诉我们,因此实际上他们没有告诉我们什么。他们只是致力于给事物起名称,而不探索事物本身。我们可以说他们发明了一种富于哲学味道的说话方式,并没有把真正的哲学告诉我们。

    因此,另外一些人就撇开大堆无用的词句,想使他们的勤劳收到较好的效果。他们假定一切物质是纯一的,物体所表现的多种多样的形式,是由于组成它的质点具有极平常而简单的亲合力所造成的;他们这种由简单物走到复杂物的方法当然是正确的,只要他们不在自然赋予质点的基本亲合力的性质之外,另外再给这些亲合力添上一些性质。但是当他们任意想象未知的图形与大小以及各部份的不能肯定的情况与运动的时候,当他们还设想有一些神秘的流质,自由弥漫于物体孔罅之中,具有无所不能的微妙性,带着神秘不测的运动的时候,他们这时就已经进入梦幻的境界,而忘记了物体的真正结构;这种结构,我们凭借最精确的观测还很难达到,凭借谬妄的猜度就更没有希望达到了。有些人把假设当作构造他们的玄想的基础,也许的确能形成一部奇妙的传奇,但也仍然不过是传奇而已。

    剩下的还有倡导实验哲学的第三类人。这些人诚然要从可能的最简单的原理中去寻找万物的原因,但他们从不把未经现象证明的东西当做原理。他们从不构造假说,也不把假说放进哲学里去,除非把它当做真实性还可以商榷的问题。他们所用的方法,有综合与分析两种。从一些选择出来的现象,他们用分析的方法推出自然界里的力以及力的简单定律;又从这里用综合的方法推证其他的结构。这是哲学探讨的无可比拟的最好方法,我们的著名作者最先最正确地掌握了这个方法,并且认为只有这个方法才值得他用他的卓越的劳动上加以发扬光大。在这方面,他给我提供了一个最光辉的范例,那就是根据重力理论极美满地推出来的对于世界体系的解释。

      牛顿的动力学与天文学的基础,建立在绝对空间与绝对时间的观念上。牛顿说他“他不给时间、空间与运动下定义,因为它们是人人都熟悉的”,但是他却把我们的感官根据自然物体和运动所量度的相对空间与时间,同不动地存在着的绝对空间,和“不管外界情形如何”,均匀流动着的绝对时间区别开来。“流动”观念带来了时间的流动性,作为它的必要组成成份,因而这个时间的定义里包含循环的因素,不过,这个定义已经很够牛顿用了。伽利略的球在地球上依直线运动。但地球既绕地轴旋转,又围绕太阳运行,而太阳与行星更在恒星间前进。牛顿的结论是物体总是在绝对空间里作等速直线运动,除非为外力所改变。1883年马赫指出把这个推理推到恒星的参照座标以外,是不恰当的。再从现代知识看来,我们可以更清楚地看出绝对时间与绝对空间的观念,是一些不一定可以从物理现象得出来的学说,虽然在十七世纪这些观念也许是从一般经验的事实中提出的很好的假设。事实上,彻底的相对论者,要免除使用绝对旋转的观念,也仍然是有困难的。

    惠更斯与莱布尼茨责难牛顿的工作是非哲学的,因为他对于万有引力的根本原因并未加以说明。牛顿最先清楚地了解到如果这个说明是需要或有可能的话,它必定是后来的事。他从已知的事实出发,想出一个符合于事实而又能用数学表达的理论,从这个理论得出数学的和逻辑的推论,又把这些推论与观测和实验得来的事实比较,并发现其完全符合。引力的原因不一定必须知道;牛顿看来,这是一个次要而无关的问题,在当时只达到适于猜想的阶段。我们现在可更进一步说,知道这样一个引力实际存在也并无必要。只要晓得复杂的行星运动就好象太阳系里每一质点都按质量及平方反比的定律被另一质点吸引着似的,这在数理天文学家看来已经够了。

    牛顿的吸引质点,不一定就是原子,但它们显然很可以起原子的作用。在他的化学研究中,牛顿又回到质点的问题。他对于物质本性的意见见于他的《光学》书末尾人们常常引用的一段话中:

    在考虑了这一切以后,我觉得好象是这样的:上帝在开头把物质造成固实、有质、坚硬、不可贯穿、而可活动的质点,它们的大小、形状以及其他性质与其对空间的比例,都最适合于上帝创造它们时所要达到的目的。原始的质点既属固实,就比用它们造成的有孔物体,要不可比拟的坚硬;它们坚硬到不能损坏或分割;寻常的力量不能分开上帝在最初创造时所造成的单体……我还觉得这些质点不但有一种惯性以及由此自然产生出来的被动的运动定律,它们并且为一些主动的原理所推动,如象万有引力、发酵的原因以及物体的内聚力等。这些原理,我不看做是由物体的特殊形式得来的神秘性质,而看做是自然界里决定物体形式的普遍定律;它们所具有的真实性通过现象显现在我们面前,虽然它们的原因还没有发现。因为这些是明显的特性,它们的原因才是奥秘的。亚里斯多德派并不把明显的特性叫做奥秘的性质,而仅把他们认为隐藏在物体中、成为明显效应的未知原因的一些性质,叫做奥秘的性质;这些明显的效应有重力、磁、电的吸引原因,发酵的原因等,只要我们假定这些力或作用是由未知而且是不能发现或弄明白的原因所造成的。这样的奥秘性质阻碍了自然哲学的进步,所以近年以来被人摈弃了。告诉我们每一物种有其天赋的特殊奥秘性质,因而它才能起作用或产生可见的效果,这等于什么也没有告诉我们。但如果你能从现象中发现两三个普遍性的运动原理,然后再告诉我们一切有形体的物体的性质与作用都是由这些明显的原理中产生的,那在哲学上就是一个大进步,虽然这些原理的原因还没有发现出来。所以我毫不迟疑地提出以上所说的运动原理——因为它们的范围是很广泛的——而让别人去发现它们的原因。

    自从牛顿时代以来,虽然经过很多人的努力,还没有人能对万有引力提出圆满的机械解释,而且从爱因斯坦的研究看来,这个问题已经转移到非欧几里得几何学的领域去了。这一事实证明牛顿的小心谨慎的真正科学精神是非常明智的。牛顿在《原理》中说,“到现在为止我还不能从现象发现重力的那些性质的原因,我也不愿建立什么假说。”他仅用问题的形式,在他的《光学》书中发表了一项意见,在那里他假设行星际间有以太存在,并假设其压力离物质愈远而愈密,因而压迫物质使其互相接近。但在他对事实进行归纳研究的时候,在他从他的理论中得出数学推论的时候,猜度是没有地位的。

    现在回到他比较确定的意见。他对于自然界的见解,见于《原理》的序言中:

    哲学的困难好象在这里——从运动的现象去研究自然界的力,再从这些力去验证其他现象;书中第一、第二卷的一般命题就致力于这个目标。在第三卷中我们阐明了世界体系,作为这方面的一个例子。因为根据第一卷里用数学证明的命题,我们在第三卷里由天象推出把物体吸向太阳和几个行星的重力。我们又从这些力,使用其他数学的命题,推演出行星、彗星、月球和海水的运动。我希望我们可以用同样的推理,从机械的原理中推演出其余一切自然现象;因为我有许多理由疑心它们可能全都取决于某些力,物体的质点就靠了这些力,由于一些迄今未知的原因,而互相吸引,粘着成有规律的形状,或互相排斥,而彼此离散;这些力既不可知,哲学家在自然界里追求,至今仍然徙劳无功;但我希望这里所阐述的一些原理能帮助说明这一点或某种比较合乎真理的哲学方法。

    在这里,牛顿所指的显然是按照物质与运动,用数学方式解释一切自然现象的可能性,虽然“自然现象”一词是否包括生命和心灵现象,他没有说明。但就其他事物而论,他接受首先由伽利略阐明的机械观点,而认为这是可能的。

    他还接受了伽利略对于第一性性质和第二性性质所作的区别:所谓第一性性质,有广延性与惯性等,是可用数学处理阶,第二性性质,有色、味、声等,不过是第一性性质在大脑里所造成的感觉。人的灵魂或心则应置在脑或感觉中枢里,运动由外界物体通过神经传达到这里,又由这里传达到肌肉里去。

    伯特教授认为这一切说明:虽然牛顿采取经验主义态度并且坚持处处都需要有实验的证明,虽然他反对把一切哲学体系当做科学的基础,并且在建立科学时摈斥不能证明的假设,但由于需要,他却暗暗地采用了一个形而上学的体系,这个体系正因为没有明白说出,所以才对思想发生了更大的影响。

    牛顿的权威丝毫不差地成为一种宇宙观的后盾。这种宇宙观认为人是一个庞大的数学体系的不相干的渺小旁观者(象一个关闭在暗室中的人那样),而这个体系的符合机械原理的有规则的运动,便构成了这个自然界。但丁与弥尔顿的富于光辉的浪漫主义情趣的宇宙,在人类想象力翱翔于时空之上时,对人类的想象力不曾有任何限制,现在却一扫而空了。空间与几何学领域变成一个东西了,时间则与数的连续变成一个东西了。从前人们认为他们所居处的世界,是一个富有色、声、香,充满了喜乐、爱、美,到处表现出有目的的和谐与创造性的理想的世界,现在这个世界却被逼到生物大脑的小小角落里去了。而真正重要的外部世界则是一个冷、硬、无色、无声的沉死世界,一个量的世界,一个服从机械规律性、可用数学计算的运动的世界。具有人类直接感知的各种特性的世界,变成仅仅是外面拥个无限的机器所造成的奇特而不重要的效果。在牛顿身上,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,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,得到令人钦佩的表现:

      高高苍天,

      蓝蓝太空,

      群星灿然,

      宣布它们本源所在:

       *  *  *

      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元论哲学和牛顿的科学融为一冶,也许还要安全些,因为笛卡尔的二元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,而不是人类知识的基础;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,一直推到最初的第一因,这第一因肯定不是机械的。……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,而且由于万物与他泯合无间,还能从整体上领会万物。”

    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-uel Clark)对牛顿的形而上学的观念加以发挥,但也有些曲解。本特利断定:“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来解释,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、普遍的定律,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者的立场出发误解了牛顿一样。事实上,牛顿似乎注定要被人误解。超距作用,他本以为是不合理的,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大才能形成,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。他们推荐他去当造币局的监督,不久升任局长。他放弃了他对化学与炼金术的研究,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。

    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  Conduitt);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。因而牛顿的财产为瓦洛普(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(Pilgrim Trust)所购得,并于1943年赠给三一学院。

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