笛卡尔的无限宇宙

图6.16　笛卡尔肖像

笛卡尔（RenéDescartes，1596－1650）出生于法国拉埃镇。1604年笛卡尔进了当地一所刚开张几个月的耶稣会学校，一直学习到1612年。由于笛卡尔身体极差，学校特许他每天可以睡到上午11点起床。后来笛卡尔到巴黎进入布瓦杜大学就读法律专业，毕业后应征进入一所军事学校。在学校里笛卡尔觉得一切知识都是那么不确定，只有数学给他一种确定感。1618年笛卡尔师从德国物理学家依萨克·比克曼（Isaac Beeckman）学习数学和力学，并开始寻求一种统一的关于自然的科学。1619年他加入巴伐利亚军队，从1620年到1628年他在欧洲各地包括波希米亚、匈牙利、德国、荷兰、法国游历，最后选定荷兰作为他的长久居住地，并开始潜心著述。

笛卡尔于1628年完成《指导哲理之原则》。1634完成《论世界》，全书以哥白尼学说为基础，总结了作者在哲学、数学和许多自然科学问题上的看法。1632年罗马教会对伽利略的迫害传到荷兰，笛卡尔未敢出版此作品。因此该书直到1664年笛卡尔去世后才出版。1637年完成《方法论》，该书包含三篇独立成篇的附录：《折光学》、《气象学》和《几何学》。在《几何学》中笛卡尔提出了重要的“笛卡尔坐标系”概念，代数学从此可以运用到几何学中，解析几何因此得以奠定基础，仅此一贡献，笛卡尔便可名垂科学史。1641年完成《第一哲学沉思录》。1644年完成《哲学原理》和《冥想录》。

1649年，瑞典女王克里斯蒂娜（Queen Christina）久仰笛卡尔大名，要拜他为师，笛卡尔欣然前往，应聘斯德哥尔摩宫廷哲学家一职。但是勤勉的女王要每周三次在清晨5点学习几何学知识，笛卡尔不得不改掉自幼年起便养成的每天11点起床的习惯，在北欧凌厉的寒风中一大早就赶到女王宫殿。几个月后的1650年2月11日笛卡尔死于感冒引发的肺炎。

笛卡尔比伽利略晚出生32年但只晚去世8年，可以算是同时代人。笛卡尔首次提出坐标系概念，对光学也有一定研究，还特别研究了碰撞运动，提出运动中的总动量守恒的思想，这是稍后的动量守恒原理的雏形。

笛卡尔对惯性概念的发展作出了重要的贡献，他首先坚持惯性运动必须是直线运动，而在圆或曲线上移动的物体必然受到某种外部原因的制约。他因而提出了圆周运动中的离心倾向，这是从力学上分析圆周运动的第一步。

尤其重要的进步是笛卡尔打破了仍旧禁锢在哥白尼、伽利略和开普勒等人脑袋里的有限宇宙概念，提出了无限宇宙的概念。笛卡尔的宇宙是一个充满物质的空间，这些充满空间的物质的运动形成无数的旋涡。笛卡尔提出，我们太阳系就处于这样一个旋涡中，这个旋涡如此之巨大，以至于整个土星轨道相对于整个旋涡来说只不过是一个点。旋涡的绝大部分区域充满了微小的球，由于彼此之间不断地发生着碰撞，这些小球变成了完美的球体。笛卡尔把这些小球称作“第二元素”。而第一元素是极度精细的微粒，即所谓的以太——一个17世纪里发展起来的与亚里士多德的以太概念有所不同的概念。笛卡尔宇宙中还有第三种物质形式，它们是一些更大的微粒，构成行星等大物体。每一颗行星都倾向于逃离旋涡中心，但构成旋涡的其他物质的离心倾向所产生的反作用与之抗衡，在这种动力学平衡下，行星的轨道就被确定了。

图6.17　笛卡尔的旋涡学说（左）和彗星的形成理论（右）
左：宇宙中有无数的旋涡，每颗恒星就是一个旋涡中心。旋涡可能会塌缩，恒星就可能窜入临近的旋涡；右：恒星N窜入太阳系旋涡并继续前行的路径，这就是彗星的形成。所以按照笛卡尔，所有的彗星是一次性的，而哈雷的预言彻底否定了笛卡尔的旋涡学说。

笛卡尔的旋涡理论是第一个取代中世纪水晶球模型的宇宙学说。虽然，开普勒的行星运动理论具有更优越的简单性和数学上的严密性，但是开普勒定律所依据的原理来自毕达哥拉斯和柏拉图的哲学，还夹杂一些亚里士多德的物理学。这是近代的机械论哲学所不能接受的。所以，笛卡尔的旋涡模型一度成为17世纪占主导地位的宇宙学说。直到牛顿提出万有引力定律，旋涡学说才慢慢退出历史舞台。

像伽利略被尊为“近代科学之父”一样，笛卡尔被尊为“近代哲学之父”，笛卡尔的主要成就还是在哲学方面。从人到宇宙，在笛卡尔看来都是一台机器。笛卡尔建立的这种机械论哲学影响深远，成为后来科学家研究自然的基本思想方法。

从哥白尼到笛卡尔的一个世纪中，天文学和天文学家研究的宇宙都发生了改变。几十年内，天文学家已经懂得了重复和精确观测的重要性，他们已经发现了如何设计仪器来扩展人类的感官。笛卡尔主义虽然风行一时，但是尽管笛卡尔主义者能够解释天体当前的状态，却不能预测它们将来如何运行。牛顿定量物理学的预测能力，将及时证明它的不可抗拒性，那时笛卡尔将随着亚里士多德一同进入历史。

【注释】

[1]De nuptiis Philologiae et Mercurii，Florence，Biblioteca Medicea Laurenziana，San Marco 190，f.102r.

[2]哥白尼，《关于天体运动假说的要释》，收录于宣焕灿选编《天文学名著选译》，知识出版社，1989年4月，60—74页。