哥白尼留下的问题

哥白尼被认为是科学革命拉开帷幕的标志。当然我们在上一讲已经看到了，哥白尼本人及其著作其实是非常保守的，《天球运行论》的意义与其说在于它说出了哪些东西，不如说它让别人说些什么。哥白尼所遗留的问题要比他解决的问题更加重要。天地界限被打破，宇宙变得无比空旷，随后天界的完美不朽以及圆形的水晶天球都被挨个打破了。

哥白尼革命的影响远远超出天文学领域，因为这些宇宙论问题自古以来也是与物理学和伦理学捆绑在一起的。我们在这里先不谈伦理学，下面主要关注物理学领域。

新的天文学体系要求解决两个物理学问题：第一，如果说地球每时每刻都在高速移动，那么人为什么没有被甩出去？第二，如果说天体不是由永恒旋转的水晶天球带动的，如果宇宙是空旷的，那么又是什么推动着天体运动？

我们现在知道对于第一个问题的回答是“惯性”，对第二个问题的回答是“万有引力”，这两个回答恰好是在牛顿力学中最终完成的。所以我们说从哥白尼到牛顿，从天文学到物理学，从1543年《天球运行论》到1687年《自然哲学的数学原理》，构成了科学革命的主线剧情。

也不是说一定要等到哥白尼之后，物理学家才开始着手解决问题，事实上，在亚里士多德之后，他的自然哲学始终处于学者们的争议之中，物理学和力学另有自己的发展线索，只是这些线索在科学革命时期最终和天文学汇聚在一起了。这些线索的“会聚”本身就是一件重要的事情，天地二分的打破才使得天文学和物理学的会聚成为可能，而物理学和力学的合流更有着深刻的意义。

没错，我们要谈一谈物理学和力学的合流，这件事情很多科学史书都是不谈的，甚至一些专科的力学史都没有重视这件事情，那就是在近代之前，力学与物理学完全是两个概念，是两种非常不同的学术传统。而我们现在谈现代物理学就是牛顿力学，好像这两个概念完全是一致的。相比天文学和物理学的会聚，物理学与力学则不仅是会聚了，甚至还“合体”了，而我们竟对此见怪不怪，这件事情本身就非常奇怪。

下面我们先讲一讲一般科学史都会讲的内容，也就是伽利略和牛顿的相关理论，最后再来讲“力学”的问题。

在亚里士多德的自然哲学看来，物体需要受到推动才会运动，这也是一种比较常识性的看法，但追随亚里士多德传统的自然哲学家们难道看不到那些惯性现象吗？比如说抛射出去的东西离开手之后还会长时间运动，又比如在匀速移动的船上竖直跳起仍会落回原地。他们当然不是完全无视这些现象，这些现象并不是完全无法解释的。比如一种典型的解释方式是空气的带动，比如行驶中的船不仅承载着船上的乘客一起运动，也裹挟着船周围的空气一起运动，那么只要你不跳得过高，就仍然在船的带动之下，自然还会和船一起前进。事实上哥白尼本人就采取了这套解释方式，他认为地球的转动同时也带动着地面上所有的物体和空气一起转动，所以人感觉不到。至于抛射出去的东西，也是因为投掷者不但推动了这个东西，也推动了周围的空气，在抛射物离手之后一层层的空气继续对它和下一层空气施加推动。

这套解释虽然不那么完美，但也绝不是完全不合理的。之所以坚持运动需要有外力推动，这与亚里士多德对“自然运动”和“受迫运动”的区分有关。亚里士多德认为有一些运动是自然的，例如土的下沉、火的上浮，因为每一种元素都有其“自然处所”，土的自然处所在宇宙中心附近，火的自然处所位于月下世界的最高一层，所以这些元素要回归其自然位置的运动是不需要受到外力的强迫的，因此石头的下落不需要外在的推动者，或者说它自己推动着它自己。但事物偏离其自然处所的运动是不自然的。我们说过，所谓自然，就是指原因在自己之内，非自然（受迫） 的运动一定有原因在自身之外。所以石头向上抛射，就一定有某种石头之外的原因在起作用。

我们知道在牛顿力学里，外力被认为是运动变化的原因，而不是运动本身的原因。但这与其说是一项新发现，不如说是一种新定义，是对运动和原因这两个概念的重新理解。在亚里士多德那里，“运动”这个概念是比较宽泛的，它大致就相当于我们现在所说的“变化”，亚里士多德区分了四种运动或者说四种变化，分别是生灭、量变、质变、位移。现代人基本上把“运动”的概念局限于位移运动，我们稍后就要提到，这是机械论哲学的功劳，而在亚里士多德那里，位移运动并不处于首要或优先的地位，他更多考虑的是质变。许多中世纪的经院学者也是如此，例如我们之前提到过那个得到中速度定理的奥雷姆，他们首先考虑的就是质的变化的图示法，比如“长方形的温度”，最后才把这种方法延伸到位移运动。

所以在得到现代的惯性定律之前，许多概念都需要加以重新定义，只有把运动的概念从变化的概念中抽离出来，把速度、加速度等概念准备好，我们才可能去谈论所谓的“运动的变化”之类。

上一讲就提到，所谓科学革命的概念提示我们，科学不仅仅是简单的一项一项新发现的累积，更关键的是概念框架的整体变迁，在概念框架没有准备好的情况下，许多事情你是根本不会想到去观察的，另一些事情即便你看到了也会有不同的理解，所以我们要讲的力学革命远不止是发现了那几条力学定律，更重要的是背后牵扯到的各种概念都变得面目全非了。