伽利略的科学

伽利略的科学

要评价伽氏的成就对西方思想的贡献，其中最受争议的问题便是他所引入的新“科学方法”。我们必须先厘清作为科学家与作为象征的伽利略之间的区别，以寻找答案。他的一生像是传奇。对许多人来说，他是向成见与权威，亦即科学清晰的确定性与暧昧隐晦的中世纪神学，提出挑战与对抗之理性的代表。

最早的科史学家——18世纪末的法国百科全书学派(French Encyclopedists)视伽氏作品为从事科学之新旧方法的分水岭，与过去相较有尖锐而具创造性的突破。对他们而言，伽氏这位科学家是一个象征。他们视伽氏为向愚昧的宗教权威主义讨回知识自由之大业的守护者与第一位殉道者。但直至20世纪初期，中世纪末期与文艺复兴时期的自然哲学，才得到完全的肯定。学者们方才发觉，非亚里士多德学派的数理机械学，早在14世纪便已存在。钟摆遂摆向另一个极端:有些人仅视伽氏为一发现者，并坚持其最初的普遍定理之人。

假定事实坐落在两个极端之间的某处，显然问题依然存在。伽氏科学的原创性有多少?他的方法为何?他工作的结果如何促进他所致力创建的“新科学”?

我们已经对伽氏开始从事其数学与动力学方面研究时的亚里士多德学派自然哲学的风气作过一番概述。我们看见在他的时代，在他向科学界所挑战的某些课题中，他的步伐已然与传统路径分道扬镳了。伽氏的工作并非在真空中进行，我们可以追溯他灵感的出处。有四个主要的影响层面:(1)阅读，(2)实验，(3)概念的公式化，(4)哥白尼主义。^[18]

就第一点来说，在伽氏早年就读比萨大学时，就曾致力于解释运动现象，这显示了他确实读过早期的著作，尤其是“动力”学派的作品。在帕多瓦执教时，他必须熟识前辈理论家就亚里士多德动力学之主要变化所作的研究成果，就如源自默顿(Merton)学派繁复的数学。就实验方面而言，伽氏很早就能自行从事，虽然他并不常操作。他强调实验的重要性。“凡将数学证明应用于自然现象，……其原理一旦经由严谨的实验所建立，就成为上层结构的基础。”^[19]

谈到第三个影响，伽氏常设计“思想实验”(thought experiments)来探究理论之假说的关联性，并论证其合乎逻辑。他构思的能力，可见于他对既有事实如何重新解释。举例而言，在《对话》一书中，他借着帮助读者以新的眼光重视原本熟悉的事实，而非从未被发现的新事实说服了他们。就第四方面而言，伽氏很早就推崇哥白尼体系为对宇宙的“真实”观点(而非解释行星运动之最方便的数学方法)，这提供了他毕生研究动力学的架构与动机。事实上，当伽氏解决年久日深的运动问题时，其动力学与天文学显然是相互依存的。

虽然，某些学者对导致伽氏的创造性成就的这些因素，各有侧重，然而，每一因素均在这位伟大的科学家复杂的思想与活动中扮演其角色。在解释伽氏的科学方法时，过度简化的倾向实不足取。在这个课题上，他并不像开普勒一样，有系统地整理其观点。他在帕多瓦的那段关键时期(1597—1610年)，一崭新的动力学在心中成形时，他几乎未曾写作出版。在伽氏的一生中，其尝试性的设备与试验，在步骤与认识论的观点上，常显得混淆与不一致。如同大多数实践科学家，他依据当下的紧迫需要而非既定的哲学，来述说其洞见。因为伽氏眼中尽是绿草，无所谓位于篱内或栅外，故许多哲学学派引之为同道。在此，我们避免这类的争论，仅简短地将兴趣集中在伽氏的实践科学上。

对伽氏而言，数学是开启宇宙之谜的钥匙。

这部巨著……除非先学习了解其语言，并读懂组成其语言的字母，否则便无法明了。其写成的语言为数学，特性为三角、圆及其他几何图形;缺少这些，人便不可能了解其中的任一语汇，只能在幽暗的迷宫中瞎摸乱撞。^[20]

伽氏是由数学家转变成物理学家，故其了解的物理世界与其认识的几何结构如出一辙。他相信自然界可以用数学的语言来提问，他亦深信可让自然自己来回答。换言之，数学的分析与理论需有经验的确立。对伽氏而言，科学性的事实必须来自观察与测量的“基本”特性，如:量、形状、大小与运动，而非“次级”特性，即在亚里士多德自然哲学中十分重要的:颜色、声音与味道。自然界能回答数学的问题，乃是因为自然界即是测量与秩序的场域。

实验在伽氏研究中的地位一直备受争议。许多实验是他亲自所做;然而有些实验，他只有描述，却未曾执行。他是伟大的诠释者，却非事实的搜集者。在实验中，有些为“思想实验”，伽氏假想一特定情况，思考已知观念或假设在其中的推演结果。从这一点可以看出，伽氏是一个真正的“实验者”:他时时意欲经由特别设计的实验来确立其理论的风貌。他明确的教导便是:推论形成假说须经证明之过程，好的科学理论必须能自然而然地回到现实。^[21]伽氏的路径并非纯数学的，它是物理─数学的结合。实存界便是数学具体化的结果。

那么，实验该如何进行呢?实验绝非仅止于简单的数据计算。对伽氏而言，实验并非用来孕育，而是测试理论的土壤。无论真实操作或心中推演，实验只有根据决定用以作数学分析的数据的假说来排列，方为有效。除非提问，事实本身是沉默无言的，而问题的种类决定有意义的答案的范围。实验本身并不提供理论的陈述，它们只是例证、肯定或否定假说的存在。然而，一个良好设计、条件严谨的实验，可能导致一现行理论的改变。它甚至可能提供改变的方向，使能符合新的实验结果。

伽氏在科学方法论上最重要的一项贡献为将问题“理想化”的这个诀窍。他能将每个问题减至其基本而必要的形式;除去非立即相关的因素;寻找并非描述实际物体的运动，而是当环境的影响被除去或标准化时，物体行为的“法则”。举例而言，将地表理想化为平面，垂直线则相互平行其上。在研究下坠物体时，忽略摩擦力与阻力。此方法乃是以“质点”(masspoint)为构想。伽氏可以区分亚里士多德所谓“基本”与“次级”的性质，并集中测量前者。他避开“原因”等复杂的问题，使能发现数学的“描述”。这个“理想化”的窍门使伽氏能直达问题的核心，且发展出简单的数学理论。^[22]

伽氏科学方法的三个主要元素是直观、证明与实验。首先，他将问题理想化，以认定其必要形式及独立基本元素以供分析，并将模型或理论公式化。其次，他为数个结论推演其数学证明，并以精选的实验来测试它们。最后，他执行其实验——实际操作或心中推演——并评价其结果。伽氏观察到，方法虽始于感官预测，有时却导致与之矛盾的结果。举例而言，哥白尼天文学的数学理念(地球绕日运行)即战胜了我们的感官(我们看见太阳移动)。