“引力”：从目的论到机械论———个近代早期科学假说的案例，本文主要内容关键词为：机械论论文,目的论论文,假说论文,引力论文,近代论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
关于科学假说的提出，人们设计过不少程式，大抵可分为正面论证的（如“假说－演绎法”）和反面追究的（如“猜测－反驳法”），但科学史上为它们提供佐证的案例十分分散，很难作出一概而论的判断。本文拟就近代科学早期对于“引力（gravity，或重力）”概念的重新解读，表明科学发现并非一朝之功。
1 早期引力概念
古人认为，天地万物都各有其位，如果脱离了，就要千方百计地回到那里，天体周行，石头落地都是如此。中世纪经院学者确信任何物体都有一个重心，这些重心均汇合于宇宙中心（这个中心即地球的中心），地上万物都趋向于它，构成了（地）球的形状。
但在哥白尼学说中，太阳占据了宇宙中心，地球被看成与诸行星同样的运动天体，这就带来了一个新问题：地球若不是宇宙的中心，石头为什么还落向它？哥白尼认为，任何物质都具有不同的、但还是希望回到最近天体中心的倾向；所以地球上重物仍然有向地心下落的运动，而且月球和其他天体亦有类似的向心运动。比较容易接受的一个类比是铁块被磁石吸引的运动，而使物质聚集于整体的趋势就是所谓重力，并可以此证明地球必然是球形的。伽利略也说：“地球各部分的运动并不是为了趋向宇宙中心，而是为了和地球这个整体联合在一起（因此它们都具有趋向地球中心的天然倾向，而且凭这种天然倾向形成并保持地球的圆形）”[1]。但他们都没有意识到天体也正是通过这种力保持其轨道运行的。
第谷·布拉赫通过追踪彗星穿越天空的轨迹，发觉坚硬透明的天层（从亚里斯多德到哥白尼都相信天体分别镶嵌在多级天层上）其实并不存在。于是，问题便成了：既然日月行星和地球形成一个拥有共同中心的宇宙体系（实际上是太阳系），那么牵制它们按照正常轨道进行运转的统一原理是什么？众所周知，伽利略为哥白尼地动说提供的最有力支持是运动相对性原理，它表明匀速运动的物体，倘若不加以比照，其本身并感觉不出运动来。他设想最初是上帝向太空抛撒行星，当它们加速到一定速度时，就不再下落，而转变为匀速的轨道运动，根据惯性定律一直运动下去。
17世纪的科学，是以一个有关磁的命题开始的。1600年，英国皇家宫廷医生、实验物理学家吉尔伯特发表《论磁石、磁体和地球这个大磁石，一种新生理学》，认为磁力可能就是维持宇宙（太阳系）存在的原理，他对自己所做的磁石球实验作了如下推广：地球上各部分的运动构成了地球整体的联合运动，反过来又促使各部分趋于整体，而地球本身就是一块大磁石；地球磁力也具有吸引、极性和旋转的特征，并向天际扩散。其他天体的情况亦大抵如此，它们通过磁力相互作用。例如月亮就给予地球上海水一种磁性吸引力而导致了潮汐。
在吉尔伯特看来，磁性是产生重力的真正原因，其（磁）引力大小正比于施力体的数量和质量；且这种引力相互作用，磁石吸引铁，铁也吸引磁石，地球吸引月球，月球也吸引地球（但地球质量占优势，因而具有较大的磁引力）。据此可给出支持地动说的论证，“为了不致以各种方式消灭，不陷于混乱状态，地球凭借地磁的原动力而转动”[2]。
文章发表后，立即引起了人们的关注，伽利略通常不甚注意别人的观点；但在《两个世界体系的对话》中还是详尽讨论了吉尔伯特的观点，有关磁学的内容亦被开普勒的《新天文学》(1609)多次引用。培根也对之大加赞赏，在《新工具》(1624)里几次提到吉尔伯特的工作。
提出近代引力概念，并试图建立天体力学体系的第一人是开普勒。他指出，重力是类似于磁使物体结合在一起的趋势；地球吸引石头，而不是石头渴望到达地球。因为地球是球体，它们就趋往其中心，如果地球不是球体，那么重物运动就不向一个中心坠落了。但“产生吸引的不是数学点，也不是地球的中心，而是物质本身和物质的每个粒子”[3]。因此重力乃一种被吸引的属性。
开普勒认为，天体的轨道运动是来自太阳的中心力和切线方向的推力平衡所致。但他仍沿用了亚里士多德推动力与物体运动速度成正比的说法，根据行星面积定律（太阳－行星矢径所扫过的面积与时间成正比），可以推知行星所受推动力反比于其与太阳之间的距离。太阳的运动精灵发出磁力流，像轮辐一样在行星轨道平面形成一种切线力推动着行星；因行星的轴处于一特定的角度，太阳对它的两个磁极交替地吸引和排斥，使行星的矢径发生变化而表现为椭圆轨道。
正当近代引力说脱颖而出的时候，笛卡尔构思了一个涡旋的宇宙体系，他认为物质与广延是联系在一起的，不存在什么“真空”（vacuum，或虚空），也没有什么“自由”地坠落，物体必须通过接触发生相互作用，这就不可能有超距的作用力（引力）。整个宇宙充满了连绵不绝的、微妙的以太旋涡流，行星镶嵌在各自的旋涡中，它们都被卷入以太阳为中心的巨大旋涡。因此真正起作用的就是由以太旋涡形成的拖曳力（它也是重力的起源），石头落地、行星轨道都是通过包围地球或太阳的旋涡产生吸引效果的。笛卡尔体系的优点是把天体运行、物体下落乃至潮汐运动的原因等同起来，并把它们归结为力学问题（尽管这个模型无法作进一步的定量描述）。这个涡旋宇宙模型盛行一时，庶几埋没了开普勒很有前途的引力假说。
2 牛顿引力概念的确立
然而，关于“引力”的想法并没有偃旗息鼓。
法国数学家罗伯威尔大概是最早提出“万有引力”的人，他借古希腊天文学家阿里斯塔克（古代日心说提出者）之口说，引力弥漫于空中以太，也内在于天体本身。通过其作用，物质部分紧密地结合为一个整体，除非有另一种更强大的力量迫使它们分开；天体表现为完善的球形，否则就达不到稳定状态，它们从各自中心出发而产生相互作用。这种引力性质也存在于地球上各种物体和元素中，但它们并不是平均分享这种性质，于是便有了轻重的区别。
除了磁性的隐喻之外，人们还用“（太阳）光”形容引力的传播作用。培根曾指出这种传播系沿着物体垂直方向进行（球面波，意味着其强度与距离平方有某种反比关系）。在开普勒看来，太阳发出“运动样式”是行星运动的原因。与此同时，意大利学者博雷利在一本叫做《行星医学论》(1666)的书中提出，如同物体依靠大地，行星也有趋近太阳的“自然本性”；比之于投石环索的例子，绳索上的石头绕圆圈飞转，同时强烈地拉伸着绳索，为了与使行星被引向太阳的力（引力）达到某种平衡，必须假设还有一种离心的力，否则，行星就会落向太阳。伦敦皇家学会秘书、物理学家胡克认为，彗星掠过天空的轨迹正是由于太阳引力导致了弯曲。胡克还建议“将沿切向的顺行和朝向中心天体的吸引运动这两种行星运动合成起来”，研究在一个按距离平方反比变化的引力作用下，物体的运动路径问题[4]。
天体运动的力学解释就这样集中在为了使惯性运动弯曲成圆周运动，必须有向心力，这就要求导出支配这种向心力的规律；引力如果能够提供约束行星沿轨道运行的向心力，又要导出支配引力随距离变化关系的规律这两个问题上。
荷兰物理学家惠更斯发表《摆钟》(1673)一文，给出了单摆振动周期与其摆长和重力加速度的关系，亦即物体保持匀速圆周运动的向心力公式。但惠更斯并没有把这个公式运用到天文学上去，他比较倾向于笛卡尔（涡旋说），认为重力不是物体的属性，而是“围绕地心环行的以太的作用，以太力图离开地心，并迫使那些不具有它的运动的物体占据它的位置。”[6]1684年，哈雷将惠更斯公式运用于胡克的假说，发现由开普勒第三定律（行星转动周期的平方与轨道平均半径的立方成正比），行星必须受到大小与其质量成正比，与到太阳的距离平方成反比的力（根据惠更斯定理，半径为r，周期为T的圆圈向心力正比于r/T[2]；根据开普勒第三定律：T[2]ar[2]，从两者中消去T，可以得到力随1/r[2]而变化的结论）。
至此，有关引力的大部分材料都已准备就绪，它们分散在许多著述中，关键的问题是要给出一个普适的力的（距离）平方反比关系的证明。大约1685年，牛顿运用法国人皮卡尔改进了的地球半径测量值(1671)，并证明可以把天体视为质点来简化问题的讨论，引力定律随即大功告成。所有物体相互吸引，引力的大小与它们的质量成正比，而与它们之间距离的平方成反比；在这种力的作用下，大凡从苹果坠落地面，到行星运行所遵循的开普勒定律、彗星的抛物线轨迹都得到了合理的解释，它们均受同一个物理规律的支配。这一定律美满地推导出了整个宇宙体系，打破了亚里士多德所谓“天上物理学”与“地上物理学”的界限。
3 引力定律——近代机械论最重要的象征
拉丁文“引力”(gravitas 在亚里士多德看来，一个有重的物体，当它不受阻碍时将自动趋向于宇宙中心。有重乃是物体内在的一种目的趋势；如果要阻止这种趋势，就必须作强迫运动，或更重的东西来支撑它（反之，一个轻的物体，则倾向于离开宇宙中心）。因为事物的运动变化都是通过“四因”，主要是由质料因和目的因（同时也是形式因和动力因）引起的；物体本身就是具有一种自然趋势，寻求自己的“自然位置”，这个位置也就是宇宙的中心。地上万物的自然运动无非是离开中心（向上）、趋于中心（向下）的直线运动，而天上“第五种元素”围绕中心做完美圆周运动——天上物理学与地上物理学因此而泾渭分明。亚里士多德“物理学”最重视的也是目的因，“自然是一种原因，并且就是目的因”[6]，一旦达到了目的（实现了本性），自然运动也就停止了。 哥白尼学说放弃了地球作为宇宙中心的优越地位，但又必须使物体下落的事实得到解释，物体所趋向于自然位置“目的”的说法开始受到怀疑，取而代之的是部分试图回到整体去的“感应”说：（物体）各个部分发出导致相互趋近的因素，重新结合成一个整体，磁性吸引力就是一个典型的例子。 长期以来，热衷于感应说的主要是占星家和医生（他们往往一身两任，近代以前很少有人不懂得天象也能行医），这些人对天体之于月下世界的影响矢信不疑。在大宇宙（天体）和小宇宙（人体）之间是否存在感应关系，亦正是意大利文艺复兴重要人物皮科反驳占星术的一个论题。另一个早就引起人们注意的是潮汐涨落与月相变化的周期性吻合，从托勒密到阿尔布马扎（9世纪阿拉伯天文学家、占星家）都把它们归之于某种类磁的感应。考虑到月亮是导致湿性（阴性、水流、妇女月经等等）的天体，这种看法也是顺理成章的。但也有不少经院学者，如阿维森纳、阿威罗伊、格罗斯泰斯特、大阿尔伯特等人不以为然，他们仍希望用类似月亮产生光或热等原因来作出解释…… 大多数哥白尼主义者试图通过地球的旋转运动来说明潮汐现象，但解释不了潮汐是与月，而不是与太阳的相关性。反对派则认为地球动不动无妨，月亮，还有太阳的吸引力对于潮汐的影响可以根据占星术原理来说明，太阳与月亮之间的夹角如果是0度（“合”）或180度（“冲”），它们就会连成一线产生更大的力，这就是为什么满月或新月时潮汐特别大，而当太阳月亮之间是90度（“方”）时，它们的共同作用力最小，潮汐也就最不明显，而其他时候太阳月亮的效应部分抵消。这也的确较好地解释了潮汐的周期性特征。 尽管吉尔伯特以为磁力是某种“有生命”的东西，但他“驳斥了这样一个观点，即认为纯粹的几何点——例如实际的宇宙中心——可以起真实吸引的作用，或可以当作物体向它运动的目标。……另一方面，吉尔伯特坚持认为重力不是发生在纯几何点之间的作用，而是质料本身的特性，是受相互关系所制约的真实粒子的特性。重要的是物质部分联成整体的倾向。真正的磁性材料在其对同类物质施加影响时彼此产生吸引。”[7]人们注意到，吉尔伯特的磁学是一门“被许多论据和实验证明了的学说”。培根也认为物体即使在很大距离范围也能发挥作用，而未必始于接触，如月亮之于潮汐；类似作用也产生于太阳与行星、行星与行星之间等等。不管怎么说，引力问题正进入新近崛起的实验科学视野。 事实上，在向近代科学的转型过程中，伽利略的动力学方案起了决定性的作用；而仍囿于（亚里士多德的）马拉车模型刻划太阳之于行星产生“力”的开普勒也注意到，“天上的机械不是一种神圣的、有生命的东西，而是一种像钟表那样的机械，正如一座钟的所有运动都是由一个简单的摆锤造成的那样，几乎所有的多重运动都是由一个最简单的、磁力的和物质的动力造成的。”[8]也就是说，保持天体平稳运行一定是某种特殊的引力，因为根据惯性原理，天体一旦被置于匀速圆周运动，便不再需要拉力了，而为了使它不从切线方向飞出去，又必须有一种向心力来牵制。 经过开普勒、伽利略，“引力”概念被纳入机械论宇宙体系，包括博雷利、惠更斯和胡克“这些人全都在研究同样的问题，并且独立而同时地在解决引力问题上作出了贡献。”[9]牛顿以提出引力定律为契机，找到“所有星体彼此之间的相互作用”，把人们分别讨论的问题成功地综合了起来。他的工作主要可以归结为：第一，证明地上的力学亦可同样应用到天空中去；第二，从自然科学的大厦中排除了不必要的哲学成见。[10] 尽管引力理论也遭到莱布尼茨等人的批评，他们指责这种超距的引力纯属一种“奇怪的虚构”，因为自然从来不飞跃，引力也“不是由物体的一种隐秘的冲击派生出来的。反之，可感觉到的物体趋向地心的重力应该是由某种流体的运动产生的。其他的重力作用，如诸行星向太阳或它们彼此之间的，也将都是这样。”[11]但正是这个引力，成了近代机械论最重要的象征，“吸引”被认为是一个引起重力作用的物理因素。至于为什么用它而不是用“倾向”、“趋势”等等来说明问题则很可能纯属偶然。 用牛顿的话说，引力只是给从物体下落到行星环绕太阳运转等一系列现象所起的一个名称，涡旋说如果不能定量说明行星运动定律，也解释不了彗星穿越天空的景象，则于实验哲学（即实验科学，以区别于思辨性的自然哲学）并无价值。尽管牛顿承认他并不能解释万有引力如何发生，但“在可以应用理性原则的思想和活动的几乎每一个可能的层次上，都留下了牛顿革命的重大影响。即使到了今天，在牛顿的时间、空间和质量概念甚至牛顿的引力原理已被爱因斯坦的体系取代了的情况下，牛顿科学仍然在许许多多的科学的和日常生活经验的领域中占据着至高无上的地位。”[12] 要之，各种各样的考虑，常识所理解的重力、吉尔伯特的磁性譬喻、开普勒的行星观察定律、笛卡尔的涡旋宇宙说、惠更斯推导的向心力关系；甚至包括占星术的说法、光与天体之间的相互作用联想、反亚里士多德目的论的时代动机等等都在为提出引力假说作出贡献。在这漫长而又艰难的创制过程中，人们可以追踪它的轨迹，但无论如何，都不会发现新假说是什么异想天开的结果。