其次,伽利略还提出了“惯性定律”。在斜面实验后不久,伽利略又做了“第二斜面”实验:在一个斜面的对面再放置一斜面,下端相连,组成第二斜面。在前一光滑斜面上某处(高度为h)放一小球,它将沿斜面滚下,并沿第二斜面滚上,由于摩擦很小,小球会达到同样的高度h。如减小第二斜面的倾斜度,则小球不管实际路程的延长,还会滚到高度h处。这样,随着第二斜面倾斜度的减小,小球滚过的路程将越来越长。伽利略继续推论,如第二斜面变成水平面,那么小球将以不变速度沿水平面永远运动下去。于是他得出结论:“当一个物体在一水平面上运动,没有碰到任何阻碍时,它的运动就将是匀速的,并将无限地继续下去。”这就是“惯性原理”。在这种情况下,小球沿平面运动时,在运动方向上根本没有受到力的作用。这表明,力不是产生运动的原因,而是改变运动的原因。亚里土多德所说的“推一个物体的力不再推它时,物体便归于静止”的观念也是不对的。
再次,伽利略认为,如果力学定律在某个参考系是成立的,那么在相对于这一参考系作匀速直线运动的参考系都是等效的,这就是著明的伽利略相对性原理,它为近代物理学奠定了基础。他解释道:
需要考虑的是运动,就运动和运动的作用而言,运动在某种程度上是相对于缺乏运动的事物来讲的;并且在平等地享有任何运动的事物之中,运动并不产生什么影响,仿佛运动并不存在一样。因此,货物随同运载它的船离开威尼斯,通过科孚、克里特、塞浦路斯,到达了阿勒颇(引者注:阿拉伯),而威尼斯、科孚、克里特等仍然在原处,并没有随船移动;但是对装载在船上的袋子、箱子和包裹与船自身来说,从威尼斯到叙利亚的运动不起任何作用,无法改变它们之间的关系。的确如此,因为对所有这些东西来说运动是相同的,并且它们全部平等地享有这种运动。从船上的货物来看,一个袋子在船舱中哪怕只是单独被移动1英寸,就这个袋子而言是运动,而所有货物一起完成的2000英里的行程倒算不得什么运动。
此外,他还发现了单摆的摆动周期与振幅无关, 第一个证明抛物体的路径是一条抛物线等等。他的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(1632年)和《两种新科学的对话》(1638年)记录了他上述重要的物理学成果。
如果说哥白尼—开普勒的理论是刻画天上物体的运动规律,那么伽利略的力学理论则是刻画地上物体的运动规律。如何将这两者整合起来呢?
将两者整合起来的工作,最后是由英国科学家艾·牛顿完成的。牛顿的主要工作之一是用万有引力的概念将天文学革命与力学革命综合起来。当时,在天文学和力学领域存在着一些急需解决的问题:如从伽利略的力学原理来看开普勒的宇宙结构图景,首先就需要解决下列动力学问题:是什么力量在维持地球以及其他行星的运动?为什么行星总是绕太阳作封闭曲线运动而不作直线运动跑到外部空间去?其次是重力问题,根据旧的宇宙理论,地球是宇宙的中心,因而地球上所有重物都有向地心坠落的趋势。但如果承认地球环绕太阳画出了一条空间轨道,这样的地球就再也不能被视为宇宙的中心了,那又如何解释重力的存在呢?正是牛顿成功地解决了这两个问题。
他解决问题的思路是:他发现地球上物体的重力与月亮绕地球旋转的向心力(即地球对月亮的引力),以及各行星绕太阳旋转的向心力(即太阳对各行星的引力),在数学上都遵循平方反比定律,即它们在一定意义上是等价的。于是他采用“万有引力”的概念,将地球上的重力和天文学中各行星绕太阳运动的向心力统一起来。
牛顿于1687年出版了他的划时代巨著《自然哲学之数学原理》。其中除了包括上述研究成果之外,它还发展了动力学的基本概念(质量、动量、力),整理了力学的原理(运动三定律),发展了曲线运动的定律、摆的分析、受压迫的表面运动的本质,论述了怎样处理在不断变化的力场中粒子的运动。牛顿也指明了分析波运动的方法,他探讨了在各种对抗媒质中物体的运动方式,论述了彗星的轨迹和运动以及大海中潮汐的生成原因。从他的理论出发,可以逻辑地将开普勒和伽利略的理论分别推演出来。可以说牛顿建立了经典力学的大厦。
您能顺便谈谈牛顿对近代文明的影响吗?
确实有很大的影响。牛顿经典物理学的建立为近代物理学确立了新的规范,在他之后的近两百年里,物理学家都是用这种规范去分析和解决物理难题,并取得巨大成功的。当哈雷根据牛顿理论做出的一颗彗星将出现于1758年(在哈雷和牛顿都去世以后的很长时间)的预言被证实时,人们更是用“非凡的”或“可敬的”“惊人的”这样一些形容词来表达对牛顿及其创立的科学的崇敬。18世纪成了“信奉科学的卓越时代”,牛顿成为成功科学的象征,他创立的新规范成为当时所有的思想,如哲学、心理学、管理和社会科学的楷模。
牛顿确立的新规范不仅是近代科学革命的顶点,而且也是人类思想史上最深刻的革命,他的影响远远超出了物理学的范围。他和同代人洛克的新思想包含着“在思想的信仰和习俗中杰出的革命”,它标志着以启蒙运动为开始的新时代的到来。18世纪整个启蒙运动的纲领,尤其是在法国,是自觉地建立在牛顿的原理和方法的基础上的,并且从牛顿的辉煌成就派生出启蒙运动的信心及其广泛的影响,这对后来的西方现代文化如道德、政治、技术、历史、社会等方面的某些核心概念和发展方向都产生过重大影响。
下面请您再谈谈近代生命科学的革命。
古希腊之后到16世纪之前,西方人主要是以古罗马名医盖仑的学说来解释人体生理现象的。
盖仑在做活体动物解剖时,有意识地将动物的某些神经切断,然后再注意它躯体的哪些部分的运动受到了干扰,由此他认为是大脑而不是心脏在控制身体的运动。
盖仑为了解释人体内部器官的功能,采用了亚里士多德三大重要功能的概念。他把肝脏同营养作用联系起来,把大脑同使器官舒适愉快和理性的作用联系起来,把心脏同维持生命的作用联系起来。他认为,人体的生理过程是人体内的肝脏、心脏和脑这三个重要器官共同工作的结果。人体的生理过程要靠体内产生的三种“灵气”来维持,它们是动物灵气、活力灵气和自然灵气。动物灵气分布在人体的大脑器官里,由于它的控制便造成人的各种思维活动;活力灵气分布在人体的心脏器官里,由于它的控制便造成人体的各种运动;自然灵气在人体的肝脏器官里生成,由于它的控制便引起人体的生长发育。
那么,这三种灵气是怎样被人体精心地制作出来并合理地分布到全身的呢?盖仑认为,其关键在于人体内的血液的流动。他认为,血液形成于肝脏,肝脏将食物转变为血液。血液在被灌注了自然灵气后,通过静脉系统从肝脏流布到全身各个器官和部位。静脉血液含有丰富的自然灵气,具有滋养身体组织的功能,同时带走废物。
他认为,这部分静脉血最后流到了心脏的右心室。
其中的大部分血液首先流到肺部,在消除了积存起来的杂质之后到达肝脏。盖仑假设,还有极少量的静脉血液透过左右心室之间存在的毛孔,从右心室流到了左心室,在这里,这部分血液和来自肺部的空气混合在一起,就产生了颜色鲜红的动脉血和活力灵气,再通过动脉系统分布到全身,并在引起无意识的生理作用后被消耗掉,而不再回到心脏。
他认为,某些动脉血流到位于大脑基部叫做“迷网”的血管网中,在这里,活力灵气变成了动物灵气,然后通过中空的神经分布到全身。盖仑还认为,血液从心脏流入血管,在血管里像潮汐涨落那样,先朝一个方向,然后又朝相反方向往返流动,流动的动力是血管本身的收缩。在盖仑的这个理论中,至关重要的是他假定心脏内左右心室中膈上存在毛孔,这样,部分静脉血液才能通过这些毛孔从右心室流到左心室遥如果这些毛孔实际上并不存在的话,那么盖仑的整个生理学的基础就会遇到严重的挑战。
这个问题是被谁解决的呢?
推翻盖仑学说的这一革命性工作最终是由英国生理学家威廉·哈维完成的。哈维非常重视实验,他掌握了前人解剖学文献中的所有知识,将自己的大部分收入都用在解剖和实验研究上。他饲养了各种各样的动物,并曾对80多种不同类型的动物进行解剖观察和对前人的结论进行检验。在此基础上,又通过数学计算,他否定了盖仑的心脏本能运动是扩张的论断,得出了“心脏本能运动是收缩而非扩张”的结论。收缩把在心脏扩张期间进入心脏的血液从心脏排出。这种收缩规则地重复,使血液保持在血管中运动。他通过解剖实验发现人的心脏有四腔,即左心房和左心室以及右心房和右心室,左右两边的心室和心房之间都有膈膜严实隔开,并不相通,从而否定了盖仑的心室中具有带孔洞的中膈结构这一说法,发现了左右两侧的心房和心室之间都各具活瓣,只允许血液从同侧的心房流入心室。心房和静脉相接,心室和动脉相接。最后,哈维得出血液循环的断言:
因为计算和肉眼观察证实了我的所有猜想,即:血液是由心室的搏动而流过肺和心脏的,是受迫地喷射到身体的各个部位的,然后,静静地进入静脉和肌肉的多孔结构中,并通过那些环绕周身到中心的静脉流回每一个地方,由较小的静脉进到较大的静脉,由此到最后进到脉腔、进到心房,所有这一切,都以如此大量且带着如此大的流动和回流——从心脏流到末稍区域,又从末稍区域流回心脏——它不能从被摄取的营养物中得到供给,也比满足滋养身体所需的量大得多。哈维认为,血液的这种循环是生命的基础,是一切活动的泉源:
通过血的运动,较为温暖、完美、有生机且富于灵性的血液使身体各部分得到营养、抚育并富于活力;相反,在与这些身体部分作用以后,血液则变冷,变得快要凝结,变得疲乏不堪,然而,血液一旦返回到它的君王即心脏那里,就像回到了它的源头、回到身体最深处的家一样,在那里它又恢复到完美的状态。于是,血液又恢复了它应有的流体性,又被灌注了自然之热——这种自然之热是那样有力而强烈,是生命之财富,而且血液又为芳香葱郁的精神所感孕,此后血液又被再次发送到身体各部位。
哈维的血液循环理论在历史上是对人体生理过程的第一个科学的说明,它为人们如何正确地看待以前被认为是神秘的生理现象指点了迷津。这个理论不需要特设什么神秘的灵气,就能很好地解释人体的生理现象,而且与众多的实验事实相符。起源于原始文化的神秘的“灵气说”,在科学的血液循环说面前,已显得过时和荒唐。
下面我再来谈谈从帕拉塞尔苏斯到拉瓦锡的近代化学革命。
在近代之前,古希腊和中世纪留给人们关于自然界组成的文化遗产是亚里士多德的四元素论。在亚里士多德看来,月下区是一个世俗地区,每一种实际物质均由土、水、气、火这四种元素之一部或全部组成。这四种元素能按任何比例结合而生成荷蒙米利亚,它们是组成血、石头、肉的微粒。这些微粒再结合起来,形成安荷蒙米利亚,如脸、手等等。元素及其微粒结合的方式有三类:合成、化合和掺合。他用这种结合去解释他所知道的一切化学现象。为了说明四元素的存在状态和它们之间的相互转化,他提出了元素可以和一组“质”并存的设想,基本的质有四种,即热、冷、干和湿。它们可以组合成四对,即热和干,湿和热,冷和干以及冷和湿。这四对质分别隶属于四元素:火是热和干的,气是热和湿的,水是冷和湿的,而土则是冷和干的。他认为,由于这些质在程度上可以任意变化,于是一种元素完全可以变成另一种元素。例如,由于气和水都含有湿,所以只要以冷克热,即可变气为水。
近代化学革命的源头可以追溯到16世纪瑞士化学家和医生帕拉塞尔苏斯(1493~1541),他率先提出了“三元素论”的看法,导致了一场反对传统的亚里士多德观念的化学哲学的争论。17世纪上半叶,范·赫尔蒙脱根据定量化学实验,进一步发展了“三元素”说。他认为,基本元素并不只有汞、硫、盐三种,“水”也很重要。以后,又有人认为“黏液”和“土”也很重要。这便导致了“多元素”说的观念。这种观念为后来波义耳的“微粒理论”的提出作了很好的铺垫。
波义耳对近代化学的奠基工作是从科学地定义“元素”的概念开始的。他在早期著作《怀疑的化学家》(1661年)中说:“我以元素一词指某些原始的、简单的物体,或者说是完全没有混杂的物体;由于它们既不能由任何其他的物体制成,也不能由它们自身相互制成,所说的所有完美的结合物直接由它们复合而成,并且它们最终也将被分解。”他还论证了亚里士多德的水、土、火、气四元素和帕拉塞尔苏斯的盐、硫、汞三要素均不是这样的元素,这是对传统理论的有力批判。