略論伽利略的科學思想及其作用

王春英

(西北民族大學電氣工程學院,甘肅蘭州 730030)

略論伽利略的科學思想及其作用

王春英

(西北民族大學電氣工程學院,甘肅蘭州 730030)

科學思想是科學理論的靈魂,科學精神是取得科學成就不可或缺的品質.本文通過伽利略的科學研究活動,探討了伽利略的科學精神基礎、科學研究的起點和科學研究的指導思想.他的科學思想對當前的科研和教育工作都具有重要的借鑒與啟發作用.

伽利略;亞里士多德;科學思想

伽利略 (1564—1642)是意大利物理學家、天文學家、近代實驗科學的創始人.他的主要貢獻在力學方面.他 1632年發表了《關于兩個世界體系的對話》一書,1638年又發表了《關于兩門新科學的對話》一書.伽利略的科學貢獻和科學方法已為人們普遍承認,但科學思想在其中的作用卻往往被忽略.透過他的科學活動看其成就和方法,科學思想和精神是他成功的主要原因之一.探討伽利略的科學思想和科學精神,無論對科學研究和教育工作都有著重要意義.他的科學思想和精神主要體現在以下幾個方面.

1 唯物主義自然觀是伽利略研究問題的出發點

自然觀是人們對自然界的總的看法,一般說它屬于哲學范疇,但是以唯物主義的出發點,堅持從自然本身去說明自然,解釋自然,由此得到一些能反映客觀世界本質、符合科學的見解,這種自然觀顯然包含著豐富的科學思想,伽利略正是堅持唯物主義自然觀,批判了亞里士多德 (以下簡稱“亞氏”)的錯誤理論,解釋了許多力學現象,從而使他的自然觀引發出科學思想的閃光.

首先,伽利略針對亞氏的世界觀和中世紀的經驗哲學提出了自己鮮明的見解.他主張把哲學建立在自然科學的基礎上,認為哲學家應該向自然科學家那樣面對客觀現實,從自然界中把握自然的本質面貌,而不能相信直觀感覺和邏輯推理所得出的“真理”,他對亞氏的批判就反映了這種思想.

16世紀以前,亞氏的宇宙學和物理學占據著統治地位.他不僅認為,宇宙是一個巨大的球體,球形的地球固定不動地居于宇宙的中心,而且還主觀臆測地把整個宇宙分為天體部分和元素部分.他認為天體部分由高貴的以太物質構成,元素部分由普通的水、火、土和氣組成.他依據對立性原則證明天體是不生不滅的,且只有一種運動形式——圓周運動.而元素部分是有生有滅的,元素世界的物體只能采取合乎自然與反自然的直線運動.在伽利略看來,亞氏人為地制造了天地間的差別,并從一些先驗的基本原則出發論證了天地間的不同,雖然邏輯推理微妙、完整,但由于論證基礎缺乏基本的事實根據,因此建筑在此基礎上的結論必然會離開可感覺的世界.他要求人們拋棄純粹思辨的對“原因”和“本性”的討論,建議人們“采取另一條道路,找出一條更直接、更有把握的途徑,運用更加踏實的建筑法則來建立基本原理.”[1]這里,伽利略提出了科學理論的來源和判斷標準問題.即科學理論應具有客觀性,它來源于自然,依據的是自然的運行法則,它的定義必須借助于事實,并非某個哲學家的地位和思想.不管什么時候,什么人,經過考察,只要發現理論基礎有問題,就有理由懷疑它的真實性、科學性,從而否定它.這正是伽利略唯物主義自然觀思想的具體體現.

伽利略不僅承認科學的客觀性和實在性,而且還將自己的研究工作建立在自然事物的基礎之上,表現出主觀與客觀的統一.這正是他與中世紀經驗哲學家不同的一點.

中世紀的學者們崇拜人的理性,而且還贊同古人,很少離開辦公室和書齋.“他們把自己的聰明才智用到討論假設的問題上來,如形式的張弛;或者沉醉于虛構難題的臆想之中……”[2]他們也曾對運動進行過研究.例如牛津的梅頓學派還從速度的角度把運動分為三類:勻速運動、勻加速運動和不規則運動.并把勻速運動定義為在所有相等的時間間隔內通過相等的距離,把勻加速運動定義為在所有相等的任意長度的時間隔內,獲得一個相等的速度增量.不規則運動就是不符合上述兩種定義的運動.以后任巴黎納瓦拉學院院長的奧里斯姆還創立了一種用幾何表示運動屬性形態的方法[3].并高明地運用這些定義和方法,證明和提出了人們所稱的平均速度定理.然而,他們解答這些問題并不是應用于自然,只是經驗哲學家的微妙想象力和邏輯敏銳性的一些智力練習.他們滿足于把速度當成與真實物體的運動相脫節的強度可變性質,把幾何學表示看成是心靈的虛構.相反,伽利略看到了這些方法的意義,并與物理實在的探索結合起來,建立了新科學的運動理論.

唯物主義自然觀還表現為,人類在認識自然的過程中,不是消極地適應自然而是主動地作用于自然界.這一點在伽利略的科學研究中也反映出來.伽利略積極主張通過對自然的觀察和對客觀事物的研究,特別是通過實驗來積累經驗,以求探索大自然的奧秘.他說:“在實驗科學里,首先是通過感覺、實驗和觀察得到結果,并且盡可能地弄清自己的那些結果無誤.若結論是真的,人們就可以使用分析方法探索出一些已經證實的命題,或找到某些自明的公理;但如果結果是錯誤的,人們就可以永遠探索下去而找不到任何已知的真理”.[4]例如他通過觀察比較了由黃金、鉛、銅和巖石以及其他重材料做成的球在空氣中的下落情況,從而發現比重不同的物體之間的速度差別隨著介質密度變小,且越來越小.于是他利用抽象和理想化方法推理,最終得到:“在完全沒有阻力的介質中所有的物體以相同的速度落地.”[5]又如他自制望遠鏡,克服觀察的局限,從而看到了肉眼看不到的天文現象,為支持哥白尼的日心體系找到了事實根據.

伽利略不僅局限于感性的觀察,而且上升到理性的認識,強調科學實驗在認識中的能動作用.例如對落體運動,感性經驗顯示,亞氏學派的觀點是正確的,但伽利略卻能在實驗思想的指導下,根據下落物體產生的“實際現象”來斷定現象背后的客觀實在,發現了自由落體運動在相等的時間間隔內速度的增量保持不變的基本特征,然后將這一基本特征用數學形式反映出來,并在 v∝ t的基礎上利用幾何關系推演出 s∝t2的結論.更可貴的是,伽利略沒有把這一結論看作是最終結果,而是精心設計了巧妙的實驗進行驗證.伽利略的成功在于把感覺經驗與推理、數學與實驗結合起來,突破了淺薄的經驗主義認識觀點.以實驗觀察作為基礎,以理性分析作為論證,使伽利略的唯物主義自然觀進入一個更深的層次,達到了一個更高的境界,這便是他超越前人和同時代人的關鍵所在.

2 自由探索精神是伽利略的科學精神基礎

伽利略之所以成功,一個很重要的原因就是興趣和執著.伽利略先是按照他父親的意愿在比薩大學學習醫學,可是跟醫學相比他更喜歡數學和物理學.濃厚的興趣和求解的欲望使他想成為一個數學家和物理學家,并因此遭到父親的反對.父親試圖用他個人有關數學和清高貧窮的長期相伴,勸說兒子不要選擇這種報酬很低的職業[6].然而由于伽利略的一再堅持,最終贏得了父親的同意.他對天文學和身邊的力學現象十分關注,并表現出心馳神往.他閱讀了大量的書籍,其中有亞里士多德、歐幾里德和阿基米德等人的著作.他不只是從前人那里獲取知識,汲取智慧和靈感,他還對前人的思想、觀點進行理性分析.為了追求真理,他不盲從潮流,不迷信權威,這一點從他對中世紀經驗哲學家的批評之中,反映出來.

在伽利略那個年代,宗教神學占據著統治地位.經驗哲學家們利用亞氏的名望和淵博的知識為神學觀點擴大影響和提供理論依據,將亞氏的著作確立為僅次于宗教教義的全面性權威.“人們的思維方式習慣于宗教的權威,人們在世俗的文獻方面也容易接受權威,……”[7]對知識的自由探索,使得“伽利略在年輕時代信仰亞里士多德,成年以后就不再相信亞里士多德的學說,而把握了新的原則.”[8]他崇拜理性,更接受無情的事實.于是他對那些被視為知識的最可靠來源的書典不再尊崇,相反地開始攻擊當時廣為流行的經驗哲學派的觀點.他批評經驗哲學家們通過思辨猜測獲取知識的做法.說他們只知道邏輯推理,不顧事實根據.他提醒經驗哲學家們:“自然科學的結論必須是正確的、必然的、不以人們意志為轉移的,我們討論時就得小心不要為錯誤辯護.”[9]

他責備經驗哲學家們是“使自己完全淪為亞氏奴隸的人,變得不管他講的什么都盲目地贊成;并把他的話當做絲毫不能違抗的神旨一樣,而不探究其他任何根據.”[10]在伽利略看來,權威不代表真理,為了保證科學結論的正確性,人們應該理性地對待權威,不應該依附于大權威的思想,拘泥在他的一詞一句上,而對權威的教條深信不疑.因為過分的崇拜和迷信,只會蒙蔽人的心靈,遮住人的雙眼,看不見事實的真相.

他號召人們:為弄明白事情的發生,為獲得自然力的知識,人們應該去親自體驗和觀察,親自去實驗.因為每個人都有一雙眼睛和一個頭腦,只要多看看,細想想,肯花力氣下工夫,就會找到正確的道路,就會獲得真理性的知識.

由于伽利略對真理的追求和對權威的看法,造就了他徹底的獨立思考與懷疑精神,并將這一精神貫穿于科學研究始終,表現出勇敢與創新.他常以事實與邏輯推理相結合的方法揭露和否定亞氏的錯誤觀點,同時結合新情況,找出新思路,敢于突破,并創立新理論.例如,在伽利略之前,人們對力的作用原理是建立在亞氏理論基礎之上的.亞氏把運動與靜止看作是兩種對立的狀態,不僅從運動到靜止或從靜止到運動需要實施力的作用,而且運動也需要力來維持.然而,伽利略認為,亞氏的論點是錯誤的.首先,靜止與運動都是物體的存在方式,它們并無實質區別.因為靜止不過是“一種無限度的慢”,所以它是運動的一種特殊狀態.其次,伽利略通過實驗表達了他自己的觀點.把一個小球放在具有一定高度的光滑斜面上,這個小球必然自發地沿著斜面加速地滾下來,到達底部小球獲得一定的速度,這個速度可使小球沿著光滑斜面減速地上升到同樣高度.如若把斜面變成光滑的、無限長的水平面,小球就會以這個速度一直運動下去.這種在亞氏學派看來,不可能存在的運動形式被伽利略揭示出來:物體憑借本性具有一種運動并且將永遠擁有這種運動.這樣的運動是不需要力的作用.可見,力不是維持物體運動狀態的原因,只有當一個物體的運動狀態發生改變時,才需要力的影響.

伽利略沒有使用“慣性”這個詞,但他已表達出慣性的思想.這一思想為以后牛頓力學的建立奠定了重要的基礎.

有了慣性運動思想和自由落體運動的性質,伽利略又突破了亞氏的運動觀點,發展出拋體運動理論.按照亞氏的理論,一個運動物體變化的結果不只是空間地點方面的變化,同時物體本身也經歷了量和質的一系列變化,所以運動總是影響著運動物體,一個物體不能同時有兩種或兩種以上的運動,否則這些運動就會彼此相互影響,互相妨礙.伽利略卻認為拋體的運動具有勻速運動和自然加速運動的復合運動的性質.他在其著作《關于兩門新科學的對話》中談道:“設想任意一個質點沿水平面無摩擦地投擲;如果這個平面是無限的,這個質點將沿平面作均勻的和永恒的運動.如果這個平面是有限的或被提高了的,則運動質點(我們想象它有重量)就將穿過平面的邊界,在它原先所作的勻速的、永恒的運動外,由于自身的重量而獲得一個向下運動的傾向;以至于所產生的我稱之為拋射的運動是一種水平勻速運動和另一垂直自然加速運動的復合.”[11]伽利略把運動同物體的本質屬性分離開來,通過對拋體運動的討論,不僅改變了亞氏以來人們思想中固有的錯誤觀念,而且揭示出自然界運動所遵循的簡單性法則——運動的獨立性和疊加性.由于運動的獨立性,所以運動與運動不會相互影響,這樣一來,一個物體可以同時具有幾個運動,合運動的結果遵從純粹的幾何學法則.相反,每一種運動也可以遵從相同的規則分解為若干個分運動.

勇敢是創新的基礎,創新是科學發展的內在動力.正是自由探索使伽利略具有了勇敢與創新的科學精神,才使他能夠排除一切干擾,在追求真理的過程中,表現出崇高的敬業和無私的奉獻,為科學的發展做出巨大的貢獻.

3 自然運動的簡單性思想在伽利略的研究中起著指導作用

自然界運動的簡單性思想源于人們對物質世界本源的認識.古希臘的泰勒斯認為,萬物由水生成.德謨克利特認為,萬物是由微小不可分、堅硬不可入的原子構成.亞里士多德認為萬物是由土、水、氣和火四種元素按照不同比例組成.中國古代也有“元氣說”和“五行說”.古人把萬物的生成或組成統一為幾種簡單的有形物質,這是科學史上最樸素、最原始的簡單性思想的表現.

在科學史上,還有一種學派,他們把數看作是萬物的本源.這一學派的代表人物是畢達哥拉斯(以下簡稱“畢氏”).畢氏宣稱萬物皆數字.他暗示所有的自然現象都是類似的數字關系.畢氏的數本論思想“對于整個希臘科學——無疑,也對于整個西方理性思維有過決定性影響.”[12]兩千年后,深受畢氏影響的哥白尼發表了《天體運行論》一書,在這本書中,哥白尼體現了以下思想:宇宙是一個和諧有序的系統,從外表看來,混亂不清的現象中,一定存在著對稱和秩序,且這個對稱和諧的天體可以用幾何模型進行解釋.哥白尼的日心說基本是正確的,在邏輯體系上更合理,用它計算天體運行有相當的準確性并較為方便簡單.托勒密從地心說去解釋月亮和 6個已知行星要用 77個圓,哥白尼從日心說出發去解釋則只需要用 34個圓.但是,日心說畢竟是人們的感覺經驗所難接受的,它不僅保留了行星作正圓形軌道運動的觀點,而且在得到觀測證實的精確程度上還曾比托勒密學說遜色.哥白尼的日心說由于與宗教教義相違背,遭到了羅馬教皇的反對,被列為異端邪說.然而,具有頑強意志和堅定目的的伽利略之所以贊成“日心說”,并宣傳哥白尼思想,一方面在于他求真求是的科學精神;另一方面還在于他自然運動的簡單性思想.伽利略也像許多的科學家一樣信仰簡單性原則,他曾說過:“要知道一般都公認,自然界能通過少數東西起作用時,就不會通過許許多多的東西來起作用.”[13]這是伽利略對自然界的一種看法,也是他認識自然的一種方法.這種方法在一定程度上影響了他對托勒密和哥白尼兩種體系的看法.

他認真研究了哥白尼的著作,并將其理論與托勒密的理論進行了比較,感慨道:“老實說,按照哥白尼體系來說明,比按照托勒密體系來說明,要容易得多,簡單得多.由此可以清楚看出,哥白尼的假設雖不大容易理解,但是在自然界運行起來卻很便當.”[14]他欽佩哥白尼的宇宙體系,承認哥白尼的學說,除了通過望遠鏡觀察到的事實依據外,還有一個原因,那就是哥白尼的宇宙模型符合大自然運行的本性“大自然總是采取最簡單的手段取得它要產生的效果.”[15]

“他在經過對相對性這個早期論證之后承認,用地球表面上普通物體所進行的實驗沒有一個能夠證明地球實際上是否是在轉動.只有天文學上的證據和根據簡單易曉的事情所進行的推理才能支持地球轉動的論點.”[16]于是他提出疑問,誰會相信自然就會費那么大的事,推動無限巨大的天體以不可想象的速度運動呢?“因為自然界從來不做那些做不到的事,……”[17]言下之意,按照自然法則,地球是轉動的.

他在落體運動的研究中,也表現出了簡單性思想的指導作用.

“當我觀察一塊石頭由靜止開始從高處下落,并且速度不斷增加時,為什么我不相信這種增加速度是以對任何人來說都非常簡單的和相當明顯的方式發生的呢?如果我們仔細考察事物,我們發現沒有比總是以同一方式重復它自己更簡單的了.”[18]伽利略正是在簡單性思想的指導下,抓住了速度變化的重復性特征,類比勻速運動的時間與路程的內在關系,給出勻加速運動的定義:“如果一個運動由靜止開始,它在相等的時間間隔中獲得相等的速度增量,則說這個運動是加速的”.[19]接著伽利略又對自己的理論進行實驗驗證.考察一下伽利略的斜面實驗,從中可以看出,實驗器材的選取簡單而不復雜.一個銅制球,一塊刻有直槽的木板,自制的水漏計時器.在實驗過程中,將銅球簡化為質點,用斜面沖淡重力作用,用羊皮紙減小摩擦.這一切都是要排除次要因素,凸顯主要性質,使物體的運動以純粹的形式表現出來,這種把現實世界理想化的思維方式正是伽利略簡單性思想的具體體現.

當然,簡單性思想并不是唯一地幫助伽利略找到正確理論,但至少在伽利略的研究中起到了啟示和指導作用.對此伽利略并不否認.他總結道:“在研究自然加速運動時,我們遵循了自然本身的習性和習慣,在各種方法中,僅僅使用了那些最普遍和最簡易的手段.”[20]正是這種最普遍和最簡易的手段幫助伽利略解決了十分重大的問題,取得了一個又一個研究成果.

4 結束語

科學思想是科學理論的靈魂,科學精神是取得科學成就不可或缺的品質.通過伽利略的科學研究工作我們可以看到:(1)伽利略在長期的科學研究活動中,形成的樸素唯物主義自然觀,是他產生科學理論的重要前提.伽利略反對用思辨、猜測的方式認識自然,不相信缺乏足夠的事實或確鑿的分析而做出的普遍性結論.而是以物質的客觀實在性為科學研究基礎.為了獲得事實依據,哪怕一個小小的結論都要親自觀察和親自試驗.正是這種求真務實的科學態度,才使他能夠排除一切干擾,表現出崇高的敬業精神和無私的奉獻精神,最終獲得真理性的認識.(2)自由探索精神使得伽利略不受傳統觀念的束縛,不迷信權威和書本,為了追求真理,與宗教神學斗,與經驗哲學爭,表現出了大無畏的革命精神.正是這種精神,才使他有所發現,有所發明,作出巨大的科學貢獻.(3)伽利略也和許多科學家一樣,都把簡單性作為一種科學信念和指導原則.哥白尼堅持“中心說”提出日心說,其中一個原因是,它比托勒密的地心說簡單,它沒有那么多的本論和均輪.開普勒則更深信,表現簡單的日心體系中的幾何秩序和數學的關系反映了上帝創造世界的思路.伽利略利用自己的思想和獨立方法開辟了物理研究的新領域,與其說伽利略接受了哥白尼、開普勒的影響,不如說他具有類似的洞察客觀事物的心靈.這種共同的東西就是他們的哲學觀念——簡單性原理.

[1][4][9][10][13][14][15][17] 伽利略.關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話[M].周煦良等譯.北京:北京大學出版社,2006.10,32～33,35,80,83,273,278,10

[2] [美]愛德華·格蘭特.中世紀的物理科學思想.郝劉祥譯.上海:復旦大學出版社,2000.88

[3] 詹姆斯·E.麥克萊倫,哈羅德·多恩.世界史上的科學技術[M].王鳴陽譯.上海:上海科技教育出版社.2003.219

[5][11][18][19][20] 伽利略.關于兩門新科學的對話[M].武際可譯.北京:北京大學出版社,2006.66,277,148,148,148

[6][16] [美]達娃·索貝爾.伽利略的女兒[M].謝延光譯.上海:上海人民出版社,2005.22,159

[7][8] [英]W.C.丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系[M].李衍譯.北京:商務印書館,1979.157,195

[12] 若一弗·馬泰伊.畢達哥拉斯和畢達哥拉斯學派[M].管震湖譯.北京:商務印書館.1997.76

2010-11-27)

王春英,女,西北民族大學副教授,從事物理學史及物理教育工作.