第七讲 力学

1.机械论的兴起

我们看到，在现代科学滥觞之时，欧洲人已经对各种机器司空见惯，省力机械、机械钟和印刷机不但给现代科学提供了外在的助力，更是构建了其核心隐喻：机械论的自然观。

在古代人心目中，宇宙是一个有机的整体，世界并不位于一个各向同性的虚空之中。希腊哲学家开始追寻万事万物的统一的秩序，但这种秩序并不被理解为数学公式，而是类似于一个生命体的内在和谐。而到了现代科学，“有机体”的隐喻悄然变换为“机械”隐喻“。而机械的秩序是可以完全被数学公式刻画的。

在哥白尼的《天球运行论》那里，宇宙就已经被比作“机器”，到了法国哲学家伽桑狄（1592–1655）和笛卡尔（1596-1650）那里，机械论被明确表达为一种哲学纲领。

机械论哲学认为万事万物没有任何“内在性”，而只有像机械零件那样，一切相互关系都是外在的、可见的，只需要理解事物的外形及其位移运动，就可以把握一切。

在古代哲人那里，万物是有内在禀性的，比如某些事物就其本性来说是“重”的，另一些本质上是“轻”的，重物有下坠（朝向宇宙中心）的倾向，轻物有上浮的的倾向。但对于机械论者来说，这种看不见的“禀性”和神秘兮兮的“倾向”都是不存在的，事物由完全中性的“微粒”组成，微粒有不同的形状，除了这些形状之外，微粒的“内部”并没有任何属性。所有的性质都有微粒的外在属性决定，例如食物中较多尖锐的微粒就会让人觉得辣，诸如此类。

机械论认为事物的运动无非是微粒之间的外在碰撞的结果，宇宙中充满了以太微粒，这些微粒构成一个个涡旋，涡旋之间的推挤造成了我们看到的事物下落的原因（图7.1）。

另一些科学家并不持非常鲜明的机械论立场，但他们也以类似的方式思考问题。

伽利略认为科学只研究“怎样”（How）而不管“为什么”（Why），原因是一个神学问题，或者说至少在研究运动的科学中不必考虑。在讨论“重力”时，他指出，宣称某物“因为重力”而下落，等于什么也没说，无非是给本质上仍然未知的原因赋予一个随便什么名称，把这个“重力”换成别的什么词都差不多，所谓“因为重力”无非还是“因为未知的原因”，我们能知道的始终只有该物体将会“怎样”下落而已，而对“重力”的本质仍一无所知。

2.牛顿力学

我们知道，牛顿是科学革命的集大成者，他在《自然哲学的数学原理》中建立起来的经典力学体系取得了空前的成功，“万有引力”把天上的运动与地上的运动统一起来，普适的牛顿三定律为万物立法。那么牛顿又是如何解释“重力”的本质的呢？

所谓力学（mechanics）其实就是“机械学”，是那个只关注事物外在关系的应用数学。但这个翻译并不错，因为牛顿的“机械学”的确以“力”（Force）为核心概念。

事实上，牛顿也并没有解释力的本质，他把自己的著作命名为“自然哲学的数学原理”，意思是我给出的理论并不是“自然哲学”（对万物原因的回答）本身，而只是其数学原理。在这方面他和伽利略一样，认为仅仅把力称为原因，并不能解释原因，他的工作只是为这个姑且命名为“力”的东西确定了其数学方面的规则罢了。

这一点很容易理解，事实上，在牛顿力学中，“力”只是一个符号——F，F被定义为质量乘以加速度（F=ma）。但这里的F与我们日常所说的用力、大力、气力、法力、活力等等都没有必然关系，F的意思完全由牛顿给出的“数学原理”所规定。原则上说，我们把F换成L或P或X之类的都行，管万有引力叫做万物有情、万物有气、万有查克拉之类，在数学上都是完全等价的。我们完全可以把F=ma置换为L=nb，把“受到1牛的力”替换为“受到1马的屁”也行，只要符号与符号之间遵循既定的规则，那么把符号读作什么就丝毫无损于牛顿力学的精确性和预测力。

把这种仍然神秘莫测的“力”引入“机械学”，其实是颇具争议的。因此同时代的机械论者（主要是笛卡尔的信徒）不容易接受牛顿的学说，认为他把机械论者好不容易从科学中排除掉的神秘概念引回来了。引力作用显然不是可见的、外在的机械碰撞。牛顿依赖于这一观念，似乎是一种倒退。

的确，在很多方面牛顿比同时代人更保守，他是最后的炼金术士，有些科学史家认为，正是他的炼金术背景，使得他更容易接受内在的神秘作用（他在炼金术手稿中更早提出类似引力的超距作用）。但从结果上看，牛顿力学的确标志着“机械自然观”的彻底完成，这种彻底性可能是牛顿本人都无法接受的，但在牛顿的信徒那里，牛顿力学以更极端的方式被接受了。

牛顿认为在“数学原理”之上仍然还有尚未揭示的“自然哲学”，而牛顿的信徒则径直把“数学原理”当作了“自然哲学”。万物在本质上就是数学的，除了数学的常数和方程所规定的东西之外，万物没有别的东西，万物是且仅是可被数学刻画的东西。如此一来，“力的数学原理”就是“力”本身，可见的数学结构本身就是最终的原因，除此以外别无其它。

科学革命意味着人们感受世界的方式发生了变化，人的身体感受让位于冷漠客观的数学方程，成为最“自然”的东西。你用手推拉物体，感受到的活生生的“压力”，与你计算牛顿的方程，在数学符号中界定的“F”，这两种“力”究竟哪个更真实、更基本？

牛顿力学的建立虽然压根不依据于人们对现实中“力”的理解，F只是一个任意指定的符号，但反过来，在牛顿力学建立之后，现实中我们所感受的“力”反倒需要用牛顿力学的数学规则重新解释才行了。

这一节貌似与技术史没有关系，只是对科学革命的讨论，但这恰好是技术史中承上启下的关键环节。我想暗示的是，这种感受习惯的变迁，正是机械技术潜移默化的影响。“机械观”与机械技术相辅相成，互相推动，互为因果。古希腊到中世纪机械的崛起，孕育了作为科学革命之前提的机械论自然观；而当牛顿让机械学登上王座之后，一个由机器主宰的新时代也即将拉开帷幕。