第二章
物质及能量观念的改变

物质是什么，它是怎么运动的？这是自古以来盘踞在物理学家脑子里的问题，也是艾萨克·牛顿的基本质疑。

我们对物理问题的现代观点是建立在看不见、摸不到、陌生的量子理论世界上的，但是，牛顿的一生以及自那时起直到21世纪的今天所发现的种种自然规律和体系，是我们现在大部分日常生活中赖以利用的物质与能量的基础。科学史家普遍认为，牛顿对物质如何发生运动的看法，以及对能量和力如何发生作用的观念，可被视为物理学发展的分水岭。的确，大家都同意是牛顿的成就才使工业革命成为可能。牛顿凝聚了众人的知识：他是那样一位科学家，独立将自古以来众人得到的线索，统统聚集于他首创的现代实验科学（一种基于数学分析与实验证明的、两者同等重要的研究方法）中。牛顿满载着两千年来关于宇宙本质的各种不断改变的观念，他的伟大之处是将伽利略、笛卡儿、开普勒等许多科学家的个人突破加以整合和梳理，最后总结成一个涵盖广泛的宇宙观——创造了一组定律和法则，赋予近代物理学一个明确的架构。

四元素说

最早记录对物质的看法和意见的是古希腊人，我们也知道几个早期探讨物质世界的学派，而与我们的讨论有关且最重要的有两种：亚里士多德的一系列观念，以及与他相抗衡的古希腊哲学家德谟克利特的原子论。

一直到牛顿时代都占据主流的古希腊传统哲学，归结于亚里士多德的“四元素”概念，这四元素就是火、水、土和气。另外一个非主流的观念是德谟克利特提出的，这位大师比亚里士多德早出生70多年，他认为物质是由一种小到看不见的叫作原子的东西组合而成的。然而，因为亚里士多德和柏拉图都极其不同意德谟克利特的原子论，所以经过亚里士多德时代之后，它几乎被完全忽略了，直到17世纪初期才又被重新探讨。

第一个阐明“四元素”概念的，事实上是一位更早的西西里岛哲学家，他名叫恩培多克勒，他比亚里士多德早出生100多年。后来，这个见解被亚里士多德接受并加以提炼、推广。一般人认为“四元素”概念起初来自对燃烧过程的观察。例如，把青绿的树枝丢进熊熊烈火中燃烧，火焰因发光而看得见，冒出来的烟消失在空气中，树枝里的水分沸腾，烧剩的灰烬散在地上，就像泥土。于是人们本能地想成宇宙间每一件物体都源自这四种元素，由它们以不同的比例组合而成。这种想法是亚里士多德的自然哲学基础，经由他的推广而世世代代流传下来。

亚里士多德于公元前384年出生于希腊半岛西北部卡尔息底斯的斯塔吉拉。他的父亲是马其顿国王的御医，他自己后来成了柏拉图的学生。中年以后，亚里士多德担任了亚历山大大帝的老师，前者写的论文不仅在那个时代就极具影响力，甚至到13世纪，欧洲的学者在经过黑暗时代之后，重新发现他的论文残篇时，还引发了恢复学习的风尚，这又预示了文艺复兴的来临。亚里士多德的思想中与自然哲学（到18世纪才改称为物理学）最有关系的部分，在《论生灭》和《物理学》这两篇论著内。它们专门讨论质料、形式、运动、时间等概念，以及天与地的范畴。

在亚里士多德看来，天地之间的万物皆由四种元素相混组合而成，它们在安定之后，就会分开层次：水沉降到空气之下（或者空气上升至水面，譬如气泡），坚固的泥土沉降到水与空气之下，火焰则上升至空气上方，居于诸物的最上层。如果亚里士多德使用这种模式来解释苹果下坠的现象，他当会将苹果归属于水和土的合成体，而下坠现象不过是它在寻找在宇宙间的自然定位，才穿过空气降落到地面上的。他一方面推广“四元素”的主张，另一方面又首创“不动的动者”的说法，那是他赋予一位全能者的名字。这位全能者在某处维持天上星辰的运动，使太阳和行星环绕地球运转不息。

以三段论代替实验

亚里士多德的研究范围有如百科全书般广阔，他对那个时代所知的所有科目都有研究和著述，包括逻辑学、哲学、生物学、天文学和物理学。他最强的领域在逻辑学方面，自然科学则以生物学较强，物理学较弱。他创立的三段论是他获得科学见解的主要工具。三段论是使用两个前提，用逻辑推论得出结论的方法。譬如以三句话组合而成的三段论：“所有的大象都是动物，所有的动物都是生物，因此所有的大象都是生物。”

三段论在逻辑推理上是十分有用的工具，它直到19世纪以前都被作为数学推理的基础，然后才逐渐被更加能融会贯通的推理方法代替。可是，以三段论来推论物理学则失之于肤浅，因为它只是推论，而不具备实验这个要件。简言之，三段论仅仅包含两个前提和一个结论，而它们要么是基于肤浅的观察得来的，要么是基于演绎推理得来的。

亚里士多德的老师柏拉图（他所创建的雅典学院存续了9个世纪）公开表态他不喜欢实验，因此在古希腊传统的自然哲学里，实验从来不会成为指导原则。亚里士多德及其后数代信仰他的古希腊思想家都在遵循以三段论逻辑为基础的一套僵硬法则，制造了扭曲的现实图景。更严重的是，这种局限性很大的研讨方法，变成了不可逾越的戒律，众人必须遵守，直到现代学术萌芽为止。历史学家查尔斯·辛格对这不幸的过程曾经感叹道：

整个科学理论都是以此方式解释的，整个逻辑也是以此方式构成的，以达到论证科学的目的（即完全以推理取得结论），又再依赖这些不实的类比做反复相似的论证。这种错误是否为忽视经验法则的原因，以致自然科学在亚里士多德之后的两千年间毫无进展呢？^[1]

作家兼历史学家丹皮尔爵士也以同样的口吻说：

亚里士多德有技巧地将一些特例引申为通则，再由此形成定理。但可悲的是，他在实践上常常失败。仅找到一些事例就立刻将其普遍化，当然不免要失败。他既掌握不到足够的事实，又没有适当的科学背景去佐证那些事例。^[2]

排斥原子说

近代的科学方法包括推理和实验，我们可以举一个浅显的例子来说明：在进行一项研究之前，通常都是由于发现一些有意义的现象，于是根据一些已知的知识，配合这些现象建立一些假设，逐渐经由纯粹推理的方式而发展出暂时性的假说，这个过程叫作归纳。接下来依据假说，用数学演绎出实用的预测，最后用实验来证明这个预测是否正确。如果从假说推演出来的预测，与实验或观测所得的结果不相符，就应该修正假说，然后重新推演和实验，直到理论预测和实际观测一致为止，否则就要放弃原来的主张。

如果推理和验证终相符合，假说就被提升到一种理论的状态，然后我们试用这个理论来解释比开始时所见更广泛的现象。这个理论或许能够历经多年不倒，但是严格说来，我们不能把它看成唯一适合解释那些现象的理论。好的科学允许引进新的概念，进一步推翻旧的理论，甚或做出激烈的改变。^[3]

亚里士多德主导了学术界，以致不同的概念被完全排斥。“原子论之父”德谟克利特相信，按照常理，世界上有甜即有苦，有热即有冷，且自然界存在各种颜色。事实上，的确有原子和虚空的存在。然而亚里士多德以一些不甚正确的知识为基础，使用三段论来排斥原子观念。例如，他说假使原子论为真，那么物质的本性就都是重的^[4]，没有任何东西能足够轻而往上升，大体积的空气和火将会比小体积的土或水更重，结果泥土和水不再向下沉（或反过来说空气和火都不向上升），而各种元素也不再回归它们的自然位置了。这种论断说明了亚里士多德在研究学问上有多么不客观，这与现代物理学家的研究方法大相径庭。他不愿对他所珍惜的信仰做挑战性的思考，即使是在面对这股强有力的反对逆流时。

亚里士多德的教条对他的追随者有如宗教般不可侵犯，他教授的学问流传后世，若干世纪以来从未受到质疑。但它却误导了后世的思想家，将科学引进了死胡同，几百年来未得矫正。

黑暗时代

亚里士多德逝世于公元前322年，大约就在那个时期，古埃及的城市亚历山大正逐渐崛起，成为世界知识的中心。构成这中心的核心是一座大图书馆，据说其中的40万册图书与卷轴藏有人类的全部智慧。随着亚历山大大帝东征，知识也自亚历山大城向东方传播，同时也向西传入欧洲。古罗马文化就是以古希腊的哲学、科学和文学为基础的。特别是在科学上，早期的许多伟大学者都属于古罗马时代。举两个人为例：老普林尼是公元1世纪的博物学家兼文学家，他著有37册的论文集《自然史》；普鲁塔克是较晚一代的古希腊思想家。可是这些学者很少有科学上的创见，他们只是努力澄清和精炼古希腊学者留传下来的学说。

在所有幸存到古罗马时期的古希腊科学中，亚里士多德、柏拉图、阿基米德、毕达哥拉斯等学者的著述算是保存得很完整的，不过德谟克利特的理念已受到古罗马哲学家卢克莱修的重视，它出现在他的一首诗中。后来，罗马帝国渐趋瓦解，而亚历山大城的大图书馆在被德奥菲罗斯主教于公元390年左右毁坏（7世纪时被阿拉伯人又一次毁坏）之后，亚里士多德的学说就不是很流行了。

究其原因，那个时代的人已经不再追求纯粹的知识，不再信任任何超越神学所诠释的学问了，大部分的人类文明投入了史称的“黑暗时代”。在这个时期，罗马帝国迅速没落，教育与学术都被宗教狂热者掌握。这种新运动的信徒是斯多葛学派（又译禁欲主义者），他们认为至高无上的境界，即纯洁的精神超越物质性存在，因此要排除与物质相关的研究，以终结物质的影响。依照斯多葛学派的看法，亚里士多德的学说太过机械，太过隐藏于实体世界之中了，^[5]反而是柏拉图的冥思与他们有更深的关联，与他们新追求的宗教意义完全搭调。

柏拉图所传授的是关于现实的人本主义观点，他认为有一个掌握全人类利益的最高存在，他创造并谨慎地控制万物。对柏拉图而言，行星的运行只是为了标定时间，他还把整个宇宙看成一个有身躯、有灵魂、有智慧的庞大生命体。他看到自然进程中的数字关联和意义，因而将数学放在最重要的位置。可是他厌恶科学实验，据一位历史学家说：“他婉转地指责科学实验对神不敬，而且它是卑下的工匠手艺。”^[6]

欧洲的黑暗时代没有一个明确的终结点，某种形式的学习一直存在于修道院里。天主教的神父对神秘主义和宗教的关系饶有兴趣，却都对理论和实用的科学缺乏热心。在同一时期，阿拉伯人在研习炼金术、天文学和数学方面都有长足的进步，他们仍然维持着对纯粹科学的兴趣。当这些知识又逐渐渗透回欧洲时，无知的帷幕被拉起来了。可是这个过程十分缓慢，耗时300~400年。

亚里士多德有一部分著述被阿拉伯人保存下来，他们将其与他们的思想混合之后，传到了欧洲。这些著作在公元1200—1225年被欧洲学者重新发现，翻译成拉丁文。自此以后，亚里士多德的科学概念取代了柏拉图的神秘主义而重获尊崇，之后又逐渐和基督教的神学糅合。

当科学与神学结合

自从经历黑暗时代斯多葛学派的纯以心灵为重的主张之后，能有这样的发展应该值得庆幸。但事实上，新的困扰又产生了，那就是亚里士多德的自然哲学与基督教的教条结合成一体，这意味着若是对亚里士多德的主张有任何攻击，即被视为对基督教的攻击。这两种教义结合起来成为十分强大的联盟，它们创立了一种世界观，在欧洲的每一所大学里都以背诵的方式传授着，自13世纪到17世纪，延续了约500年，且不容许任何质疑和挑战。

这两种并行的信仰产生了互相涵盖的宇宙图景：上帝创造了宇宙，并且如《圣经》所言引导了万物的运行。所有运动不但由上帝起始，也由上帝掌控。教义中的全能上帝与亚里士多德教条中的“不动的动者”完美契合，同样指的是那双无形的手。若非由于他的操纵，宇宙间就不可能有任何运动。所有物体都是由那“四元素”组合而成的，它们不能被分割成德谟克利特所说的原子。按照亚里士多德的主张，每个物体都是单独而完整的个体，由上帝用四种元素以不同的特殊比例组成；每个物体各自拥有明显可辨的性质，譬如重量、颜色、气味和温度等。这些性质都被认为是物体的内涵，也就是本性，这与它们的外观形状或观察者的感觉无关。

对13世纪的人而言，“物体的性质，譬如味道、质地等，多少因观察者的感受而定”这样的观念是完全陌生的，他们以为物体的每种性质都是固有的，任何人观察所得的感受都相同。进一步而言，因为亚里士多德排斥原子论，于是，物体是由小到无法被分割的元素组合而成的这种概念，对大多数人而言更是陌生。由于亚里士多德的主张与宗教紧密结合，在巨大的宗教势力之下，任何哲学家想要公开向已被接受的科学理论提出挑战，都会有生命危险。

然而，不管限制有多么严格，中世纪仍然出现了几位著名的开创性思想家，他们促使理性复苏，共同努力将欧洲带进文艺复兴时期，这才有了随之而来的创新科学的蓬勃发展。

从大阿尔伯特到达·芬奇

黑暗时代之后那段时期的思想家被称为经院哲学家，其中最著名的代表人物是德国经院哲学家兼神学家大阿尔伯特及其弟子意大利神学家阿奎那，他们仍然受限于自然哲学与神学的结合，不得不跟随亚里士多德的路线而摒弃实验，然而他们也在纯神学教条限制以外的领域中追求真理，并取得了丰硕的成果。即使他们依然深信人类是神的中心造物，而且整个宇宙都是上帝为人类设计的，他们也进一步提出前所未有的主张，指出研究大自然和物质世界可以使神学发扬光大。阿奎那和大阿尔伯特去世之后（接近13世纪末，亚里士多德的学说重新进入欧洲后约75年），终于出现了一位伟大的牛津大学学者罗杰·培根，他的学说开始渗透经院哲学的框架。

从某方面而言，培根在属于他的那个时代到来之前提前降临了，他虽然也认同经院哲学的一些传统信仰，却是看出实验之实用性的第一人。他有三篇极具远见的论文：《大著作》《小著作》《第三著作》^[7]，这些文章勾勒出他在多个学术领域的哲学思想和实验技巧。他所下的苦功虽使他在后代子孙中建立了崇高的声望，但那对他的有生之年毫无用处。方济各会（罗马天主教会内的一派）的修道会长——阿斯科里的杰罗姆^[8]认为培根反权威、反亚里士多德元素说的观点是异端，遂判培根为异教徒，对其加以终身监禁。

紧随培根时代而来的科学复苏彰显了哲学信仰的改变，这种改变中的每一点都和艺术上的改变同样重要。例如意大利的达·芬奇这样的学者，他站在实用的立足点上来研究科学，引导了伽利略、开普勒、牛顿等人的许多新构思。可是在达·芬奇的时代，学者们从不将他们的发现整合成任何系统性的著述，所以我们最多只能看到达·芬奇的一大堆笔记，里面只是写满了他研究哲学的心得而已。我们从中发现的最有意思的是，他和古希腊学者完全相反——他是一位彻底的实验主义者。

达·芬奇对亚里士多德的运动观点持相反的看法。亚里士多德宣称任何物体都不会自己运动，只有“不动的动者”——上帝，才能使物体运动。达·芬奇的意见恰巧相反，他在笔记中写道：“任何可感知的东西都能够自己移动……每个物体在运动的方向上都有一个重量。”^[9]换句话说，物体天生就具有朝着某个方向运动的倾向，除非它被外力阻止。这替大约半个世纪之后伽利略首创的惯性概念预先做了声明，且终使牛顿将惯性的理念正式定型。

伽利略的思想成就

伽利略生于1564年，那时，达·芬奇已去世45年。科学史家认为伽利略是牛顿之前在物质和运动两方面最伟大的思想家。一般人都同意如下说法：伽利略的实验论证为牛顿铺路，使其创立了“以数学做完整的推演，以实验做最后的证明”这一套综合研究方法。

伽利略在这一领域的成就是革命性的，他是用重复的实验方法证明亚里士多德的理论错误的第一人。他最著名的成就大概就是通过使用天文望远镜，推翻了传统主张中太阳系的组成结构（第四章再详述）。他在科学进程上同等重要的另一举动，是他为后来被称为力学的研究打下了基础。

亚里士多德认为物体的重量是物体内涵的性质，物体以不同的速度下坠是因为它们要寻求自身的自然位置，这是它们天生的倾向。1590年，佛兰德斯数学家兼工程师斯台文证明，在真空中同时从同样的高度释放轻重不同的物体，它们会同时到达地面。伽利略于次年重复做了这个实验（虽然或许不是如传统所说的在比萨斜塔上进行），他用一枚炮弹和一粒毛瑟枪弹做比较，以证明在不计空气阻力的情况下，两者会以相同的速度下降。

在这个实验里，伽利略发现了一个更重要的现象，那就是物体下落过程中的速度与它下落的时间成正比。但是由于炮弹下落的速度太快，用眼睛无法测量，他也就无法写出下落的速度与时间两者之间的关系公式。为了找出这种关系，伽利略决心研究出一种能够测量速度的实验。

他很快就想到，如果不算摩擦力，一个圆球从斜面的顶上滚下来所获得的速度，与它从同样高的一点自由落下时所获得的速度应该相同。基于这个信念，他设计了一系列的实验：将一个圆球自几个有着不同斜率和不同长度的斜面滚下，并测量出圆球滚下来所用的时间以及达到的速度，由此证明了落体的速度确实随着时间的推移而加快。然后他将实验稍做修改，使球滚下一个斜面后，立即滚上另一个斜面。之后，他更进一步，让球滚下斜面之后，继续沿一个水平面滚动。他发现球起先是平稳地前进，渐渐就因摩擦力的作用而慢了下来，终于停止不动了。

从这些滚动和落体实验中，伽利略至少可以推断亚里士多德的“不动的动者”是荒谬的，物体不是不断地被推或被拉才会运动，它具有一种惯性。运动中的物体除非被阻止，其本性有不断运动的倾向。

这是一个革命性的观念，可是并不止于此。伽利略在物质与能量各方面的许多观点，更为他赢得了第一位现代物理学家的荣誉。他反对亚里士多德的“四元素”论，赞成德谟克利特的原子观念。虽然在那个年代，谁也无法证明他的观点正确与否，但他至少在重新思考原子理论方面比欧洲的一流思想家早了起码30年。他还毫不客气地攻击亚里士多德一向坚持的观点，后者认为物体与我们观察时所感觉到的性质是整体不可分的。伽利略说：

每当我想到一个物体或生命体的时候，我就觉得脑中立即将它的形象和特征都展现出来了。它和别的东西比较，是大还是小；它在什么地方出现；生长在哪一季节；它是在运动还是保持静止；它和别的物体是相连的还是不相连的；它是单独存在的还是成群相聚的，或仅是几个在一起的。总之，在想象中，这些条件和物体是分不开的。但是，至于该物体是红是白，是苦是甜，是会叫的还是无声的，气味是芬芳的还是难闻的等，我觉得这些性质并没有成为在心中要认知物体非有不可的条件。如果我没有感官的话，仅由想象或说明是不可能获知那些性质的。所以，我认为那些味道、气味、颜色等依随物体而存在的性质只不过是名称而已，它们完全由具备感官的动物感受，动物走开之后，这些特色也都消失或者不被知晓了。