奥地利学者齐尔塞尔在《科学的社会根源》《科学的社会学根源》等数篇论文中,纲领性地阐述的他关于近代科学起源的看法,被学界概括为“齐尔塞尔论题(ZilselThesis)”。该论题认为,近代科学是在16世纪的某个时候,因自由资本主义的兴起,知识分子-大学学者、人文主义者和高级工匠三阶层的社会壁垒被瓦解,他们的智识才能转化为一种文化意义上的独特事业,称之为“科学”[1]。然而,人们对齐尔塞尔论题的评价却褒贬不一:“齐尔塞尔最重要的贡献在于,他使近代早期科学的技术背景这一主题获得了一种概念上的清晰性……一个显著的缺点是,他未能告诉我们这一关键转变是如何产生的”[2]444。这种解释困境在近代科学标志性成就——牛顿力学中尤为明显。因为牛顿力学形式化的公式体系,呈现出来的是历代学者的思想光辉,不是历代工匠的平凡身影,而那些公式、定律中也反映不出他们之间有过互动。

表示近代力学的Mechanics一词,在古希腊语中并不指力学,而是指机械学。按照词源学的解释,意指机械学的Mechanics有两个来源[3],一是源自拉丁语mechanicus,表示用各种工具来做事的机器或机械;二是源自希腊语mēkhanikos和mēkhanē,前者指富含资源、颇具发明才能和独创性,字面意思指机械的、与机器有关的,后者则指设备、工具。当然,这种机械学也不是“亚里士多德的物理学”——《物理学》主要包含关于空间、时间、运动、连续性和因果性的哲学思辨。即使在讨论纯物理主题,比如力的效应或下落与抛射现象时,也只是因为哲学论证引向了对它们的思考而附带提及,而不是为了物理学问题本身[4]94。显然,作为“机械学”的Mechanics是一门与工匠技术制造密切相关的学问,而作为“近代力学”的Mechanics是一门由学者用抽象概念解释物体运动的专门知识;两者大相径庭,以至于有学者提出,“力学”何时以及如何从最初的研究机械的学问演变成了后来研究一切物质运动的科学?[5]带着这种困惑,本文以近代力学发展历程为背景,学者、工匠的互动情况为主线,对力学的概念演变之谜进行缕析;在此基础上,再反观齐尔塞尔论题的解释困境。

一、力学的起源:工匠与机械学的诞生

马赫曾在《力学及其发展的批判历史概论》中指出,力学学说是从工匠的有选择的经验经过智力的精炼过程发展而来的[6]578,力学的最早研究即古希腊人的研究与静力学有关,或者说与平衡学说有关[6]32,而不是本体论语境中关于引起自然变化之“力”的思辨,那种“力”即是对自然存在物“原因”的本质解释——[自然]就是[运动和转变的本原]。使用更为精准的[转变]这个术语是合适的做法。如果[自然]要获得解释,就必须对[自然]何以是[本原]作出解释:“必须不遮蔽运动本身之所是”[7]319。换句话说,力学不是诞生于“形而上学”,它不是关于自然或存在的理论,而是起源于工匠经验活动的“制造之学”。在这里,一切概念、一切方法都是在它们的最简单的形式中找到的,可以说在它们的幼年找到的。这些开端毫无误解地指明它们起源于手工技艺的经验。科学把它自己的起源归功于这样的必要性:使这些经验变成可交流的形式,并把它们传播得超越阶层和行业的界限[6]106。就早期力学——古希腊机械学的诞生背景来看,古希腊社会对机械的大量使用,不仅为当时的劳作生产提供了各种各样的“省力”工具,也让学者好奇其中的原因。因此可以说,机械学既是一门名副其实的、关于如何“省力”的技术,也是一门实实在在的、关于实践的“科学”。

在古希腊,机械通常划分为两类:一类是简单的机械,一般有五种,也就是杠杆、楔子、螺杆、滑轮和绞盘,有时还要加上第六种——斜面。另一种是复杂的机械,它是由简单的工具组合而成的[8]449。这些机械的使用在极大地促进古希腊社会生产劳作效率的同时,也引起了学者们对这些机械制造及原理的兴趣,开始研究杠杆、斜面以及由这些机械组合中“力”的原理及其中所涉及的力的合成、虚位移等力学概念。在公元前4世纪的希腊,机械学相当发达,这促使数学分析开始形成[8]451;其中,关于杠杆的数学理论起源于公元前4(?或前3)世纪的伪亚里士多德的著作《机械学》一书,该著作中有35个讨论的问题与杠杆有关,其中许多不是理论方面,而是不寻常的实际问题[8]451。随后,古代科学家通过分析平衡(包括流体静力学平衡),建立起理论性和数学化的重力科学[9]119,大约从希腊化时代开始,出现了一批既注重理论思考,也注意计算推演、几何学等形式化的知识“实践型”学者。他们不但解释了实际生活中与“力的使用”有关的问题,也发明了一些能提高生产效率的“省力”工具,其中以阿契塔、阿基米德和希罗三人最为知名。被第欧根尼誉为“是第一个把几何学应用到机械学中的人”——阿契塔发明了螺杆及设计了绘制各种曲线的机械工具;阿基米德对静力学的研究不仅揭示了杠杆的基础理论和重力的重心,还将之运用于用杠杆、滑轮、撬棍及它们的组合拖吊、运输重物。希罗非常了解古希腊常使用的五种基本机械及其组合出来的工具,也非常熟悉流体力学和气体静力学的原理,他所编著的《机械集》中“展示了大量物理学原理,对这些原理如何运作也有或深或浅的理解,并以惊人的技巧将其应用于机械和工具”[4]100。

然而,在古希腊并不是只有学者在思考和研究机械学,他们倡导以数学分析来研究机械如何“省力”的问题的方式,也吸引了一些工匠主动学习——“几何学是技师的科学”[8]451,它被广泛地运用于机械的设计和制造,并出现了一批以克特西比乌斯、菲洛和维特鲁威等人为代表的“知识型”工匠。他们不再以干粗活儿、重活儿等体力劳动为生,而是善于将抽象的几何思维和数学计算用于机械的发明创造,并能用文本的形式,详细地将他们发明的装置的构造方法及原理表述出来。克特西比乌斯除了最早发现了空气的弹力外,还发明了压力泵、水风琴、水钟等实用机械。菲洛除了创造了一些发明外,还“撰写了一部伟大的机械学专论《机械学纲要》”[10]444,书中不仅记录有大量机械装置发明,还包含有数学预备知识的《导论》、讨论机械中杠杆的使用的《论一般力学》《论气动》等阐述理论性知识的篇章。这种将数学分析和几何学运用于生产实践的机械制造,被科学史家萨顿称之为属于希腊文化的“克特西比乌斯━菲洛传统”[10]448,后在中世纪经阿拉伯世界传回,奠基了中世纪欧洲机械操作和制造传统的复兴。维特鲁威在他的传世名著《建筑十书》中详述了建筑声学、天文学、军事生产方面的三种机械学研究,对机械和工具进行了区分,亦即对机械原理和工具原理进行了区分,后者可以有更大的自主性或自动性,而普通的机器需要更多的人力[10]453。

尽管马赫说“简单机械即五种力学能力无疑是工匠的产物”[6]578,但是从上述力学的早期形式——机械学的实际发展情况来看,它既离不开古希腊学者当中少数对机械制造持有高度热情的“实践型”学者的推动,也离不开后来希腊化时代出现的那些掌握了一定几何学、数学知识的“知识型”工匠的实践;准确地讲,机械学是学者与工匠共同作用的产物。虽然他们之间知识与经验的交流,是以这种隐性的、间断的、默会的形式在“传递”,但却让机械学这门以实践和应用为导向的古代学问,在抽象化的数理表达与具体性的经验制造之间保持着一定张力,从而也就决定了后来“力学在西欧从一开始就有了介于数学与物理之间的独特的居间位置,这始终构成了力学的主要问题:虽然处理的是物理现象,但它通过彻底的、很容易实现的理想化,预先避免了其他物理分支无法摆脱的经验方法;它受到了数学家的关注,而且在大多数情况下,其结果似乎并没有得到日常经验的证实。然而,正是这种日常经验提出了问题,并且不断激励着力学研究”[4]351。

二、力学的精致化:数学学者与数学力学

罗马时代之后,机械的发明和制造有了长足进步。欧洲人改进和完善了水车和风车、弩机及许许多多的其他机械,而且在此过程中找到了一些替代人力的动力源。可以说,欧洲人的文明实际上是靠相对更为强大的风力和水力“引擎”驱动的[9]245。这种从人力到自然力的“升级”,不仅意味着工具机械化的开始,也丰富了与机械使用有关的“力”的概念。例如,磨坊中使用的齿轮、传动轴、变速箱等传动装置促使人们开始探究机械运转、运动过程中“力”的传递与转换的原理;用于军事的弩弓、弩机中的扳机、弦线、弹簧等零部件则引发了人们对弹力、压力、冲力的进一步思考;火器的使用和对其结果的观察,引起了对运动现象的特别关注,从而开辟了古代几乎没有触及的动力学领域。炮弹的轨道曲线,以及炸药的量、火炮的仰角、炮弹的重量与射程之间的直观联系所引发的研究对物理学的发展极为重要。此外,观察到的现象也使得经验范围大大拓宽,因为它会涉及比古代大得多的速度[8]377。显然,过去那种以简单的数学计算和几何构图为基础的机械学,已不再能满足对这些日益复杂的“力”的计算和逐渐丰富的“力”的概念解释。为此,一些学者开始尝试用更抽象的方式和更精确的计算来描述这些“力”的变化和运动。他们通过设想一些绝对化的环境和条件——如没有任何外在力干扰的密闭环境、绝对光滑的平面、无任何阻力的滑轮等,并用逻辑推导更为严密、量化计算更为精确的函数概念解释各种实践中的“力”。这种对“力”的“刻画”方式的微妙变化,使得机械学不再是机械学,而成了数学力学——尽管它仍以机械为研究对象,但主题却不再研究“省力”,而是利用更精致的数学形式来解析“力的变化”——使以研究平衡和支点为主的静力学向着以研究物体运动规律为主的动力学演变。然而,力学的这种演变并非一蹴而就,其间也经历了必要的“过渡”。

首先,亚里士多德的《力学问题》中对杠杆原理的推导,阿基米德对杠杆原理和重心的公理化处理,以及希罗的简单机械理论。这些知识在中世纪被称为“重量科学”,它们传到欧洲时并非没有改变。在这里,它不仅被吸收,而且也被13世纪数学家尼莫尔的约达努斯学派进一步发展[4]347。约达努斯学派在静力学演变为动力学的过程中,起到“过渡”作用的贡献主要体现在两点:一是尝试了在理想化的条件下,通过建立“约达努斯公理”公设,对古希腊静力学中的杠杆原理和斜面定律进行了再推导。“它提出了一般公理或原理,虽然它们不像几何学公理那样给人如此自明或不容置疑的印象,但也非常合理——符合公理的原义:公设或要求——以至于读者不得不接受它们”[4]351,这样,就差不多把自古希腊以来的静力学变成“数学力学”。二是约达努斯学派重释了亚里士多德的抛射体运动理论,把抛射物在运动中所受之力分解为向下作用的自然重力和水平抛射的“激发”力,细化了力的形式。

随后,大阿尔伯特提出的一个与运动概念有关的哲学问题,它在13世纪经院哲学中已经占有重要位置。它涉及对运动本性的两种不同理解,分别被称为“流动的形式”和“形式的流动”[4]107,尽管这两个术语在使用上容易混淆,但把运动定义为“流动的形式”,也相当于把“运动”等同于“运动的终点”或通过运动获得的形式[4]108,将“运动”引入到了“力”的概念中。

最后,巴黎学派的奥雷姆、布里丹提出的图线原理和冲力理论,完成了对运动中“力”的量化描述。14世纪的一些牛津和巴黎的经院哲学家开始从量的方面来思考变化和变化率的问题。他们研究匀速(等速)的运动,非匀速(变速)运动以及均匀性的非匀速运动(等加速运动)。当时这一类思想的顶点是奥雷姆所提出的图线原理。关于这个问题他写下了《论匀速与非匀速的强度》与《论图线》,把物理变化同整个几何图形联系起来[11]214。冲力理论对于力学的重大意义在于:布里丹把它应用于天体运动和地面上物体的运动之后便将两者合成一个理论。其次是这个理论同亚里士多德的定律相反,它暗含着力改变运动而不单是维持运动的想法。第三,冲力概念本身是一大进步,它把作用力从媒质转移到运动物体上,从而又使人能考虑没有媒质的真空。布里丹是现代动力学的奠基人之一。他的理论在他那个世纪及其后两个世纪中被人广泛接受[11]243。简言之,布里丹和奥雷姆领导下的巴黎学派不仅考察匀速运动而且接下去考察均匀性的非均匀运动(匀加速运动),并按他们自己认为满意的方式证明这种运动中的有效速度是初速和终速的平均值。13、14世纪力学上最有意义的工作也许在于他们力求引入定量的考察,并以定量的论证来代替定性的论证[11]244。很明显,这种抽象、复杂的“数学力学”只可能由接受过正规学术训练的学者来承担。

就中世纪力学发展的整体情况而言,工匠对机械的发明与改进虽然对力学的发展起到了不可忽视的作用,但其主要推动者却是学者,尤其是数学学者——他们创立的“数学力学”不仅解释了日益复杂的各种“力”的现象,也让周期性、精确性等数学概念渗入到了与“力”直接相关的各门物理科学之中。在怀特海看来,现代物理的诞生必须依靠周期性的抽象概念在许多实例上的应用。但假若不是数学首先用抽象的方式把环绕着周期性这一概念的各种抽象观念全推演出来了,这事是不可能办到的[12]39。另外,与数学有关的精确性也加强了理论与实践的联系——在实践中,人们只求有用性,而不管精确性;可是,有用性是理论的一种考量,实践的目的只能通过理论的运用才能被定义,即,理论的意义就在于它和实践的关联中。实践的模糊性通过理想经验的清晰性获得了能量[13]96。就这样,数学不仅成为处理力学问题的通用工具,及描述力学现象、规律的“规范语言”,也变成了日常生活中那些以发明和创造为生的高级工匠愿意去了解并运用的“新工具”。

三、“标准科学”的确立:学者对工匠工作的内化

中世纪之后,一些高级工匠开始实践数学力学。先是在16世纪的意大利,然后在其他地方,迫切的实际问题造就了一个由博学的工程师和建筑师所组成的群体,他们以古代的阿基米德和维特鲁威为榜样,愈发倾向于运用数学原理和分析来解决实际问题。这一新兴群体既非只重手工经验积累的工匠,亦非远离实际事务的学者,而是介于他们之间。科学革命的一个基本特质是越来越多地利用数学来研究世界,恰恰是这批人为此提供了关键的背景。[14]100他们凭借精湛的手艺,不但发明制造了一些对力学有帮助的实验仪器和装置,也影响了不少学者主动学习他们的制造技能,“学者们为了研究那个作为机械的自然,就必须首先去研究工匠制作的机械构造……作为探究自然活动中的技术,制作这些器械的不仅仅是工匠,那些探究自然的学者们也常常亲自动手,并且在制作中追问那些器械的工作原理”[15]51,“在不到一百年内,物理科学变成重视仪器的科学”[16]40。这批兼具自然哲学和数学知识的学者直接参考工匠发明的钟表的结构,对中世纪流传下来的宇宙观、自然观进行了“扬弃”,摒弃参杂其中与巫术有关的神秘主义,提出了机械论哲学,并将它与数学结合,统一了天上地下的各种“力”的运动,让力学成为了近代科学的标志性成就。

近代自然哲学家,不仅是那些机械论和微粒论类型的自然哲学家,都普遍赞同数学是知识最确定的形式[17]56。在他们看来,现实世界是在时空中可用数学描述的物体运动总和,整个宇宙是通过数学原理建立起来的庞大的、和谐的机器,科学和事实上任何用来建立顺序和测量的原理都可归于数学[18]51-52,特别是在那些坚信自然是遵守数学规律的思想并倡导用数学来理解自然的学者眼中,世界机器遵循着形式上是数学的并能用数学语言表达的规律。在一个正确的自然哲学的新定义中,数学与机械论合为一体[17]57。宇宙已以一种“动态的和谐”的观念,取代了柏拉图和亚里士多德的“静态几何学对称”的传统[19]411,天文学和物理学因为都服从几何学而变得相互依赖和统一[20]9,这就为学者用数学来统一天地之间的“力”提供了哲学依据。

克莱因认为,近代科学成功的秘密,就在于科学活动中选择了一个新的目标。这个由伽利略提出的、并为他的后继者们继续追求的新的目标,就是寻求对科学现象进行独立于任何物理解释的定量的描述[21]184。由于符号代数的产生、解析几何的引入以及微积分的酝酿成熟,数学在17世纪迅速发展,这也把力学提高至更高的水平;反过来,数学也被力学提出的问题所激励。于是,科学家需要远比前人更多的数学训练。17世纪初以前,任何科学教育所包含的数学知识一般来说已经足够,任何受过这种教育的人都能参与讨论运动现象和平衡现象。而现在,这已经成了专家的事情[4]532-533。在这种情势下,伽利略在《关于两门新科学的方法和数学证明》中“发展新的术语自然会依据谨慎的原则,即采用力、抵抗力、力矩、速度、加速度等尚无精确含义的日常用语,赋予它们以精确的数学含义,使它们能够像数学家所熟悉的线、角、形、曲线等等一样得到定义”[22];在这部著作中,伽利略开创了近代物理科学数学化的历程,建立了力学科学,设计和树立了近代科学思维的模式[20]184。就这样,数学成了力学乃至整个物理学的“通用语言”,它不仅可以计算与传统机械有关的拉力、弹力,也能测算与新发明的实验仪器有关的摩擦力、压力,甚至也能表述声学、光学、磁学中的物理现象。

伽利略先于牛顿探讨了物体的下落和抛物体的飞行问题,牛顿却解答了一个更为深广的问题,一个在1650年左右在科学家们脑海中占据最主要地位的问题:能否在伽利略的地上运动定律和开普勒的天体运动定律之间建立一种联系?所有运动现象都应遵循一套定律,这种想法似乎有点过于自信,但确实在17世纪严谨的数学家的头脑中很自然地产生了[18]62。在这种思想的驱动下,牛顿集前人之大成,利用更精确的数学语言,通过运动三定律,完成了统一地面物体运动和天体运动的宏伟目标,并以此为基础,阐明了包括力学在内的整个物理科学的任务。他说“从现象中推导出两三个一般的运动原理,然后告诉我们所有物质性实体的行动和性质,是如何根据这些明了的原理产生的,这就是(科学)哲学中最重要的任务,尽管这些性质的起因还没有为人发现。所以我毫无顾忌地提出上述运动规律,它们的范围很广,而它们的原因则有待发现”[21]198-199。此时,力学已从一门由古希腊学者、工匠共同奠基的、关于“省力”的学问,演变为了一门完全靠公式、定律等数学语言来表达的“标准科学”,而看不到任何工匠的“身影”和贡献。从实质上来讲,这种“消失”并不是真正意义上的消失,而是学者对工匠工作的吸收与内化。例如,历史上包括惠更斯、伽利略、牛顿等在内的自然哲学家不仅是大名鼎鼎的数学家,也是发明、制造实验仪器的“能工巧匠”。此外,值得一提的是,科学史上牛顿与其实验助手胡克之间“搭档”式的合作关系,在某种程度上就是后来物理学发展中理论物理学家与实验物理学家的原初形象。

四、结语

辛格在《技术史(第Ⅱ卷:地中海文明与中世纪)》中特别指出,“在当今世界,技术已几乎等同于科学知识在实践中的运用。对于我们来说,科学似乎是技术之源、技术之父。……(但)在1500年前后——或许更晚一些,说技术是科学之父则更为准确。不过,自通常被叫做‘文艺复兴’的这一颇不明确的时期开始,对自然现象的观察越来越系统。而且,自然界的知识通过实验被不断地揭示出来。实验,又称受控观测,是一种较以往更为迅捷、可靠的拓展知识的方法。随着本书各卷论述的展开,运用实验的兴起和经验主义在技术方面的退出会日益明显”[8]554-555。技术与科学之间这种引领关系的重大调整在力学发展中尤为突出,再加上科学史、科学哲学的“理论优位”传统,以致于呈现在我们面前的只有学者的功劳,而看不到工匠的贡献,更看不见他们之间的结合。因此齐尔塞尔论题所极力主张的核心论点——“在中世纪末期至1600年间,大学学者和人文主义者得到了理性的训练,但由于他们鄙视手工劳动而不做实验。许多有几分粗鄙的工匠做实验和搞发明,接受了有条理的理性训练。大约1600年,随着技术进步,实验方法被受过教育的上层阶级的那些有过理性训练的学者所采用。因此,科学研究的两个部分最终结合在了一起:近代科学诞生了”[23]——也就难以圆说。然而,力学的发展演变却表明,它至始至终都没有离开过工匠以及他们所发明创造的那些至关重要的技术物,但由于力学主要是靠学者用日益抽象化、复杂化的数学分析和数学语言来表征,以至于“很容易在我们那里造成一种权威性,使我们忘记了它们的世俗来源,而把它们当作某种一成不变的既定的东西。这时,它们就会被打上‘思维的必然性’、‘先验地给予’等等烙印”[24]129,而遗忘了近代力学最初的技术起源及它的另一位创建者——工匠。因此,从这个意义上来讲,齐尔塞尔论题是成立的。

齐尔塞尔论题之所以会造成这种“表象”与“内里”截然相反的图景的原因在于:一是从近代科学整体上来看,是因为“以数学方式奠定的理念东西的世界暗中代替唯一现实的世界,现实地由感性给予的世界,总是被体现到的和可以体验到的世界——我们的日常生活世界”[25]64,以至于我们总是用数学方式表征科学。二是单独就力学这门学科来说,力学特有的学科特性似乎也决定了它会合情合理地“遮蔽”工匠的“身影”,因为“纯粹的力学现象是我们为了便于理解事物有意地或出于必要而做出的抽象”[6]564,而不是以“就经验而论经验”的方式来阐述力学,因此总是需要对它进行“高度概括”。基于这种情况,对齐尔塞尔论题的考察不仅需要充分重视技术因素,更需要在历史细节和具体情境中考察学者、工匠所做出的实际贡献;只有这样,才能给予齐尔塞尔论题公正、客观的评价。

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基金:国家社会科学基金重大项目“问题哲学理论前沿与理论创新研究”(18ZDA026);南京大学哲学系博士研究生创新项目“基于实践哲学视域的‘齐尔塞尔论题’研究”(NJUDPGRA2020).