第2章 定律規則 (1)

斯克爾狼將恐嚇月亮

直到他飛往憂戚之林：

海逖狼將追逐太陽，

他與瑞德威特尼爾沾親。

——《格裏木尼爾之歌》，北歐史詩“埃達”舊版在維京神話裏，斯克爾狼和海逖狼追逐太陽和月亮。當狼抓住任一個，就會出現蝕，當這發生之際，地球人就急忙盡量製造噪聲，希望將狼嚇跑以拯救太陽或月亮。在其它文化中，也有類似的神話。但是過一段時間，人們應該會意識到，不管他們是否四處大叫大鬧，太陽和月亮都會很快地從蝕中出現。過一段時間，他們還應該會注意到，日蝕和月蝕並非隨機地發生：它們以規則的自我重複的模式發生。這些模式對於月蝕而言是非常明顯的，盡管古代巴比倫人並未意識到月蝕是由太陽光被地球遮擋而引起的，他們依然相當精確地預言月蝕。因為日蝕隻能在地球上大約30英裏寬的通道上看到，因而預言日蝕就更加困難。盡管如此，這模式一旦被理解，它就很清楚地表明蝕並不依賴於超自然存在的一時興致，而是由定律製約的。

盡管我們的祖先在預言星體運動中取得了一些成功，他們不能預言自然中的大多數事件。火山、地震、風暴、瘟疫，長到肉裏去的腳趾甲，似乎所有這一切都在沒有明顯原因或模式下發生。古人很自然地將自然的暴烈行為歸於一族頑皮或者惡毒的神袛。我們通常認為災難是人們不知怎麽地觸犯了諸神的征兆。例如，大約公元前5600年，奧勒崗的瑪紮瑪火山爆發，好多年岩石如雨點般地下落，火山灰燒得通紅，引起了多年落雨，最終水充滿了今天被稱作克雷特湖的火山口。奧勒崗的克拉瑪特印地安人的傳說與這事件的每一個地學的細節都合拍，不過把一個人描繪成災難的原因使之增加一點情趣而已。人們的自責心這麽重，總能找到方法去自咎。在那個傳奇中，地獄的首領勞迷戀上克拉瑪特首領的美麗凡人女兒。她狂傲地拒絕了他，勞為了報複以火來毀滅克拉特瑪。據說幸運的是，天堂首領蘇克爾憐憫人類，就和他的地獄對手作戰。勞終於受傷，後退至瑪紮瑪山中，身後留下一個巨大的洞，也就是最後充滿了水的火山口。

古人對自然方式的無知，導致他們去發明神袛對人類的生活方方麵麵作威作福。因而存在愛和戰爭之神；太陽、月亮和天空之神；海洋和河流之神；風雨雷電之神；甚至地震火山之神。當神高興時，人類便享受好天氣、和平，並避免自然災害和疾病。當他們不高興時，幹旱、戰爭、瘟疫和傳染病就降臨。由於人類看不到自然中原因和結果的聯結，這些神就顯得不可思議，而人們被玩弄於其股掌之上。但是隨著大約2600年前的美裏塔司的泰勒斯(約公元前624年至公元前546年)的出現，事情開始改觀。自然遵循著一致的可被解釋的原則的思想就產生了。這就啟始了利用宇宙概念來取代神權統治的長期過程，而宇宙是由自然定律製約的，並按照我們將來總有一天能讀懂的藍圖創生的。

從人類曆史的大事年表看，科學探討隻是一個非常新近的努力。我們物種智人是在大約公元前20萬年起源於撒哈拉沙漠以南的非洲。書寫語言僅可回溯至大約公元前7000年，這是農耕社會的產物。(一些最早書寫的碑銘是有關於每位居民的啤酒每日定量。)古希臘偉大文明最早書寫記錄可回溯到公元前九世紀。但該文明的高峰“古典時代”是在幾個世紀之後到來，始於比公元前500年早一點。按照亞裏士多德(公元前384年——公元前322年)的說法，大約在那個時期，泰勒斯首先發展如下觀念，即世界可被理解，在我們周圍複雜事件可被簡化成簡單的原理，並不訴諸神秘或神學的解釋而得到闡明。

首次預言公元前385年的日蝕是泰勒斯的功勞，雖然他預言的高度精確性也許隻是碰好運的猜測。他是位模糊的人物，沒為後世留下任何自己著作。他的家是名為愛奧尼亞地區的知識者中心之一。愛奧尼亞被希臘殖民，它的影響最終抵達從土耳其到意大利那麽遠的西方。愛奧尼亞科學是以強烈興趣來揭示基本定律以解釋自然現象的特征的努力，是人類思想史上的一座巨大裏程碑。他們的方法是理性的，在許多情形下得到令人驚異地類似於今天我們更複雜方法使自己相信的結論。它代表了偉大的開端。但歲月更迭，愛奧尼亞科學中的許多都被遺忘了——隻好被重新發現或發明，有時甚至不止一次。

在傳說中，今天我們稱為自然定律的最早數學表述可回溯至一位名叫畢達哥拉斯(約公元前580年——約公元前490年)的愛奧尼亞人，他以他的名字命名的定理而聞名於世：直角三角形的斜邊(最長的邊)的平方等於其它兩邊的平方和。據說畢達哥拉斯發現了樂器中弦的長度和聲音的諧波組合的數值關係。用今天的語言，我們可將此關係描述成在固定張力下弦振動的頻率——每秒振動數——與弦長成反比。從實用的觀點看，這就解釋了為什麽低音吉他的弦必須比通常吉他的弦要長。畢達哥拉斯也許沒有真的發現這個——他也沒有發現以他的名字命名的定理——但是現存的證據表明，人們那時就獲知弦長和音調之間的某種關係。若如此，可以將那個簡單的數學公式叫做今天我們稱為理論物理的第一個事例。

除了畢達哥拉斯弦定律，古代人正確通曉的物理定律隻有三道，那是由阿基米德(約公元前287年——約公元前212年)詳述的。阿基米德是古代的最傑出的物理學家，遠高過所有其他人。用今天的術語講，杠杆定律解釋了，因為杠杆按照離支點距離的比而將一個力放大，所以小的力可以舉起大重物。浮力定律是說，任何浸入流體的物體都會受到向上的等於它所排除的**重量的力的作用。而反射定律斷言，一束光和鏡麵的夾角等於其反射光束和鏡麵的夾角，但是阿基米德沒有把它們稱作定律，就有關觀察和測量，他也未對它們做解釋。反而，他將它們處理成仿佛是在一個公理係統中的純粹數學定理，該係統很象歐幾裏德為幾何創立的那個係統。

隨著愛奧尼亞影響的擴散，其他看到宇宙具有一個內部秩序的人出現了，這秩序可能通過觀測和理性得到理解。阿那克西曼德(約公元前610年——約公元前546年)，泰勒斯的朋友或許是學生，論證道由於人的嬰兒誕生是處於無助狀態，如果第一個人作為嬰兒不知怎麽地在地球上出現，他就存活不了。阿那克西曼德推理道，在也許是人類進化的第一個暗示中，因此人應是從其幼年更加吃苦耐勞的其它動物演化而來。恩培多克勒(約公元前490年—約公元前430年)在西西裏觀察到使用名叫漏壺的工具。它有時被當作長柄勺使用，由一個具有開放的頸和低部小孔的球麵構成。把它浸入水中，它就被充滿，如果那時開口頸被封上，那麽可以將漏壺從水中提出而不讓水從孔流下。恩培多克勒注意到，如果你在將漏壺浸入前把頸封住，它就不能充水。他推斷一定有某種看不見東西防止水通過小孔進入球內——他發現了我們稱為空氣的物質。

大約同時，出生於北希臘的愛奧尼亞殖民地的德謨克裏特(約公元前460年——約公元前370年)正思考著當你把一個物體分開或切割成小塊時會發生什麽。他論證道，你應該不能將這個過程無限繼續下去。他反而假定，每件東西包括所有的生物都由不能被分開切割成部分的基本粒子構成。他把這些終極粒子命名為原子，起源於希臘語中具有“不可分割的”意思的形容詞。德謨克裏特相信，每種物質現象都是原子碰撞的產物。根據他的被稱為原子論的觀點，所有原子都在空間中到處運動，除非受到幹擾，否則將無限地向前運動。今天這個思想被稱作慣性定律。

我們隻不過是宇宙中的普通棲居者，並非存在於它的中心而優越地成為特殊生物，這個革命性的觀念是由最後批的愛奧尼亞科學家之一，阿利斯塔克(約公元前310年——約公元前230年)首先提出的。他的計算隻有一項留存下來，那是他對在月蝕時仔細觀測地球落在月麵上的影子的大小進行的複雜幾何分析。他從其數據中得出結論，太陽一定比地球大得多。也許由微小物體應該圍繞著龐然大物公轉而非相反的思想啟示，他成為第一個作出如下論斷的人：地球不是我們行星係統的中心，反而是它和其它行星圍繞著大得多的太陽公轉。意識到地球隻不過是另一顆行星到我們太陽也沒有什麽特別的觀念，隻有一步之遙。阿利斯塔克懷疑，就是這種情形，並且相信我們在夜空看到的恒星實際上隻不過是遙遠的太陽而已。

古希臘哲學的許多學派各擁有不同而且經常相互矛盾的傳統，愛奧尼亞人隻不過是其中的一家。可惜的是，愛奧尼亞人的自然觀——自然可通過一般定律得到解釋並且歸結為簡單的一族原理——隻在幾個世紀間發揮了強有力的影響。一個原因是愛奧尼亞理論似乎經常未給自由意誌或目的，或者神幹涉世界運行的觀念留下餘地。這些是使許多希臘思想家正如使今天的許多人一樣極度不安的驚人的遺漏。例如，哲學家伊壁鳩魯(公元前341年——公元前270年)基於如下原因反對原子論，與其成為自然哲學家天命的“奴隸”，不如追隨神的神話。亞裏士多德也拒絕原子的概念，因為他不能接受人是由無靈魂無生命的東西組成。愛奧尼亞人關於宇宙不是以人為中心的觀念是我們理解宇宙的裏程碑，但是這種思想直到幾乎二十世紀後的伽利略才複活，而不再被拋棄，並被普遍接受。

盡管古希臘人關於自然的猜測極賦洞察力，他們的大多數思想作為現代的科學還不夠格。一個原因是希臘人還未發明科學方法，他們發展理論並不作為實踐驗證的目標，如此若一位學者宣布直到一個原子和第二個原子碰撞之後它才不沿著直線運動，而另一位學者則宣布直到它撞到一個獨眼巨人之後它才不沿著直線運動，不存在客觀方法來解決爭端。另外，在人的和物理的定律之間也沒有清楚的區分。例如，在公元前五世紀，阿那西克曼德寫道，萬物都從一種初等物質產生，並返回其本源，以免它們“因其惡行被罰”。而根據愛奧尼亞哲學家赫拉克裏特(約公元前535年——約公元前475年)的看法，太陽如此這般行為，否則的話，正義女神將會把它毀滅。幾百年之後，大約在公元前三世紀產生的希臘哲學斯多葛學派對人類法規和自然定律作了區分，但是他們將他們認為普適的人類行為規則——諸如崇尚上帝以及服從父母，包括到自然定律的範疇。另一方麵，他們經常以法律的術語描述物理過程，並且相信它們是需要被實施的，盡管被要求“服從”定律的物體無生命。如果你認為使人去服從交通法規很困難，想象說服小行星去沿著橢圓軌道運行吧。

這個傳統繼續影響著許多世紀後接替希臘人的思想家們。十三世紀早期基督教哲學家托馬斯阿奎那(約公元1225年—1274年)采納這個觀點並利用它來論斷上帝的存在，他寫道：“很清楚，無生命的物體並非偶然地而是有意地到達其終點……因此，有一位智慧的造物主，他命令自然的萬物走向其終點。”甚至晚至十六世紀，偉大的德國天文學家約翰斯開普勒(1571—1630)還相信，行星具有感覺並且有意識地遵循運動定律，它們“頭腦”理解這些定律。

自然定律必須被有意服從的觀念反映了古人專注於為何自然如此這般行為，而非它如何行為。亞裏士多德是拒絕科學必須首要以觀察為基礎的思想的那種方法的主要動議者之一。無論如何，古代精確測量和數學計算是困難的。我們在算術中如此方便的十進位記法隻能回溯至大約公元700年。正是印度人為了使那個學科成為有力的工具邁出了巨大的第一步。直到十五世紀才出現加減的縮寫。在十六世紀之前等號和時間能測量到秒的時鍾都還未出現。