牛津通识读本：科学革命 [10]
吉尔伯特的目标是巩固哥白尼的学说，后者使自然位置和自然运动的整个概念变得混乱。哥白尼让地球运动起来，在远离宇宙中心的地方绕轴自转和绕太阳公转，这引出了严重的物理问题。重物为什么会落到并非处于中心的地球上？是什么东西导致地球在旋转？哥白尼学说的支持者必须找到一种新物理学，从混乱中整理出秩序。一旦声称地球有磁极，吉尔伯特便强调这些磁极定义了一个真实的物理轴。既然自然中的一切事物都有目的，吉尔伯特认为这个轴的目的是为地球的自转作准备。此外，地球的磁性为地球赋予了内在动力，一如磁石会使铁制物体移动。吉尔伯特所谓的地球的磁“灵魂”不仅会使罗盘针指向北方，而且会使行星绕轴转动。在此基础上，吉尔伯特提出了一种“磁哲学”，认为磁性遍布和主宰着宇宙。利用相似者互相吸引——自然魔法的“共感”——的原则，磁哲学试图表明地球上的物体被自然地引向地球，而月球上的物体被自然地引向月球，从而挽救被瓦解的“自然位置”。因此，无论地球在宇宙中处于何种位置，地球物体都将落向地球。在吉尔伯特的宇宙中，磁力既维持着月上世界也维持着月下世界的秩序，他的看法深深地影响了开普勒、牛顿等人。
地球上的运动
磁哲学试图解释物体为什么下落，而伽利略则试图用数学描述物体如何下落。他造出了斜面、摆和其他仪器来研究地界运动。他在被软禁期间写的《两门新科学》（1638）是他从16世纪90年代开始的运动研究的顶峰。伽利略发现，所有物体无论重量如何，都以相同速度下落，这与亚里士多德的说法相反。他用优雅的逻辑论证说，如果滚下斜面的球速度会增加，滚上斜面的球速度会减小，那么在水平面上——既不向上也不向下——滚动的球将会保持恒定的速度。由于地球上的“水平”面实际上是弯曲的地球表面，因此在完全抛光的地球表面上滚动的球将会永远围绕地球运转。运用此“思想实验”，伽利略既阐明了一种惯性原理（运动物体会持续运动下去，除非受到外部动因的作用），又把天界的永恒圆周运动带到了地球，这进一步削弱了月下世界与月上世界的区分。
从方法论上讲，伽利略忽略的东西与他关注的东西同样重要。他描述运动时从来也不关注什么东西在运动，无论是一个球、一块铁还是一头牛。简而言之，他忽略了亚里士多德物理学所强调的物体的质。伽利略注重的是它们的量，它们在数学上可抽象的性质。通过剥离物体的形状、颜色、构成等特征，伽利略对物体的行为作了理想化的数学描述。一个冷的、棕色的、用橡木制成的球，其下落与一个热的、白色的立方体锡罐的下落不会有任何不同。伽利略将两个物体都还原成了抽象的、脱离语境的、能用数学处理的东西。14世纪初，一批被称为“牛津计算者”的人已经开始把数学应用于运动。事实上，伽利略在《两门新科学》中阐述运动学时，就是从他们提出的一条定理开始的。然而，伽利略要走得更远，他将数学抽象与实验观察紧密联系了起来。他在做无数实验时，将空气阻力和摩擦看成了可以从理想数学行为中剔除出去的“缺陷”，而这些数学行为只有在思想中才能经验到。柏拉图也许会在一定程度上同意伽利略的观点，因为柏拉图所理解的世界不完美地遵循了创世所依据的永恒的数学样式（即使亚里士多德可能反对伽利略的观点）。伽利略援引基督教的“自然之书”意象说出了一句名言：“这本书，我指的是宇宙，……是用数学语言写成的，其符号是三角形、圆以及其他几何图形，没有它们的帮助，人类连一个字也读不懂。”伽利略主张把物理世界还原为数学抽象，并最终还原为公式和算法，这一技巧对新物理学的产生发挥了关键作用，是科学革命的一个显著特征。
值得注意的是，伽利略只满足于用数学来描述运动，而不关心运动的原因。伽利略工作的这个特征与亚里士多德科学有根本不同，对于后者而言，真正的知识是关于原因的知识。伽利略使用的方法与工程师类似，他更感兴趣的是描述和利用物体的行为，而不是原因。在这一点上，伽利略得益于他所处的意大利北部的环境，那里工程学发达，有学识的工程师声名显赫（见第六章）。《两门新科学》明确表明了实用工程的重要性：书中的对话者见到了威尼斯造船厂的工程，并且讨论了梁的抗拉强度及其按比例的增加和减小——这些主题对于工程师和建筑师至关重要。伽利略早年在帕多瓦大学任教授时，依靠为力学和防御工事项目提供指导来补贴其微薄的大学薪水。他后来关于抛射体运动的研究表明，抛射体的路径是一条抛物线，我们往往首先认为这是他对运动物理学的贡献。这项研究所延续的是早先尼科洛·塔尔塔利亚（1499—1557）的研究。塔尔塔利亚是一位有学问的工程师，其写于1537年的《新科学》一书将数学应用于运动尤其是炮弹的运动，这一主题对于意大利一直战火不断的诸邦来说具有直接的现实意义。我们很容易使科学发展变得过于抽象和理性，而忘记了科学往往由紧迫的实际问题所驱动。
水和空气
出于工程用途，伽利略的追随者对水的研究引出了一系列重要发现。本笃会神父贝内代托·卡斯泰利（1577—1643）是伽利略的学生，也是伽利略在比萨大学数学教席的继任者。卡斯泰利致力于研究水力学和流体动力学，这些都是重要的实际问题，因为当时的意大利建有各种供水系统，包括运河、喷泉、灌溉、沟渠和下水道等等。由于需要把水从深处（例如从深井或矿山中）竖直抽出，人们发现虹吸管无法把水向上吸到大约34英尺以上的高度。17世纪40年代初，卡斯泰利在罗马大学的同事加斯帕罗·贝尔蒂（约1600—1643）尝试用实验来研究这个问题。在基歇尔等人的合作下，贝尔蒂拿了一根能够两端封闭的36英尺长的管子，将其下端竖直插入一盆水中（图9左）。他封闭了底阀，往管内灌满水，然后封闭顶部，打开底部。水开始流出，但是当管中水柱高度下降到34英尺时，水突然不流了。是什么使水悬浮在不高不低正好34英尺处呢？
卡斯泰利的学生埃万杰利斯塔·托里拆利（1608—1647）后来继承了伽利略所担任的美第奇宫廷数学家和哲学家一职，他设计了一种简单仪器，该仪器与贝尔蒂的管子类似，但更易操作。托里拆利拿了一根长约一码的玻璃管，将其一端密封，往其中灌满水银。把它的开口端倒着插入一盆水银（图9右），此时管中水银开始排出，当管内水银柱的高度约为30英寸时停止下降，这一高度约为水在贝尔蒂管中停留高度的1/14。值得注意的是，水银的密度约为水的14倍，这意味着悬在管中的任何液体的高度都直接取决于该液体的密度。利用早先对水的研究中所得出的液体平衡思想，托里拆利解释了这些结果，声称留在管中的液体重量被向下挤压着盆中液体的外部空气的重量所平衡。空气有重量这一想法与亚里士多德体系相冲突，因为亚里士多德认为空气没有重量。托里拆利不仅提出，我们“生活在空气元素之浩瀚海洋的底部”，而且提出他的仪器可以测量和监控空气重量的变化，这使他的仪器有了一个新的名称——气压计（barometer），其字面意思是“重量测量仪”。
图9 贝尔蒂的水气压计。加斯帕·肖特，《工艺志》（纽伦堡，1664）；（右）托里拆利简化的水银气压计的示意图。
17世纪的一些最著名的实验都是为了探究托里拆利管所激起的想法。数学家和神学家布莱斯·帕斯卡（1623—1662）提出可以用一个精巧的实验来证明，是大气的重量使液体悬浮在管中；1647年，他的姐夫弗洛兰·佩里耶做了这个实验。依照帕斯卡的指导，佩里耶在多姆山（位于法国中部，距离他们家不远）山脚下的一个修道院花园准备了几根“托里拆利管”，然后带着一根管子爬到了山上3000多英尺高的地方，发现水银面降低了三英寸。而下山之后，水银又恢复了原来的高度。在海拔较高之处，下压的“空气的海洋”较少，挤压水银的空气重量减小，因此所能平衡的管中水银也较少。
马格德堡市长奥托·冯·盖里克（1602—1686）是自然哲学家，制造了许多奇妙的仪器，而且热衷于演示。他当着许多观众的面做了一个壮观的实验，即著名的“马格德堡半球”实验。他做了两个半球形的铜壳，其边缘可以严丝合缝地合在一起。他把两个铜壳合成一个球，然后打开安装在一个半球上的阀门，用他自己仿照水泵发明的一种设备将空气从球中抽出。接着关闭阀门，冯·盖里克表明连马队都无法将两个半球分开，因为空气重量将它们保持在了一起（图10）。最后打开阀门，空气涌入，冯·盖里克轻而易举就把两个半球掰开了。
但水银上方的空间或冯·盖里克的球体之中是什么呢？许多实验者认为其中什么都没有，是完完全全的真空——这是一个在17世纪极具争议的话题。亚里士多德主义者和其他一些人声称真空是不可能的，他们的口号“自然憎恶真空”就反映了这一点。他们相信世界被物质完全充满，是一种实满，这似乎得到了一些自然现象的证实。他们认为，水银柱上方的空间中包含着空气或者从水银中挥发出来的某种更精细的蒸汽。有一些实验试图解决这个疑问，但并没有完全解决“真空论者”与“充实论者”之间的争论。声音无法传过空间，这表明传播声音所需的空气被移走了。但光可以传过去——光难道不是和声音一样，需要某