近代科学的机械自然观

近代形而上学自然观具有鲜明时代特征的，是它的机械论观点。在自然观方面，机械论认为自然界是一台大机器，所有的自然运动都可以还原（归结）为机械运动；在科学观方面，机械论认为牛顿力学是科学的基础，用牛顿力学可以解释自然界的一切，甚至可以解释社会历史现象。

近代机械论的盛行有着深刻的经济根源。机器是工业生产的主要工具，带来了高效益，所以对机器的崇拜，是近代工业文化的基本特征。弗兰西斯·培根在1620年曾写道，钟表制造肯定是一种微妙而又实实在在的工作，钟表的齿轮有点像天体轨道，它们有规律的交替运动有点像动物的脉搏跳动。培根的这句话可以看作是近代机械论的萌芽。钟表是人类最初制造出的精巧机械，是大型机器的雏形。波义耳认为宇宙不像中世纪的人所设想的是有机生物，而是像一座钟。伽利略最早提出“第一性”与“第二性”之分。物体的颜色、气味、声响等是第二性，它们都依赖于人感官的参与，而广延、形状是第一性，是物体的本质属性，它们是纯量的东西，可以用数学来处理。这个区分是自然数学化的基础，也是机械自然观的基础，因为正是将自然界完全还原为一个量的、数学的世界，质的东西才被抛置一边， 自然界才表现出其机械性来。

在1637年出版的《方法论》一书中，笛卡儿给出了机械自然观的基本论点。“机械的”一词原意是“力学的”，但笛卡儿还赋予它另一层意思，即“可以用机械模型加以模仿的”。在前一种意义上，笛卡儿是很彻底的机械论者，他认为宇宙中无论天上还是地下处处充满着同样的广延物质和运动，他又将运动定义为位移运动即力学运动，而且提出运动守恒原理，使宇宙处在永恒的机械运动之中。在第二种意义上，笛卡儿也是一位很突出的机械论者，他认为人造的机器与自然界中的物体没有本质的差别。他相信，人体本质上是一架机器，它的机能均可以用力学加以解释。

笛卡儿的机械自然观，在内容上是与建立在亚里士多德学说上的中世纪世界观完全对立的。在笛卡儿的体系中，所有物质的东西都是为同一机械规律所支配的机器，动物、植物和无机物如此，人体也是如此。这样他就排除了那种认为自然界总是按照一定的等级制度构成的传统概念，排除了那种认为世间万物形成一条巨大的链条，这条链条从处在宇宙边缘的至善至美的上帝开始，经过天上等级高低不同的天神天使，直到地上各种不同等级的人、动物、植物和矿物为止的观念。在笛卡儿看来，这个世界并不像经院哲学家们所说的那样是异质的，是由各种不同的物体安排而成的，相反，无机界和有机界是由在质上相同的物体组成的一个同源的机械体系，其中每一物体都遵循着为数学方法的分析所揭示的机械规律。除了机械的世界外，笛卡儿认为还有一个精神的世界。于是，他达到一种明确的二元论。一方面有自然的物质世界，它的本质是广延；另一方面则有内在的思想王国，人只是属于靠着他的灵魂才参与的物质实在，心灵的本质属性是思维。“从笛卡儿的时候起，这种二元论就成了欧洲人思想里的一种根本看法。”^[26]

在笛卡儿看来，物是真正死的东西，除了在开始时从上帝得到的运动之外，物不能再有其他活动。笛卡儿认为自然在整体上由规律支配，而他把自然规律和机械原理看成是同一回事，上帝完全通过在太初时确定下来的“自然规律”来统治宇宙。一旦宇宙创造出来，神就不再干涉他所创造出来的这部自动机器了。世界上物质的总量和运动的总量是常量，是永恒的；“上帝所赋予自然的规律”也是如此。中世纪的人们认为上帝在参与宇宙日复一日、年复一年的活动，上帝委派各种等级的天神天使推动天体运行，同时还不断观察并指导地球上的一切事件。异常事务，如奇迹或彗星出现那样的不祥之兆（当时认为彗星的出现是神或者魔鬼对宇宙过程的正常运动所进行的干扰）特别引起当时人们的注意。但17世纪的人们则对进行事件的正常活动感兴趣，想要发现它们具有“规律性”的运行方式。异常事变，如公元1572年的新星和公元1577年的彗星，当时就被看作是科学的问题而不是神学上的宣讲事例。而这些异常事变，导致那些不能解释它们发生原因的理论体系遭到人们的抛弃。^[27]

继笛卡儿之后，机械自然观随着牛顿力学的建立而确立。牛顿用自己的科学实践对笛卡儿的机械自然观作了一些局部的修改，例如， 自然界中除了物质与运动外还有力的作用存在，但基本看法没有变化。

伽利略、牛顿等人采用一种十分简便的方法研究力学，假定物体在位置移动中不发生别的物理运动，甚至都不研究同热运动的关系；假定物体的质量都集中在一个点（质点）上，不考虑物体的体积与形状；假定力的作用发生在两个物体中心（质点）的连线上，都是中心力。他们的这种方法是非常成功的。有了牛顿力学，人们不仅可以解释许多力学现象，而且可以对物体的运动状态作出准确的预言。牛顿力学通过几次重大的检验，充分显示了它的令人信服的价值与魅力。

第一次检验是关于地球形状的测定。古希腊哲学家认为地球和天体的形状都是最完美的立体形状——标准的正球体。牛顿根据他的力学，认为地球是个扁球体，两极方向上的直径稍短，并预言地球的扁率是1/230。牛顿的一套力学同笛卡儿的以太旋涡理论完全不同。而当时的法国，笛卡儿的思想占统治地位，笛卡儿派科学家拼命反对牛顿，并宣布根据笛卡儿的理论，地球的形状在两极的方向拉长，像只橄榄。孰是孰非，只有通过实地测量来解决。后来，较精确的测量表明牛顿的猜想是对的，而且测出的扁率同牛顿的预言很接近。

第二次检验是哈雷彗星回归周期的证实。长期以来，人们认为彗星是神秘的不祥之兆，牛顿认为彗星也是天体，它的运行也遵守天体力学规律。牛顿的好友哈雷，用牛顿力学研究彗星。1705年，哈雷注意到1682年出现的一颗大彗星，同分别在1531年和1607年出现的两颗彗星有许多共同之处，断定这三次出现的是同一颗彗星，它的周期大约是75年。哈雷由此预言这颗彗星会在1758年底或1759年初再度出现。当时哈雷已61岁，但他对此深信不疑。他说后人按时看到这颗彗星时，不要忘记作出这个预言的是两个英国人，即牛顿和他本人。1758年，这颗彗星果然如期出现。世人感叹不已，无不折服，这个彗星就以“哈雷”为名。

第三次检验是海王星的发现。海王星是科学家运用牛顿力学知识在“笔尖上的发现”，由此使牛顿名震天下，享誉四海。整个科学界都在高呼：牛顿力学法则是唯一的原则、最高的原则、永恒的原则、普遍的原则。牛顿就是科学的“上帝”，牛顿的著作就是科学的“圣经”。

当牛顿1687年出版他的《自然哲学的数学原理》时，就说他的力学有十分广泛的用途。他在第一版序言中说，他的力学是“推理力学”。“推理力学是一门能准确提出并论证不论何种力所引起的运动，以及产生任何运动所需要的力的科学。”“我把这部著作叫作哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他的现象。”“我希望能用同样推理的方法从力学原理中推导出自然界的其他许多现象。”^[28]既然牛顿力学有如此威力，牛顿本人也说可以从牛顿力学推导出其他许多自然现象，于是，各行各业的科学家都纷纷效仿牛顿，用牛顿力学来解决他们各自研究的课题，出现了持续200多年的“牛顿力学热”。

化学亲和力理论曾流传了很长时期，这个理论带有浓厚的机械论色彩。化学亲和力决定各种化学元素化合或分解的难易。牛顿认为化学亲和力是化学微粒之间的引力。法国化学家贝尔托莱认为化学亲和力的大小，同参加反应物质的质量成正比。有人认为化学亲和力的规律同万有引力定律相似，唯有机械力学才能揭示化学运动的本质。

机械力学对近代生物学的研究也有很大的影响。哈维用机械力学的方法研究血液循环，把心脏比作水泵，指出动脉与静态是一个机械系统。后来有人还用这种方法来研究消化系统、生殖系统和神经系统的功能。意大利的波列利用力学研究动物的动作，认为动物的各个器官就是一座机器的各个部件或者本身就是一个机械装置，如肺是鼓风箱， 胃是研磨机。

17—18世纪的物理学对光、热、声、电各种物理现象都有系统的研究，但无一不打上了机械力学的印记。牛顿的光微粒说实际上是光的机械理论，认为光微粒的运动同物体的机械运动完全相同。热的传递被看作是热质这种物质微粒的机械运动，“热力学”这个名称给人的印象，就是用力学来研究热现象的。

到了19世纪，物理学已经取代力学成为带头学科和基础学科，可是力学机械论在物理学中仍然十分流行，电磁学的发展状况鲜明地表现了这一点。法国电学家安培试图用牛顿力学来建构电动力学。他模仿牛顿的万有引力公式，写出了电动力的关系式。英国的普里斯特列、卡文迪许都认为电力和磁力遵守与万有引力定律形式上完全相同的规律，法国的库仑根据这个思路写下了库仑定律。杨振宁说：“我曾经把库仑的文章拿来看了一看，发现他写出的那个公式同实验的误差达到30%以上。估计他所以写出这个公式，一部分是猜出来的，猜测的道理是因为他已经知道了牛顿的公式。”^[29]在通常情况下，一个假设同实验的误差达30%，科学家是绝对不会坚持这一假设的。库仑竟置这么大的误差于不顾，断然写下了那著名的库仑公式，可见他对牛顿力学的信念是何等之坚定。

爱因斯坦曾指出，近代电磁学的发展，虽然在客观上已超出了牛顿力学的框架，可是电磁学家仍然认为可以从力学推导出电磁学。“因此我们不必惊奇，可以说上一世纪所有的物理学家，都把古典力学看作是全部物理学的、甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础，而且，他们还孜孜不倦地企图把这一时期逐渐取得全面胜利的麦克斯韦电磁理论也建立在力学的基础之上。”“伟大的变革是由法拉第、麦克斯韦和赫兹带来的——事实上这是半不自觉的，并且是违反他们的意志的。所有这三位，在他们的一生中都始终认为自己是力学理论的信徒。”^[30]

人们用牛顿力学来解释各种自然、社会现象，所以就出现各种各样的力的概念。在近代科学史上就有重力、引力、电力、电的接触力、磁力、折射力、化学亲和力、热力、浮力、握力、死力、活力、发酵力、生命力、消化力、神经力，等等。似乎只要对某种自然现象起个力的名称，这种现象就得到了解释。为什么石头有重量？因为它有重力。为什么物体带电？因为它有电力。为什么生物有生命？因为它有生命力。为什么胃能消化食物？因为它有消化力。直到现在，在我们的日常用语中，还有听力、视力、记忆力、能力、潜力、体力、智力、创造力、说服力、感染力、想象力、动力、阻力、生产力、购买力等说法。力的概念层出不穷，令人目不暇接。^[31]

机械自然观把生物、化学、物理等运动形式都归结为简单机械运动。各种物体（包括人在内）则看成是由宇宙最后基石——原子通过各种方式组合而成，因此，只要掌握了物体的机械运动规律（这已由牛顿力学定律完成），原则上，就能解释甚至预测世界上一切的自然现象。这种机械自然观，在法国科学家拉普拉斯（1749年—1827年）那里达到了顶峰。在拉普拉斯看来：我们必须把目前的宇宙状态看作是它以前状态的结果及其以后发展的原因。如果有一种智慧能了解在一定时刻支配着自然界的所有的力，了解组成它的实体的各自的位置，如果它还伟大到足以分析所有事物，它就能够用一个单独的公式概括出宇宙万物的运动，从最大的天体到最小的原子，都毫无例外，而且对于未来，就像对于过去那样，都能一目了然。这种思想被称为机械决定论。

机械自然观用机械的装置来设想自然界的万事万物，只承认机械运动是唯一的运动形式，这就必然否认自然界运动形式的多样性。既然机械运动是唯一的运动形式，而且运动的原因不在事物的内部而在外部（即由于外力的推动），那么自然界的任何变化发展就都被否定了，万事万物只有在空间上彼此并列着，并无时间上的发展，即所谓“太阳底下没有新事物”。机械运动，用伽利略的话来说，只是“部分和部分之间的简单移动，即不消灭什么，也不产生什么新东西”。因此，用机械自然观去概括世界，即认为宇宙和宇宙中的一切过去如此，现在如此，将来也还是如此；既没有新的东西出现，也没有旧的东西消失， 自然界的一切过程只是物体的机械动作和它们动量的交换。于是，为了说明太阳系的起源，牛顿引入上帝的“第一推动”绝非偶然；机械自然观有着深深的形而上学自然观烙印。按照机械自然观，“在这个自然界中，今天的一切都和一开始的时候一模一样，而且直到世界末日或万古永世，一切都仍将和一开始的时候一模一样”^[32]，而“如果我们以现有状态的永恒性为前提，我们就需要有一个第一推动，上帝”^[33]。

对于近代科学的形而上学机械论自然观，恩格斯在《自然辩证法》手稿中作出了如下有系统的评价“18世纪上半叶的自然科学在知识上，甚至在材料的整理上大大超过了希腊古代，但是在观念地掌握这些材料上，在一般的自然观上却大大低于希腊古代。在希腊哲学家看来，世界在本质上是某种从混沌中产生出来的东西，是某种发展起来的东西、某种生成着的东西。在我们所探讨的这个时期的自然研究家看来，它却是某种僵化的东西、某种不变的东西，而在他们中的大多数人看来，则是某种一下子就造成的东西。科学还深深地禁锢在神学之中。它到处寻找，并且找到了一种不能从自然界本身来解释的外来的推动力作为最后的原因。如果牛顿所夸张地命名为万有引力的吸引被当作物质的本质特性，那么开初造成行星轨道的未经说明的切向力又是从哪里来的呢？植物和动物的无数的种是如何产生的呢？而早已确证并非亘古就存在的人类最初是如何产生的呢？对于这些问题， 自然科学往往只能以万物的创造者对此负责来回答。哥白尼在这一时期之初向神学下了挑战书，牛顿却以神的第一推动这一假设结束了这个时期。这时的自然科学所达到的最高的普遍的思想，是关于自然界的安排合乎某种目的性的思想，是浅薄的沃尔弗式的目的论，根据这种理论，猫被创造出来是为了吃老鼠，老鼠被创造出来是为了给猫吃，而整个自然界被创造出来是为了证明造物主的智慧。当时的哲学博得的最高荣誉就是：它没有被同时代的自然知识的狭隘状况引入迷途，它——从斯宾诺莎一直到伟大的法国唯物主义者——坚持从世界本身来说明世界，并把细节的证明留给未来的自然科学。”^[34]