第2章 定律规则 (1)

　　斯克尔狼将恐吓月亮

　　直到他飞往忧戚之林：

　　海逖狼将追逐太阳，

　　他与瑞德威特尼尔沾亲。

　　——《格里木尼尔之歌》，北欧史诗“埃达”旧版在维京神话里，斯克尔狼和海逖狼追逐太阳和月亮。当狼抓住任一个，就会出现蚀，当这发生之际，地球人就急忙尽量制造噪声，希望将狼吓跑以拯救太阳或月亮。在其它文化中，也有类似的神话。但是过一段时间，人们应该会意识到，不管他们是否四处大叫大闹，太阳和月亮都会很快地从蚀中出现。过一段时间，他们还应该会注意到，日蚀和月蚀并非随机地发生：它们以规则的自我重复的模式发生。这些模式对于月蚀而言是非常明显的，尽管古代巴比伦人并未意识到月蚀是由太阳光被地球遮挡而引起的，他们依然相当精确地预言月蚀。因为日蚀只能在地球上大约30英里宽的通道上看到，因而预言日蚀就更加困难。尽管如此，这模式一旦被理解，它就很清楚地表明蚀并不依赖于超自然存在的一时兴致，而是由定律制约的。

　　尽管我们的祖先在预言星体运动中取得了一些成功，他们不能预言自然中的大多数事件。火山、地震、风暴、瘟疫，长到肉里去的脚趾甲，似乎所有这一切都在没有明显原因或模式下发生。古人很自然地将自然的暴烈行为归于一族顽皮或者恶毒的神袛。我们通常认为灾难是人们不知怎么地触犯了诸神的征兆。例如，大约公元前5600年，奥勒岗的玛扎玛火山爆发，好多年岩石如雨点般地下落，火山灰烧得通红，引起了多年落雨，最终水充满了今天被称作克雷特湖的火山口。奥勒岗的克拉玛特印地安人的传说与这事件的每一个地学的细节都合拍，不过把一个人描绘成灾难的原因使之增加一点情趣而已。人们的自责心这么重，总能找到方法去自咎。在那个传奇中，地狱的首领劳迷恋上克拉玛特首领的美丽凡人女儿。她狂傲地拒绝了他，劳为了报复以火来毁灭克拉特玛。据说幸运的是，天堂首领苏克尔怜悯人类，就和他的地狱对手作战。劳终于受伤，后退至玛扎玛山中，身后留下一个巨大的洞，也就是最后充满了水的火山口。

　　古人对自然方式的无知，导致他们去发明神袛对人类的生活方方面面作威作福。因而存在爱和战争之神；太阳、月亮和天空之神；海洋和河流之神；风雨雷电之神；甚至地震火山之神。当神高兴时，人类便享受好天气、和平，并避免自然灾害和疾病。当他们不高兴时，干旱、战争、瘟疫和传染病就降临。由于人类看不到自然中原因和结果的联结，这些神就显得不可思议，而人们被玩弄于其股掌之上。但是随着大约2600年前的美里塔司的泰勒斯(约公元前624年至公元前546年)的出现，事情开始改观。自然遵循着一致的可被解释的原则的思想就产生了。这就启始了利用宇宙概念来取代神权统治的长期过程，而宇宙是由自然定律制约的，并按照我们将来总有一天能读懂的蓝图创生的。

　　从人类历史的大事年表看，科学探讨只是一个非常新近的努力。我们物种智人是在大约公元前20万年起源于撒哈拉沙漠以南的非洲。书写语言仅可回溯至大约公元前7000年，这是农耕社会的产物。(一些最早书写的碑铭是有关于每位居民的啤酒每日定量。)古希腊伟大文明最早书写记录可回溯到公元前九世纪。但该文明的高峰“古典时代”是在几个世纪之后到来，始于比公元前500年早一点。按照亚里士多德(公元前384年——公元前322年)的说法，大约在那个时期，泰勒斯首先发展如下观念，即世界可被理解，在我们周围复杂事件可被简化成简单的原理，并不诉诸神秘或神学的解释而得到阐明。

　　首次预言公元前385年的日蚀是泰勒斯的功劳，虽然他预言的高度精确性也许只是碰好运的猜测。他是位模糊的人物，没为后世留下任何自己著作。他的家是名为爱奥尼亚地区的知识者中心之一。爱奥尼亚被希腊殖民，它的影响最终抵达从土耳其到意大利那么远的西方。爱奥尼亚科学是以强烈兴趣来揭示基本定律以解释自然现象的特征的努力，是人类思想史上的一座巨大里程碑。他们的方法是理性的，在许多情形下得到令人惊异地类似于今天我们更复杂方法使自己相信的结论。它代表了伟大的开端。但岁月更迭，爱奥尼亚科学中的许多都被遗忘了——只好被重新发现或发明，有时甚至不止一次。

　　在传说中，今天我们称为自然定律的最早数学表述可回溯至一位名叫毕达哥拉斯(约公元前580年——约公元前490年)的爱奥尼亚人，他以他的名字命名的定理而闻名于世：直角三角形的斜边(最长的边)的平方等于其它两边的平方和。据说毕达哥拉斯发现了乐器中弦的长度和声音的谐波组合的数值关系。用今天的语言，我们可将此关系描述成在固定张力下弦振动的频率——每秒振动数——与弦长成反比。从实用的观点看，这就解释了为什么低音吉他的弦必须比通常吉他的弦要长。毕达哥拉斯也许没有真的发现这个——他也没有发现以他的名字命名的定理——但是现存的证据表明，人们那时就获知弦长和音调之间的某种关系。若如此，可以将那个简单的数学公式叫做今天我们称为理论物理的第一个事例。

　　除了毕达哥拉斯弦定律，古代人正确通晓的物理定律只有三道，那是由阿基米德(约公元前287年——约公元前212年)详述的。阿基米德是古代的最杰出的物理学家，远高过所有其他人。用今天的术语讲，杠杆定律解释了，因为杠杆按照离支点距离的比而将一个力放大，所以小的力可以举起大重物。浮力定律是说，任何浸入流体的物体都会受到向上的等于它所排除的液体重量的力的作用。而反射定律断言，一束光和镜面的夹角等于其反射光束和镜面的夹角，但是阿基米德没有把它们称作定律，就有关观察和测量，他也未对它们做解释。反而，他将它们处理成仿佛是在一个公理系统中的纯粹数学定理，该系统很象欧几里德为几何创立的那个系统。

　　随着爱奥尼亚影响的扩散，其他看到宇宙具有一个内部秩序的人出现了，这秩序可能通过观测和理性得到理解。阿那克西曼德(约公元前610年——约公元前546年)，泰勒斯的朋友或许是学生，论证道由于人的婴儿诞生是处于无助状态，如果第一个人作为婴儿不知怎么地在地球上出现，他就存活不了。阿那克西曼德推理道，在也许是人类进化的第一个暗示中，因此人应是从其幼年更加吃苦耐劳的其它动物演化而来。恩培多克勒(约公元前490年—约公元前430年)在西西里观察到使用名叫漏壶的工具。它有时被当作长柄勺使用，由一个具有开放的颈和低部小孔的球面构成。把它浸入水中，它就被充满，如果那时开口颈被封上，那么可以将漏壶从水中提出而不让水从孔流下。恩培多克勒注意到，如果你在将漏壶浸入前把颈封住，它就不能充水。他推断一定有某种看不见东西防止水通过小孔进入球内——他发现了我们称为空气的物质。

　　大约同时，出生于北希腊的爱奥尼亚殖民地的德谟克里特(约公元前460年——约公元前370年)正思考着当你把一个物体分开或切割成小块时会发生什么。他论证道，你应该不能将这个过程无限继续下去。他反而假定，每件东西包括所有的生物都由不能被分开切割成部分的基本粒子构成。他把这些终极粒子命名为原子，起源于希腊语中具有“不可分割的”意思的形容词。德谟克里特相信，每种物质现象都是原子碰撞的产物。根据他的被称为原子论的观点，所有原子都在空间中到处运动，除非受到干扰，否则将无限地向前运动。今天这个思想被称作惯性定律。

　　我们只不过是宇宙中的普通栖居者，并非存在于它的中心而优越地成为特殊生物，这个革命性的观念是由最后批的爱奥尼亚科学家之一，阿利斯塔克(约公元前310年——约公元前230年)首先提出的。他的计算只有一项留存下来，那是他对在月蚀时仔细观测地球落在月面上的影子的大小进行的复杂几何分析。他从其数据中得出结论，太阳一定比地球大得多。也许由微小物体应该围绕着庞然大物公转而非相反的思想启示，他成为第一个作出如下论断的人：地球不是我们行星系统的中心，反而是它和其它行星围绕着大得多的太阳公转。意识到地球只不过是另一颗行星到我们太阳也没有什么特别的观念，只有一步之遥。阿利斯塔克怀疑，就是这种情形，并且相信我们在夜空看到的恒星实际上只不过是遥远的太阳而已。

　　古希腊哲学的许多学派各拥有不同而且经常相互矛盾的传统，爱奥尼亚人只不过是其中的一家。可惜的是，爱奥尼亚人的自然观——自然可通过一般定律得到解释并且归结为简单的一族原理——只在几个世纪间发挥了强有力的影响。一个原因是爱奥尼亚理论似乎经常未给自由意志或目的，或者神干涉世界运行的观念留下余地。这些是使许多希腊思想家正如使今天的许多人一样极度不安的惊人的遗漏。例如，哲学家伊壁鸠鲁(公元前341年——公元前270年)基于如下原因反对原子论，与其成为自然哲学家天命的“奴隶”，不如追随神的神话。亚里士多德也拒绝原子的概念，因为他不能接受人是由无灵魂无生命的东西组成。爱奥尼亚人关于宇宙不是以人为中心的观念是我们理解宇宙的里程碑，但是这种思想直到几乎二十世纪后的伽利略才复活，而不再被抛弃，并被普遍接受。

　　尽管古希腊人关于自然的猜测极赋洞察力，他们的大多数思想作为现代的科学还不够格。一个原因是希腊人还未发明科学方法，他们发展理论并不作为实践验证的目标，如此若一位学者宣布直到一个原子和第二个原子碰撞之后它才不沿着直线运动，而另一位学者则宣布直到它撞到一个独眼巨人之后它才不沿着直线运动，不存在客观方法来解决争端。另外，在人的和物理的定律之间也没有清楚的区分。例如，在公元前五世纪，阿那西克曼德写道，万物都从一种初等物质产生，并返回其本源，以免它们“因其恶行被罚”。而根据爱奥尼亚哲学家赫拉克里特(约公元前535年——约公元前475年)的看法，太阳如此这般行为，否则的话，正义女神将会把它毁灭。几百年之后，大约在公元前三世纪产生的希腊哲学斯多葛学派对人类法规和自然定律作了区分，但是他们将他们认为普适的人类行为规则——诸如崇尚上帝以及服从父母，包括到自然定律的范畴。另一方面，他们经常以法律的术语描述物理过程，并且相信它们是需要被实施的，尽管被要求“服从”定律的物体无生命。如果你认为使人去服从交通法规很困难，想象说服小行星去沿着椭圆轨道运行吧。

　　这个传统继续影响着许多世纪后接替希腊人的思想家们。十三世纪早期基督教哲学家托马斯阿奎那(约公元1225年—1274年)采纳这个观点并利用它来论断上帝的存在，他写道：“很清楚，无生命的物体并非偶然地而是有意地到达其终点。。。。因此，有一位智慧的造物主，他命令自然的万物走向其终点。”甚至晚至十六世纪，伟大的德国天文学家约翰斯开普勒(1571—1630)还相信，行星具有感觉并且有意识地遵循运动定律，它们“头脑”理解这些定律。

　　自然定律必须被有意服从的观念反映了古人专注于为何自然如此这般行为，而非它如何行为。亚里士多德是拒绝科学必须首要以观察为基础的思想的那种方法的主要动议者之一。无论如何，古代精确测量和数学计算是困难的。我们在算术中如此方便的十进位记法只能回溯至大约公元700年。正是印度人为了使那个学科成为有力的工具迈出了巨大的第一步。直到十五世纪才出现加减的缩写。在十六世纪之前等号和时间能测量到秒的时钟都还未出现。