第3章 世界自会运转

在1971年，观看阿波罗15号登月直播的电视观众，看到了宇航员大卫·斯科特（David Scott）做的一个有趣的实验。在一次月面行走的尾声时刻，斯科特拿起了一把锤子和一根羽毛，然后同时放开它们自由下落。在月球引力的轻柔牵引下，两件物体向月面坠落，在完全相同的时间内掉到月面。

在地球上可不会发生这样的事情，除非你正在NASA的巨大真空室里进行宇航服演练。在一般情况下，空气阻力会极大减缓羽毛坠落的速度，而锤子则基本上不受影响。但在月面的真空中，它们的轨迹却难以分辨。

斯科特就此确认了伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）早在16世纪提出的一个重要洞见：在重力影响下，所有物体的自然运动都以相同的轨迹坠落，而在我们日常生活中，使沉重的物体看上去比轻盈的物体坠落得更快的，实际上是空气造成的摩擦力。这也不坏，正如任务控制员乔·艾伦（Joe Allen）所说，这个实验结果“一如预测，符合久经考验的理论，但考虑到见证这个实验的观众人数，以及返回的航程极端依赖被测试理论的正确性这一点，这还算是一个令人安心的结果”。

传说伽利略曾经亲自进行过这个实验，让质量不同（但受到的空气阻力相似）的球从比萨斜塔顶端自由坠落。伽利略似乎并未宣称做过这个实验，断言这一点的是他的学生温琴佐·维维亚尼（Vincenzo Viviani），写在他导师的传记里。

据我们所知，伽利略确实做过一个更容易构建和控制的实验：让不同质量的小球在斜面上滚下。他由此证明，这些小球以同样的方式加速，这个加速依赖于斜面的角度，但独立于小球的质量。然后他提出，如果相信这些结果可以一直外推到垂直于地面的斜面的话，那就相当于让物体垂直坠落，根本不需要斜面。所以他的结论就是：如果没有空气阻力的影响，不同质量的物体会在重力的作用下以相同的方式下落。

比这个特定的发现更重要的是它传达的潜台词：在探索物体的自然运动时，可以先在想象中除去各种干扰效应，比如摩擦力和空气阻力；然后要回到更符合现实的运动的话，只要重新考虑这些效应就可以了。

这是个伟大的洞察。可以说，这是物理史上最重要的想法。

物理显然是最简单的一门自然科学。表面上看并非如此，但那是因为我们在物理上所知甚多，而理解它需要的知识又晦涩繁复。然而物理拥有一个不可思议的特点：我们常常可以用不合常理的简化方法——比如完全光滑的平面或者完美的球形——来忽略各种各样的次要效应，最终仍能得到超出预期的好结果。在其他学科中，无论是生物学、心理学还是经济学，对于绝大部分有意思的问题，如果你对某个系统的因素之一建模时完全忽略其他因素的话，得到的只会是毫无意义的垃圾（但这并不能阻止人们前仆后继）。

这个翻天覆地的伟大想法——在忽略摩擦和耗散的理想状态下，物理学会变得简单——在另一个同样影响深远、甚至可以说震撼世界的概念的建立过程中也起到了重要的作用，这个概念就是动量守恒。虽然它的影响力看似没有那么夸张，但在我们有关世界观念的变迁，从有关目的和原因的古老视点转移到模式和定律的现代视点的这个过程中，动量这个概念占据了核心地位。

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在伽利略等人在16～17世纪革新关于运动的研究之前，亚里士多德（Aristotle）长久作为思想家中的领军人物统治着这个主题。亚里士多德关于物理学的观点属于坚定的目的论：他认为事物拥有一种最自然的存在状态，而它们的变化则由某个目的指引着。众所周知，他提出“原因”可以区分成四种，虽然“四种解释”也许能更好地表达他本身的想法。这四种解释分别是：质料因，也就是组成事物的材料；形式因，也就是决定事物本质的必要性质；动力因，也就是构筑事物的力量（这与我们对于“原因”的日常定义最接近）；最后是目的因，也就是事物存在的理由。理解为何事物如此改变、移动和运转，就相当于讨论有关它们的这些原因。

对于亚里士多德来说，事物的本性决定了它如何运动。在经典的四元素（火、水、土、气）中，土和水倾向于下沉，而气和火倾向于上升。事物能处于某种自然状态，无论是静止或者运动。它倾向于维持这种状态，直到某种“剧烈运动”让它改变状态，但之后它又会回到自然状态。

想象一个在桌子上静止不动的咖啡杯。它正处于自然状态下，也就是静止（除非我们拉开它底下的桌子，这时它会自然坠落，不过这里就算了）。现在，想象我们对它施行某种剧烈运动，推着杯子在桌面移动。当我们推动时，杯子会移动；当我们停下来，它就回到静止的自然状态。要想令它继续移动，我们必须一直推着它。就像亚里士多德所说，“所有运动之物必被某物推动”。

这显然就是咖啡杯在真实世界中的行为。伽利略和亚里士多德之间的差异，并不在于他们一个说的是真理而另一个是谬误，而在于伽利略选择关注的东西可以作为一个有用的基础，用以构建更严谨而完全的理解，能解释超出原有例子的更多现象，而亚里士多德没有做到这一点。

在公元6世纪，居住在埃及的哲学家和神学家约翰·菲洛波努斯（John Philoponus）开启了从亚里士多德到现今对运动理解的旅程。他提出应该构想一种导致运动的力量，或者说“冲力”（impetus），它通过一开始的推动而传递到物体上，然后令物体保持运动，直到所有冲力消耗殆尽。这是前进的一小步，但这一步开辟了对运动本性思考的新气象。与其谈论原因，人们的关注点转移到了与物质本身相关的数量和性质上。

另一项至关重要的贡献来自波斯思想家伊本·西那（Ibn Sina，有时也被撰写为Avicenna），他是公元1000年前后伊斯兰黄金时代的领军人物之一。伊本·西那发展了菲洛波努斯关于冲力的想法，将它称为“倾向”（mayl）。正是他提出“倾向”不会自行消散，只会因空气阻力或者其他外界的影响而耗损。他指出，在真空中不存在这些阻力，所以不受干扰的抛射物会一直以相同的速率移动，直到永远。

这个想法非常接近我们现代关于惯性的概念——物体会以相同的方式一直运动，除非出现了别的作用力。可能受到了伊本·西那的影响，14世纪的一位法国神职人员让·比里当（Jean Buridan）写下了一道量化的公式，将冲力等同于物体的重量与速率的乘积。然而在当时人们仍不理解质量和重量的差别。在比里当的影响下，伽利略发明了“动量”这个术语，并且声称物体如果不受任何力的作用，它的动量会维持恒定，但他没有明确区分动量和速率。将动量定义为质量乘以速度的是勒内·笛卡儿（René Descartes），但即使是这位解析几何的创始人，也没有领会到动量除了大小之外还有方向，这一点要留待17世纪的荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）来发现。最后收尾的是艾萨克·牛顿，他将动量这个概念巧妙地运用到了他对运动研究的系统化重建中，而重建后的体系直到今天仍是高中和大学课程的一部分。

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为什么动量守恒这么重要？这里不是学习牛顿力学的地方，尽管我们也许会从中获益良多。这里没有滑轮也没有斜面的习题。我们在这里是为了思考现实的本性。

对于亚里士多德来说，物理是关于性质和原因的叙事。每当任何类型的运动出现，背后必定有促成运动的事物，也就是导致这项运动的动力因。亚里士多德关于“运动”的定义要比现在的更为宽泛，他的定义实际上更接近“转换”。比如说，他的定义囊括了物体颜色的变化，还有某种可能性向现实的转变。但它们都适用相同的原则：亚里士多德坚信，所有这些转换都暗示了某种转换原因的存在。这个想法合情合理，在我们日常的体验中，事件不会“无缘无故”发生——背后一定有什么东西驱使它们发生，让它们能够实现。未曾获益于现代科学知识的亚里士多德，他尝试要做的正是将他所知的世界运转的方式整理到某种系统性的框架之中。

亚里士多德就这样在世界上观察到无数事物正在起变化，并推断每项变化都有其原因。A由于B的缘故被推动了，而B运动的原因又是C，如此类推。一个自然的问题就是：所有这些变化的起源是什么？这根运动与原因的链条，能追溯到什么地方？他很快否定了诸如自我推动的运动或者无穷延伸的因果链条这些可能性。这根链条必定会在什么地方终结，也就是某种能引发运动，但自身不会运动的物体：某个不动的推动者。

亚里士多德主要在他的著作《物理学》（Physics）中阐述他关于运动的理论，但有关“不动的推动者”的细节则挪到了后来的另一本著作《形而上学》（Metaphysics）里。尽管亚里士多德名义上没有宗教信仰，他在书中却说不动的推动者就是上帝：不是作为一种抽象的原则，而是现实中永恒仁爱的存在。对于上帝的存在性来说，这个论点并不坏，虽然否认背后的假设的话，很容易从中挑出漏洞来。也许某些运动的原因的确是它们自身，也许因果的无限回退完全没有问题。但这个“上帝的宇宙论论证”非常有影响力，后来还被托马斯·阿奎那（Thomas Aquinas，欧洲中世纪哲学家、神学家）等人发扬光大。

对我们来说最重要的是，亚里士多德关于“不动的推动者”的论述依赖于运动必须有原因的这个观点。一旦我们认识到动量守恒，这个观点就失去了吸引力。我们可以吹毛求疵——我确信亚里士多德也能找到巧妙的方法去阐述在光滑平面上以恒定速度运动的物体。但最重要的是，伽利略和他战友的新物理学蕴含了一套全新的本体论，使我们对自然本性的思考产生了深刻的变化。“原因”不再像以往那样扮演中心角色。宇宙不需要被推动，它就是如此一直运转着。

这个视点转换的重要性怎么强调都不为过。当然，时至今日我们仍然一直谈论原因和结果，但如果你打开一本相当于以往亚里士多德的《物理学》的现代书籍——比如说量子场论的教材——你不会看到类似“原因”或者“结果”的字眼。在日常对话中我们仍然谈论因果关系，这有它的理由，但在我们最优秀的基础本体论中，它们不再占有一席之地。

在这里，我们看到的是我们关于自然的描述中层次性的一种体现。在我们目前所知的最深层次上，最基础的概念是“时空”、“量子场”、“运动方程”和“相互作用”之类的东西。那里没有“原因”，无论是质料因、形式因、动力因还是目的因。但在此之上还有不同的层次，用到了不同的语汇。实际上，在耗散和摩擦占有重要地位的情况下，我们能以量化的形式重新推导亚里士多德物理学的一部分，将它作为牛顿力学在这种情况下的极限（毕竟咖啡杯还是会停下来的）。我们同样能理解为什么在日常体验中谈论原因和结果如此方便，即使这些概念在底层的方程中并不存在。要在世界上生活下去，我们需要构筑许多不同的关于现实的实用叙事。