伽利略的科学方法

合肥工业大学学报(社会科学版)

JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(SocialSciences)

Vol.23No.3

Jun.2009

伽利略的科学方法

李才华1,2

(1.合肥工业大学人文经济学院,合肥　230009;2.南京大学哲学系,南京　210093)

摘　要:伽利略奠定了近代实证科学的方法论基础,他综合性地运用了种种带有逻辑实证主义特征的科学方法,树立了西方经典力学的科学研究传统,为后来牛顿力学的数百年研究暗暗地定下了研究的方向。文章从六个方面分析论证了伽利略科学思想的现代性,这些科学思想进一步成为西方社会文化的重要要素。关键词:伽利略;科学思想;现代性

中图分类号:C03　　　　文献标志码:A　　　文章编号:100823634(2009)0320154205

OnScientificMethodsofGalileoLICai2hua1,2

(1.SchoolofHumanitiesandEconomics,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.DepartmentofPhilosophy,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)Abstract:Galileoisconsideredtohavebuiltthebasisofthemethodologyofthemodernempiricalsci2ence,andhehademployedvariousscientificmethodswiththecharacteristicsoflogicempiricisminanintegrativeway,andhadfosteredtheWesterntraditionofscientificresearchinclassicalmechanics,andhadsetthedirectionoftheresearchinMechanics.ThispaperanalysesthemodernityofGalileo’sscientificthoughtsfromsixaspectsandthosescientificthoughtsturnouttobeimportantfactorsofwesternsocialculture.

Keywords:Galileo;scientificthoughts;modernity

古希腊文明和近代科学的出现是人类历史上的两座文明高峰,人们对为何近代科学涌现于中世纪

之后的欧洲感兴趣。由于伽利略是近代科学的奠基者,研究伽利略的科学精神有利于探索近代科学的产生原因。如果说中世纪的思维传统是注重理性,那么近代科学则是以实验和数学为特征的实证科学,而伽利略的科学研究正是体现了近代科学的这种特征。文艺复兴时期的很多研究自然的学者已经趋向于近代科学。如“原动力“理论试图批评亚里士多德的力学理论,但是由于其本身的模糊性和缺乏经验事实的支持而不能破除旧传统;列奥纳多・达芬奇是个多才多艺的人,他从自然本身而不是从神学方面研究过很多问题;哥白尼的日心说引起了一场思想倒转的革命;吉尔伯特和罗吉尔・培根提倡实验方法,由此可以增进经验知识。然而伽利略具有最重要的开创性,把科学推进到了现代范畴。

一、伽利略不研究经验之外的实体形式及其隐蔽的质

伽利略以实证主义的近代科学精神取代实证主义所拒斥的经院哲学的目的论。按照目的论的学

说,物质世界的变化是按照物对人的用处来安排的,人的活动连同物都要按照上帝的安排来运转。而伽

收稿日期:2008210224

作者简介:李才华(1970-),男,河南光山人,讲师,博士生。

第3期　　　　　　　　　　　　　李才华:伽利略的科学方法155

利略认为物体运动的改变总是有某种力作为原因,人与自然界不过是服从数学关系的原子集合。上帝不再是安排一切的至善,而被看成是一位巨大的机械创造者。上帝出现的价值在于为物质、运动和人类的起源提供一种解释。运动变化是伽利略科学研究的唯一限定的对象,以前的目的论范式失去了其统治性地位。在伽利略看来,自然现象的因果性只能从物质原子本身去寻找。物体变动都可以归之于物体受力的结果。“每一个物体的运动都以其他的物体运动状态作为原因。只有那个每当其出现就总是

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有一个后果,每当其消除这个后果就会消失的东西,在合适的意义上,才能被称为原因。”亚里士多德的学说很注重理性思维,尽管有很多的经验成分。亚里士多德注重研究事物的最后因,在他的四因说中得到体现,他的自然学后来被修改以适应基督教教义。亚里士多德与经院哲学家的研究对象主要是现象的最后因。他们除了研究实体形式之外,也研究隐蔽的质,研究思辨虚构、内在目的、最高原因之类形而上学的东西,伽利略的研究主要关注时间、空间、速度、加速度、质量等。亚里士多德与经院哲学家认为地上的运动和天体运动并不遵循相同的规律,因为天体比地球更高等和完美。他们把物体运动看成是形而上学的一个分支,借助作用、动因、目的、自然位置等含糊观念,从本质的角度去分析运动,然而逻辑实证主义恰恰要把这些东西排除出科学的研究范畴。他们着重考虑物体为什么运动,如自然运动和强迫运动;同时很少考虑物体是如何运动的,只是举出了几种运动的例子来进行定性说明,如自然运动与强迫运动的区别,直线运动与圆运动的区别等。伽利略的研究方法却是完全不同的,他所要研究的不是运动为什么发生而是怎样发生。在中世纪的科学中主要是定性的模糊说明,空间与时间没有被度量,成为不重要的因素。伽利略使得时间和空间在物理科学中可精确测量和运算,自此以后时间和空间就始终在物理科学中具有这种处理方式。受到毕达哥拉斯主义传统的影响,伽利略也要寻找自然现象间简单的数学关系,也要根据巧妙设计的实验领悟支配自然现象变化的物理定律。对于形而上学的的问题,他宁愿承认无知,耐心等待。他承认他对于力的本性、重力的原因和宇宙的起源,毫无所知。他认为,与其夸大胡说,不如“宣布那个聪明

[2]200的、智巧的、谦逊的警句‘:我不知道’”。

二、区分第一性的质和第二性的质

伽利略信仰物质的原子论,并且研究了原子在数目、重量、形状和速度方面的差别造成相应的味道、气味或声音方面的不同。按主观和客观的关系,伽利略将人对自然获得的观念区分为第一性的质和第二性的质。第一性的质是指时间、形状、大小、数目、位置、运动等的数量,这些是能够测量的恒定不变的物体性质,能用数学语言精确地描述,不同主体进行的测量都具有稳定的精确值,它们因此被认为是实在的。伽利略相信自然界这部书是用数学语言写成的。因此第一性的质属于自然科学的研究对象。第二性的质指的是声、味、色、臭、热、冷等主观感觉,依存于主体感觉,不同的人会有不同的感觉或者程度不同的感觉。第二性的质不过是感官上的主观效应,不具有客观性和稳定性,难以用数学语言精确地描述,因此,它们不是自然科学研究的范畴。

伽利略认为,当设想一个有形的实物时,它有自己的固有属性,如界限和形状,体积大小;它有可以测量的时空属性,如运动与静止,单数与复数,邻接与分离。“无论怎样,不能想象一种物体不具有这些条件。但关于白或红,苦或甜,有声或无声,香或臭,却不觉得被迫承认这些情况是与物体一定有关系;如果感官不传达,也许推理与想象始终不会达到这些。所以物体的这些味、臭、色等,好象真的存在于物体中,其实只不过是名称而已,仅仅存在于有感觉的肉体中;因此,如果把物拿走,一切这样的质也就消

[2]201

除了。”

生命界和物质世界根本上是不同的,伽利略为了避免生命界不服从动力学定律,巧妙地为自己的研究定下了合适的方向。可以看出,伽利略相信第一性的质是实在的,而第二性的质只不过是感官的幻影而已。这些第二性的质仅仅是观察者心目中的感觉,是原子的排列或运动引起的,而原子排列或运动本身又服从于稳衡的自然规律。

伽利略正是通过把科学的主题限制在第一性的及其关系之中,才把亚里士多德和经院哲学家的关

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于自然的目的论解释从科学中排除了出去。“伽利略划分了科学解释与非科学解释。他认为亚里士多德关于物体通过自然运动趋于自然的指定位置的观念,只是一种形而上学,应当排除在科学解释之外。

从科学哲学角度看,伽利略使我们达到了从先验的经院自然学转向近代的实验的归纳科学的

[3]109

转折点。”

三、伽利略重视观察和实验的经验方法

伽利略将观察实验等经验方法结合于理性,转变了从古希腊到经院哲学过于注重思辨理性的传统。伽利略以前,人们总是先采取一个相对合理的理论解释体系,然后用逻辑来进行论证,一些重要事实是从权威经典和理性思辨中推演出来的,从古希腊到经院哲学都有这样的特色,然而伽利略并不遵从这种思维传统。中世纪经院哲学是理性的,近代科学在本质上是经验的。“前者崇拜人的理性,在权威规定的界限内活动;后者接受无情的事实,不管它是否合于理性。最重要的是,他把吉尔伯特的实验方法和

[2]195

归纳方法与数学的演绎方法结合起来,因而发现并建立了物理科学的真正方法。”

哥白尼在天文学方面做出了重大的贡献,很大程度上是依据奥卡姆剃刀原理说服人们的,从而建立起日心说,伽利略却用望远镜的观察结果来加以经验的检验。伽利略利用自制的天文望远镜得到了一批支持哥白尼体系的有力的观察证据。1609年他听人说一位荷兰人发明了一种能把远处物体放大的镜子。伽利略就根据他对光的折射的知识,立刻制成一个同样的仪器,而且很快就制出一个相当好的仪器,能将物体的直径放大三十倍。哲学家从来就认为月球的表面是完全平滑而无瑕疵的,现在看出盖满了斑点,说明月球上有崎岖的山脉和荒凉的山谷。从前所看不见的无数星星,木星在它的轨道上伴随着四个卫星,现在也闪烁在眼前了。靠了望远镜的帮助,伽利略用人人可以复现的事实证明了天文学的新学说,而在那以前天文学的学说是仅仅建立在先验的数学简单性的根据上的[2]196。

伽利略用实验的方法开创了经典力学的研究。伽利略关于匀加速运动的研究成果,无论从理论本身或方法论上看,都初步奠定近代实验科学的方法论基础。物体以不断增加的速度降落。这种增加的规律是怎样的?伽利略观察到似乎速度与降落的距离成比例,或者说速度与降落的时间成比例。于是伽利略开始设计实验来验证这一假设。物体垂直自由降落时速度很大,用当时已有的仪器不易测量较短的时间间隔,更难使实验得到精确的结果,所以须将这个速度减小。他于是改用斜面实验,并理想化地考虑摩擦力因素,他量度的结果与速度与降落的时间成比例这一假设似乎基本相符;这个假设的数学推论是:物体降落经过的空间按时间的平方而增加。伽利略还发现:如果摩擦力小到可以忽略时,球滚下一个斜面之后,可以滚上另一个斜面直到和出发点一样高的地方,而与斜面的倾斜度无关。如果第二面是水平的,这个球将以恒速在这面上不断地向前跑去。通过实验他还发现:摆的振荡周期与摆幅无关(小摆动时);可见在相等时间内重力以等量增加摆锤的速度。

人们一向假定每个运动都须有一个不间断的力去维持它。行星必须有亚里士多德的“不动的原动者”,或开普勒的太阳经过以太的作用,来维持它们的运行。但经过伽利略的研究,人们才明白:需要外力的不是保持运动,而是改变运动的状态。物质既然具有惯性,行星系一旦开始运动,就不需要力去维持行星的运动;虽然必须找到一个原因去解释它们为什么不断地离开直线路径,而在围绕太阳的轨道上运行[2]198。

伽利略在动力学的经验研究中,成功地把实验和数学论证相结合,这也是今天自然科学的主要研究方法。伽利略的科学思想之所以具有里程碑的意义,不仅因为伽利略的开拓性工作为动力学理论打下了基础,而且也开启了近代科学研究的实证主义转向。

四、伽利略的数学定量方法

数学方法普遍地运用于科学是近代科学形成的重要标志之一。科学研究中如果仅仅运用日常定性的自然语言,就不可能描述现象的内在联系。数学语言把抽象能力和精确性带给了科学。正是运用数

学的定量化使近代科学突破了对自然的常识性的模糊认识,数学方法使人们更精确地把握科学事实,扩

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大了人们思考问题的范围,这在一定程度上决定了科学进步的程度。数学方法实质上是一个有效的抽象概括过程。“如果我们不首先学会用来书写宇宙的语言和符号,我们就无法了解它。宇宙是以数学语言写成的,它的符号就是三角形、圆和其他几何图形,没有这些符号的帮助,我们简直无法了解它的只言

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片语。只有这些符号我们只能在黑夜的迷宫中徒劳的摸索。”

近代科学的产生是和数学方法的介入密不可分的。数学处理为运动指明了非常明确的数值,摆脱了模糊和混乱,使物理结果具有明晰的唯一性。考察这些数值,可以归纳出一定的规律,为思维提供了便利,数学使科学问题暴露出来。伽利略在数学化的机械力学方面迈出了最难的第一步,这就是从经院哲学在分析变化和运动时所采用的模糊的目的论范畴,转变到描述物体如何运动的数学关系。

数学方法的优势是使近现代科学的逻辑推理具有单义性、精确性和直观性。伽利略的研究首先区分了第一性的质和第二性的质,他只研究第一性的质,这种限制研究对象的做法为数学方法的采用提供了条件。因为主观感觉无法用数学来度量和计算,只有时间、空间、力和质量才具有客观性和稳定性,对于不同的主体具有可测量的同一客观量值。

要从混乱的现象和模糊的观念中获得确定的自然规律,第一步总是要确定一些可以界说的变量和关系,需要针对所要研究的对象抽象出一个合适的数学模型,这种模型应当能够进行数学处理。为了要把落体加速度问题变成可以研究的问题,伽利略首先将距离和时间概念进行量化,然后提炼数学模型。逻辑的严格性和结论的确定性是数学方法的基本特点,运用数学方法得出的步步合乎逻辑的结论也应该具有必然性和可靠性。

哥白尼的日心说与开普勒的行星运动三定律已经成功地运用数学方法描述了天上的运动。伽利略觉得地上的物体运动也是按数学描述的规律运动的。于是他所研究的问题不是物体为何降落,而是如何降落,即遵循怎样的数学关系而降落,这种思维方式正是近代科学的实证思维方式。伽利略自己解释说他的方法本质上是经验的,是以实验为基础的。“他先是借助于感官才获得它能够获得的那些观察和实验的,那些东西尽可能地向他保证了结论,他是随后才寻求如何对结论进行证明的手段;因为这就是

[1]58

论证性科学通常的过程。”伽利略开创性地把力学实验同数学方法结合起来以后,力学就发展成为近代科学的范式。

五、伽利略的理想实验方法

理想实验是运用理想模型在思维中塑造理想过程并进行严密逻辑推理的一种思维方法。伽利略的

科学方法具有明显虚拟化的理想特征,把在实际中难以实现的或者难以进行测量的条件予以理想化的虚拟,使复杂的事实纯化和强化,使物理现象的观测和处理大为方便,从而获得前所未有的科学事实。例如,他把斜面和水平面理想化为无摩擦的光滑面,从而得出了惯性原理,从理想的真空中的自由落体和理想摆推演出落体和摆的近似运动。爱因斯坦说“:惯性定律标志着物理学的第一个大进步,事实上是物理学的真正开端。惯性定律是由考虑一个既没有摩擦又没有任何外力作用而永远运动的物体的理

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想实验而得来的。从这个例子以及许多旁的例子中,我们认识到用思维来创造理想实验的重要性”。

近代惯性定律的发现很难凭一些现实实验所能达到,它取决于一种虚拟的想象力,设想一个客观物理性的几何体在不改变运动状态地滑进一种纯粹空虚的和中性的空间———该空间与所发生的运动毫无关系。然而理想实验的悟得要以现实实验和观察为基础,依据可靠的科学事实,然后将某种条件纯化和虚拟化。在伽利略的机械力学的研究中,物体运动变化的趋势被推向一种极限状态,由此获得描述变量关系的数学公式,使物理公式暴露出来。伽利略关于惯性运动的理想化设计就是他在进行现实斜面实验的科学实践中,把条件和结果推到理想极限得到的。

伽利略把抛射体运动看成是叠加的运动也是运用了理想化方法。关于抛射体的路径,伽利略看出它可以分解为两个分量:一个是水平向的运动,速度恒定不变,即匀速直线运动;一个是垂直方向的重力加速运动,遵循落体的定律。这两个分量综合之后,合成路径为抛物线。这是把抛射体运动路径理想化地分解之后得出的结果。

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伽利略用理想化方式观察自然现象所得的结果,与亚里士多德派全然不同。例如在摆的实验中,亚里士多德派看到的是,物体由于自然目的性都从较高的位置返回到最低的自然位置,绳子的限制迫使摆

运动只是沿着弧线进行的,摆动被视作一种受强迫的下落运动[3]109。最后趋向静止也被认为是自然位置的回归,含有目的论。但是伽利略在观察同一现象时,得到了理想化的摆运动,认为如果不受外力的作用,摆将永远重复运动,由此看到了摆的等时性。

六、逻辑与经验相结合的科学研究

伽利略在动力学研究中采用了直观-论证-实验的研究步骤,在伽利略的动力学研究中大致上遵

循这三个步骤。面对感觉经验的世界,要尽可能完整地孤立和考察某一典型现象,目的首先是直观那些简单的、绝对的要素;根据那些要素可以把现象翻译成数学形式;那等于把感觉事实分解成量的组合之中的要素[1]61。第二步是进行形式化的数学推理。为了得到更令人信服的结果,第三步就有必要提出一种假说并进一步通过实验来进行验证。

伽利略的研究体现了亚里士多德开创的归纳和演绎方法。首先,他认为关于运动的解释性原理要从现实经验材料中归纳出来。解释性原理要使用数学语言表达,成为可以演绎出结论的假说。其次,要对从自然现象中归纳的或者从直觉得出的假说进行论证,这是演绎的理性技术。在此过程中直觉和创造性想象具有不可忽视的作用。最后,假说的推论要得到实验验证,理论与观察实验结果要互相一致。这说明他的方法不仅仅是单纯归纳的,同时也包含了理性主义因素。“伽利略在《两门新科学》中最早给出了运动学的公理化表述形式。伽利略的方法是从公理和定义出发,通过对运动概念的分析进而得到[3]110

某些附加的‘假定’和几何上得到证明的定理,从而给出他所希望得到的一门科学的理想构造。”

伽利略有良好的理性思维素养,伽利略的理性思维与中世纪的经院哲学理性主义有所区别。注重理性思维成为经院哲学的浓厚特色,在经院哲学遭到批判的17世纪,这种理性思维传统仍然得到传承。

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“伽利略的理性思维包含了新的内容:对经验材料的理性思考。”因此最有力的科学判决还是观察和实验的现实结果,而不是躲在屋子里进行思维的理性结果。经院哲学的理性思维是那种没有经验基础的纯粹理性,而伽利略的理性思维则是建立在观察实验基础上的逻辑思考,其中逻辑被降低到辅助地位,仅有逻辑不足以扩展很多有用的知识。

总之,之所以认为伽利略奠定了近代实证科学的方法论基础,是因为伽利略综合性地运用了上述种

种带有逻辑实证主义特征的方法,树立了西方经典力学的科学研究传统,为后来牛顿力学的数百年研究暗暗地定下了研究的方向。伽利略开创性地以逻辑实证主义思想建立了一套独特的科学研究传统,取代了亚里士多德的理论框架,获得了成功,从而以经典力学为典范的近代科学思想成为西方文化中根深蒂固的重要要素。参考文献:

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