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第3章 让我们来谈谈力(3)

赫尔姆霍茨详细地分析了这条道路的过程:“当我们完全了解某一自然规律的时候,我们也一定会要求它毫无例外地起作用……这样,规律就作为一种客观的力量和我们相对立,因此,我们把它叫作力。例如,我们把光的折射定律客观化为透明的东西的一种折射力;把化学亲合定律客观化为各种不同的物质相互之间的亲合力。我们同样地说金属的电接触力、附着力、毛细作用力和其他许多力。在这些名称中把一些规律是客观化了,这些规律首先只包括一小串条件相当复杂的自然过程……力只是客观化了的作用的规律……我们所引进的力的抽象概念,只给这一点添加了下面的思想:我们没有任意虚构这种规律,它是现象的强制的规律。这样,我们需要把握自然现象去寻找自然现象的规律的要求,就采取了另外一种的表述形式,即我们不得不去探究作为现象的原因的各种力”。

因而,可以假定这样一个前提:原因与结果之间总是相关联的。作为原因之力,它总是物体的,并且是对于特定物体的。也就是说,作为原因的力,它的形式总是具体的,牛顿说:“外力只存在于作用的过程中,作用一旦过去,它就不复存在。一个物体能保持其新获得的运动状态,仅仅是由于它的惯性,但是外力的来源可以不同,例如由于碰撞、压挤或向心力等”。而作为效果的力,它的形式则是抽象的。并且,重要的是,牛顿通过他所建立的基本概念,对于这种抽象性作出了一种完美的描述。而这种描述形式对于所有的效果来说都是同一的。

就经验的对象而言,力的作用效果是使受力物体的运动状态发生变化和使受力物体的形状和体积发生变化。力的作用效果,前一方面是由牛顿的贡献,而后一方面是由虎克所作出的。这两种效果,可以是分离的,也可以是叠加的。而所谓的力的三要素,就是根据力的效果来确定的观念。

但是,由于在这样的效果中具有对于经验观察的感觉的描述的因素——这种效果是由对于直接经验的归纳所限定的。因而,对于这种效果的描述就与牛顿力学的逻辑并非一致,相对于牛顿力学对力的界定而言,这一根据经验的判定给予力的界定来得更为宽泛与粗糙。在牛顿力学中,力的作用对象总是一个抽象化的质点,因而,在牛顿力学的逻辑中,不存在力的作用点问题,牛顿的力总是作用在那个物体——即那一点上,并且,此力所产生的效果也仅仅与力的大小与方向有关,而且,由于空间的均匀性,一个力在平移的情况下,总可以在同样的物体上产生同样的加速度,所以,在逻辑上决定力的效果的仅仅只有两个要素:大小与方向。

而当谈到力的作用点的不同将会对作用物体产生不同的效果时,这个“物体”已经不能抽象化为质点了,此时,它是一个需要考虑体积与形状的物体。当我们考虑物体由于受力而形变时,这时的物体其实已经不是牛顿意义上的物体了。即在这时,此物体不是一个理想化的质点,而是由许多质点所组成的连续媒质了。例如,作为一个实际上的弹性体,物体形变的出现,必须存在组成物体的质点间的外力的梯度。因而,这已不是一个质点动力学的问题,而是刚体动力学、弹性力学,或说是质点组的动力学问题了。而质点组的动力学就不是一个力的作用效果的问题了。所以,当我们说力的作用效果可以是使物体产生形变时,这已经不是一个力的作用效果了,而是多个力的作用效果了,并且,这种效果也要同时考虑到物体内部各质点组之间的相互作用关系。因而,由在外力作用下的形变的原理所制成的弹簧秤虽然是一种用来测量力的方便仪器,但它的这种测量并不表示它是对于力的一种具有普遍意义的定义方式。

力的作用点并非内在于牛顿的力的概念之中,一个力,总是指两个物体,总是指两个物体之间的相互作用。所以,力的三要素带有经验之力的内涵,它不是严格地等同于牛顿意义上的逻辑之力的内涵,从而,过份地在物理教学中强调它,会使学生的思维滞留于经验的视域。虽然,在学生刚开始接触力的概念时,也许指出力的三个相关特点对于学生在感性上对于力的把握是有益的,但至少,在高中物理中应当避免与牛顿力学的内在逻辑相分离的对于力的三要素的提法。

因而,应当将牛顿意义上的力的作用效果仅仅归结为:是使物体的运动状态发生改变。因此,我们也具有了这样的论断:“只有依据牛顿第二定律,通过物体的加速行为确定的动力学标度,才是具有普遍意义的力的量度”。从这里,可以或多或少地看出牛顿与虎克何以产生分歧的原因。

有许多的学者都在抱怨,牛顿在其一生中,从未给出一个对于力的精确的定义。而事实上,科学就其本身而言,就是有限的、有条件的,或者说就是不精确的,它根本不可能是完善的、十全十美的。从而,作为一个科学概念的力,我们也仅仅只能在某种条件下、某个视角来对它进行理解。对此,牛顿讲得非常明白:“要认识特定物体的真实运动,并切实地把它与表象的运动区分开,确是一件极为困难的事,因为于其中发生运动的不动空间的那一部分,无法为我们的感官所感知,不过这件事也没有彻底绝望,我们还有若干论据作指导,其一来自表象运动,它与真实运动有所差异,其一来自力,它是真实运动的原因与后果”。

牛顿的力,总是与运动相关的。事实上,他不仅认为力与运动的变化快慢相关,而且他也力看成是区分绝对运动与相对运动的原因:“真实与相对运动之所以不同,原因在于施于物体上使之产生运动的力,真正的运动,除非某种力作用于运动物体之上,是既不会产生也不会改变的,但相对运动在没有力作用于物体之时也会产生或改变的,但相对运动在没有力作用于物体施加也会产生或改变。因为,只要对与前者作比较的其他物体施加以某种力就足够了,其他物体的后退,使它们先前的相对静止或运动的关系发生改变,再者,当有力施于运动物体上时,真实的运动总是发生某种变化,而这种力却未必能使相对运动作同样变化。因为如果把相同的力同样施加在用作比较的其他物体上,相对的位置有可能得以维持,进而维持相对运动所需条件:因此,相对运动改变时,真实运动却可能变化了。因此,这种关系决不包含真正的运动”。当然,现在的物理学家几乎对于这种区分都颇有微词了。

但是,撇开这一点,我们可以看到在这个力的界定中,牛顿的力概念已经跨越了物体之间的相互作用这一经验论的观点,而将力仅仅看成是事件之间的逻辑关系的代名词。也就是说,使质点在毗邻事件之间产生了跨越的是——力。诚然,在对这种事件之间的逻辑关系进行表达的可能性之中,隐含着相关事物之间的相互作用,人的思想在寻根的过程中不能绕过它。而什么是相互作用?我的回答是:痛苦——人对于痛苦的觉知。这就出现了一个问题:人的感觉是基本的,还是人对于这种感觉的描述方式才是基本的?显然,答案是前者。所以,费曼说:“力的最重要的特性之一是它有一种物质的来源,这就不仅是一个定义了”。确实,从物质的输运过程来看,力必定是通过某种特定的中介才产生的,而这些中介或任何东西,诚如莱布尼茨所说:“或许是某些非物质的实体,或某些精神性的射线,或某种无实体的偶性,或某种有意识的东西,或者其他不知道是什么的东西,应该是这种所谓的中介吗?看来作者头脑中还有一大堆诸如此类的东西,却没有充分加以解释”。

确实,在现代人看来,不仅是力的物质特性问题,就牛顿的力概念的整体而言,也是混乱不堪的。他不仅认为力是原因,是绝对运动与相对运动的原因,这种原因会产生加速度的后果,而且他以为,力本身就是后果:“任何一个旋转的物体只存在一种真实和旋转运动,它只对应于一种企图离开运动轴的力,这才是其独特而恰当的后果”。在他著作中所定义的力也令人眼花缭乱:“惯性力”、“运动力”、“加速力”、“绝对力”。而且,力不仅既是原因与效果,并且也是属性。况且,牛顿所着重地沉思过的性质力——惯性或惰性力的结论,在现在看来也是错误的。

但是,作为后辈,我们的工作也正是在这里,我们有责任区分,牛顿在何处是错的,而在何处又是对的。牛顿是博大的、精深的,但另一方面,他的思想又不是单纯,而是带有许多混乱的。他所构建的物理学大厦,从外面远看起来高耸而魁梧。但从这座大厦各个连接部件上来看,则是勉强而粗糙的。但物理学是发展的,他的后人进一步完善了它。而牛顿比他的前人与后人均要伟大的地方恰恰在于,他恰到好处地在科学研究中注意到了人的有限性,他将这个令人不安的对象的物质特性悬置起来。不拘泥于它!而致力于力与运动的普遍形式。正如在《原理》中那样,牛顿在此并没有坦率地告诉我们这些种类各异的“力”究竟是什么。众所周知,尽管他坚持认为这些“力”是非机械的、非物质的,甚至是物质外的精神“能量”,他还是让这个问题敞开着。

因此,即使发现了万有引力的形式的牛顿,也振振有辞地说:“物体的引力是其(原子)微粒所受引力的作用或总和,就像其质量是完全相同的微粒质量的总和一样。但引力既不是物体的,也不是微粒的‘基本属性’。事实上,它甚至不是偶性;它根本就不是它们的属性。它是某种外力依据固定法则作用在物体和微粒上面而产生的效果”。

牛顿说:“我在这里使用‘吸引’一词是广义的,是指物体所造成的相互靠近的倾向性,无论这种倾向性来自物体自身的作用,由于发射精气而相互靠近或推移,还是来自以太,或空气,或任意媒介,不管这媒介是有形的还是无形的,以任意方式促使处于其中的物体相互靠近。我使用‘冲力’一词同样是广义的,在本书中我并不想定义这些力的类别或者物理属性,而只想研究这些力的量与数学关系,正如我先前在定义中所看到的那样。在数学中,我们研究力的量以及它们在任意没定条件下的比例关系;而在物理学中,则要把这些关系与自然现象作比较,以便了解这些力在何种条件下对应吸引物体的类型。做完这些准备工作后,我们就更有把握去讨论力的物理类别、原因以及比例关系”。

在给本特利的第三封信中,牛顿这样说:“没有某种非物质的东西从中参预,那种全然无生命的物质竟能在不发生相互接触的情况下作用于共他物质、并且发生影响,这是不可想象的;而如果依照伊壁鸠鲁的看法,重力是物质的基本和固有性质的话,那就必然如此。这就是我为什么希望你不要把重力是内在的这种观点归之于我的理由之一。至于重力是物质内在的、固有的和根本的,因而一个物体可以穿过真空超距地作用于另一个物体,无须其他任何东两从中参预,以便把它们的作用和力从一个物体传递到另一个物体;这种说法对我来说,尤其荒谬,我相信凡在哲学方面有思考才能者绝不会陷入这种谬论之中。重力必定是由某种遵循特定规律的力量所产生的,但这个力究竟是物质的还是非物质的,我却留给读者自己去思考”。

所以,再次看到:“好的、经验的和实验的自然哲学并不从世界的结构和天空的内容中排除非物质或超物质的力量。它放弃探讨这些力的本性,而把它们看作是可观察结果的原因,以数学原因或力即数学概念或联系来对义进行处理,作为数学的自然哲学。相反,古希腊原子论者的先验哲学至少承认了虚空的存在,甚至承认重力的非机械特征;而笛卡尔的哲学却要排除这些力并无谓地试图用物质和运动来解释一切。至于牛顿本人,他深信这些非物质力以及在此意义上的超物质力是实在的,这种信念使他构想出关于物质存在的普通结构的图景,它极不寻常,并且真正是先知式的”。

因此,“自然界的作用使得物体的粒子通过强大的引力粘聚在一起。而实验哲学的任务就是要把它们找出来”。并且,“自然哲学的主要任务是不作虚构假说而是从现象来探讨问题,并从结果中推导出原因,直到我们找到第一原因为止,而这个原因肯定不是机械的”,“虽然这种哲学中的每个真正的步骤并不能直接使我们认识到第一原因,但却使我们更接近于它,所以每一个这样的步骤都应受到高度的评价”。在《论流体的重力与平衡》中,牛顿将力和惯性定义为:“力是运动与静止的因果规则。它或者是一种外在规则,用于产生、消灭或者以某种方式改变传递给物体的运动;或者是一种内在规则,以使业已存在的运动或静止能够在物体中维持下去,也使任何物体都能努力保持住自己的状态和反抗阻力……惯性是一个物体内在的力,以使其状态不会为外力所轻易改变”。

牛顿的原因之力,不仅有其历史继承的原因,也不仅是他的自然哲学的方法论的需要,而且也是牛顿思想的本体论需求。“尽管牛顿的科学被称作自然的数学哲学,从而明确放弃了对原因(物理的形而上学的)寻求,但从历史上看,它却是基于一种因果性的动力学概念之上,并且与有神论或自然神论的形而上学联系在一起”。牛顿的力是保证这个世界完满性的积极因素:“……大自然本身是很一致的,并且是很简单的,天体的巨大运动是由天体之间的万有引力相互平衡来完成的,并且这些天体微粒的几乎所有的微小运动,都是由作用于这些微粒之间的某些别的引力相斥力来完成的。惯性力是一种消极的原则,由于这个原则而各个物体得以保持运动或静止。它们所获得的运动和加于其上的力的大小成正比,它们所抗拒的运动则和它们所受到的阻力相当。如果仅有这样一个本原,世界上就永远不会有任何运动了。要使物体起动就得有某种别的本原;而物体现在已经在运动,就需要有某种别的本原使这个运动保持下去”。这样,牛顿虽然在他的力学理论中,不能推出上帝以及上帝对于这个世界的第一推动,但至少可以使人类对于这个世界所具有的生命力的继续具有充分的信心,而这一信心的来源就是上帝“精神”的作用。牛顿深信:“上帝是一个积极活动的现实的存在。他不仅给这个世界机器提供动力,而且还按照其自由制定的规律积极驱动着这个宇宙”。

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