關於兩門新科學的對話（復刻精裝版)

【前言】霍金
「如果說我看得比別人更遠，那是因為我站在巨人的肩上。」伊薩克•牛頓在一六七六年致羅伯特•胡克的一封信中這樣寫道。儘管牛頓在這裏指的是他在光學上的發現，而不是指他關於引力和運動定律的更重要的工作，但這句話仍然不失為一種適當的評論——科學乃至整個文明是累積前進的，它的每項進展都建立在已有的成果之上。這就是本書的主題，從尼古拉•哥白尼提出地球繞太陽轉的劃時代主張，到愛因斯坦關於質量與能量使時空彎曲的同樣革命性的理論，本書用原始文獻來追溯我們關於天的圖景的演化歷程。這是一段動人心魄的傳奇之旅，因為無論是哥白尼還是愛因斯坦，都使我們對自己在萬事萬物中的位置的理解發生了深刻的變化。我們置身於宇宙中心的那種特權地位已然逝去，永恆和確定性已如往事雲煙，絕對的空間和時間也已經被橡膠布所取代了。

難怪這兩種理論都遭到了強烈的反對：哥白尼的理論受到了教廷的干預，相對論受到了納粹的壓制。我們現在有這樣一種傾向，即把亞里斯多德和托勒密關於太陽繞地球這個中心旋轉的較早的世界圖景斥之為幼稚的想法。然而，我們不應對此冷嘲熱諷，這種模型決非頭腦簡單的產物。它不僅把亞里斯多德關於地球是一個圓球而非扁平盤子的推論包含在內，而且在實現其主要功能，即出於占星術的目的而預言天體在天空中的視位置方面也是相當準確的。事實上，在這方面，它足以同一五四三年哥白尼所提出的地球與行星都繞太陽旋轉的異端主張相媲美。

伽利略之所以會認為哥白尼的主張令人信服，並不是因為它與觀測到的行星位置更相符，而是因為它的簡潔和優美，與之相對的則是托勒密模型中複雜的本輪。在《關於兩門新科學的對話》中，薩耳維亞蒂和薩格利多這兩個角色都提出了有說服力的論證來支持哥白尼，然而第三個角色辛普里修卻依然有可能為亞里斯多德和托勒密辯護，他堅持認為，實際上是地球處於靜止，太陽繞地球旋轉。

直到克卜勒開展的工作，日心模型才變得更加精確起來，之後牛頓賦予了它運動定律，地心圖景這才最終徹底喪失了可信性。這是我們宇宙觀的巨大轉變：如果我們不在中心，我們的存在還能有什麼重要性嗎？上帝或自然律為什麼要在乎從太陽算起的第三塊岩石上（這正是哥白尼留給我們的地方）發生了什麼呢？現代的科學家在尋求一個人在其中沒有任何地位的宇宙的解釋方面勝過了哥白尼。儘管這種研究在尋找支配宇宙的客觀的、非人格的定律方面是成功的，但它並沒有（至少是目前）解釋宇宙為什麼是這個樣子，而不是與定律相一致的許多可能宇宙中的另一個。

有些科學家會說，這種失敗只是暫時的，當我們找到終極的統一理論時，它將唯一地決定宇宙的狀態、引力的強度、電子的質量和電荷等。然而，宇宙的許多特徵（比如我們是在第三塊岩石上，而不是第二塊或第四塊這一事實）似乎是任意和偶然的，而不是由一個主要方程式所規定的。許多人（包括我自己）都覺得，要從簡單定律推出這樣一個複雜而有結構的宇宙，需要借助於所謂的「人擇原理」，它使我們重新回到了中心位置，而自哥白尼時代以來，我們已經謙恭到不再作此宣稱了。人擇原理基於這樣一個不言自明的事實，那就是在我們已知的產生（智慧？）生命的先決條件當中，如果宇宙不包含恆星、行星以及穩定的化合物，我們就不會提出關於宇宙本性的問題。即使終極理論能夠唯一地預測宇宙的狀態和它所包含的東西，這一狀態處在使生命得以可能的一個小子集中也只是一個驚人的巧合罷了。

然而，本書中的最後一位思想家阿爾伯特•愛因斯坦的著作卻提出了一種新的可能性。愛因斯坦曾對量子理論的發展起過重要的作用，量子理論認為，一個系統並不像我們可能認為的那樣只有單一的歷史，而是每種可能的歷史都有一些可能 性。愛因斯坦還幾乎單槍匹馬地創立了廣義相對論，在這種理論中，空間與時間是彎曲的，並且是動力學的。這意味著它們受量子理論的支配，宇宙本身具有每一種可能的形狀和歷史。這些歷史中的大多數都將非常不適於生命的成長，但也有極少數會具備一切所需的條件。這極少數歷史相比其他是否只有很小的可能性，這是無關緊要的，因為在無生命的宇宙中，將不會有人去觀察它們。但至少存在著一種歷史是生命可以成長的，我們自己就是證據，儘管可能不是智慧的證據。牛頓說他是「站在巨人的肩上」，但正如本書所清楚闡明的，我們對事物的理解並非只是基於前人的著作而穩步前行的。有時，正像面對哥白尼和愛因斯坦那樣，我們不得不向著一個新的世界圖景做出理智上的跨越。也許牛頓本應這樣說，「我把巨人的肩用做了跳板。」

第一天

 
對話人：薩耳維亞蒂（簡稱「薩耳」）

薩格利多（簡稱「薩格」）

辛普里修（簡稱「辛普」）

薩耳：以木頭為例，我們可以看到它燃燒成火和光，但是我們卻看不到火和光重新結合起來而形成木頭；我們看到果實、花朵以及其他千萬種固體大部分解體為氣味，但是我們卻看不到這些散亂的原子聚集到一起而形成芳香的固體。但是，在感官欺騙了我們的地方，理智必然出來幫忙，因為它將使我們能夠理解在極其稀薄而輕微的物質凝縮中所涉及的運動，正如理解在固體的膨脹和分解中所涉及的運動一樣的清楚。此外，我們也要試著發現怎樣就能在可以發生脹縮的物體中造成膨脹和收縮，而並不引用真空，也不放棄物質的不可穿透性；但是這並不排除存在一些物質的可能性，那些物質並不具備這一類性質，從而並不會引起你們稱之為「不妥當」或「不可能」的那些後果。而且最後，辛普里修，為了照顧你的哲學，我曾經費了心力來找出關於膨脹和收縮可以怎樣發生的一種解釋，而並不要求我們承認物質的可穿透性，也不必引用真空，那些性質都是你所否認的和不喜歡的；假若你欣賞它們，我將不會如此起勁地反對你。現在，或是承認這些困難，或是接受我的觀點，或是提出些更好的觀點吧。

薩格：我在否認物質的可穿透性方面相當同意逍遙派哲學家們。至於真空，我很想聽到對亞里斯多德論證的一種全面的討論；在他的論證中，亞里斯多德反對了真空，我想聽聽你，薩耳維亞蒂，在答覆時有些什麼話要說。我請求你，辛普里修，請告訴我們那位哲學家的確切證明，而你，薩耳維亞蒂，請告訴我們你的答辯。

辛普：就我所能記憶的來說，亞里斯多德猛烈反對了一種古代觀點，即認為真空是運動的必要先決條件，即沒有真空就不可能發生運動。和這種觀點相反，亞里斯多德論證了，正如我們即將看到的那樣，恰恰是運動現象使得真空的概念成為站不住腳的了。他的方法是把論證分成兩部分。他首先假設重量不同的物體在同一種媒質中運動，然後又假設同一個物體在不同的媒質中運動。在第一種事例中，他假設重量不同的物體在同一種媒質中以不同的速率而運動，各速率之比等於它們的重量之比；例如，一個重量為另一物體重量之十倍的物體，將運動得像另一物體的十倍那樣快。在第二種事例中，他假設在不同媒質中運動的同一個物體的速率，反比於那些媒質的密度；例如，假如水的密度為空氣密度的十倍，則物體在空氣中的速率將是它在水中的速率的十倍。根據這第二條假設，他證明，既然真空的稀薄性和充以無論多稀薄的物質的媒質的稀薄性相差無限多倍，在某時在一個非真空中運動了一段距離的任何物體，都應該即時地通過一個真空；然而即時運動是不可能的，因此一個真空由運動而造成也是不可能的。

薩耳：你們看到，這種論證是ad hominem（有成見的），就是說，它是指向那些認為真空是運動之先決條件的人的。現在，如果我承認這種論證是結論性的，並且也同意運動不能在真空中發生，則被絕對地而並不涉及運動地考慮了的真空假設並不能因此而被推翻。但是，為了告訴你們古人的回答有可能是什麼樣的，也為了更好地理解亞里斯多德的論證到底有多可靠，我的看法是咱們可以否認他那兩條假設。關於第一條，我大大懷疑亞里斯多德曾否用實驗來驗證過一件事是不是真的；那就是，兩塊石頭，一塊的重量為另一塊的重量的十倍，如果讓它們在同一個時刻從一個高度落下，例如從100腕尺高處落下，它們的速率會如此地不同，以致當較重的石頭已經落地時另一塊石頭還下落得不超過10腕尺。

辛普：他的說法似乎他曾經做過實驗，因為他說：「我們看到較重的⋯⋯」喏，「看到」一詞表明他曾經做了實驗。

薩格：但是，辛普里修，做過實驗的我可以向你保證，一個重約一二百磅或更重一些的炮彈不會比一個重不到半磅的步槍子彈超前一手掌落地，如果它們兩個同時從200腕尺高處落下的話。

薩耳：但是甚至不必進一步做實驗，就能利用簡短而肯定的論證來證明，一個較重的物體並不會比一個較輕的物體運動得更快，如果它們是用相同的材料做成的，或者總而言之是亞里斯多德所談到的那種物體的話。但是，辛普里修，請告訴我，你是不是承認每一個下落的物體都得到一個由大自然確定的有限速率，而這是一個除非使用力（violenza）或阻力就不可能增大或減小的速度呢？

辛普：毫無疑問，當同一個物體在單獨一種媒質中運動時有一個由大自然決定的確定速度，而且這個速度除非加以動量（impeto）就不會增大，而且除非受到阻力的阻滯也不會減小。

薩耳：那麼，如果我們取兩個物體，它們的自然速度不相同，很顯然，當把這兩個物體結合在一起時，較快的那個物體就會部分地受到較慢物體的阻滯，而較慢的物體就會在一定程度上受到較快物體的促進。你同意不同意我這個見解呢？

辛普：你無疑是對的。

薩耳：如果這是對的，而且如果一塊大石頭以譬如一個速率8而運動，而一塊較小的石頭以一個速率4而運動，那麼，當它們被連接在一起時，體系就將以一個小於8的速率而運動；但是當兩塊石頭被綁在一起時，那就成為一塊比以前以速率8而運動的石頭更大的石頭。這個更重的物體就是以一個比較輕物體的速率更小的速率而運動的，這是一個和你的假設相反的效果。於是，你看，從你那個認為較重物體比較輕物體運動得更快的假設，我怎樣都能推斷較重物體運動得較慢。

辛普：我完全迷糊了。因為在我看來，當輕小的石頭被加在較大的石頭上時就增加了它的重量，而通過增加重量，我卻看不出怎麼不會增大它的速率，或者，起碼不會減小它的速率。

薩耳：在這裏，辛普里修，你又錯了，因為說較小的石頭增大較大石頭的重量是不對的。

辛普：真的，這我就完全不懂了。

薩耳：當我指出你正在它下面掙扎的那個錯誤時，你不會不懂的。請注意，必須分辨運動的重物體和靜止的同一物體。放在天平上的一塊大石頭，不僅在有另一塊石頭放在它上面時會獲得附加的重量，而且即使當放上一把麻絲時，它的重量也會增大6兩或10兩，就看你放上的麻絲多少而定。但是，如果你把麻絲綁在石頭上並讓它從某一高度處自由落下，你是相信那麻絲將向下壓那石頭而使它的運 加速呢，還是認為運動會被一個向上的分壓力所減慢呢？當一個人阻止他肩上的重物運動時，他永遠會感受到肩上的壓力；但是，如果他和重物同樣快地下落，那重物怎麼能壓他呢？難道你看不出來嗎？這就像你試圖用長矛刺一個人，而他正在用一個速率跑開一樣；如果他的速率和你追他的速率一樣甚至更大，你怎能刺得到他呢？因此你必須得出結論說，在自由的和自然的下落中，小石頭並不壓那大石頭，從而並不會像在靜止時那樣增加大石頭的重量。

辛普：但是，如果我們把較大的石頭放在較小的石頭上面，那又怎麼樣呢？

薩耳：小石頭的重量將會增大，如果較大的石頭運動得更快的話；但是我們已經得到結論說，當小石頭運動得較慢時，它就在一定程度上阻滯那較大石頭的速率，於是，作為比兩塊石頭中較大的一塊更重的物體，兩塊石頭的組合體就將運動得較慢，這是和你的假設相反的一個結論。因此我們推斷，大物體和小物體將以相同的速率而運動，如果它們的比重相同的話。

辛普：你的討論實在令人讚歎，但是我仍然覺得很難相信一個小彈丸會和一個大炮彈同樣快地下落。