微粒宇宙

17世纪早期，原子论经历了一场大规模的复苏。原子论与哥白尼主义牢固地融合，成为指导科学想象的“新哲学”的基本原则，一部分原因是它与哥白尼主义有着重要的一致性，还有一部分原因是已提出的宇宙论中只有它可以取代越来越不为人信服的经院世界观。邓恩悲叹宇宙由于“新哲学”而“随之被碾为原子”，这是这两股原本分离的思潮合流的早期征兆。到了1630年，大部分主导着物理科学研究的人们展示了这种融合的影响。他们相信地球是一颗运动的行星，并运用源自古代原子论的一套“微粒”假说来奋力应对这一哥白尼概念带来的问题。

使17世纪科学发生改变的“微粒论”常常违背古代原子论的假说，但它仍然是原子论。一些“新哲学家”相信终极粒子在原则上是可分的，但所有人都同意它们很少或是从未被实际分割过。也有一些人对虚空抱有怀疑，他们用以太流来填充整个空间，但这种以太流在多数场合下跟虚空一样中立、不活动。并且，最重要的是，所有人都同意各种粒子的运动、相互作用与结合是由上帝创世时加给这些微粒的定律支配的。对微粒论者来说，去发现这些定律是新科学纲领中的首要问题。其次则是应用这些定律来解释感觉经验的丰富流变。

法国哲学家勒内·笛卡尔（1596—1650）是第一位系统地将这一纲领应用到哥白尼宇宙问题上的人。他从追问单个微粒如何在虚空中运动入手。然后考虑这样的自由运动在与另一颗微粒碰撞之后如何改变。由于他相信微粒宇宙中所有变化都源于一连串时常被微粒间的碰撞打断的自由微粒运动，笛卡尔期望从前面那些问题的解答演绎出哥白尼宇宙的完整结构。尽管他的演绎全都是直觉的，而且大部分是错的，但他的想象力为他的理性所指出的宇宙论被证明是极为可信的。笛卡尔的观点的详细内容最先出现在他1644年出版的《哲学原理》（Principles of Philosophy）中，此后他的学说支配大部分科学近一个世纪。

笛卡尔对他第一个问题的回答极为成功。通过将中世纪冲力理论的新版本应用于原子论宇宙论的无限且中立的空间中的微粒，他得出了惯性定律的第一个明确表述。他说，在虚空中静止的微粒将保持静止，运动的微粒将以不变的速度沿直线继续运动，除非另一微粒使它转向。粒子速度的恒定是冲力理论（本书第四章倒数第二节讨论过）的直接推论，非常像伽利略曾提出的理论。但运动的直线性是新奇而又极有意义的，它代表了原子论为17世纪科学所提供的成果丰富的暗示。原子论者的无限虚空是没有中心的空间，并且（除了在17世纪早期就被抛弃的一些低劣的版本之外）也没有任何像“上”或“下”这样固有的方向。在这样的一个空间中，一个不受外来影响的物体只可能静止或一直向前运动。哥白尼、伽利略和其他早期哥白尼主义者从经院的冲力理论中借鉴来的自我维持的圆周运动是不可能的。在笛卡尔的工作之后，这类运动在哥白尼宇宙的构造中不再扮演重要的角色。

笛卡尔认识到，在自然界中，所有粒子或粒子团都在不断地改变速度和方向。笛卡尔说，这些改变必定是由来自其他物体的外在推力和拉力（见图46）引起的。因此，微粒的碰撞就是研究的第二个主题，笛卡尔对它的研究不太成功。他的七条碰撞定律中仅有一条被他的继承者所保留。尽管笛卡尔的碰撞定律被抛弃了，但他关于碰撞过程的概念却没有被抛弃。微粒论再次引入了一个新问题，这个问题在笛卡尔死后30年中得到了解决。从这个解答中不仅得到了动量守恒定律，还得到了（虽然不那么直接）力跟它产生的动量变化之间的概念关系。二者都是迈向牛顿宇宙的基本步骤。

图46　施加在一个惯性运动上的推动力的效果。在点A，物体m被施加了一个突然的向B的推力。如果没有其他的推力干预，该物体将沿直线由A向B匀速运动。如果当该物体到达B时又被施加了一个同样方向的推力，它将继续向C直线运动，但速度增加了。如果施以反方向的力，它可能会以减小了的速度继续向C运动，或者，如果第二个推力足够大，物体会从B后退，沿直线返回A点。最后，如果物体到达B点时被施以朝着D点的横向推力，它就会沿斜线BE开始新的惯性运动。沿BE的惯性运动可以设想为两个同时进行的惯性运动的合成，一个沿BC方向，由在A点的第一个推力产生，另一个沿BD方向，由在B点的第二个横向推力产生。

在他的运动和碰撞定律向哥白尼的宇宙结构发展的进程中，笛卡尔引入了一个概念，这个概念从17世纪以来严重地掩盖了他的科学和宇宙论的微粒论基础。他把宇宙充满了。但填充笛卡尔空间的物质在结构上到处都是粒子性的，为确定这种粒子性充实体的行为，笛卡尔不断地在想象中运用虚空。他首先用它来确定单个粒子的运动和碰撞的定律。然后，为了发现这些定律如何在一个充实体中起作用，他大概先设想粒子在一个虚空中游荡，它们的惯性运动被碰撞不时地打断；接着他逐渐把虚空挤出系统之外，让粒子越来越靠近，直到最终它们的运动和碰撞均融合成充实体中的一个单一过程。不幸的是，在充实体中必须同时考虑所有粒子的运动，而这是个极为复杂的问题，笛卡尔几乎没有尝试过解决它。相反，他满足于从他的微粒定律极富想象力地直接跳到最终解答，而不在任何一个绝对必要的中间步骤上停留。(https://www.daowen.com)

对笛卡尔来说，充实体中唯一的持久运动必定以环流的形式出现，这似乎是自明的。在这样的流中每个粒子都向前推动离它最近的粒子，最后，为了避免真空的出现，这个推力又回到第一个粒子，形成了近似环状的路径。这个过程填满了潜在的虚空后，然后又重新开始。因为对于笛卡尔，这种环流是唯一可能的持久运动，所以他相信无论创世的时候上帝给了微粒怎样的推动，它们最终都会在布满于空间中的一系列涡旋中循环。图47再现了这些涡旋中的一小部分，它来自笛卡尔一部早期著作中的一个图示。

笛卡尔的每一个涡旋都至少潜在地是一个太阳系，由惯性和碰撞的微粒定律生成，并服从这些定律。举例来说，微粒的碰撞刚好与惯性赋予涡旋中每一微粒的离心倾向相平衡。如果去掉所有其他的粒子，单个粒子就会沿着正常环形轨道的切线方向一直运动下去，从而脱离涡旋。它并没有这样只不过因为涡旋中在它外侧的微粒不断碰撞使它向着中心返回。同样的碰撞使构成行星的稳定微粒团以近似圆形的路径围绕涡旋中心运动。

图47　笛卡尔的涡旋宇宙论，翻印自他的《论光》（The World or a Treatise on Light）一书。点S、E、A和ε都是涡旋的中心。束缚在中心的微粒急速搅拌，使这些中心自己发光，因此它们表现得像恒星一样。不同的虚线圆环（不必是精确的圆）代表构成涡旋的永恒旋转的微粒流的路径。围绕涡旋中心S的那些点就是行星，涡旋的流动带动它们扫过其轨道。横穿图上部的C是一颗彗星，因为它所处区域的流动太慢，不足以把它限制在连续的环形轨道上，所以它经过一个涡旋移动到另一个涡旋。别的涡旋充满了图外的空间，每一个都至少是潜在地代表了笛卡尔的多世界的哥白尼宇宙中一个太阳系的位置。

每个涡旋中心不断的急速搅拌运动导致了一种以波的形式从中心向空间各处传播的连续震荡。根据笛卡尔的说法，这种震荡就是光，从作为涡旋中心的太阳或恒星不断涌出。显然，无限多个以恒星为中心的行星系统已经从微粒论前提推导出来了。而且笛卡尔的推导并不只止于这些天象。比如，他假定了一组辅助的小涡旋来解释月球运动、潮汐和抛射运动，每颗行星周围都环绕着一组这样的小涡旋。这些小涡旋中的微粒碰撞使月球保持圆周运动并驱使下落的石头落向地球。在笛卡尔的宇宙中，重量本身跟运动、光和所有其他的可感现象一样，最终都可以追溯到受原子运动规律和相互作用规律支配的微粒碰撞。

今天，我们可以非常轻易地在笛卡尔对涡旋宇宙论的讨论和从它导出的天文学、光学、化学、生理学、地质学及动力学中发现错误和不足。他的眼光是启发性的，视野是广阔的，但是投入到其中任一部分的批判性思想少得可以忽略。他的微粒碰撞定律只不过提供了无数范例中的一种。但在17世纪科学的发展中，笛卡尔体系的各部分远不如它的整体重要。以惠更斯为首的笛卡尔的优秀继承者们是从他的基本概念而不是从细节的展开中获取了灵感。他们可以改变他的碰撞定律、他对涡旋的描述以及他的光传播定律，事实上他们也确实这样做了。但他们并没有放弃他关于宇宙是受几条特定微粒定律支配的微粒机器的概念。半个世纪以来，这一概念引导了对自洽的哥白尼宇宙的寻找。这种适合于哥白尼宇宙的基本的结构性概念受到一种古代世界观极大的激发，而正是哥白尼主义本身促使这种世界观流行起来，这看来不是巧合。