世界觀:現代年輕人必懂的科學哲學和科學史(中)

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世界觀:現代年輕人必懂的科學哲學和科學史Worldviews:An Introduction to the History and Philosophy of Science

第二部份:從亞里斯多德的世界觀到牛頓世界觀的轉變

Richard DeWitt  2015 夏日出版

分類:論說--理論 

★★★★★★★★★★

 

摘要:

亞里斯多德世界觀

亞里斯多德世界觀:西元前300年到西元1600年間(望遠鏡發明之前),此世界觀根植於亞里斯多德的信念體系(儘管和他本人觀點不完全一致),核心信念為目的論和本質主義。

目的論是適當的科學解釋:宇宙是有目的的。目的論是亞里斯多德世界觀的重要信念,是指解釋事實時帶有需要滿足的目標、目的和功能,例如為什麼蘋果樹有蘋果,答案是為了散布種子。與之相反的是當代科學的機械論,例如以適者生存繁殖來解釋有蘋果的果樹占有數量的優勢,當中沒有任何目的或目標。

本質主義:所有自然物體擁有特定的本質,該本質有某種天然的能力和趨向(也就是目的),例如石塊是土元素,土元素有朝宇宙中心運動的本性,所以向下落。科學的工作就是找出物體的本質和目的。


地球是宇宙的中心,靜止不動:是前人思考過當時的證據而得的,在還沒有牛頓力學的狀況下,認為地球在快速轉動但人完全沒感覺,以及某個外力能讓地球持續轉動,是不符合日常經驗和常識的。且根據亞里斯多德世界觀,重物有朝宇宙中心移動的趨向,因此地球的中心就是宇宙中心也很合理。

地球是球體:各地觀察太陽月球的起落時間不同,且南方看不到北方的星星。

宇宙的大小:遠比真正的宇宙小。宇宙的邊緣是恆星球面,且這個球面24小時轉一圈,解釋了星星24小時以圓周繞地球旋轉的觀測事實。

星球以等速作正圓形運動:1600年以前的運動原理並非動者恆動,而是認為一個運動的物體必須有一個外力維持其運動。所以天體也應該要有個令它們運動的源頭,亞里斯多德的解釋是天空是趨於如神祇般完美的運行,因此做等速正圓形這樣完美的運動,並且是由一種特別輕的「以太」所構成(不同於土元素)。

 

托勒密系統

西元150年發表的《天文學大成》是第一個在遵守地心說和正圓運動等概念下,能夠為天文事件提供準確預測的精確理論。他利用調整本輪和均輪構造的大小、速度和運動方向,產生靈活且廣泛的運動路徑來解釋行星的軌跡,甚至也可預測逆行運動。

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哥白尼系統

哥白尼(1473~1543)系統於16世紀發展,和托勒密系統相似之處很多(宇宙最外層是恆星球面、本輪和均輪),最大的差異在太陽和地球的位置。太陽是整個宇宙中的中心。哥白尼時代的經驗資料依然基於肉眼觀察,和托勒密相似,而且不但和托勒密系統一樣複雜,在預測和解釋上也沒有比較好。

還是有夠複雜XD

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托勒密和哥白尼系統的比較:都能提供近乎事實的預測。複雜度不相上下。但哥白尼系統對行星逆行運動和相對亮度的解釋較自然。依工具主義來說兩者差不多,但以當時的證據和觀念來看(實在主義)托勒密的地心說更為合理而占優勢。

哥白尼的堅持:為什麼哥白尼願意花數十年發展一個在當下看來不太可能正確的學說呢?不是因為經驗資料不符,反而是哥白尼過於執著於托勒密系統無法完美解釋的等速運動,促使他發展出一套新的系統。在科學史中對於哲學性/概念性的堅持使科學家發展新的理論,並非不尋常的事

當代背景:天主教會依經文解讀讚成地心說,但並不反對哥白尼系統,而是以工具主義的角度視之。肉眼觀測的證據支持的也是地心說。

 

克卜勒系統

克卜勒(1571~1630)原本花了很多時間調整哥白尼系統,但最後發現奠基在正圓等速運動上的系統都無法符合當下更詳盡的火星觀測資料,於是決定思考不同式的天體運動。於是克卜勒發現橢圓形軌道,並且在不同位置以不同速度運動,就可以完美符合火星的觀測資料。但克卜勒不只是單純地受到經驗事實推動,他確信上帝一個建造宇宙的完美藍圖,為了讀取上帝的心智,他致力於尋找簡潔完美的理論來解釋宇宙的規律性。

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克卜勒行星運動第一定律:行星以橢圓形軌道繞行太陽,太陽位在兩個焦點的其中一個上。

克卜勒行星運動第二定律:一道從行星畫到太陽的線,同樣時間內會掃過同樣的範圍,也就是行星在軌道上以不同的速度運行,離太陽近時速度比較快。

當代背景:克卜勒發表系統(1609年)後隔年伽利略發表了他的新發現,得到更廣泛的注目,且之後天主教會正式反對日心說,克卜勒的發表成為禁書,失去了許多公開討論的機會。在克卜勒晚年(1627年)根據他的理論製作了天文表,遠遠比現有其他理論的天文表來得優異。

 

伽利略和來自望遠鏡的證據

望遠鏡在西元1600年左右發明,伽利略(1564~1642)是第一個將望遠鏡用在天文觀測的人。本書作者強調即使有了望遠鏡,甚至到了現在的科技,也沒有「直接證據」可以判定日心說還是地心說是正確的(就算使用天文望遠鏡拍攝,也只能拍到太陽和行星與地球間的相對位置和移動)。

望遠鏡的證據:

  • 月球表面有山和隕石坑,看似和地球一樣是個巨大的岩石,不符合亞里斯多德的「以太」物質,雖然不屬於核心信念,但和地球構造相似的月球若能持續繞地球運動,便給了地球繞太陽運動的可能。
  • 觀測到土星環,代表天體並非正球體。
  • 觀測到繞行木星的四個小衛星,代表地球並非宇宙運轉的中心。
  • 發現更多肉眼不可見的恆星,代表宇宙比原本預測的大上許多。
  • 金星的相位變化,不只有一套完整週期的變化,並且不同相位還有不同的大小。此相位變化不符合托勒密系統的預測(不會有滿的金星),而日心說能解釋金星的相位形狀和大小變化(滿盈時最遠最小;新月狀時離地球最近最大),但當時另一個第谷系統(太陽繞地球轉而行星繞著太陽轉)也能預測出正確的相位。因此金星相位雖然為托勒密系統提供否證證據,但沒有解決地心和日心的問題,如書中第一部分提到,新的證據或關鍵實驗的結果往往能符合多個互相競爭的理論


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當代背景:伽利略的發現大幅改變了宇宙結構的信念,也讓他以實在主義開始思考日心說。當時教會仍然以經文當作重要證據(伽利略則認為經文在某些問題上不完全正確),而拒絕日心說的真實性。但隨著資料慢慢累積,在17世紀中期,日心說以及等速正圓運動這個哲學性/概念性事實,不再被認定為事實。

 

亞里斯多德世界觀的難題

地心說的退位,也意味著亞里斯多德科學的退位,當中的核心信念如本質主義、目的論以及和其緊密融合的基督教宗教觀(人類為世界中心),都同時受到新的觀測證據的挑戰。因為地球中心運動不再成立,甚至連岩石為何掉落都無法解釋,需要新的世界觀。此外17世紀的哲學/概念改變,影響了科學發現,反之亦然。

 

新科學與牛頓世界觀

牛頓並非有意識地回應上述的問題或刻意去填補亞里斯多德世界觀的空缺,亞里斯多德世界觀也不是一夕之間就崩塌,這都是一個交織各種複雜因素推動的歷史過程

 

牛頓於1687年發表《自然哲學的數學原理》,呈現了一套符合地球運動的新的物理學。

第一運動定律:除非有外力作用,否則動者恆動、靜者恆靜。17世紀中期笛卡兒就正確的描述了慣性的本質。

第二運動定律:物體運動的改變和物體的受力成正比,而且和力的方向成一直線。F=ma。

第三運動定律:任何動作都會有方向相反,大小相等的反作用力。

萬有引力:兩物體間互相吸引的力量,和質量成正比而和距離平方成反比。然而若非我們從小被教育重力的概念,重力看起來是某種遠距離的神秘力量,讓人很難用實在主義看待它。爾後愛因斯坦的相對論將提供重力一個不牽涉遠距作用的理由,但這理由也和我們從小接受的牛頓世界觀有很大的不同。


牛頓世界觀中,物體不在因為內在本質而行動,而是受到外力所支配,宇宙中的運作像是機器一樣,是各個物體相互作用的力所導致的結果。新的科學也帶來新的哲學/概念思想,宇宙不再需要上帝的干涉,而是祂有如鐘錶匠設計並打造了宇宙,並使宇宙獨立運行。原本人在社會秩序中也有其自然位置(君權神授),近代政治的革新也開始強調個人的權利。

 

何謂科學定律

科學從17世紀以來開始偏好法則和定律,科學定律通常被認定為「盡似地反應這些自然定律的原理」,而自然定律是指使宇宙如此運行的基本特質。

一般認為的科學定律普遍特質:

  • 至少在理想狀態下是個無例外的規律:但我們如何區分不能構成科學定律得無例外規則呢(例如所有的英文句子內含的詞數都在一百萬個以內)?通常可以使用反事實假設(例如如果有一個最長英文句的比賽,那上述的規律性就不成立,無法當作科學定律),科學定律通常能抵抗反事實情況,在各種改變的情況下都傾向保持正確。但反事實最大的問題在於形成反事實的假設依賴人類思考的脈絡,便破壞了科學定律的客觀性。
  • 反映了世界的客觀(人類不存在時也會存在的東西)特質:科學定律在實際運作上必須要排除很多因素和條件,這也取決於人類的判斷。

 

1700年至1900年間牛頓世界觀的發展

這些年間,世界觀的核心信念維持穩固,各個科學分支都在牛頓框架下蓬勃發展。

化學:由質性科學(質的變化,如煉金)改變為量化科學(拉瓦節以天平為主要工具的實驗,和道爾頓的原子理論),最終能用數學方式呈現。

生物學:以物理和化學知識解釋,生物學漸漸失去特殊的「有機」與「生命」特質。演化論。

電磁理論:循著牛頓的方式(數學、量化)發現了電磁力和重力一樣和距離平方成反比。法拉第發現磁場產生電流。馬克士威統一了光電磁現象。


否證證據的出現:邁克生─莫雷實驗(為了證實光波傳遞的介質是以太,但發現不論如何光速都是一樣的,不符合牛頓的機械式光傳遞)和黑體輻射的紫外災難(與牛頓觀點預測的結果不同)。原本只被認為是光明科學發展天空的兩片小烏雲卻成為暴風雨,發展出了相對論和量子力學。

 

短評:

這一部分描述了我們從小受到的科學教育是如何演進而來,作者一再以第一部分提到的科學哲學來驗證科學史的發展並非我們想像的那麼容易和直接。接下來最後一個部份將如同牛頓挑戰亞里斯多德一般,以近代科學的最新發展挑戰我們現在所認定的「事實」。

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看完如何閱讀一本書之後,決定開始將每本書整理起來,成立這個部落格強迫自己練習維持寫作的習慣
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