SCIENCE書摘

改變有兩種

儘管亞里斯多德的物理學合乎常理,但現代科學進展往往起自「不合常理」的見解。

撰文/曼羅迪諾(Leonard Mlodinow)
翻譯/洪慧芳

SCIENCE書摘

改變有兩種

儘管亞里斯多德的物理學合乎常理,但現代科學進展往往起自「不合常理」的見解。

撰文/曼羅迪諾(Leonard Mlodinow)
翻譯/洪慧芳


我讀高中時,非常喜歡化學和物理課。父親看我對這兩門課那麼感興趣,有時會要求我解釋那些科學給他聽。我父親生於貧寒的猶太家庭,家人只能送他到當地的宗教學校就讀,他獲得的教育比較偏重猶太教的理論,而不是科學理論。由於他只讀到七年級,所以要對他解釋科學並不容易。

一開始,我說物理學主要在研究一件事:改變。我爸聽了以後,沉吟了一會兒,接著哼了一聲,告訴我:「你根本對改變一無所知,你年紀還小,從未經歷改變。」我反駁說,我當然經歷過改變,但他回了我一句猶太俗語,聽起來是在罵我駑鈍或白痴(端看你對猶太俗語的容忍度而定),接著他又說:「改變有兩種。」

我就像一般青少年一樣,不理會他的說法。我說,在物理學裡,改變沒有兩種,就只有一種。事實上,我們或許可以說,牛頓對當今物理學最大的貢獻,是他發明了一種統一的數學方法,可以用來說明所有的改變,無論是改變什麼性質。亞里斯多德的物理學源自雅典,比牛頓早了2000年,他的物理學是以比較直覺、並非基於數學的方式來理解世界,我覺得那是我父親比較容易理解的方式。所以,為了以更簡單的方式向我父親解釋,我開始閱讀亞里斯多德的「改變」概念。經過一番努力後,我才知道,儘管亞里斯多德是說希臘語,不懂半句猶太語,但他的基本理念正是:「改變有兩種。」

對我父親來說,第二種改變是指納粹入侵,他經歷的那種「非自然改變」。把改變分成「一般或自然改變」以及「非自然改變」,那種分法和亞里斯多德一樣:他認為我們在自然界中看到的轉變,都可分為自然改變或非自然改變。

在亞里斯多德的理論中,自然改變來自物體內部。換句話說,自然改變的起因是自然或物體固有的。以所謂的「運動」(位置的改變)為例,亞里斯多德認為一切都是由四個基本元素組合而成:土、氣、火、水,這四種元素原本就會流動。亞里斯多德主張,岩石滾向地面,雨水落入海洋,是因為土地與海洋是那些物質的自然歸宿。要讓岩石飛起來,需要外部介入,但岩石崩落時,是依循其固有的性質,進行「自然」的移動。

在現代物理學中,我們不需要解釋物體為什麼會靜止,或物體為什麼會以固定的速度和方向等速運動。同樣地,在亞里斯多德的物理學中,也沒必要解釋為什麼物體會自然移動:為什麼土和水組成的東西會降落,或者為什麼氣和火會上升。這種分析反映出我們在周遭世界看到的現象:氣泡在水中浮起,火焰似乎往上燃燒,巨大的物體從空中掉落,海洋覆蓋在土地之上,大氣飄在萬物之上。

對亞里斯多德來說,運動就只是多種自然過程之一,就像成長、腐爛、發酵一樣,那一切都是受到同樣的原理支配。他把各種自然改變(木頭的燃燒、人的老化、鳥的飛翔、橡實的掉落)都視為內在潛力的實現。在亞里斯多德的信念體系中,自然改變是驅動我們日常生活的力量。那是我們不會去注意的改變,我們已經習以為常了。


單人版維基百科


但有時候萬物的自然改變會受到干擾,當外力強加在那個移動或改變的過程上。石頭拋向空中、葡萄藤從土裡拔起、宰殺雞來當食物、你丟了工作,或是法西斯份子佔領大陸等就是這種情況。這種改變就是亞里斯多德所謂的「非自然」改變。

根據亞里斯多德的理論,在非自然改變中,物體改變或移動的方向違背了它的本質。亞里斯多德想理解這種改變的原因,所以為它取了一個術語:「力」(force)。

亞里斯多德的「非自然改變」原理,就像他的「自然改變」概念一樣,與自然界看到的現象相互呼應。例如,墜子會自己落下,但要讓它往其他方向移動,向上或往旁邊移動,則需要施力。

亞里斯多德的改變分析很了不起,因為即使他看到的環境現象和同年代的其他思想家一樣,但他懂得以前所未有的細膩方式,實地觀察人類生活及自然界的改變。他試圖找出各種不同改變的共通點,所以研究事故的起因、政治的動態、牛拖著重擔的移動、雞胚胎的成長、火山爆發、尼羅河三角洲的改變、陽光的性質、熱氣的上升、行星的移動、水份的蒸發、多胃動物的食物消化、東西熔化和燃燒的方式。他也會解剖各種動物,有時那些動物甚至腐敗了,即使有人抗議那股臭味,他也只是一笑置之。

亞里斯多德想為改變創造出一套系統化的理論,他稱之為物理學(physics),這也讓他和泰利斯的遺澤產生了關聯。他的物理學範圍很廣,包括生物和無生物、天上與地上的各種現象。他研究了多種改變的類別,如今那些改變各自發展成科學的不同學科,例如物理學、天文學、氣候學、生物學、胚胎學、社會學。事實上,亞里斯多德是多產的作家,更是名副其實的單人版維基百科。他的研究最為詳盡。古代記錄顯示,他總共推出170部學術著作,其中約有1/3保存至今,包括《氣象學》(Meteorology)、《形而上學》(Metaphysics)、《倫理學》(Ethics)、《政治學》(Politics)、《詩學》(Poetics)、《修辭學》(Rhetoric)、《論天體》(On the Heavens)、《論生滅》(On Generation and Corruption)、《論靈魂》(On the Soul)、《論記憶》(On Memory)、《論夢》(On Dreams)、《論睡眠與失眠》(On Sleep and Sleeplessness)、《論預言、長壽、年幼與年老》(On Prophesying, Longevity, Youth and Age)、《論動物的歷史與結構》(On the History and Parts of Animals)。

他以前的學生亞歷山大繼續征服亞洲之際,亞里斯多德則是回到雅典,建立「萊西姆學苑」(Lyceum)。在那裡,他沿著步道或在花園裡漫步時,會教導學生多年來他學到的東西。他是優秀的教師,也是卓越又多產的自然觀察家。不過,他研究知識的方式和如今所謂的科學大不相同。

哲學家羅素(Bertrand Russell)指出,亞里斯多德是「第一位寫作像教授的人……他是專業的老師,不是受到啟發的先知。」羅素說,亞里斯多德是「以常理稀釋的」柏拉圖。的確,亞里斯多德很重視那個特質,多數人都是如此,常理讓我們不會傻到回應奈及利亞寄來的詐騙電子郵件。不過,回顧亞里斯多德的思想,再比較如今我們所知的事物,有人可能會說,正因為亞里斯多德致力於研究一般見解,也是如今的科學研究和亞里斯多德學說的最大差異點,更是亞里斯多德物理學的一大缺點。因為即使常理不該忽視,有時我們真正需要的是「不合常理」的見解。

在科學中,為求進步,你常需要反抗史學家布斯汀(Daniel Boorstin)所謂的「常理的束縛」。例如,推動物體,會導致物體移動,接著移動的速度減緩,直到最後停止不動,這是常理。但是要領悟其根本的運動定律,必須像牛頓那樣,不能只看顯而易見的東西,還必須想像物體在毫無摩擦的世界裡如何移動。同樣地,想了解摩擦的機制,你不能只看實體世界的表象,你必須「看出」物體可能是由無形的原子組成,這就是留基伯(Leucippus)和德模克里特(Democritus)提出的概念,比亞里斯多德早了約100年,但亞里斯多德並不認同他們的主張。



支配與從屬


亞里斯多德也對一般意見、當時的體系和概念,展現了極大尊重。他寫道:「每個人相信的事物都是真的。」面對質疑者,他說:「推翻這個信念的人,幾乎找不到更可靠的信念。」有一個生動的例子可以說明亞里斯多德對常理的依賴,以及常理對其觀點的扭曲:他和當時多數人都接受奴役的概念,他還為「奴役」提出一套有點強詞奪理的論點,他說奴役是實體世界中固有的特色,他採用的論點讓人莫名聯想到他的物理學著作,他主張「世間萬物都是由組件構成,也會組成一個複合的整體……其中有『支配』與『從屬』之別。生物之中存在這種二元性,但不只生物有二元性,二元性是源自宇宙的構成。」他說,因為有那種二元性,有些人天生就是自由的,有些人則是奴隸。

現今的科學家和創新者往往被形容成怪咖,或是標新立異的怪人,我覺得那種刻板印象有些許道理。我認識一位物理學教授,他每天從學校餐廳免費供應的配料中挑選午餐,例如沙拉醬提供脂肪,番茄醬是他的蔬菜補給,蘇打餅乾是他的碳水化合物。另一位朋友喜歡吃冷盤,但討厭麵包,所以每次去餐廳,他都只點一盤臘腸,然後用刀叉進食,好像在吃牛排一樣。

對科學家或任何想要創新的人來說,抱持常理思維不是好事,但代價可能是被當成怪人。因為想要開創革命性突破,必須要有意願去反抗他人抱持的真理,並以可靠的新概念去取代舊概念。事實上,在科學史及人類普遍思維中,一味相信舊有及現有的概念,可說是最顯而易見的進步障礙。所以,如果我要招募一位創意人才,我會注意應徵者是否太相信常理,並把古怪特質列為加分選項,我也會確定我們的餐廳裡提供充足的免費配料。

亞里斯多德的研究方法,和後來的科學還有一項重要衝突:他是做定性研究,而不是做定量研究。如今的物理學,即使是簡單的高中物理,都是計量科學。研修基礎物理學的學生會學到,時速100公里的汽車每秒移動約27公尺;蘋果掉落時,加速度是9.8公尺/秒2;他們會以數學計算你一屁股坐上椅子時,椅子對你的脊椎所產生的瞬間反作用力可能大於450公斤重。亞里斯多德的物理學完全不是那樣,而且他還大聲抨擊有些哲學家試圖把哲學「變成數學」。

當然,在亞里斯多德那個年代,想把自然哲學轉變成計量科學,會因為古希臘的知識而受到阻礙。亞里斯多德沒有馬錶,沒有秒針,他甚至沒想過用精確的時間間隔來思考事件。此外,那個年代的代數和算術,跟泰利斯的年代相比,也沒有進步多少。那時連加號、減號、等號都還沒發明出來,也沒有數字系統或「時速幾公里」的概念。不過,13世紀以及後來的學者在計量物理學上的進步,也沒有用到多麼先進的工具和數學,可見工具和數學不是方程式、衡量、數字預測等科學的唯一阻礙。更重要的因素在於,亞里斯多德跟其他人一樣,對計量描述不感興趣。


受「目的」指引


即使在研究運動時,亞里斯多德的分析也只限於定性分析。例如,他對速度只有模糊的概念,「同樣的時間內,有些東西跑得比較遠」,這種說法讀起來好像幸運餅乾裡的籤文,但是在亞里斯多德的年代,大家覺得那樣的描述已經夠精確了。既然他對速度只有定性分析,就更不可能知道我們在中學裡學到的「加速度」。尤其古今差異那麼大,如果有人搭乘時光機回到古代,把牛頓的物理學文件拿給亞里斯多德看,那對他來說也只是天書罷了。他不僅無法了解牛頓所謂的「力」或「加速度」是什麼意思,而且也沒有興趣。

亞里斯多德進行深入的觀察時,真正讓他感興趣的是:運動和其他的改變似乎都會朝著某個目的發生。例如,他所了解的動作,不是一種應該衡量的東西,而是一種現象,其目的是可辨識的,例如馬拉動車子在路上行進,羊四處走動以尋找食物,老鼠奔跑以免遭到捕食,公兔與母兔交配以繁衍更多的兔子。

亞里斯多德認為宇宙是一個和諧運作又龐大的生態系統,各種目的隨處可見。例如,降雨是因為植物需要水份才會成長,植物成長才能供動物食用。葡萄籽長出葡萄藤,雞蛋孵出小雞,都是讓種子和雞蛋裡的潛力展現出來。打從遠古時代,人類就根據個人經驗來了解世界。所以,在古希臘時代,分析實體世界中各種事件的目的,遠比用畢達哥拉斯及其學生所發明的數學定律,去解釋那些事件還要自然。

這裡我們再次看到,在科學中,「問對問題」很重要。即使亞里斯多德接受畢達哥拉斯的概念,即使他相信自然是依循計量的定律,但他依然不會注意那個概念,因為他對定律的計量細節不感興趣。他比較在乎的問題是,為什麼物體會依循那些定律。什麼原因迫使琴弦或掉落的石頭以某種數字規律地運作?這才是亞里斯多德感興趣的問題。這就是他的理念和現今的科學研究最大的差異,他在意的是自然界裡的「目的」,而現今的科學並非如此。

亞里斯多德分析的特質──尋找目的,對後來的人類思維有極大影響。這讓他深受古往今來許多基督教哲學家的喜愛,但是那也阻礙了科學進步長達2000年,因為和指引現代研究的科學原則完全不符。兩顆撞球相碰時,牛頓率先提出的定律(那背後沒什麼宏大的目的)可用來判斷接下來會發生的狀況。

科學興起,最初源自人類想要了解世界及尋求意義的根本欲望,所以當初亞里斯多德為了尋找目的而研究的動機,如今依然引起許多人的共鳴。對想要了解天災或其他悲劇的人來說,「事出必有因」的概念也許可以帶給他們一些慰藉。相較之下,科學家堅持宇宙不受任何「目的」指引,可能讓那些人覺得科學很冷酷無情。

不過,這還有另一種看法,也是我很常從父親那邊聽來的一種見解。每次談到「目的」,我父親通常不會提起發生在他身上的事,而是提起他和我母親相識前,我母親經歷過的某件事。那時她才17歲,納粹佔領了她的家鄉。其中一名納粹不知道基於什麼原因,下令幾十名猶太人(包括我媽)排成整齊的隊伍,跪在雪地上。接著,那個人從每一排的排頭走到排尾,每走幾步就往其中一名俘虜的頭部開槍。如果這是上帝或自然的宏大計畫,我父親一點都不想跟那種上帝扯上關係。對我父親這樣的人來說,相信我們的人生無論有多悲慘或多成功,其實和恆星爆炸都是受制於同一套定律,而且這些事無論是好是壞,最終都是一種恩賜、一種奇蹟,都是源自那些支配世界的枯燥方程式。這樣想的話,對他們來說反而是一種解脫。

─ 本文摘錄自《科學大歷史》第五章〈理性〉。


【小檔案】
書名:科學大歷史
(The Upright Thinkers: The Human Journey from Living in Trees to Understanding the Cosmos)
作者:曼羅迪諾(Leonard Mlodinow)
譯者:洪慧芳
出版商:漫遊者文化(2017年7月)