笛卡尔物理学（三）

在这段话中，笛卡尔似乎否认了惯性力的存在，如果将惯性力设想为物质物体可以拥有的一种经院哲学性质；相反，物体“对运动漠不关心”。因此，即使是最轻微的重量也能推动整个地球。另一方面，他愿意承认一个普遍观察到的事实：较大的物体比较小的物体更难运动。因此，尽管笛卡尔认为“阻力”（或“自然的迟滞性”）的存在存在问题，就像重量等类似的属性一样，但他并没有完全将惯性降格为物质所谓次要属性（例如颜色、味道等，这些属性只存在于意识中）的现象学地位。将惯性力效应纳入科学论述的主要原因或许可以追溯到笛卡尔将运动归类为广延的内在特征或“模式”（参见第三节）。正如《物质原理》的结论部分所述：“我现在已经证明，[物质]物体中除了……某些大小、形状和运动的配置之外，什么也没有……”（Pr IV 200）。由于惯性力是运动的结果或副产品，是物体尺寸乘以速度的乘积，笛卡尔显然并不反对将这些现象纳入物质实体模式的讨论中。

然而，即使笛卡尔将力描述为物质相互作用的内在事实，力与物质之间关系的确切性质仍然相当模糊。具体来说，力是否是一种真正包含或存在于物体内部的属性？或者，它是速度和尺寸作用的某种衍生现象效应，因此并不存在于广延之中？根据前一种解释（艾伦·加贝 1980 年和马夏尔·盖鲁 1980 年所推崇），力至少在一种重要的意义上存在于物体中，作为“真实”的属性或模式，其存在引发了笛卡尔的自然定律。虽然笛卡尔的许多解释似乎都支持这种解读（例如，“静止的物体具有保持静止的力量”，Pr II 43），但丹尼尔·加伯（Daniel Garber）认为，这些观点与笛卡尔关于唯有广延性才构成物质本质的观点相悖。加伯认为，我们应该将笛卡尔力视为上帝在世界中维持的动力学规律的一种简写描述，而非某种物体内在的性质：“（笛卡尔碰撞定律的）讨论中所提到的力，可以简单地理解为上帝如何行动，从而导致物体表现出类似定律的行为；前进的力和抵抗的力，是上帝如何平衡一个物体状态与另一个物体状态的持久性的方式。”（加伯，1992a，298；更多方法另见哈特菲尔德，1979，德斯·切内，1996，以及曼查克，2009）。在与守恒定律相关的多处段落中，加伯的解释似乎获得了可信度。例如：“因此，上帝现在以他创造世界时所遵循的同一作用和同一规律维持着世界，运动也守恒；运动并不总是包含在物质的同一部分中，而是根据它们接触的方式从某些部分转移到其他部分。”（Pr II 42）然而，回过头来看，必须承认，笛卡尔对具有广延性的物质实体的分类，正如他所主张的，物体中除了“某些大小、形状和运动的配置”之外不存在任何其他东西，是如此开放和模棱两可，以至于很容易容纳上述两种解释。可以肯定的结论是：笛卡尔将与身体惯性状态相关的力设想为物质存在的基本事实，甚至可能是原始事实——这是一个宽泛的判断，它拒绝站队，从而回避了这场艰难的本体论争论。

7. 笛卡尔宇宙学与天体物理学

笛卡尔的行星运动涡旋理论最初被证明是笛卡尔物理学最具影响力的方面之一，至少在大约18世纪中叶之前是如此。对笛卡尔来说，涡旋是由物质粒子组成的一大圈环绕带。本质上，笛卡尔的涡旋理论试图通过将天体现象（通常是静止的）置于这些巨大的环绕带中来解释它们，尤其是行星的轨道或彗星的运动。因此，整个笛卡尔整体是由一系列相互独立、相互关联的涡旋组成的网络。例如，在我们的太阳系中，涡旋内的物质形成了一组分层的带状结构，每条带中都有一颗行星，它们以不同的速度绕太阳运行。构成涡旋带的微小物质粒子要么是原子大小的球状物（二次物质），要么是较大元素撞击和破碎后留下的“无限”小的碎片（一次物质）；相比之下，三次物质则由大的宏观物质元素组成（Pr III 48–54）。物质的这种三部分划分以及自然界的三大定律，构成了笛卡尔体系中所有宇宙现象，包括引力。如 Pr III 140 所述，当行星或彗星径向向外逃离旋转中心的趋势（即离心力（参见第 6 节）与组成涡环的微小元素的相同趋势相平衡。如果行星的离心趋势比特定涡旋中的小元素更大或更小，那么它将分别上升到下一个最高的涡旋（并可能与该带中的粒子达到平衡）或被推到下一个最低的涡旋——后一种情况最终提供了笛卡尔对引力或“重量”现象的解释。更具体地说，笛卡尔认为，围绕地球的微小粒子以同样的方式解释了地球引力（Pr IV 21-27）。至于涡旋系统的产生，笛卡尔推断，赋予气室的运动守恒量最终导致了目前的涡旋结构（Pr III 46）。上帝首先将充盈空间分割成大小相等的部分，然后将这些物体置于不同的圆周运动中，最终形成了物质的三要素和涡旋系统（见图3）。

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图3. 《原理》中的充盈空间涡旋，Pr III 53。

除了本体论上只要求惯性运动及其伴随的力效应的经济性之外，笛卡尔选择圆周运动的粒子带，可能还出于对“充盈空间拥挤”（由于缺乏更贴切的术语）的担忧。在《原理》中，他论证道：“已经证明……所有空间都充满了物体……由此可见，除非在一个完整的物质圆环或所有物体同时运动的圆环中，否则任何物体都无法运动。”（Pr II 33）因此，圆周运动对笛卡尔来说是必要的，因为没有空隙供运动物体占据。尽管世界被描述为“无限”大（Pr I 26-27，只有上帝获得了更积极的描述，即无限），但单个物体的非圆周运动可能导致不确定的物质位移，从而违反笛卡尔守恒定律。顺便说一句，将笛卡尔的碰撞规则与他所有物体运动都沿圆周路径进行的主张相协调极其困难；此外，由于构成圆周路径的物体都是同时运动的，因此根据“物体”的定义（参见第三节），似乎可以得出只有一个运动物体（而不是多个）。

回到涡旋理论，笛卡尔用《原理》的相当一部分来解释各种天体现象，同时采纳和调整了许多子假设，将他的整体力学体系应用于具体的天体事件。这些解释中最著名的一个是笛卡尔的涡旋坍缩理论，该理论也为彗星的起源提供了假说（Pr III 115–120）。简而言之，笛卡尔认为，大量的第一元素物质不断在相邻的涡旋之间流动：当物质从一个涡旋的赤道流出时，它会进入相邻涡旋的两极。在正常情况下，原生物质会从涡旋的两极流入其中心，即太阳，而太阳本身就是由原生物质构成的。由于离心力的作用，这些粒子在向赤道前进时会挤压周围的次级球状体（Pr III 120–121）；原生元素和次级元素（对人的视神经）施加的压力也是光的产生原因（Pr III 55–64，IV 195）。由于相邻的涡旋也具有相同的膨胀趋势，膨胀力的平衡阻止了邻近涡旋的侵蚀。然而，有时，太阳表面会积聚一些较大的元素，即太阳黑子，它们可能会合力阻止来自两极的第一元素物质流入。如果太阳黑子最终覆盖整个太阳表面，涡旋中剩余的原始物质将在赤道处被排出，从而不再具有向外的压力源来阻止邻近涡旋的侵蚀。一旦涡旋被不断膨胀的邻近涡旋吞没，被包裹的太阳要么变成新涡旋中的行星，要么最终变成一颗穿过众多涡旋的彗星。

总体而言，涡旋理论为自然哲学家提供了一个高度直观的天体现象模型，并且与机械哲学相兼容。该理论被认为优于牛顿的万有引力理论，因为它没有假设某种神秘莫测的性质（引力）是行星轨道或地球物体自由落体的原因。涡旋理论同样为所有行星轨道的共同方向提供了一个内在的解释。此外，涡旋理论使笛卡尔能够认可某种形式的哥白尼主义（即以太阳为中心的世界），而不会违反教会的审查制度。由于所谓的地球运动是教会对伽利略科学的主要反对意见之一，笛卡尔希望通过将地球静止在围绕太阳旋转的涡旋带中来避免这一反对意见，这样地球相对于涡旋带中相邻物质粒子的容纳表面的位置就不会发生变化（Pr III 24–31；以及第 3 节）。通过这一巧妙的策略，笛卡尔可以声称地球不动——根据他对位置和运动的定义——同时又坚持哥白尼的地球绕太阳公转假说。“严格来说，地球不动，其他行星也不动；尽管它们被天空带动着”（Pr III 28）。然而，从长远来看，笛卡尔的涡旋理论失败了，原因有二：首先，笛卡尔及其追随者从未发展出一套系统的涡旋理论数学处理方法，使其准确性和预测范围能够与（不断改进的）牛顿理论相媲美；其次，笛卡尔的自然哲学家们曾多次尝试检验笛卡尔关于圆周运动粒子动力学的各种思想（例如，使用装满小粒子的大型旋转桶），但这些尝试并未符合《自然哲学原理》中提出的预测（参见Aiton 1972）。