胡翌霖 | “力学”的上位我们知道中世纪有七种“自由技艺”

作者胡翌霖 (清华大学助理教授)

责编许嘉芩刘愈

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我们回到这一讲开头提到的问题，所谓“力学”究竟是什么，它又是如何与物理学相合并的？

我们知道力学一词英文是“mechanics”，这个词里头没有力（force）的概念，它直译过来应该是“机械学”，这个词在希腊语里最初就是“机械”的意思，同时还有技巧、装置、诡计之类的意思。

我们之前讲过希腊的“自然哲学”，讲到希腊人发现出来的“自然”概念，自然物是自己成就自己的，自然正好与人工相对立，而机械、技巧、诡计等等，恰恰都是典型的“人工”。

所以希腊的“力学”恰好就是与自然哲学相对的一种学问，当时被归于亚里士多德名下的一部书《力学问题》就明确了力学的定位（《力学问题》在17世纪以前一直被认为是亚里士多德的作品，后来我们了解到它很有可能是亚里士多德学派之后的某人托名亚里士多德的伪作，但它仍然可以反映希腊人的力学概念）。

《力学问题》开宗明义：

“我们感到好奇，首先，有些现象的出现虽然合乎自然，但我们不知其原因；其次，有些现象是为了人的利益，通过技艺违反自然地产生的。自然的运作往往不合人的方便；因为她总是毫无偏离地遵循同一种做法，而人的方便却总是在变。因此，当我们不得不违反自然地做某件事情时，其难度给我们造成困惑，故而必须借助于技艺。我们把帮助我们对付这类困惑的那部分技艺称为力学技巧（mechane）。”

也就是说，力学处理的问题恰好与自然哲学（也就是物理学）相反，是关于人们如何违反自然的技艺。不过力学也并非与自然哲学完全无关，而是似乎在数学与自然哲学之间建立了某种对接关系。

希腊化时期的阿基米德和希罗（图1）都有丰富的力学研究，其实也就是机械学的研究。希罗把所有的机械归纳为五种“简单机械”（图2），分别是杠杆、轮轴、滑轮、楔子、螺旋，复杂的机械则是简单机械复合而成，比如齿轮由轮轴和楔子合成。希罗进一步把简单机械归结为两个同心圆的机制，并研究其数学原理。

▲图1 希罗设计的“蒸汽机”，利用蒸汽动力打开大门。

▲图2 一部1728的百科全书中描绘的各种机械，“简单机械”似乎比希罗的五种多了一些，但总体来说这门学科差不多，就是研究这些机械元件及其数学原理。

这些古代力学文本并没有在中世纪欧洲广泛流传，直到16世纪才被欧洲人重新发现。而在中世纪，“力学”这个概念也是有的。我们知道中世纪有七种“自由技艺”，是无功利的，提高灵魂修养的高贵学科，与之相对的就有所谓的“机械技艺”，那就是功利的、奴隶的、卑下的技艺。

12世纪的法国学者圣维克多的于格（约 1078－1141）列出七种“机械技艺”，分别是“纺织、军备、贸易、农学、狩猎、医学和舞台表演”。

虽然中世纪不像希腊人那样贬低实用技艺，这些机械技艺也被当作严肃的知识，但相比自由技艺来说，格调还是明显较低。

直到文艺复兴时期，可能是随着古代力学著作的重新发现，当然也可能与学者对工匠的态度有关，总之“力学”的地位提升了，它被称作“中间科学”或“混合数学”，是某种介于数学和自然哲学的领域。

伽利略认真研究过亚里士多德和阿基米德的力学，但他认为机械并不是像亚里士多德说的那样，“在智慧上胜过自然”，而是在模仿自然，杠杆和滑轮并不是某种反自然的诡计，反而是揭示了自然本身的巧妙之处。

在此时，力学仍然保留着机械学的基础含义，但其含义迅速得到延伸，最后在笛卡尔、波义耳等机械论哲学家那里，逐渐被等同于物理学本身。

法国哲学家伽桑狄（1592–1655）和笛卡尔（1596-1650）是机械论哲学的代表人物，他们试图用物质和运动来解释一切。

在机械论哲学那里，所谓运动就只是位移运动了，量变和质变只是表面现象，实质上还是物质微粒的机械运动造成的。机械论者区分了第一性的质和第二性的质，他们认为第一性的质是事物固有的，比如形状、广延（空间中的延展）、运动和不可入性，这些恰好就是机械物的属性；而第二性的质指的是诸如颜色、气味等，他们认为这些性质不是事物固有的，而是事物在人们的感官中诱发出来的，而其实质仍然是微粒的形状，比如尖锐的粒子更可能产生辣味。第二性的质是次要的，我们只需要研究事物的外形，就可以了解一切了。

总之，机械论哲学把整个宇宙看成一架机器，也就是说，只有外在性的东西，只需通过外形和相互的碰撞就可以把握宇宙的运转机制。从此机械学就变成了物理学，或者说物理学就变成机械学了。

▲《过时的智慧——科学通史十五讲》

【本文摘自《过时的智慧——科学通史十五讲》第十讲偷梁换柱：力学革命，上海教育出版社，2016年7月出版。】