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最近更新:2020-03-31
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【人物集锦】 莱布尼茨、牛顿与发明时间:有关现代时间的思考

作者:[德]托马斯·德·帕多瓦(Thomas de Padova)盛世同 来源:《莱布尼茨、牛顿与发明时间》
发布于 2020-03-16
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在瑞士的时候,我偶尔会前往离家不远的玫瑰园,眺望对岸的伯尔尼旧城。300年来,除去几座高楼和桥梁,这里的景观基本没有变化:太阳照耀着雪山,划过天际;阿勒河流经深谷,清澈见底;半岛上灰墙红瓦,鳞次栉比。有时,钟声从四面八方涌来,它们此起彼伏,充盈山谷,欲打破天地的沉寂——殊不知,1905年,就在这片钟声里,有一位青年公务员架起提琴,演奏出震惊世界的时空序曲。

太阳、流水、钟声都是时间的象征,那么,我们所说的“时间”到底是什么?它是实在的,还是虚幻的?物质的,还是精神的?绝对的,还是相对的?有限的,还是无限的?换言之,我们的时间观念是如何形成的,以及,我们能否认识时间的本质?

人类对时间的认识来源于对自然的观察。一方面,天体运动造就了昼夜、月相和季节等有着近似固定的周期,生物体在进化过程中也形成了与之和谐的节律。为了使这些周期相互匹配,把握农业、祭祀、军事等社会活动的“时机”——“时”的本义就是“时机”(“敬授民时”),古人设置复杂的历法规则,创造了以年、月、日(以及后来无关天象的时、分、秒)为标度的时间体系。当这些标度被数学化后,自然的时间就成为测度的时间。因此,亚里士多德认为“时间是运动的数目”。

另一方面,能够感知“自我”和“现在”的生命,都难逃生老病死的命运。古人先验地意识到自己“向死而生”,联想到现在进入过去,未来进入现在,人死不能复生,覆水不能再收——“时间之矢”仿佛是一条线性、均匀、“逝者如斯”的河流。

上述两种经验——标度/测度时间经验和时间之流经验[1]——奠定了数学化、空间化的时间观的基础。它们对应不同的世界观和历史观,启发了人类对时间本质的思考。古印度和古希腊人觉得时间是循环的:毕达哥拉斯学派认为时间就是恒星天球,柏拉图将时间视为天球的永恒转动;犹太教和基督教则基于上帝和创世的观念,主张有始有终的线性时间。到了中世纪后期,线性时间观已经深入欧洲社会,尽管循环时间观在民间依然盛行。

14世纪,使用擒纵机制、以重力为动力的原始机械钟出现在西欧的教堂和钟楼,成为最早不间断运行的计时工具。重力钟起初只是报时钟,后来才增加了时针和分针。但是,它的走时极不准确,每天的误差多达十几分钟,与日晷、沙漏和刻漏相比并无突出优势。

直到1583年,伽利略发现了摆的等时性——摆的周期与摆长的平方根成正比。利用该原理,惠更斯于1657年制作了摆钟,又于1675年发明了摆轮游丝。这不仅使机械钟的误差减少至每天1分钟以内,也为便携式钟表的诞生铺平了道路。

新式钟表结合了两种时间观念:指针的运动既模拟循环,也呈现流逝,时间单位从一刻钟精确到分,然后到秒。此后数十年间,它开启了一场影响深远的时间革命:钟表时间进入城市生活的每一个角落,激发了科学的火花,改变了社会的面貌,重构了人与时间的关系,推动了关于时间本质的思考。德国科普作家和科学史家托马斯·德·帕多瓦认为,这是现代时间及其观念被“发明”的年代,甚至是“近现代/新时代”的开端。他以2位著名见证者和参与者——牛顿(1643~1727)和莱布尼茨(1646~1716)——的生平为线索,讲述了人类科技史、社会史和观念史上的一个精彩篇章。

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牛顿、莱布尼茨以及两人之间的恩怨纠葛早已老生常谈。不过,莱布尼茨为后世留下了多达20万张草稿和1.5万封信的庞大遗产,其整理和分析工作至今仍在进行。德·帕多瓦根据最新研究成果,运用多线叙事手法,将两人的经历与重大历史事件相交织,让读者跟随300多年前西欧社会的动荡、变革与发展,逐渐走近2位令我们感到熟悉而又陌生的主人公。

不难发现,牛顿和莱布尼茨有不少共同点:他们都出身平民,父亲很早去世,牛顿甚至是遗腹子,但家境都还算殷实;两人都是超越时代的天才和百科全书式的通才,年纪轻轻就在学界崭露头角;他们都怀着建立统一、自洽的世界知识体系的雄心,并矢志不渝;两人都过着孤独、勤奋而严格的生活,终身未婚,也没有子女。

他们的差异同样明显:牛顿生长在农村,他首先通过观察自然来认识世界,而莱布尼茨成长于大学,书本是其学问的主要来源——这将为双方不同的哲学主张埋下伏笔;牛顿的生活洋溢着古典主义的节制和简朴,莱布尼茨则多了一丝巴洛克式的张扬与浮夸;牛顿性格孤僻,其专断、粗暴、刻薄的行事风格让人难以接受,而莱布尼茨不惧怕社交,说起话来更是滔滔不绝;牛顿长期担任数学教授,对一官半职兴趣不大,莱布尼茨则汲汲于公共事务,对政治问题有着宏大而独到的见解。

令人意外的是,无论在学界还是仕途,牛顿都更加符合“成功”的标准。他不但提出了革命性的力学和光学理论,成为近代自然科学的集大成者,而且做事严谨周全,为英国皇家铸币厂的整合立下了汗马功劳,被封为低阶贵族;莱布尼茨则有些三心二意,虽辗转于美因茨、巴黎、汉诺威、维也纳和柏林,却未能实现自己的政治抱负。相应的,两人迎来了迥异的结局——一位享受国葬待遇,备极荣哀,另一位去世后却无人问津。

究其客观原因,我们在新式钟表的普及过程中可见一斑:英格兰历经波折完成了资产阶级革命,确立了君主立宪制,工商业蓬勃发展——伦敦成为领先的钟表业中心(直到100年后被瑞士的日内瓦和汝拉山区取代),平民获得了更多的上升机会;反观德意志,它惨遭三十年战争的蹂躏,政治支离破碎,各邦固步自封,工商业明显衰落。当牛顿能够长期与各界精英为伍并“站在巨人的肩膀上”时,莱布尼茨只能依靠通信与各国学者保持联络,他的进步思想也不为贵族阶层所重视。

两个未能殊途同归的伟大灵魂从未谋面。牛顿一生没有离开过英伦,莱布尼茨虽两次到访伦敦,却与前者擦肩而过。两人的接触仅限于几番学术通信。没想到,这也埋下了误会的种子。结果,牛顿和莱布尼茨之所以被后世相提并论,竟然是因为一桩著名的公案。

牛顿早在1665年就发明了流数术,却由于谦虚或固执而没有将成果公之于众——他宁愿在与莱布尼茨的通信中“捉迷藏”。10年后,莱布尼茨率先发表了更加简洁实用的微积分体系。后人研究表明,虽然莱布尼茨可能对牛顿的思想片段略知一二,但他的发明足以被视为独立完成。

然而,这无法阻止优先权之争演变成一场国际闹剧:它的起因并非2名当事人的冲突,而是牛顿支持者们煽风点火;争吵发生后,皇家学会会长牛顿躲在幕后,指使学会针对莱布尼茨开展调查,却没有给后者辩解的机会;深感委屈的莱布尼茨不愿妥协退让,甚至引导舆论发动反击。英伦和欧陆学者分成两个阵营,双方从学术讨论滑向人身攻击,最终也未能达成和解。

从历史上看,这场风波只是不列颠与欧陆之间绵延至今的无数龃龉之一。就在同一时期,笛卡尔提出的旋涡理论阻碍了经典力学在大陆获得接受,牛顿坚持的流数术也使英国数学发展延误达数十年之久。事实上,近代以来的任何重大科学成果都不是某人被苹果砸中后的灵光乍现,而是历代知识的积累、传承和发展,是跨国交流与合作的结晶——开放带来进步,封闭必然落后。在全球联动日益紧密而科技壁垒可能被重新筑起的今天,这样的信念尤为珍贵。

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科学在成为我们所熟悉的模样之前,走过了曲折的历程。有意思的是,德·帕多瓦揭露的近代学术圈内的争名夺利、拉帮结派和数据造假现象——它们至今非常普遍,实际上也反映着西欧科学事业的蓬勃发展。17世纪后期,在培根、伽利略、开普勒、哈维和笛卡尔身后,对世界奥秘的探索仍局限于一个由大多担任公职或教职的博学之士——冯·格里克、帕斯卡、波义耳、斯宾诺莎、惠更斯、胡克、列文虎克、牛顿、莱布尼茨、雷恩、佛兰斯蒂德、哈雷等——所组成的小圈子。此后数十年间,这个群体在伦敦、巴黎和柏林建立了科学院和天文台,发行了最早的科学期刊,开始了最早的同行评审活动,简言之——推动了现代自然科学的诞生。在此过程中,钟表扮演了不容忽视的角色。

第一,钟表推动科学成为独立的观念体系。随着新式钟表的诞生,标度时间彻底让位于测度时间。时间独立于自然现象,成为可被准确计量的物理参数,这强化了对世界的客观性及其数学本质的信念。“如果这些计时器没有被预先发明,牛顿在17世纪末创立普遍的运动和引力理论就是不可想象的。”

第二,钟表提供了科学实验的核心装备。新式钟表的精度大为提高,使进行更加复杂的物理实验成为可能。而且,钟表是一切精密机械的鼻祖,它的制造技术和经验适用于众多科学仪器,正是后者决定了未来科研发展的方向。

第三,钟表建立了学术界、手工业和政府的新型合作关系。钟表匠是天然的高级技师,他们帮助惠更斯、胡克、莱布尼茨等学者把构想变成实物——用今天的话说,就是科研成果转化。为了解决“经度难题”,英国政府设立专门委员会并对航海钟表的设计者赐予重金——这可谓最早的科技政策之一。在这两个案例中,我们可以看到各部门协同参与的现代创新体系的雏形。

也许,钟表还可以部分解释“大分流”为何发生。在1697年出版的《中国近事》里,莱布尼茨依然相信:“中国和欧洲代表了人类文化的两座高峰,如果中西加强合作与文化交流,便可以达成完美和谐的世界。”可是,当利玛窦以来的传教士一次次将彼时最先进的机械钟表呈献给中国皇帝,它们却只是被视为“奇巧淫技”。即使是爱好西方科学技术的康熙帝,也从未认识到这些器物的潜在价值,更不愿臣民接触外夷的技术知识。于是,这些当权者的私人玩物被封藏在禁宫深处达几个世纪,直到成为故宫博物院的展品。

结果呢?由于缺乏精密计时技术,中国在被迫打开国门之前始终没有出现发达的测度时间,这在观念和技术上阻碍了科学的进步。更重要的是,钟表未能在东亚催生出有序、高效的近代社会。在西方征服世界的过程中,新式钟表提供的强大组织能力甚至发挥了比计时功能更关键的作用。

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德·帕多瓦认为:“从我们的时间文化来看,17世纪可谓设置了全新的标准。”客观、数学的钟表时间不仅改变了日常生活,也冲击着原有的社会结构,打破了君主和教会对时间制度的垄断。随着私人钟表的普及,时间成为公共品,进而推动了个体意识的觉醒。

以新式时间为参照,所有社会活动,无论是经济、宗教、军事还是交通,无论是宫廷仪式还是私人约会,突然都变得可预期、可规划、可协调,使百万人口的大都市也能够像钟表机械那样运转有序。在克劳利的工场,数学时间开始扮演组织者和控制者,成为机械化大生产的前提。因此,刘易斯·芒福德在20世纪总结道:“当今工业时代的核心技术是钟表,而不是蒸汽机。”

新式时间将效率置于了前所未有的重要地位——效率(也就是速度)本身就是由测度时间所定义。时间如影随形——效率无处不在;时间愈发精确——效率更加珍贵。当效率成为市场竞争的决定性因素和技术装置的基本参数,时间也被赋予价值——马克思指出,商品价值决定于社会必要劳动时间。“时间就是金钱”的观念,成为资本主义精神的座右铭,并随着西方的扩张被传播到世界市场的各个角落。

不断扩大的市场要求统一的时间。于是,地方时间被官方认定的标准时间取代,首先是城市,然后是国家,最后是全球——在铁路和电报问世之后。1847年,英国主要铁路公司决定统一火车时刻表,以格林尼治时间取代地方时间;1880和1884年,格林尼治时间又先后被英国政府和国际社会确定为全国标准时间和世界标准时间。如今,我们早已对“天涯共此时”习以为常。当北京站奏起《东方红》的时候,伯尔尼钟楼内的机械装置将同时敲响。

可是,当数学的社会时间统一了世界,它也切断了人(首先是城市居民)与自然的联系。个体的行为必须与集体确立的时间相协调,“守时”成为人们不得不遵守的美德。时间成了个人生活的指挥棒,让整个社会围绕它运转——就像凡尔赛的路易十四,但就算是太阳王也离不开钟表。于是,时间取代了传统权威,却建立了自己的暴政:没有钟表,个人无法生活,社会立刻瘫痪。人类试图通过置闰、均时差和夏令时成为时间的主人,实际上却成了时间的奴仆。

因此,尽管效率越来越高,分工越来越细,时间始终属于稀缺资源。甚至,人们在相互竞争之外,还要与时间竞争,如同赛场上的跑者。在越收越紧的时间之网里,“人们对过去充满了悔恨,对未来充满了恐惧,试图拼命地抓住现在”,甚至需要刻意打发富余的时间。就在这忙忙碌碌、熙熙攘攘之中,世人陷入一种集体焦虑,在抱怨“时间都去哪儿了”的同时,只好绝望地怀念过去:“从前的日色变得慢,车、马、邮件都慢……”

时至今日,我们的时间经验依然受到钟表的主导。由于启蒙运动和进化论的胜利,我们或许会把时间描述成螺旋发展的——线性为主,循环为辅。就像在《历史研究》中,汤因比用车轮比喻历史的进程:“这两种相异运动的相互协调——一种主要的不可逆的运动产生于次要的重复性运动——可能就是我们所说的节律的本质。”

但是,这并不是时间的本质。与太阳、流水和钟声一样,钟表时间只是时间的具象。想要探索真正的时间,我们必须追根溯源,寻找那个独立于物质、运动和观察者的时间本身。在《自然哲学的数学原理》开头,牛顿区分了相对的、表观的、通常的时间与绝对的、真实的、数学的时间。1715~1716年,他与莱布尼茨将就此展开一场影响深远的论战,进而将两人的对立推向高潮。

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关于时间的论战是微积分发明优先权之争的副产品,或者说,是英国王太子夫人威尔士亲王妃卡罗琳(后成为乔治二世的王后)试图调解纠纷的意外收获。它比优先权之争更具学术价值,并且与前者一样,不是发生在2位主角之间,而是由莱布尼茨与牛顿的代理人萨缪尔·克拉克展开的。

牛顿继承了盎格鲁—撒克逊的经验主义传统。在他看来,获取真知的唯一方法是对现象进行数学描述。同时,他深受当时流行的机械论的影响,后者以“钟表宇宙”为理想模型。为了构建经典力学体系,牛顿沿着老师艾萨克·巴罗的思路,将均匀、线性的数学时间(类似一条数轴)作为计算物体运动、速度和加速度的前提。这种“绝对时间”是空间化的测度时间,可以追溯到亚里士多德。“绝对时间”与“绝对空间”都具有实在性,它们“共同构成了一种让所有事件发生于其中的容器”。

牛顿是虔诚的新教徒(尽管是反三一论者),他“相信《圣经》中的每一个字,包括《启示录》预见的世界终结。他认为,自然秩序不能仅用自然法则加以解释,而是上帝意志的一番宣示”。他反对假说,将时间称为“神的感知”,并试图用水桶实验证明“绝对空间”的存在,以间接推断出“绝对时间”。

相反,莱布尼茨作为欧陆理性主义的代表,认为上帝创造的世界为“所有可能世界中之最佳者”,已经具有完美、前定的和谐。这种观点接近自然神论,实际上已经排除了上帝。他的世界是由能动的、不可分割的精神实体“单子”和充足理由原则构成的,是抽象和因果的。“上帝并没有创造任何单个粒子、空间或时间,而是一举创造出了整个世界。”

因此,莱布尼茨试图超越机械论,拒绝将时间与具体物质相关联。他继承和发展了奥古斯丁、贝克莱和笛卡尔的主张,认为时间与空间只不过是人们从运动轨迹中产生的想象,是“与外物关联并能为我们的知觉所察觉的纯粹理性的观念”。“绝对空间”或“绝对时间”无法被观察和证明,存在的只有我们在物体及其变化状态之间建立的、用以描述它们的关系,比如“先”、“后”与“同时”。他总结道:“空间是共时存在物的秩序,时间是非共时存在物的秩序。”

关于实在论和关系论的争论只是这场论战的边缘话题之一。双方你来我往,互设圈套,抨击对方为无神论者。直到不久之后,莱布尼茨在贫病交加中辞世,通信戛然而止,这场辩论也没有得出任何结论。但是,随着经典力学在此后两个世纪内被奉为真理,具有实在性的绝对空间和绝对时间获得了普遍接受。相反,莱布尼茨的时空理论既无法量化,也没有形成体系,很快就被后人遗忘。

直到19世纪末,人类全面突破自身经验的维度,哲学和科学界才重新发现关系主义的价值。柏格森拒绝了时间的实体化和空间化,取消了过去、现在和未来的藩篱,将时间统一到绵延。在科学领域,恩斯特·马赫率先批判了水桶实验,否定了相对于绝对空间的绝对运动的存在。接着,爱因斯坦基于光速不变原理提出了狭义相对论,致使时间和空间不再相互独立,而是被统一为“四维时空”。1915年,爱因斯坦又在广义相对论中进一步指出,运动的同时性是相对的,每个观察者都能测得特殊的“原时”。不存在绝对的参考系,“空间和时间只是我们进行思考的方式”。可是,相对论把“绝对时空”请下了神坛,却未能取得这场革命的彻底胜利。现代物理学的另一块基石——量子力学尽管同样刷新了人们对宇宙的认知,却始终未能超越“绝对时空”的框架。

随着科学的发展,我们得以从更多的角度认识时间:它或许是破解物质运动或能量传递的方式——根据热力学第二定律,时间在大爆炸之前或热寂之后都不存在;又或许是生命意识的反映——心理学认为,我们所感受的“现在”不过是一段最多两三秒的时长。今天,虽然世人在日常生活中仍无法摆脱对绝对时间的想象,但已经倾向于认为,关系主义更接近时间的本质。然而,只要大统一理论尚未建立,物理世界的终极图景没有展开,关于时间的讨论就不会结束——也许永远都不会结束。

至少,在此之前,托马斯·德·帕多瓦讲述的故事可以让我们重新审视自己的时间经验、时间工具(特别是钟表——科学革命的活化石)和时间观念,分辨自然/天文时间、人造/数学时间和时间本身,思考现代时间的“发明”及结果。如此,置身于躁动的时间之网,我们就能少一点无措和迷茫,多一分自信与坚强。


2019年6月于北京

(译者序)


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