力学与运动科学在科学的诞生和发展中起了极其重要的作用，在近代早期，即通常被强调为科学革命的时期尤其如此。在这个时期，力学引人注目的兴起示范性地显现了在知识领域已存在将关于自然的知识和技术转化为科学形式的可能性及此转化可能引发的社会和政治后果。在这方面，力学为其他科学分支起了引领作用。长期以来，亚里士多德自然哲学主导了力学的阐释权。另外，在当今科学史研究中，经典力学被认为是在现代物理学革命性地改变了原有科学架构之前，为其他科学分支提供概念架构的核心分支。近代早期是力学知识的概念转变及重构时期，其特点为“前经典的力学”。科学革命期间的力学转变是一个将古代知识遗产转化成一种新的、更丰富的形式的过程，这个过程是由当时的技术和社会创新提供的具有挑战性的事物所引发的。此过程的成果——经典力学，即对前经典力学中所积累的知识的重构——保证它在数个世纪内得以持续，但却不可避免地导致了这一新科学的主角与当时占统治地位的教会信条之间的冲突。

1.亚里士多德的运动理论

近代早期，任何对力学知识的理论解释都基于亚里士多德哲学，或至少受到该哲学的很大影响，特别是包含在亚里士多德的《物理学》（Physics）和《论天》（De Caelo）中的局部运动的理论，这些理论涉及物体的运动、运动如何发生以及运动的原因等问题。亚里士多德的运动科学为直觉力学知识提供了专门的及精练的阐释，引入了规范的专业术语体系、准确的定义及对特殊现象的解释，以使其可以由这门科学中的基本假设所推演。局部运动被划分成受迫运动、自然运动和天体运动三类。人们认为，物体的运动包含不同的方面：速度及其“速度等级”。然而，表现运动的强度的速度等级是时刻可变的，速度则表现出其全部的结果^[112]。在自然运动情况下，物体由四种元素即土、水、气、火组成的方式决定了它是重还是轻。重者有向下运动的趋势，轻者有向上运动的趋势（Aristotle，1996）。在自然向下运动中，物体自由下落的速度与其重量成正比。在受迫运动的情况下，物体的重量决定了它抵御使其运动的力的程度。只有在动力大于自身重力的情况下，物体才能开始做受迫运动。在动力驱动物体运动时，它所产生的速度与动力成正比，与物体重量成反比。受迫运动被确信总是由与其直接接触的施动者导致的。如果一个物体已经开始运动，则即使在与其原始施动者分离的情况下，它仍然继续运动。这种情况是由被解释为一种所谓“推动力”（impetus）的力量所导致的，这一力量经常被认为是等同于“运动的等级”的，它被设想成担当内部推动力的角色，直至它最后被全部耗尽。上述最后的一个假设后来经常被当作是反对亚里士多德理论的一个论据，直至17世纪末的牛顿时代，它一直是力学的一个基本假定。总而言之，近代早期关于运动的理论就是由这样明确的理论命题构成的，它们是拥有2 000年历史的亚里士多德传统的延续。

2.古代与中世纪的力学及其复兴

亚里士多德的自然哲学及其运动理论并不是现代科学的唯一古代来源。古希腊的特殊性不仅在于它发展了具有影响力的哲学思想及发展这些思想的方法，如理论推导及对话体的证明方式，还在于这些思想和方法被应用于反映实践者的知识。高水平的机械技术滋生出一种特殊的处理技术知识的理论方式，这便是理论力学。

亚里士多德的自然哲学试图在效果与原因之间建立联系，具体到力学，亚里士多德理论试图为受迫运动及导致该运动的力建立联系。对技术发明及其使用过程中得到的知识的理论思考面临的难点是机械装置很显然能够违背联系原因和其结果之间的法则。于是，理论力学始于探究如何利用技术装置减少为了达到一个确定的效果而需要的力这样的问题。这正是最早的力学著作——《力学问题》所关注的内容^[113]。《力学问题》中提出的这个问题的解答与几乎同时被建立的“杠杆原理”密切相关，此原理成为解释几乎所有机械装置的效果与力的关系的主要理论定律。阿基米德提供了杠杆原理的证明并引入了“重心”的概念，从而将该原理的应用范围扩展到不规则形状的物体。亚历山大里亚的希罗在他的《力学》（Mechanica）中将机械装置分解成基本机械元素，并主要运用杠杆原理解释基本机械元素的作用。他以“简单机械”的分类研究法，开创了一个长久的力学传统。古希腊和古罗马学者传播、阐释并进一步拓展了这些主要的古代理论力学成就。此后，在阿拉伯地区将希腊语著作翻译成阿拉伯语的运动中，阿拉伯学者也为这些知识的传播、阐释和拓展做出了贡献。在以杠杆原理及其应用为主要关注点的传统力学著述中，在力学传播中占统治地位的有以下两种表现形式，即表述为命题形式的从经验中归纳出来的知识以及使得这些命题能够融入演绎理论体系的证明。

在公元1000年以后的500年间，一方面由于阿拉伯文与拉丁文的翻译运动及紧随其后的尼莫尔及其追随者所做的工作，另一方面由于流传下来的力学知识在中世纪的学者团体中再一次得到传播。终于，古希腊与古罗马文明在文艺复兴时期的复兴与印刷术的发明使得近代早期工程师与学者很容易得到这些知识。

16—17世纪的前经典力学和理论力学的主要来源正是亚里士多德传统的《力学问题》^[114]。虽然这部古老的著作为近代早期力学提供了一个概念构架，并给出以杠杆解释利用机械装置可以获得力的效果的思维模型，但它并没有决定当时力学著作所探讨的问题的原则。实际上，16—17世纪力学研究的内容选择及组织都是按照希罗对机械装置的分类方法进行的。由于亚历山大里亚时期的帕普斯在其《汇编》的第8本书中引用了希罗的著作，并详细讨论了其机械分类方法，使该法得以保存并于16世纪传到欧洲^[115]。

意大利的圭多巴尔多编著的《论力学》为16世纪和17世纪初最有影响的力学著作。此书完整的编排方式沿承了古代模式，书中依次探讨了天平、杠杆、滑轮、轮与轴、斜面和螺旋。伽利略教学所用的力学著作同样探讨了这些装置，只是次序稍有不同。此书后来由梅森（Marin Mersenne，1588—1648）出版了法文译本。

3.具有挑战性的研究对象

从古代理论力学的诞生到17世纪末经典物理学的出现，亚里士多德的动力学和关于简单机械的知识是理论力学领域内所有工作的核心与共同基础。然而，在中世纪末，一个值得注意的转变引出了新的发展，并最终导致了这一知识体向经典力学的转化。近代早期科学一个内在的特点是：多种力学现象和装置，诸如抛射体轨迹、建筑物的稳定性、摆动物体的摆动及悬链的曲度等激发了科学家的兴趣。16—17世纪科学家之间的科学通信显示，虽然有时他们没有将上述问题纳入发表物，但这些问题确实是他们长时期探讨的内容。

引起16世纪科学家们感兴趣的潜在科学研究对象只有部分可以或多或少地用前经典力学或亚里士多德物理学解决，当时的人们应该并不清楚哪些问题属于此类。举例来说，诸如摆及悬链等物体都不属于传统力学研究对象的范畴，在一定程度上，这些问题应该会使得那些试图以古典及中世纪力学为基础分析它们的人们失去信心。然而，在16—17世纪，正是这样的内容成为了重要的研究领域。其研究者不是传统的经院学者，而是新型的工程师-科学家。

伽利略便是新型的工程师-科学家中的一位。他之所以从比萨大学的狭隘的科学环境中搬迁到当时作为大型造船技术中心的威尼斯公国的帕多瓦大学，与他对自己工作的重新定位有很大关系。当时，他开始离开主流的传统学术工作，转向经营自己的作坊，并教授技术内容，参与大规模工程等活动（Renn，2001）。我们发现他在此后一直努力解决那些古代和中世纪学者从未处理过的具有挑战性的复杂问题，其中关于摆动问题（例如钟摆的摆动）的研究是因为他当时想用这一理论建造一架钟表。

伽利略很早就观察到“单摆的等时性”即下述事实：单摆的摆动周期既不取决于摆锤的重量，也不取决于初始的摆幅，而是只取决于摆的长度。他后来发现了“单摆定律”，即观察到摆动周期的平方与摆的长度成正比。上述两件事情中涉及的力学知识远比伽利略预想的复杂得多。事实上，两个看似已经确立的观察结果只是近似正确^[116]。伽利略试图将这些发现纳入当时的关于物体运动的知识体内，尽管为这些假定的定律寻找证明的努力注定是要失败的。

此外，一方面，观察中发现的摆动周期的等时性与“弦上运动的等时性”之间的相似性令人费解，所谓“弦上运动的等时性”是指物体沿以一个圆的任意弦为斜面，斜面的最低点为弦与圆周的交点，下降所需的时间相同；而另一方面，摆动定律与落体定律之间的相似性也令他非常迷惑（Renn，2001）。两种情况中的相似性纯属巧合，因此无助于找到任何相似的证明。直到17世纪下半叶，惠更斯证明了伽利略的发现只是近似正确，而只有18世纪微积分的发展才使得人们能够在力学分析的框架内建立一个理论来圆满解释单摆所提出的难题^[117]。(www.daowen.com)

伽利略研究的另一个充满挑战性的问题是抛体运动的轨迹。他希望通过研究关于弹道形状与炮弹仰角的相互关系的精确知识为炮手推导出实用的法则，以提高火炮射击命中的精度。他在这项研究中比在单摆研究中要幸运一些。在简化条件下（不计阻力及设定重力加速度为常数），抛物线是解决此问题的关键，基于古代数学中对抛物线的出色研究，伽利略完全掌握这一曲线的性质。通过两个假设，他得到了平抛抛物轨迹是抛物线的结论，其一为简单的加速运动，即落体运动，其二为水平运动。它既不是亚里士多德体系中的自然运动，也不是该体系中的受迫运动。由于伽利略尚没有认识到一般惯性定律，他不可能简单地推导出斜抛物运动的轨迹，转而试图以源自亚里士多德静力学的方法证明在斜抛运动中弹道也是一条抛物线。他观察到斜抛物运动是自然运动和受迫运动的合成，而悬链的外形也是由同样方式合成的结果。与前述单摆问题一样，伽利略所认定的弹道轨迹与悬链的外形的等同性将他引向了以当时的数学方法不可能得到圆满解决的方向，这是因为只有用18世纪的分析方法才能处理悬链的曲线（即悬链线）的函数的性质问题。

第三个具有挑战性的研究对象是行星运动。伽利略试图给行星运动的特性做出力学解释。这方面的研究也有着可以预计的实际利益，预测行星位置的精确星表是由当时具有很高地位的占星术提出的挑战，尤为重要的是，跨大陆的航海对于行星运动预测的需求也日益增长，此二者是激发学者在此方面研究兴趣的主要原始动机。此后，为行星运动提供力学解释这一问题的复杂性对学者们的吸引力超越了这些原始动机。数学天文学越来越大的实用意义促使行星运动的问题在这个时期成为一个显著的具有挑战性的研究对象，促进了精确的天文观测数据的积累，例如第谷的观测；并引发尝试发展与反映行星天文现象的新模型相适应的理论，哥白尼、开普勒等人就是这方面的代表。

当伽利略开始对此问题感兴趣时，他很自然地把在抛体运动实验中获得的力学知识运用到行星运动研究中。他毫不犹豫地抛开了亚里士多德学说中认为天体运动有别于地上运动的两种形式（自然运动和受迫运动）的理论。追随柏拉图的观点，伽利略假设在宇宙被创造的时候，神的愿望决定所有的行星“都在同一个位置”被创造，“在那里行星被给予运动的趋势，它们向中心下降，直到它们获得似乎是符合神的愿望的速度等级”。他进一步假设一旦达到其“速度等级”，行星便会改变方向而进入环绕太阳的轨道。

在这种原始的天体演化假说的基础上，伽利略确定轨道大小与行星运行周期之间关系的尝试并不比开普勒阐释行星与太阳的距离的尝试更有意义^[118]。开普勒认定行星与太阳的距离与内接于同心球的柏拉图立体系列相关，并由此给出他的阐释。实际上，只要伽利略不掌握万有引力定律，他就不可能对行星轨迹给出追本溯源的解释。万有引力定律，即两球间的引力与两球心之间的距离平方成反比，此定律是由牛顿在其《自然哲学的数学原理》（Principia Mathematica）中给出的。

单摆运动、抛体运动和行星运动是区别近代早期力学与古代和中世纪时期力学的具有挑战意义研究对象的典型例子，它们并未完全脱离古代力学知识的主体。通常与牛顿的名字相联系的经典力学是古代和中世纪传统面对具有挑战性的研究对象的转变结果，而对具有挑战性问题的研究则是近代早期前经典力学的主要特征。当时面对这些挑战性问题的反应是对古代传统知识的整合，这使得在很长一段时间里，亚里士多德学说原本的连贯性退化为吸取了古代和中世纪传统的思维模型的拼合体。此为前经典力学的第二个特征。

4.反亚里士多德观念的出现

如前所述，两个因素构成了近代早期前经典力学的特征，一个是遇到具有挑战性的研究对象，另一个是亚里士多德体系退化为异质知识体的拼合物，而这些异质知识体是当时作为处理技术问题的知识资源。实践者和科学家都渴望为实践知识寻求新的理论基础，这导致当时的知识界产生出以反亚里士多德观念为特征的氛围。在这个时代里，个人欲望膨胀且知识界斗争激烈，知识界主力尚不稳定的社会地位及新知识与旧文化传统的异质性造成了这一氛围。虽然亚里士多德体系仍是所有追求知识者的共同的知识基础，但在知识界斗争中，反对仍占主导地位的亚里士多德体系成为独创性的一个标志。这个阶段的新科学中明显地存在矛盾，举例来说，同时代研究落体运动问题的科学家中，博内德蒂、圭多巴尔多、伽利略试图采用介质中挤压的阿基米德理论（阿基米德用该理论解释浸在液体中的物体受到浮力），目的是改进亚里士多德体系中的自然运动理论，但同时，他们并未从本质上质疑自然运动理论。

1553年，威尼斯的博内德蒂出版了一部修正亚里士多德自由落体理论的著作。然而，当他意识到他的工作在罗马仍被看作是与亚里士多德的思想一致时，他以一篇更为明确地反对亚里士多德理论的论文为他的出版物做了补充。他试图以一种挑衅性的做法让人们明白他是反对亚里士多德理论的。伽利略的早期研究也具有这种既有反对亚里士多德理论的态度，又仍将理论框架构筑于亚里士多德体系之上的特点。伽利略研究亚里士多德自然哲学的时间，应该与他开始尝试掌握精妙的数学技巧，尤其是欧几里得《几何原本》中的证明方法和阿基米德著作中的证明方法，到他按照阿基米德的方式将这些方法运用到物理问题中这一段时间相重合。一方面是一种哲学信条，一方面是尝试性的数学研究，这两者间必然存在着潜在的张力。我们并不惊讶地发现，伽利略很快就面临亚里士多德关于某些物理现象的假定与对这些物理现象可能的解释之间的冲突。大约在1590年，伽利略写了一篇关于运动的论文，在论文中他提出了类似于亚里士多德自然哲学中的问题，然而，他给出的答案却与亚里士多德给出的回答不同。举例来说，他探讨了下落物体的速度。与亚里士多德一样，他也忽略自由落体中加速度是一种基本现象，此现象不能以亚里士多德的速度概念，即在一定时间内穿过的空间来理解。他批评亚里士多德给出的下落物体速度与其重量成正比的论断从本质上是错的，此处的速度即是亚里士多德体系中的速度概念。伽利略认为，以同样材料构成的物体具有相同的密度，它们下落的速度是一样的。只有当它们由不同的物质构成的时候，它们下落的速度才会不同。此问题可以用阿基米德的浮力理论进行计算。

伽利略及其同时代学者的研究是以使用并批判亚里士多德的自然哲学为开端，以给出新的有时甚至是奇怪的解释作为结束。然而，他们还不能将自己的研究统一成相互一致的理论。这为我们提供了一个近代早期前经典力学是如何利用古代和中世纪自然哲学作为起源及理论出发点的生动案例。他们的成就来自两个方面：一方面是将传统理论工具应用到新的具有挑战意义的研究对象的结果，另一方面是他们又质疑作为这些研究的前提。为实践知识寻求新的理论基础将16世纪的工程师-科学家带入了与亚里士多德自然哲学的冲突中，此前，亚里士多德哲学一直在通行的世界观中占主导地位。这一冲突快速地从仅是解释特殊现象的分歧或专业化的特殊性问题发展到新的阶段。16、17世纪之交，科学家与教会间日益激烈的冲突表明反亚里士多德力学也具有深远的政治影响。

5.完备的力学世界观的产生

虽然对亚里士多德的力学和亚里士多德局部运动理论的批评并没有对基于亚里士多德的物理学和宇宙论的世界观提出真正的挑战，或者说，至少开始时是这样，但这必然会被认为是对教会在组织人类生活和阐释世界等一切相关事物的绝对权威的攻击（Feldhay，1995）。当一种知识界的理性观念，诸如反亚里士多德观念进入天文学和宇宙论研究时，基督教教义整体上便受到了质疑，而教会所宣称的他们不仅是神学问题的最高权威，也是所有与基督社会世界观有关的问题的最高权威这样的论断也受到了挑战。随着经典力学的诞生，近代科学家与宗教及世俗权威之间的冲突正是力学传统转化的必然结果，而这一转化恰恰发生在宗教改革与反改革的冲突期。当时教会自身也被卷入到这场事关生存的斗争之中，并被迫调动全部文化资源，其中就包括自然哲学和科学，因此它对任何挑战亚里士多德传统的发现都会做出非常敏感的反应。这场科学与宗教的冲突起源于科学家接受一个新修订的行星运动模型，此模型是哥白尼犹豫多年终于在临终前发表的^[119]。然而，直到16、17世纪之交，承认或批驳哥白尼学说才成为事关物理学和天文学研究者信仰的重要问题。

在开始阶段，没有人认识到力学知识的发展与基督教世界观之间所存在的潜在的意识形态上的冲突。1633年，教会谴责了当时正达到声誉高峰的伽利略，并在他撤回对哥白尼学说的支持后判其终身监禁。虽然与之前的于1600年被活活烧死的布鲁诺相比，伽利略受到的身体伤害要轻得多，但这仍令当时的学者感到恐惧。许多在私下认同哥白尼理论的人后来回避公开拥护这些有可能被认为是与教会官方教义相敌对的理论^[120]。那些不顾涉及基督教世界观后果、倾向于哥白尼宇宙模型的学者对于天体运动的力学解释与教会公开对抗感到犹豫。在初期，教会本身应该也不确定应如何处理当时的情况，因为当时卷入与天主教教义冲突的并不是攻击性的异端者，而是一些学者，这些学者只是从关于一种运动的力学阐释中得到了一些结论，而这种运动在亚里士多德传统中不能由地球上的经验来解释^[121]。

最后，教会文化霸权的被冲击及双方都试图达成妥协的失败导致科学家有意地尝试去做教会归咎他们所做的事情：发展一个一致的、完备的能够解释世界的力学系统，在此系统中上帝的角色被弱化为一个伟大的“力学家”。布鲁诺的无限宇宙体系、笛卡尔的永恒运动中的涡旋世界体系和伽利略的简化了的哥白尼宇宙都属于最早构建的完备的世界体系。这些科学家从廷臣到异端者的转变过程，典范性地显示了将一个有创造性的工程师-科学家转变为对抗教会者的力量。在伽利略的案例中，这些驱动力量造成了一种“预言性的转变”，从单纯的对技术有兴趣的人到公然宣扬其观点的世界观构建者之间的转变。根据对伽利略传记的通常理解，伽利略一开始便是科学启蒙的早期英雄，然而他的脊柱被教权压折，并成为一名背叛者。但事实上，正是教会的镇压促使他认定并冒犯性地宣传他的建立在其物理理论上的完整世界观，他认为教会最终会接受他的论点^[122]。1700年以前，学者们认为，世界的力学模型可以与全能的上帝的观念相一致，它甚至能够为上帝提供比他在传统神学中超越一切的位置更为适当的空间，即“此时此地”的物质世界中任意地点的空间。他们中没人能够想到有一天自然科学的理论体系能够自己创造出像力学世界观一样的强大世界观，其影响是最终教会不再敢于从神学思考中得出任何有可能与由实验和理论确定的科学决定的问题相抵触的结论。事实上，力学世界观一直持续到1700年以后的一段时期，直到它为科学进步构建了不容置疑的基础为止。到19世纪末，力学世界观才失去了作为普遍原则的地位（戴培德 等，2008）21-35。

在其他科学革命的领域，意大利科学家也扮演着重要角色。在本章第二节、第三节和本节上文中，我们以维萨里与解剖学革命、伽利略与天文学和力学革命为例分析了意大利科学家在科学革命早期扮演的引领角色及其工作的意义和与境。除此之外，意大利科学家和学者在数学、博物学、化学及各技术领域也都做出了贡献，而为数众多的城邦政府和王公对科学的赞助也使得科学家和技术专家获得了一定程度上的经济自立及更高的社会地位。关于此方面的研究有大量的研究论文与著作供读者参考。