2020年10月29日下午4点，清华大学科学史系邀请到马克斯·普朗克科学史研究所的Matthias Schemmel博士，主讲“清华科史哲讲座”第35讲“科学史上的可选项——力学在现代早期欧洲与中国的发展路径”（Alternatives in the history of science: Pathways of mechanics in early modern Europe and in China）。
Schemmel 博士首先解释了科学史上的“可选项”（alternatives）这一概念的含义及其意义。这一概念意味着，历史可以有不同的走向，科学史的路径并非是一成不变的，而是开放的。Schemmel博士认为研究科学史上的可选项对科学哲学、科学政策制定，乃至人类社会的发展方向都有着重要意义。现代科学在今天面临着社会和环境问题的严峻挑战，这些问题很大程度上由科学引发，而对这些问题的解决仍取决于我们如何改造科学。这意味着我们需要能够按照社会的需求来指引科学的未来发展。在20世纪70年代初，马克斯·普朗克科学技术世界研究所（Max Planck Institute for the Study of the Scientific-Technical World）对此进行了讨论。在《科学的可选项》（Alternatives in Science）一文中，波默（Böhme）等人认为，只有通过考察科学和社会在何种意义上是相关联的，社会对科学的决定性因素如何可能，社会对科学的指导才是可能的。科学史上的可选项研究为此提供了丰富的例子。
在接下来的讲座主体部分，Schemmel博士试图利用托马斯·哈里特（Thomas Harriot）和伽利略力学的例子来展现早期现代力学的可选项研究的六个方面：（1）早期现代力学共同的挑战；（2）早期现代力学的前经典特征；（3）前经典力学的共享知识为备选解决方案提供了空间；（4）前经典力学的共享知识中的可选的路径；（5）路径依赖和力学的可选起源；（6）不同知识体系中的力学。
（1）早期现代力学共同的挑战
首先，Schemmel博士提示我们，哈里特和伽利略作为同时代人，他们的工作有着惊人的相似性，他们都关注炮弹的运动、球体的斜面运动等方面的研究，而且他们的关注点都集中在炮弹轨迹的几何形态，以及决定射程和抛射角度的依赖因素。哈里特和伽利略的一致是由于，炮弹轨迹的研究是早期现代力学所面临的普遍挑战。在成为理论科学研究对象之前，它们是工程和战争工事的研究对象。作为实践研究对象，炮弹轨迹也需要理论研究，它不仅挑战了当时科学家的能力，而且挑战了传统的概念和理论架构。
虽然炮弹轨迹早在中世纪就已经得到研究，但是只有在现代早期才真正成为一种挑战目标。因为当时火炮得到了前所未有的关注。当时对掌握火炮射程、发射角度等方面的需求促使了炮弹轨迹的理论研究。对此，Schemmel博士给出了证据，哈里特的手稿中便有关于炮弹轨迹的草图，这份草图体现了抛射角度与射程的关系，而且还证明了哈里特已经认识到以四十五度角抛物的物体射程最远。炮弹轨迹的实践问题成了当时科学家们共同的挑战目标，这同时也体现了科学的外在因素和内在因素的结合。
（2）早期现代力学的前经典特征
Schemmel博士强调，哈里特和伽利略解决力学问题的方式依然是前经典式的，Schemmel博士将当时的力学称为“前经典力学”，这种力学并不像经典力学一般连贯一致，前经典力学利用传统的概念和理论框架来解决早期现代所面临的工程实践和战争工事问题。伽利略、哈里特、斯台文等早期现代科学家在面临这些问题时所需求的理论资源是五花八门的，这些资源包括了亚里士多德物理学，除亚里士多德主义之外的其他古代资源，中世纪牛津计算者的技巧，以及最重要的工匠知识。这些异质知识的融合导致了整体知识框架的重构，从而改变了空间、时间和力等最基本的概念，最终导致经典力学的出现。哈里特的研究为经典力学提供基石，或者按Schemmel博士自己的话来说，接触点（points of contact），使得前经典力学向经典力学的过渡成为可能。其中一个接触点在于，哈里特和伽利略都发现炮弹轨迹的形状呈抛物线状（parabolic）
Schemmel博士展示了伽利略和哈里特手稿中的刻画炮弹轨迹的草图，两者都是平抛的抛物线。这与经典力学的理解是一样的。这会让我们误认为伽利略和哈里特是在经典力学的框架中工作的，但这并不是一回事。当笛卡尔读到伽利略的《关于两门新科学的对话》时，他批评伽利略没有普遍性地证明炮弹轨迹是抛物线状，而是仅仅证明了平抛呈抛物线状。而Schemmel博士强调，伽利略根本无法证明这一点。因为伽利略和哈里特对抛物体轨迹类的理解不同于经典力学。
伽利略认为，沿抛射方向的运动并不是经典力学所理解的匀速惯性运动，而是减速运动，它类比的是自下而上的斜面运动。哈里特的观点同样如此。如此一来，斜抛运动的轨迹便不是抛物线，只有只受重力影响的平抛运动轨迹才符合抛物线。Schemmel博士在哈里特的手稿发现了关于斜抛运动的图示，图示表明哈里特理解的斜抛运动的轨迹并不是抛物线状的，经过Schemmel博士的研究发现，哈里特认为的沿抛射方向的运动同样类比于斜面运动。
（3）备选解决方案提供了空间的前经典力学共享知识
在Schemmel博士看来，伽利略和哈里特的研究如此相似，以至于两人造成的错误（以经典力学的角度看）都一样，是因为两者共享了前经典力学时期的知识。共享知识为他们解决问题的方式提供了方案。在伽利略和哈里特的时代，亚里士多德主义对运动的理解依旧盛行，在这种理解下，运动分两种：自然运动和受迫运动。炮弹的运动便被认为由这两种运动组成。当时的意大利数学家Niccolò Tartaglia便试图利用自然运动和受迫运动的观念以几何的方式描绘炮弹的轨迹，他将炮弹的轨迹分为三部分，首先是炮弹发射方向的直线（代表了受迫运动），中间一段是圆的一部分，最后一段是垂直地面的直线（代表自然运动）。后来，英国数学家Thomas Diggs进一步利用阿基米德螺线来解释中间段的圆的一部分，这一部分被解释为自然运动和受迫运动的结合。但是这种解释仍然不完整，一开始的受迫运动和最后的自然运动还没有得到解释。哈里特和伽利略随后便继续了Diggs的工作，利用落体定律来解释自然运动，以斜面运动的类比来解释受迫运动。我们这里可以看到早期现代的科学家如何利用新的力学工具在旧的思想框架中解决问题。不过Schemmel博士同时强调了伽利略和哈里特的一些不同，伽利略特别强调炮弹轨迹的对称性，以至于将炮弹轨迹同悬挂的链条（hanging chain）做类比，即便悬挂的链条并不是一段抛物线。而哈里特并不在乎炮弹轨迹对称与否，所以，哈里特能够更深入地研究斜面运动和炮弹轨迹的关系，以致最后得出炮弹轨迹是倾斜的抛物线状。
（4）前经典力学的共享知识中的可选的路径
我们在前一节看到，虽然伽利略和哈里特共享了前经典力学的知识，但是他们在具体的研究中却走出了不同的路径。Schemmel博士选择了另一个接触点——落体定律来说明这一点。落体定律同炮弹轨迹的研究息息相关。伽利略首先认识到了炮弹轨迹的抛物线状，随后才为了解决炮弹轨迹的问题开始着手研究落体定律，但是在研究落体定律的具体原理时遇到了困难，最后并没有证明落体定律。哈里特研究落体定律的推理顺序与伽利略相反，哈里特首先试图通过实验证明落体定律的具体原理。在证明了落体定律之后，哈里特将落体定律应用到了研究炮弹轨迹的研究，以此得到了炮弹轨迹呈抛物线状的结果。
我们看到，伽利略和哈里特的具体推理路径是相反的，但是最后都得出了落体定律和炮弹轨迹的抛物线状， Schemmel博士认为，哈里特和伽利略得出特定结果的具体路径是不同的，但同时也表明哈里特和伽利略所共享的知识能够孵化出相同的结果。这就引出了可选项研究的另一方面——路径依赖。
（5）路径依赖和力学的可选起源
除了伽利略和哈里特之外，前经典力学还有其他的可选项，笛卡尔的工作便是其中之一。笛卡尔同伽利略、哈里特拥有相同的数学和概念工具，利用同样的运动图示法，也遇到了相同的困难。但是笛卡尔拒绝了伽利略的落体定律，因为他质疑背后的宇宙假设。笛卡尔的宇宙图景同伽利略迥然不同。在笛卡尔的宇宙图景中，“次级物质”（second matter）像流体一样在宇宙中运动。流体力学所需要用到的数学的复杂程度在笛卡尔的时代中是不可想象，没有可能得到数学的支持。而伽利略和哈里特对运动的理解能够很好地适应当时数学的发展。所以作为可选项的笛卡尔运动学说便被抛弃了，这说明了运动学说对数学水平的路径依赖。
Schemmel博士认为，所有西方科学都在某种程度上对古希腊传统有路径依赖。随后Schemmel博士考察了不同于古希腊传统的中国墨家传统。Schemmel博士引用了《墨子·墨经》中的一个片段，试图表明这是不同于古希腊传统的关于关于力学理论思考的可选项。墨家有关于力学的话题同样在古希腊思想中出现了。如何解释这种相似性，一种解释付诸相通的普遍经验，这种相通的普遍经验独立于各种不同的文化。重物有向下的倾向便是这种普遍经验之一。但是这种解释有局限性。墨家科学和古希腊科学的相似性不仅仅体现在这种普遍经验中，而且还体现在实践和工具知识中。除此之外，Schemmel博士强调了中国和西方相同的实践习惯。但是，即便有这么多实践和经验上的相似性，中国还是发展出了不同于古希腊的力学科学。但是墨家的力学和古希腊力学最后有着不同的命运，墨家的力学早已消失，而古希腊力学则通过阿拉伯的传承一直保有活力。Schemmel博士认为，我们需要从社会层面来看到这些科学发展的不同路径。
（6）不同知识体系中的力学
Schemmel博士认为，科学知识依存于更大范围的社会层面的知识体系。类似的甚至相同的科学知识在不同的社会中将会演进出不同的路径。Schemmel博士认为，明清之际的耶稣会士将西方早期现代力学传入中国，这为相同的力学在不同社会知识体系的不同表现提供了例子。在明末清初，德国耶稣会会士邓玉函（Johannes Schreck）和中国学者王徵合著了《远西奇器图说录最》，Schemmel博士认为这本书在翻译上获得了极大的成功。这种成功是由于中国和西方有共享的知识。中国和欧洲存在着相同的机械和类似的数学。但是，即便有如此成功的翻译，理论力学并没有在中国生根发芽。这是因为，明清之际的中国社会结构极其稳固（清朝对明朝制度的全方位继承便是证明），而早期现代的西方则极其不稳定。理论力学为早期西方激烈的社会变迁提供了助力，这是科学能够在西方可以持续下去的原因。而到了清末，由于中国社会在当时从稳态转变为了不稳态，科学也得以在中国生根发芽。正因如此，1859年在中国翻译出版的威廉·惠维尔（William Whewell）的《重学》（An Elementary Treatise on Mechanics）得到了《奇器图说》未曾有过的关注，为中国力学的发展开辟了新篇章。
最后Schemmel博士通过科学史上的可选项的研究展望了未来科学的方向。就像动荡的西方现代早期时代将炮弹轨迹的研究作为共同的挑战目标，当今全球范围的生态问题作为危机的同时，也可以成为自然科学和人文学科共同的挑战目标，为科学提供发展的动力和方向。
讲座结束后，Schemmel博士同参加讲座的老师和同学们就“重学”一词的翻译、 《墨经》作为力学可选项的地位、Schemmel博士研究科学史上的可选项的思想动机、 是否还有类似《奇器图说》的体现中西知识交流的力学文献、哈里特对力学的影响等等问题进行了充分而广泛的交流。
焦崇伟供稿
