六月天孩儿脸,说变就变的天气似乎没有任何规律。世界各地的先民无可奈何,不约而同地认定这个与自己日常生活息息相关的现象背后有无可理喻的神灵在操纵。他们只得满怀敬畏之心。
在信奉“人在做,天在看”的中国,“老天爷”的威严至高无上。天上还另有各司其职的雷公、电母1、风神、雨神、云神等等。大海里也有兴风作浪的龙王。他们无所顾忌,随心所欲地改变人间的天气。在希腊奥林匹亚山巅,众神之王宙斯(Zeus)也以自己无常的喜怒决定阳光、乌云、雷电在人世间的你来我往。他身边同样簇拥着众多分工明确的神。每天,黎明女神厄俄斯(Eos)打开天堂大门,为人间开启新的一日。她的四个儿子欧鲁斯(Eurus)、诺图斯(Notus)、仄费罗斯(Zephyrus)和玻瑞阿斯(Boreas)分别负责东风、南风、西风、北风的吹拂或肆虐。
基督教《圣经》2里的上帝也是一个气象暴君,经常性地呼风唤雨。他甚至多次不惜让整个地球洪水滔天,生灵涂炭。不过相比其它神祇,上帝的作为更具目的性:他是在有意识地惩罚不安分的凡人。
神话之外,希腊的哲人们以他们擅长的逻辑思辩为自然现象寻求理性的解释。泰勒斯相信水是最基本的元素,流动于天地万物之间。水在高温时转化为气升空,在天上凝聚后重返大地时便是雨。他的学生阿那克西美尼看到的却是水烧开后“还原”为气,反过来推断气才是世间万物的基本组成。阿那克西美尼与泰勒斯另一位学生阿那克西曼德(Anaximander)认定气在空中奔流时是风,停止时为云。风撞上云造成震耳巨响,从云中穿过时还会点燃其中的火,发出闪亮的光。
气和火是没有重量的轻物,天空本是它们的家园。属于重物的雨水从天而降便不那么容易理解,更不可思议的是大热天里还不时有大块的冰雹从空中落下。阿那克萨哥拉(Anaxagoras)受水烧开时的急速翻滚启发,认为水能以类似的运动状态悬浮在空中。云即为翻滚中的水流。他指出天空中的热来自地球表面反射的太阳光,在地面附近最强,越往高越弱。在炎热的夏天,地面受热的水流急速上升到不胜寒冷的高处冻结,坠落时成为冰雹。不过阿那克萨哥拉同时也认为越往高越冷的趋势有一个极限。更高的天上还有火的领地,炽热的所在。那里的火下降到云层,与不相容的水相遇就会电闪雷鸣。
一个世纪后,亚里士多德在公元前340年出版的《气象学》3一书中系统总结这些思想。他将月亮绕地球运行的轨道定为天与地的分界。月亮之外依次还有水星、金星、太阳和其它行星的轨道,直至镶嵌着不计其数恒星的天球。那是由纯洁无暇第五元素“以太”(ether)组成的天国,乃“天文学”(astronomy)研究领域。月亮轨道之下是人类生存的龌龊世界,由世俗的四个基本元素构建。在地面之上的水、气、火壳层中的现象是“气象学”(meteorology)的范畴。那是一门与逻辑学、天文学、物理学等等平起平坐的独立学科。
虽然凡间四个基本元素各有各的壳层,亚里士多德也表明壳层之间没有泾渭分明的界面。元素在各层次中穿梭游走,正如地球表面是高山(土)和海洋(水)的犬牙交错,也有气和火的出没。这些元素彼此相生相克,交融混杂时导致丰富多彩的天气现象。在太阳的照耀下,地面上湿、冷的水转化为湿、热的气,干、冷的土变成干、热的火。它们作为大地的“呼出物”(exhalantion)升上天空。湿、热的气形成云和雨,风和雷则来自干、热的火。
亚里士多德在这里与前辈阿那克西曼德和阿那克萨哥拉有所分歧。他认为风的来源是火而不是气,像地面的河流一样有既定的源头和方向。云则由悬浮着的水珠组成,只能存在于气和火壳层之间的狭窄界面。云因此不可能比最高的山峰更高,水也就不会像阿那克萨哥拉所说那样升到非常寒冷的高度。亚里士多德指出即使在低空的大气层里也有相互交织的热和冷区域。夏天地面的水汽可以急速地从极热区流动到极冷区,迅即冷冻成冰块落下。冰雹经常个头很大、形状不规则,因为它们在落地前没有足够的时间溶解,形成完美的圆球。
《气象学》是人类第一部系统的气象理论。晚于亚里士多德四百来年,中国东汉时期的王充也在《论衡》中写出诸多如“雨露冻凝者,皆由地发,不从天降也。”“初出为云,云繁为雨”的字句。这些看法与古希腊哲人不谋而合,都敏锐地意识到水在大气层中的循环是天气现象的根源。不同的是中国人将云和雨归为“阴”,火为“阳”。阴阳和谐时风调雨顺,否则狂风肆虐雷电交加。
无论中西,这些朴素的思想或合情合理或天方夜谭,都只是想象力的产物。那个时代的智者还没能领悟到以实验检测假设的重要性,也不具备实际验证的条件。直到两千年后的文艺复兴末期,科学方法的思想和实验的仪器工具才渐次现身。
1620年,英国大法官(Lord High Chancellor)培根(Francis Bacon)出版《新工具》4,正面挑战亚里士多德当年总结形式逻辑的经典著作《工具论》5。培根在书中阐述基于先验基本假设或“第一原理”(first principle)的逻辑推理并不是思辩的好工具,应该反过来在搜集大量经验证据的基础上归纳出普遍的规律。后者才是“解释自然的真正线索”6。培根因之被认作“经验主义”(Empiricism)思想的鼻祖。
《新工具》的封面描绘一艘正在徐徐驶过“赫拉克勒斯之柱”(Pillars of Hercules)的帆船。赫拉克勒斯(Hercules)是宙斯的儿子,俗称“大力神”。赫拉克勒斯之柱是地中海出海口7的象征。欧洲诸国的船只从这里离开熟悉的家园,走向前途未卜的茫茫大西洋:那个时代特有的场景。培根以此隐喻人类仰仗书中的新工具突破固有认知局限,大胆探索未知的自然世界。
十几年后,英吉利海峡对岸法国的笛卡尔(Rene Descartes)也在1637年出版《谈谈正确运用自己的理性在各门学问里寻求真理的方法》8,通常简称为《方法论》。他没有跟随培根彻底摒弃古希腊的逻辑推理,只强调推理所依据的原理必须确凿无疑。笛卡尔认为唯一符合标准的原理是他本人的存在,因为他真真实实地正在思考这个问题。“我思故我在”9。
笛卡尔也不满足于亚里士多德的形式逻辑,倡导以严谨的数学取而代之,保证推理过程中不出差错。他为此将一丝不苟的代数引进几何学,创立“解析几何”(analytic geometry)。再加上“我的物理学不过只是几何学”10,笛卡尔找到“在各门学问中寻求真理的方法”。
这样,科学方法在十七世纪初涌现时已有分别以培根和笛卡尔为代表的“归纳推理”(inductive reasoning)和“演绎推理”(deductive reasoning)两大流派。他们被双双誉为有别于古希腊的现代哲学创始者。无独有偶,两人为数不多的实践都与神秘莫测的气象有关,毕竟那是最值得研讨的复杂自然现象。
培根没有亲身扬帆出海去未知世界探险。他比伽利略年长三岁,终身著述、从政,可能压根不了解佛罗伦萨人已经在实践他所谓的“新工具”。直到65岁高龄、《新工具》问世六年后,培根才第一次身体力行,在大雪天出门寻觅冷冻食物保鲜的经验证据,不幸受寒付出生命代价。那时他没有望热镜,只能依据“自知”判断冷暖,即便有所得也不具归纳的价值。后代哲学家休谟(David Hume)评价曰:培根只是“远远地指出通往真正哲学11的道路。伽利略不仅向他人指出这条道路,并且自己取得长足的进步。”
笛卡尔比培根晚35年出生,恰逢其时地经历科学革命的开端。他在1647年9月接连两天拜访帕斯卡讨论托里切利的实验,后来声称是自己促成佩里埃的多姆山之行。帕斯卡很不以为然。不过笛卡尔对大气层的兴趣也由来已久,十来年前已经在《方法论》的三篇附录中分别以气象、几何和光学示范他的演绎推理。从“我思故我在”这个可以确立的原理出发,他推论自己生存其中的宇宙也是确实的存在,但无法得出这个宇宙是由水、气、土、火四元素组成。于是,笛卡尔背离亚里士多德,转而求助于古希腊哲人留下的另一个思辩。
比泰勒斯稍后,留基伯(Leucippus)和德谟克利特(Democritus)师徒俩提出宇宙其实由微小的“原子”(atom)组成。那些肉眼不可见、也不再能被分割的原子才是最基本的元素,构成包括四“元素”在内的所有物质。笛卡尔对这个猜想情有独钟。他一边承认自己也无法从原理推导出原子,一边将其作为更为合理的假设充当理解自然现象的出发点。他设想空气中满是原子运动形成的“涡旋”(vortex),像羊毛一样遍布所有空间。这样的“微小物体”(subtle matter)无所不在,没有真空的余地。在托里切利的实验里,微小物体可以轻易地穿透玻璃进入管子上端。那里面因而不会是真空。早在托里切利和帕斯卡之前,笛卡尔已经提出涡旋的运动会在各个方向产生压力,甚至想象过一个装满水银的管子在布满涡旋空间中的行为。他因此也自诩为压强概念和气压计的发明人。
作为《方法论》附录的《论气象》12是继亚里士多德《气象学》后的第一部系统的气象学论著。笛卡尔在其中将所有天气现象归结于微小物体的机械运动。水尤其如同极微小的鳗鱼,细长且滑溜。它们在空中集聚成为云,蒸发成气后便是风,结块太大后落下时就是雨、雪或冰雹。云层彼此相撞时产生惊雷,同时还点燃它们之间的某种微小物体形成闪电。
当代物理学家温伯格(Steven Weinberg)在回溯科学方法的崛起时认为培根和笛卡尔的作用被后世过于夸大。早于培根整整一世纪,著名文艺复兴艺术家和学者达·芬奇(Leonardo da Vinci)早已在意大利解剖生物体观察内部构造,以实验手段考量物体的运动。他为此发明、想象过各种匪夷所思的机器设备。伽利略的父亲也曾以经验主义手法研究音律,挑战古希腊教条。与培根同时代的伽利略更是独立地开创系统、定量测量的新纪元。他们都不需要哲学家的指导才知道开始科学实验。
而着重推理之严谨的笛卡尔涉猎广泛却惨不忍睹,基本上没有一个能经受住实际检验的演绎成果,例如他坚持的真空不可能存在。1650年,53岁的笛卡尔在瑞典去世,与培根一样死于因着凉引起的肺炎。他临终前还在测量斯德哥尔摩的大气压。
在那个伽利略以《两大世界体系对话》和《关于两门新科学的对话及数学证明》全面推翻古希腊宇宙学和运动学的年代,笛卡尔的《论气象》只是以抽象的原子替换亚里士多德《气象学》中的四大元素,没能实质性摆脱传统思辩的桎梏。不过他对气象学最大的贡献不在演绎推理,反倒是协助经验主义的证据采集。笛卡尔最早为托里切利的玻璃管贴上一张标有尺度的纸条,方便读出其中水银柱的高度。这一举手之劳标志着托里切利的简单装置正式成为气压计:一个精确定量科学仪器。
在佛罗伦萨,托里切利一鸣惊人后赢到托斯卡纳大公爵斐迪南多二世聘请继任伽利略的宫廷教授。他病逝后,斐迪南多二世又聘任维维亚尼,将这个席位保持在伽利略的师生谱系之内。酷爱奇技淫巧的大公爵也躬行实践。他注意到伽利略的望热镜与托里切利的气压计极为相似。
曾经被伽利略忽视的望热镜在萨格雷多等人的持续完善中已经改头换面。玻璃瓶中的空气被更换为对冷暖更敏感的水银。原来的水壶也不见了。整个仪器上下颠倒,直接以水银柱在细管中的高度标识环境温度。它与气压计如出一辙。
托里切利生前也意识到两个仪器之间的重叠。他那个玻璃管中水银柱高度不仅取决于外面空气的“重量”,水银同时可能因温度变化热胀冷缩。望热镜中的水银柱正是以自身的热胀冷缩标志温度,却也在细管开口处受外面空气压强的影响。斐迪南多二世灵机一动,将望热镜玻璃细管的开口端封闭,隔绝外界的空气。这样,“镜”中所“望”的只是管内水银的冷暖程度,不再有气压因素。他也与笛卡尔同样地在管子上添加刻度,让水银柱的高度一目了然。
至此,现代人熟悉的“温度计”(thermometer)才真正脱颖而出。
天气瞬息万变不可捉摸,也为人类提供超越亲疏、分歧的共同语言。人们见面时习惯谈论一两句冷暖变幻,谓之以“寒暄”。现存最早的人类文字——公元前三千年在中亚两河流域印刻于粘土板中的“楔形文字”(Cuneiform Text)——中不乏与天气相关的词句。中国有三千多年历史的甲骨文亦是如此,希腊在公元前五世纪有了“告示板”(parapegma),每天公布星相和天气状况。尽管亚里士多德为天文学和气象学划分明确界线,历代天文学家在仰望星空同时也关心人世间的风风雨雨。与伽利略的同代的第谷(Tycho Brahe)和开普勒(Johann Kepler)都曾留下详细的天气日记。
漫漫几千年,人们谈论和记录的天气只是天空是否晴朗、云彩是否浓厚、风来自何方等泛泛描述,以及“自知”的冷暖。能够定量测量的只有雨雪。公元前400年的印度文字中有这样的记载,所用“仪器”为一只放在室外的空碗。十五世纪的韩国天文台设有为监测雨量特制的铜质器皿。1639年夏天时,在罗马的卡斯泰利给伽利略写信,汇报他将一个玻璃瓶置放在瓢泼大雨中观察瓶子里的水量变化。那是“雨量计”(rain gauge)在文艺复兴欧洲的出现。
与温度类似,人们还能切身感觉到空气有时干燥有时湿润,后者在下雨之前尤为明显。那是气之中混合有水的一个例证。相传中国人很早通过比较易吸水的木炭在一定时间前后的重量差别衡量空气的湿度。《论衡》中也记有“天且雨,琴弦缓。”十六世纪末的达·芬奇同样地注意到琴弦在干燥和潮湿环境中的声音略有差异,以此设计出测量大气中水分多寡的“湿度计”(hygrometer)。
测量风力的“风速计”(anemometer)也是在那个时期问世,经常被误认为达·芬奇匠心独具的发明。一百年后的桑托里奥曾试制、改进风速仪。
只有在托里切利之后,一个从未“自知”过的天气奥秘才姗姗来迟。人们很快发现气压计的水银柱即使在地面也并不总是严格的76厘米高,会像温度计里的伙伴一样时高时低地浮动。水银柱的高度同样地与天气的变化密切相关。气压计于是加入雨量计、湿度计、风速计、温度计的行列,成为人们多方位侦测“空气海洋”物理特性的有效工具。
山雨欲来风满楼。天气的变化往往伴随着风速、温度、湿度、气压等环境因素的剧烈动荡。这一系列仪器在十七世纪中期佛罗伦萨的齐聚一堂终于让人类摆脱依赖“自知”的尴尬,催生现代气象学。
费迪南多二世慷慨解囊,大批量生产这些五花八门的仪器广为散发。13在伽利略去世15年后的1657年,维维亚尼创建“实验科学院”(Accademia del Cimento),继承、弘扬导师以实验为根基的科学方法。14费迪南多二世特意将观测天气钦定为科学院日常任务。佛罗伦萨、比萨、米兰、博洛尼亚等意大利城市的成员每天用大公爵提供的仪器观测,定期将所得数据送往佛罗伦萨汇总、比较和分析。巴黎、华沙、因斯布鲁克等欧洲城市的学者们也相继加盟,形成有史以来第一个国际性的气候观测网。
惜乎实验科学院只存活了十年,费迪南多二世的抱负未能开花结果。随着伽利略、托里切利和费迪南多二世的相继去世,佛罗伦萨逐渐失去科学革命中心的地位。好在从伽利略到维维亚尼一脉相承的科学实践已经在欧洲大陆和英伦三岛蔓延。人类超越冷暖自知的直觉、神话传说的离奇和天马行空的想象,以经验主义手段认识气候的时代业已到来。
(待续)
古代中国以象形字“電”表示雷雨时的“列缺”,即闪电。那时“电”这个字没有现在“电流”这样的含义。
Bible
Meteorology
Novum Organum
Organon
培根著作的全名是《工具论:解释自然的真正线索》(Novum Organum, sive Indicia Vera de Interpretatione Naturae),中文也翻译成《新工具或解释自然的一些指导》。
即“直布罗陀海峡”(Strait of Gibraltar)
Discourse on the Method of Rightly Conducting One's Reason and of Seeking Truth in the Sciences
I think, therefore I am(cogito, ergo sum)
My physics is nothing but geometry.
所指为那时的“自然哲学”,即今天的科学。
Les Meteores
美第奇家族制作、收集的大量科学仪器有一些保留至今,在佛罗伦萨的“伽利略博物馆”(Museo Galileo)中琳琅满目地供人观赏。