气候变迁背后的故事（十四）
水与火
1631年12月16日，意大利西南海边的维苏威（Vesuvius）火山爆发。当地人知道这座火山每隔几十年总会有所发作，不过那年的喷发格外剧烈，致使三千人遇难。那时他们还不知道1500多年前的维苏威远为凶猛，在公元79年彻底摧毁山下的繁华城市。埋没封存在厚实火山余烬下的庞贝（Pompeii）古城直到十八世纪后才被重新发现。1631年底的爆发后，维苏威持续很多年继续吞云吐雾，吸引众多探险家前往观光。
火山爆发是历史上常见的自然灾难。作为西方文明的摇篮，地中海周遭很不平静。希腊神话里的诸神恶战不休，动辄天崩地裂移山倒海。虎克曾试图找出《变形记》故事对应的历史事件未果，但后人的考证也认可荒诞离奇的想象往往源自地震和火山的震撼。比如意大利最南端、地中海内西西里岛上的埃特纳（Etna）山在公元前735年的一次大爆发很可能是宙斯与巨人堤福俄斯（Typhoeus）激战的背景。堤福俄斯落败后被宙斯压制在埃特纳山底。他的痛苦挣扎是那座山频频颤栗的缘由。
西西里以北的伊奥利亚群岛（Aeolian Islands）也都由火山爆发而来的岛屿组成，其中有以罗马神话的火神（Vulcan）命名为“武尔卡诺”（Vulcano）岛。英语里的“火山”（volcano）直接借用这个岛名，是在十七世纪中期才出现的新词。从伊奥利亚群岛再往北不到五百公里便是著名的维苏威山。
1638年3月，在罗马学院接替设计格利高里历、已去世二十多年的克拉维斯的德国学者基歇尔（Athanasius Kircher）在环游意大利南部时运气不错，接连邂逅西西里岛上埃特纳和伊奥利亚群岛中斯特龙博利（Stromboli）的火山爆发。他不满足于在远距离眺望这个自然奇景，随后又来到还在躁动不已的维苏威山。在一个夜晚，基歇尔跟随向导爬上巅峰，俯首看到一个极为恐怖的情境。火山口里所有东西都在燃烧着，浓烟滚滚。硫磺和沥青的恶臭让他窒息。山的内壁在不断涌出看着恶心的物质，让他也呕吐不止。尽管如此，他还是等到日出后走进火山口找到一块大石头立足，取出仪器测量山体。
36岁的基歇尔应该是第一个深入活火山进行科学考察的人。
形形色色的自然灾害是人类谋求生存征途中难以忘怀的噩梦，每每死伤无数民不聊生。希腊的诸神大战、诺亚的大洪水和中国的女娲补天、后羿射日和大禹治水等传说遥相呼应，寄托先民的恐惧和期盼。不过仰望星空，为宇宙建立简单易懂模型的希腊先贤没有太顾及自己脚底下。他们的地球是一个坚固的实体，在宇宙中心安如磐石。洪水、地震、火山等等不过是地表肤浅、短暂的变动，不足为道。
直至基歇尔步入火山口的几年后，笛卡尔在1644年出版《哲学原理》1，将他的演绎推理扩展到太阳系和地球的起源及演化。哥白尼的日心说已经颠覆地球在宇宙中的特殊位置，亚里士多德以月球轨道为界的鸿沟也不再有立足之地。笛卡尔的宇宙充满水、气、土、火诸种涡旋，没有天地之分。地球、太阳和行星都由火的涡旋组成。太阳中的火在燃烧着，因而发光发热。其表面的黑子即为烧余的灰烬。与炉火一样，如果残渣增至覆盖整个表面，太阳的火就会熄灭，然后从四周空间聚集起水、土、气的涡旋，构筑起固态的外壳以及水层和气层。
地球就是这样一颗“死亡”后的星体。虽然不再发光发热，地心深处仍然充满火涡旋，只是被坚实的残渣围困着。残渣之外是地下水层和土质外壳。水在受热膨胀时从外壳中冲出，带来喷泉、温泉、地震乃至火山等猛烈变动，泛滥而成地表的海洋。土的外壳在水的挤压中破裂、倾覆，让地球有了高山和低谷。
那是伽利略被宗教裁判所定罪的短短十一年后。笛卡尔安分守己地自认这个理论不过一则“寓言”。这个地球历史也可以方便地包容在《圣经》给定的几千年时限以内。地下水流冲破外壳喷涌而出、地表崩塌的场景也与诺亚大洪水的描述不谋而合。
这也是第一个具体的地球模型。人们那时已经在越挖越深的矿井里知道地下的世界不那么简单。矿工们经常遭遇汹涌的地下水，为之头疼不已。他们也知道在一定的深度以下，暗无天日的地底竟然会比地面更为温暖。矿井的温度随着深度上升，似乎预示地底无比炽热，正如远古传说和《圣经》中的地狱。这些真切的经验为笛卡尔凭空推论的地球提供有利证据。
二十年后，基歇尔也在1664年出版《地下世界》2一书，描绘出自己的地球模型。他受笛卡尔的影响也认为地底深处是火的世界，更有亲身在维苏威火山定量测量的数据。火山喷出的熔岩在体积上远远超越遗留的火山口。波澜壮阔的岩浆不只是融化的山体，更多的来自地底深处。
基歇尔来到罗马任职时也正是伽利略遭教会裁判的第二年。作为虔诚的天主教徒和教皇身边的教授，基歇尔没有也不可能接受哥白尼的日心说。但他也没再坚持亚里士多德和托勒密的地心宇宙，采信第谷介于二者之间的折中模型：地球保留宇宙中心之位。其它行星在绕太阳转的同时与太阳一起绕地球运转。3基歇尔也认为天上的太阳和月亮并非纯洁的以太，与地球同样由水、气、土、火四元素组成。但他的宇宙中太阳是纯火，月亮是纯水。地球为各元素的混合，其中的火与水分别感受着太阳和月亮的直接影响。地球也是一个活的生命体，内部有着如血管般的连通管道。水和火在各自的管道中循环，偶尔会相遇。
与笛卡尔一样，基歇尔的地球的中心有永恒的火，顺着管道逐级向外扩散。管道里一旦积蓄起过多的燃料，失控的火势会连同燃料倾巢而出，造就声势浩大的火山爆发。在自己的管道里循环着的水穿出地面时便是泉水或喷泉。它们如果曾经接近火的管道受热即为温泉。基歇尔还想象地球的南极有一个巨大的喷泉，喷出的水经海洋在全球表面循环后在北极同样巨大的排水口返回地下。地球因这些管道连为一体。地震、洪水和火山爆发都不是当地的孤立现象。
如果相信他在自传中的陈述，基歇尔从小多次与死神擦肩而过。他生长于天主教家庭和环境，少年时恰逢新教在德国崛起，不得不离家逃亡。他曾在大森林里迷路，穿越冰冻的河时被浮冰带走，被新教徒俘获遭处绞刑……而他每次也总能化险为夷，似有神助。这些奇遇赋予他冒死精神，在人近中年时还不畏危险走进火山口。
基歇尔有时被誉为最后一位“文艺复兴人物”（renaissance man），意指兴趣广泛的百科全书式通才。他一生出版四十多部著作，涵盖火山、地球结构、磁学、光学、宗教、医学、音乐等领域。他在罗马创办最早的大众博物馆，收藏各种自然标本和历史遗物。他还钻研、翻译古埃及的象形文字（hieroglyphs），设计可在全世界推广的“通用语言”。在来到意大利之前，基歇尔曾在1630年申请去中国传教未获批准。他未忘初心，在1667年汇集去中国传教的卫匡国（Martino Martini）和曾德昭（Alvaro Semedo）等人日记和信息出版《中国图解》4，是欧洲“中国学”（Sinology）先驱者之一。
但与他的地球结构相似，基歇尔的治学无拘无束，想象超乎逻辑。他绘制的世界地图里有“亚特兰蒂斯”（Atlantis）的位置。那是柏拉图臆想的大西洋中一个州，在诺亚大洪水时沉没不见踪影。他也相信世间有龙的存在。他的古埃及文字翻译大多牵强附会，后来被证明错误百出。
斯特诺的地层学《初步讨论》也是在基歇尔的《地下世界》五年后问世。两位教会学者分别来自瑞典和德国，闯荡欧洲后又都在意大利功成名就。两人后来在德国会过面，都不可能料到尚在萌芽中的地质学在他们身后出现天长日久的分歧。以罗马神话中的水神（Neptune）为象征的“水成论”（Neptunism）将地球的高山大海归因于地表滔天洪水的逐层沉积；以地府冥王普鲁托（Pluto）为标志的“火成论”（Plutonism）针锋相对，认定那是地底肆虐烈火的狂热冲击使然。5
在十七世纪降下帷幕的1699年，路易十四正式赐予法国科学院“皇家”头衔，为之设定规则及俸禄。科学院堂而皇之地搬进巴黎市中心的卢浮宫（Louvre），在本是国王寝殿的大套间里安家。路易十四早在十多年前将皇室迁至郊外新落成、更为豪华气派的凡尔赛宫（Versailles）。塞纳河畔的卢浮宫一直闲置着。
科学院在美轮美奂的旧皇宫里举办的讲座让巴黎人士趋之若鹜。以莫佩尔图为代表的年轻一代也是在这里筹划、组织和汇报远征赤道和北极测量纬度间距的壮举，促使法国学界全盘接受来自海峡对岸的牛顿力学。
1732年时，25岁的布丰（Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon6）只身来到启蒙运动方兴未艾的巴黎，很快赢到伏尔泰和莫佩尔图等人赏识和提携。他已经对牛顿的理论耳熟能详，到巴黎一年后向科学院提交论文，用微积分解析一个简单明了的问题：在画有等距离平行线的平面上投掷短针，针落在平行线上的概率是针长的两倍与线间距和圆周率（π）乘积之比。这结论颇为出乎意料，将一个“扔硬币”式的游戏蜕变为测定圆周率数值的实验手法。
论文的两位审稿人恰好都是布丰的新旧朋友，莫佩尔图是其中之一。他们顺理成章地接纳布丰进入科学院。当然布丰的论文货真价实，以其“布丰投针问题”7成为“几何概率”（Geometric Probability）的开山之作。
布丰在1707年出生在法国东部一个小镇。父亲是当地的收税小官，家境尚可。有远见的父母为孩子取了母亲一位叔叔的大名（Georges），拜这位在承包为国家收税的“包税人”（tax-farmer）职位上收入可观的富裕外叔公为教父。自己没有子嗣的外叔公在布丰七岁时去世，给他留下一笔不菲的遗产。布丰因此得到良好的基础教育，19岁时从法学院毕业。但他也在那时违拗父亲意愿放弃从法或从政的大好前途，从头学起自己喜爱的植物学、医学和数学。因为陪同一位英国伯爵公子在欧洲壮游的机遇，布丰又学会英语，自修掌握牛顿的理论。去巴黎之前，他在家乡一个小村购置地产，从此财务后顾无忧，也将自己的姓冠以村名“布丰”以彰身份。
在巴黎站稳脚跟后，才三十出头的布丰获聘主持皇家花园（Jardin du Roi），其后在这个职位上鞠躬尽瘁一辈子。他大力将花园扩建为珍藏、研究从世界范围收集来的植物、动物和矿物的博物馆，美其名曰“国王的藏宝柜”8。家乡的私家庄园也被他改建为实验室。从此，布丰每年雷打不动地在春天离开喧闹的都市回家度夏，入秋时再回到首都的工作岗位。两个地点都是他得心应手的博物学研究基地。
从1749年开始，已经过了不惑之年的布丰开始出版《自然史》9。这是一部将延续三十多年、直到作者去世也未及完成的36卷巨著，以介绍国王宝柜中珍藏为名阐述对自然世界的总体看法。布丰在前言里开宗明义地说明自己遵循的科学方法来自异乡的牛顿而非本宗的笛卡尔。在那个启蒙的时代，他也不再拘泥《圣经》教条，记录的是他心目中自然界和人类固有的客观历史。
作为理解整个自然界的基础，布丰以研讨地球理论、行星形成和动物的由来作为《自然史》的开局。而在其中的前两篇里，他甚至没有提及笛卡尔的涡旋。
牛顿没有专门研究过地球或行星的起源及演变，只是在推导地球形状时假设地球是一个可以随意流动、改变形状的液体球。这显然不符合现实，但牛顿觉得地球最初时也许是温度极高的熔融液体。“水”与“火”完美融合的初始地球在自转中形成扁球体形状保持至今。这个直觉在莫佩尔图等人实测证明地球确为扁球体后不再那么荒诞离奇。牛顿无力解释太阳系中各行星、卫星的位置排列，地球自转轴与公转轨道有一个23.5度倾角等等自然现象。他觉得所有行星几乎处于同一平面上、向同一个方向公转的事实异乎寻常，不可能是巧合。但他只能认定那是上帝之手的安排。
牛顿的助手、后来接替他的卢卡斯数学教授席位的惠斯顿也为上帝之手做出更详细的描述。惠斯顿认为地球曾经是一颗彗星，由上帝改造为适合人类生存的理想世界。那时的地球自转轴与公转平面垂直，不存在季节之分。亚当和夏娃生活的伊甸园（Garden of Eden）一年到头都是和煦的春日。但在他们背叛神谕被逐出后，上帝让一颗彗星掠过地球，如抽陀螺般将地球的自转轴打歪。地球从那时起才有了四季。诺亚大洪水的来源也如出一辙：上帝在暴怒中又送来彗星，其尾巴里带有的大量水分让地球沦为汪洋。10这个将地球灾难与天文现象联系的想法与哈雷异曲同工，也同样地得到牛顿的认可。
布丰在这些奇思异想启发下提出自己的地球和行星起源观点：在过去某个时刻，一颗强劲的彗星与太阳迎头相撞，将太阳内约650分之一的质量撞了出来。这些炽热的物质在宇宙空间冷却，变为六个大小不同的圆球，即行星。它们各自也在自转中甩出部分物质，形成自己的卫星。由于全都出自同一碰撞事件，所有行星、卫星的运动平面和方向大同小异。
但与之前的学者们不同，布丰试图实际地验证自己天马行空的想象。
1701年，英国王家学会《哲学会刊》的三、四月合刊上出现一篇只有五页半的不起眼短文。它以拉丁文写就，题为《炎热程度之标度》11。与众不同的是文字左侧别出心裁地画有两条温度计上常见的标尺。文章也没有署名。匿名发表科学论文在那个时代倒不怎么稀奇。有名望的学者经常这样公布自己没有把握的成果，倘若失手至少在面子上留有退路。这类文章的作者在圈子内不是秘密，足以保证优先权。《炎热程度之标度》出自早已大名鼎鼎的牛顿之手。
牛顿在这篇文章里为炎热程度定义一个尺度。那时的温度计只能量度水银或其它液体柱膨胀、收缩的范围，遇到过冷或过热时无能为力。牛顿指出炙热物体的温度可以通过它们冷却需要的时间计算，因为物体温度下降的速度与其温度和环境温度之差成正比。虽然匿名的论文语焉不详，也没有列出具体的数学方程，这个关系还是以“牛顿冷却定律”（Newton's law of cooling）传世。在《自然哲学的数学原理》里，牛顿也猜想过如果原初的地球是一个烧红12状态的熔融大铁球，它可能需要长达五万多年的时间才能冷却到日常温度。
布丰于是在家乡的庄园里修建起铁匠铺式的大试验场，将一个个黝黑的铁球烧至呈现太阳般的白色——也就是俗称“白热化”的高温——然后仔细地计量它们在不同条件下冷却到日常温度所需的时间。他欣喜地看到原本光滑的铁球这么折腾后自然地在表面出现皱褶、裂缝甚至孔洞，似乎对应地球的山川河流。他更发现越大的球所需的冷却时间越长。将从小到大的铁球冷却时间列表，他运用牛顿的冷却定律推算出一个地球这么大的铁球的确需要近十万年时间才能冷却到今天的温度，再次证明牛顿的直觉相当靠谱。
地球当然不是一个大铁球。考虑到地球实际组成、太阳照耀、大气层影响等因素，布丰认为地球的历史应该超越千万年。但他只发表了保守估计的几万年结论。
无论是几万年还是几千万年，这个物理的地球年龄都无法与《圣经》年代和谐。牛顿自己的编年史研究所得与厄谢尔大主教相差无几。他只得诉诸《圣经》中已有的一个说法，宣称上帝的一天等同人间千年。布丰也同样地将地球的“自然历史”划分为七个“时代”（epoch）。每一个时代历经成千上万年，却只是《创世纪》中的一天。
其实，布丰的铁球很难与地球相比。他的实验本身也非常粗糙，够不上精确定量应有的标准。但无论如何，他是将地球这个人类脚下的庞然大物搬进实验室的第一人，开启以科学方法研究地球年龄、温度演变的先河。布丰在66岁时获封伯爵头衔，于1788年以八十高龄去世。世界那时已经进入一个不寻常的年代。精确定量的科学方法正在全面更新人们对自然世界的认识，包括水与火，以及牛顿标度的热。
（待续）
Principles of Philosophy
Subterranean World
第谷的太阳系模型详见《科学随笔：伽利略与浮体、潮汐及理性》。
China Illustrata
罗马神话中的水神和冥王分别对应于希腊神话中的海神波塞冬（Poseidon）和冥王哈迪斯。
这是他晚年获得伯爵头衔后的正式名称。
Buffon's needle problem
Cabinet of the King
Histoire Naturelle
惠斯顿虽然是教徒，却也经常离经叛道，否认三位一体的教条。他因此在1710年被剑桥开除，差点遭受法庭审判。
Scala graduum Caloris
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