傅世侠 罗玲玲
伽利略科学导致惯性定律的
科学思维研究
对于伽利略科学发现思维过程的揭示和分析，韦特海默也尽量以简明的讲故事方式进行。但对历史现象，当然不可能运用自然观察法。因而他说这里所做的分析，“仅只是一种并不要求历史准确性的心理学假说”。从方法学角度来看，韦特海默的这一策略应该是合理的。也就是说，他的研究领域是心理学而非历史学，他的研究对象是伽利略的思维过程而非如伽利略生平等，必定要求尽可能与历史事实相符。所以他完全可以采取提出符合其心理学原则的理论假说的方法，而对有关思维过程的问题进行恰当的分析和论证。当然，这并不表明可以不尊重历史。事实上，韦特海默的理论假说正是在对历史文献进行一定研究的基础上而提出的。至于他的分析结论正确与否，则有待心理学乃至整个科学的发展来验证。
伽利略科学发现的背景
为了能正确理解伽利略的科学发现，韦特海默首先对当时物理学发展的基本状况，或者说对有关伽利略科学发现的一些背景资料，包括其他人对伽利略发现的研究和争论等，作了简明扼要的交代。
众所周知，伽利略的科学发现主要研究物体的运动现象。韦特海默指出，在伽利略时代，关于物体运动的研究，实际上背负着沉重的历史包袱。例如对运动本质的理解，当时就存在着许多极其复杂的概念和猜测；诸如将运动区分为所谓“自然的”运动与“受迫的”运动；必定逐渐减弱的外加力概念，以及关于延缓物体趋于静止的某种媒介作用的猜测；关于按恒定速度运行的“自然的”圆周运动的观念等。而且，对所有这些概念和猜测都存在着许多不同的解释和意见。
可是，韦特海默更关心的是这些已有的概念，究竟在多大程度上影响着伽利略的思维过程。而关于伽利略思维过程的问题，当时也存在着各种不同意见的争论。不过，争论的焦点集中在科学哲学或科学方法论的问题上。比如：对伽利略导致惯性定律的科学发现的思维过程，究竟是受归纳方法还是抽象演绎的支配？是受经验观察和实验的支配，还是受先验预想的支配？伽利略的基本功绩是否就是将质的观察(实指传统的亚里士多德观念)改变成为重的观察等。
当然，韦特海默不是物理学家，也不是科学史家或科学哲学家，他不可能也没有必要讨论上述问题。而作为格式塔心理学家提出这些问题，主要是为了说明，在他看来，伽利略在如此复杂条件下却作出了违背旧有的概念、猜测和思想观念的新颖独特的发现，正是由于其思维过程符合了格式塔理论的一些基本原则。换而言之，韦特海默在这里所特别强调和看重的，是伽利略能够从复杂背景中区分出最关键或最要害的东西。从基本的知觉特点看，这应是符合格式塔理论关于图形与背景相区分的知觉结构组织性原则的；从思维过程考虑，韦特海默则明确指出：“伽利略思维的一个巨大特点，就是他能够面对高度错综复杂的背景，而产生出那样清澈的结构顿悟。”
正是在指明了上述历史情况的前提下，韦特海默才有可能进一步对伽利略科学发现的思维过程本身，做出格式塔心理学的理论分析。
伽利略科学发现的思维发展过程
剖析伽利略科学发现的思维过程，首先接触的问题就是：什么是运动？或者怎么理解运动？这就涉及到运动本质的问题。在运动本质问题上，当时早已有许多传统说法。不过在伽利略看来，已有的说法实际上并未真正解决问题。例如，凡是有重量的物体都会自然地从上往下落。这是为什么呢？对此，以往的物理学家的回答是：因为重物都有回到它们的家，即回到地球的倾向。这样的回答当然没有真正说明重物究竟何以下落，以及物体下落时所获得的运动速度及其速度何以随着下落距离加大而不断加快的情况等。韦特海默认为，伽利略恰恰不满足以往的物理学观念对类似或相关问题所作的回答，从而产生了要真正去探求物体运动的根源及其内在规律的愿望；并在这种愿望的驱动下，开始了他为寻求“自由落体”的运动规律，及其加速度的实验研究和尽可能精确化的科学观察。
韦特海默指出，如果按物理学后来的发展看伽利略当时的实验设计，它无疑很粗糙。但是，伽利略的思路却是如此的巧妙。
首先，伽利略力图确立物体下落的加速度的一般公式，但加速度之快却很难测定准确值。为了更透彻地研究这一问题，伽利略的思路便在寻根究底的愿望驱动下，一步一步地向前推进。比如，本来是求解“自由落体”的加速度问题，但他却看到，所谓自由落体其实也如圆球在斜面上向下滚动一样，不过是它的极端情况或特例。换句话说，自由落体无非是物体下落的角度不像斜面那样小于90°，而是恰好等于90°。这样，关于自由落体问题的研究，便转换成了对圆球在斜面上滚动情况的考察。而通过考察，伽利略便发现了加速度的变化顺序，恰好与斜面角度的变化顺序是一致或相对应的，即斜面的角度越小，加速度也越小；反之则越大。由此，伽利略便认识到加速度的衰减与角度大小之间所存在的原则性联系。于是，加速度也就成为其研究中居于首要和中心地位的对象。而加速度这一中心地位的确立，便有了进一步带来整个结构明晰的可能。
其次，在以加速度为中心的研究过程中，伽利略又认为，从斜面下方往上坡的直线方向推圆球，也如同径直向上抛物体一样。而如果将向上抛物体不同角度的变化画出示意图，那么，它与物体下落的相同图形之间，便恰如其镜像所复现出的另一半。换言之，它们彼此之间其实正是完成一个整体图形的两个相互对称的部分。
最后，伽利略进而认为，它们并非真正的完整，而是还有“空隙”。因为这里所考虑的，只是向上抛物体或物体下落的情况；如果斜面角度等于零，也就是说物体在水平面上运动，情况又会怎样呢？从结构的一致性出发，紧接着的问题便必定是：从水平面向下是正的加速度，从水平面向上是负的加速度。那么，沿着水平面运动的速度将是什么？那不就是在与之垂直的情况下既无正加速度、也无负加速度的匀速运动吗？换句话说，假定一个物体按给定的方向作水平运动，如果没有外力改变它的运动状态，那么它便将以匀速不断运动下去，直到永恒。
这便是伽利略的实验和推论必然达到的结果。这一结果，与前述传统概念和猜测及其对运动现象的一些具体解释，如认为物体运动直接受外力大小的影响，一旦没有这种外力作用，运动迟早会停止的观念等，显然直接矛盾。但正是这一实验结论，使得伽利略那个时代的许多物理学概念获得了全新的理解，并且最终导致具有普遍意义的惯性定律确立，以及牛顿力学的诞生和整个近代自然科学的发展。
韦特海默指出，在这整个过程中，包括如归纳、推理、系统化等传统逻辑的运算，还包括观察和精巧独特的实验设计，以及将严密推论与数学程序同运用实验来检验其理论观点相结合的研究方法等。但他认为，所有这些方面其实都是在完整过程中各自特定的位置上发挥作用的，而该过程本身则受着源自于全面顿悟愿望的“重定中心”的支配。正是重定中心，才带来了将各种事件都看成一个新的清晰结构的各个部分的转变。
通过对伽利略科学发现思维过程的这种假定性分析，韦特海默不无理由地指出：“创造性过程通常具有这样的性质：从渴求发现真实的理解和要求的愿望中开始研究。研究领域的一定方面成了关键，那便是焦点；但焦点并不是孤立存在的。这时，一种关于情境的新的、更为深入的结构观，其中包括各个项目的功能意义、组合等的变化结构观，便得以展开。而受到以关键部分为依据的情境结构需要的指引，人们便产生了合理的预测，而这种预测亦如该结构其他各部分一样，也要得到直接或间接的验证。”韦特海默认为，这里有两点是具有指向性的：捕捉到一种全面的、具有一致性的图形，并弄清楚什么是该图形结构对各个部分的整体性要求。
当然，假说终是假说，不可能要求其描述与伽利略的真实思维绝对相符。但韦特海默所提假说的历史依据和理论前提，其论证中逻辑与史实的最大限度吻合或一致，以及其理论观点本身的严格自洽等，都令人不得不认可这一假说及其分析论证的合理性与说服力。
本文上半部分发表在3月7日本报A3版
(本文作者分别为北京大学、东北大学教授)
2006年03月28日 
