牛顿早期的推测

务请注意，从一开始牛顿似乎就完全拒斥了笛卡尔的以太媒介概念，在笛卡尔那里，以太媒介是一种稠密的、紧致的流体，只有这样一种流体才能靠它的涡旋运动使行星在轨道上旋转，在他的时代，这是在英国科学家和大陆科学家当中都很流行的一个概念，可是，牛顿却从玻义耳的前提中发展出一个更有原创性的思辨。①在他反对这样一个以太概念的论证中，他在《原理》中预设了他对行星运动的涡旋理论的反驳。显然，如果稠密的以太流体处于静止，而不是处于一系列旋涡之中，那么它的阻力将使有规律的、连续不断的天体运动变得不可能。现在，为了实现所要求的这两种功能，牛顿打算用什么来代替这种流体呢？他对以太的第一个、也是相当煞费苦心的介绍出现在 1615 年给奥尔登伯格的一封信中，通过有启发性地陈述他那时对假说的地位和功能的看法，他引入了以太概念。①应该注意，关于以太存在及其一般本质的信念在这里不是作为假说的一部分提出来的；牛顿不加限制地假设了许多东西。“要是我采取一个假说，那么它应该是这样的：如果只是泛泛而论，不去决定光是什么，那么不如说光是能够在以太中引起振动的无论哪种东

① I．G．帕迪斯，教士，17 世纪物理学家，主要从事光学研究。——译注

② 《文集》，第四卷，第 380 页。

① 《光学》，第 372 页以下。

① 以下将大量引用，第 273 页以下。

西；因为这样一来，它对其他假说就变得一般和广泛了，因而为发明新假说留下了一点余地；于是，因为我已经注意到一些学术巨头深为一些假说苦恼，好像我的论述要求一个假说来说明它们似的，而且我也发现，在我抽象地谈论光和颜色的本质时，我无法使他们接受我的意思，可是在我用一个假说来论证我的论述时，他们一些人倒容易理解我的意思；因此，在这里向你描述一下这个假说的细节，我认为是合适的，这也同样有助于论证我随信送上的文章。”牛顿补充说，他并不认为这个假说或任何别的假说是真的，虽然为了方便起见他好像作了这样的假设，因此绝不要以此来衡量他的其他著作的这一确定性，或者认为他有责任来回答有关的异议：“因为我谢绝卷入这些麻烦的、无意义的争论之中。”然而，明显的是，此时牛顿明确认为以下关于以太的推测很可能是真的。

“但是考虑这一假说——Ⅰ，假设在那里存在着一种以太媒介，它与空气几乎有一样的构成，但是更稀薄、更难以捉摸、更有弹性。由于这种媒介的存在，在一个抽空了空气的玻璃器皿中的一个摆就像在开放的空气中运动得几乎一样快，这并非是一个微不足道的论据。但是不要假设这种媒介是一种均匀的物质，相反，就像空气是由各种水蒸汽与它的粘质主体相混合构成的一样，这种媒介部分是由以太的粘质主体、部分是由其他种种以太精神构成的。因为电流、磁流和这个受重力作用的本原似乎证明了这种多样性。也许自然的整个身躯不是别的，只是某些以太精神或蒸汽的种种组织，这些以太精神或以太蒸汽好像是通过沉淀作用凝聚的，就像蒸汽凝聚成为水或薄雾凝聚成为比较粗糙的物质那样，虽然它们不是那么容易凝聚；凝聚形成了种种形式——最先是直接通过造物主之手，自那时起便通过自然的力量，自然的力量借助于命令、增殖和繁殖，成为这位人类始祖创造出来的副本的完美的模仿者。因此或许万事万物都是从以太中产生的。”

与这个有趣的推测相联系，可以提出这一问题：所谓“以太的粘质主体”，是否牛顿指的不是笛卡尔的流体，只是在不久之后就拒斥了后者呢？可是，这种可能性被他在这儿所使用的描述语言和他在后来攻击笛卡尔主义者时所使用的语言之间的相似性否认了——在这两个地方，以太都被描述为是非常稀薄、非常精巧、有弹性的等等。现在，通过差异法，无疑只能把“以太的粘质主体”看作一种传播媒介，除此之外，还有种种通过它而扩散的“以太精神”，这些以太精神为一些现象提供了说明，这些现象牵涉到其他不是运动传播的原理，①它们包括电、磁和重力；此外，牛顿还设想物质宇宙的整个构架是以一种非常浓缩的形式由这些以太精神构成的。牛顿着手详细说明怎

① 《光学》，第 336 页以下。——“按照一些假说，光被认为是由通过一种流体媒介传播的影响或运动构成的，这一切假说不都错了吗？因为在这一切假说中，光的现象至今是这样来解释的，即假设它们是从光线的新的变更中产生的；这是一个错误的假设。”牛顿着手引用一些倾向于反对这些假说的观察事实或实验事实，由此他继续说：“要用这些假说来说明光线怎么能轮流适合不费力的反射和传播那是困难的；除非可以假设在一切空间都存在两种以太振动媒介，一种媒介的振动构成光，另一种媒介的振动更加迅速，它们赶上第一种媒介的振动，使之更适合。但不可思议的是，这两种媒介怎么能够通过空间扩散开来，一个作用于另一个，因此发生反应，而又不妨碍、分散、解散和挫败另一个运动。我反对用流体媒介来填充天空，除非它们格外稀薄，一个更严重的异议来自于这一事实——行星和彗星在天空中以各种方式进行有规律的、非常持久的运动。因为由此可以明显地看出，天空缺乏一切感觉得到的阻力，因此缺乏一切感觉得到的物质。

样借助于这个假设来说明各种类型的现象；电、重力、凝聚力、动物感觉和运动，光的折射、反射和颜色提供了最显著的讨论题材。为了介绍得更紧凑，我们将选择他对重力的以太说明作为对他在这个时期的思想倾向的论证。

牛顿提议可以按照这样一个假设的以太精神的凝聚和折射来说明电的吸引和排斥，此后，他继续说：

“所以地球的重力吸引可能是由其他某个类似的以太精神的连续凝聚引起的，这不是粘质以太的主体的凝聚，而是某种通过它扩散的非常稀薄、非常精巧的东西的凝聚，或许它具有一种腻滑的、粘性的、坚韧的、有弹性的本性；为了维护燃烧和生命运动而需要的有生命的空气精神与空气的关系，就类似于以太精神与以太的关系。因为，如果这样一个以太精神可以凝聚在发酵的或燃烧的物体中，或者要不然的话就在地球和水的孔隙中浓缩成为某种可供自然连续使用的湿润的活性物质（仿照蒸汽凝聚在容器壁上的方式，附著在这些孔隙壁上），那么，那在永恒的运转中各处都趋向同一个中心的地球的巨大躯体，就可以连续地凝聚如此之多的以太精神，以至于为了得到供给，引起它更迅速地从上下降；在这种下降中，这种以太精神可以用与它所作用的物体的各部分表面成正比的力挤压它所遍及的物体，于是，从地球内部产生的如此之多的物质便以空气的形式缓慢上升，结果自然便产生了循环，它暂时构成大气圈，但由于从下面升起的新的空气，水蒸汽使之不断浮起，它最后又消失成为以太空间（除了水蒸汽的一些部分以雨的形式掉下来外），在那里它及时减弱，变稀薄成为它的第一本原。因为自然是一位永远循环的工作者，它从固体中产生流体，从流体中产生固体，从易变的东西中产生固定的东西，从固定的东西中产生易变的东西，从粗糙之物中产生精巧之物，从精巧之物中产生粗糙之物，使地表层的体液、河流、大气圈上升，而为了对之进行补偿，又使别的东西下降。当地球——或许还有太阳——为了维护它的发光，为了阻止行星从它进一步后退而大量地吸收这种精神时，也要假设这种精神在那里随身携带或提供了太阳的燃料和光的物质本原，也要假设在我们和恒星之间的巨大的以太空间为太阳和行星的食粮提供了充分贮备。”流

按照以太精神在地球、太阳和其他吸引物体的凝聚下的连续循环来说明重力，这对牛顿来说是有吸引力的，部分原因在于这个说明的数学条件符合他从开普勒行星定律中推导出来的结果。当《原理》出版之前，在与哈雷的通信中他就指出了这种一致，当时他仍然很偏爱地看待这个概念。，

流体媒介的阻力来自于媒介的各个部分的摩擦，部分来自于物质的惯性

，通过把物质分离为更小的部分，使这些部分更平滑和更圆滑，就可以削弱从任何媒介的各个部分的粘滞性和摩擦中产生的该媒介的那部分阻力，但是从惯性产生的那部分阻力是与物质的密度成正比的，因此不能通过把物质分离为更小的部分来削弱，而除了通过减小媒介的密度外，也不能通过别的手段来削减。由于这些理由，流体媒介的密度是与其阻力近似成正比的因此，如果天空就像水一样稠密，那么它们具有的阻力并不比水的阻力小；如果它们像水银一样稠密，那么它们的阻力也不比水银的阻力小；如果它们绝对稠密，即充满着物质，没有一丝真空，假使这种物质并不如此稀薄，如此流动，那么它们具有的阻力就大于水银的阻力。一个实心球在运动到其直径的三倍的路程时就会损失其运动的一半以上，一个非实心球（例如行星）不久就会慢下来。因此为了给行星和彗星的有规律的、持久的运动让一条路，就有必要把一切物质从天空中倒空，也许只留下一些非常稀薄的蒸汽、水汽或气流，它们是从地球、行星、彗星的大气圈中产生的，从我们以上描述的这种非常稀薄的以太媒介中产生的。一种稠密的流体对于说明自然现象毫无用处，没有它还能更好地说明行星和彗星的运动。它只会干扰和妨碍这些巨大物体的运动，使自然的身躯衰弱憔悴；在物体的孔隙中，它只会阻止它们各部分的振动，而这种振动是它们的热和活动之所在。由于它毫无用处，妨碍自然的运作，使之衰弱，所以没有它存在的证据，因此应该加以拒斥。如果把它拒

三年之后，牛顿写了一封信给玻义耳，在这封信中，许多同样的题材得到处理。可是，相当显著的是，在这封信中，他以前的那些毫无节制的推测已大大缓和下来，在信的末尾，他开始对重力提出一个新的说明，这个说明虽然还是用以太的术语进行的，但立刻成为一个更简单、更不那么富有幻想色彩的对事实的机械说明。在粘质媒介的主体和通过它进行扩散且执行个别功能的各种以太精神之间的区分似乎已完全消失，代之以一个均匀的媒介，这种媒介只是在密度和粗糙性上略有分别。明显的是，牛顿的思想正竭力摆脱一切神秘的、幻想的可能因素。我们把这封信的引言包括进来，作为牛顿与玻义耳在此时的亲密关系的一个标志。

“尊敬的先生：很长时间我没有遵命把我关于我们所谈论的物理性质的思想写信告诉你了，我不认为这是违背了诺言，我只是羞于把我的思想告知于你。事实是，我对这些东西的想法是如此考虑不周，因此连我自己都很不满意；我不满意的东西，自然是很不适合于与别人交流的。但因为你对我有恩，加上昨天我碰到了一位朋友莫利维尔先生，他告诉我他要去伦敦，想打扰你对你作一次访问，所以我才忍不住借此机会托他把此信转交于你。

“这只是你指望我得到的对这些性质的一个解释，我将以如下假设的形式提出我的理解。首先，我假设存在着一种在一切地方扩散开来的以太物质，它能够收缩和膨胀、弹性很强，换句话说，除了更精巧之外，在各个方面都像空气。

“2．我假设这种以太遍及一切粗糙的物体，但是在它们的孔隙中比在自由空间中更稀薄，那些孔隙越小，这种以太就越稀薄；我（与别人）假设这就是如下一些事件的原因：那些物体上的入射光为什么垂直折射；为什么两片磨光的金属在一个抽空了空气的容器中粘合起来；为什么活塞有时上升到玻璃管的顶部，虽然这个玻璃管有三十多英寸高；它是为什么一切物体都粘合的主要原因之一；它也是陷入停滞的水面上的小玻璃管中的水滤出和上升的原因；因此我怀疑不仅在物体的感觉不到的孔隙中，而且甚至在那些玻璃管的能感觉到的空腔中，以太都变得更稀薄；同样的本原可以引起溶媒剧烈地渗透到它们所溶到的物体的孔隙中去，因为周围的以太以及大气圈把它们挤在一起。

“3．我假设在物体之中的更加稀薄的以太和在物体之外的更加致密的以太不是终止于一个数学表面，而是逐渐长成另一个数学表面；在离物体的表面有一点距离的地方，外面的以太

开始变得更稀薄，里面的以太开始变得更浓密，在中间的空间部位，则浸透着中等的密度。”

拒

然后牛顿按照这个以太概念对光的折射、凝聚力和酸对各种物质的作用提出了一个详尽的说明。在即将结束此信时，以太按照它与固体的中心孔隙的距离在密度上逐渐分级的想法，已经明显向他提示了对重力的这个简单说明。

“我将提出一个猜测，它在我写此信时突然跳进我的心中；它是关于重力之原因的。为此我将假设以太是由细微程度不确定并相差极其微小的部分组成的；在物体孔隙中精细的以太比粗大的以太要多，但是后者又比开敞空间中粗大的以太要少；空中比较粗大的以太影响地球的上部区域，地球中比较精细的以太影响空中的下部区域，这种影响是以这样一种方式进行的，

斥了，那么随之也要拒斥这一假说：光在于通过这种媒介传播的挤压或运动。

拒斥了这样一种媒介，我们便有了希腊和腓尼基最古老、最著名的哲学家们的权威，他们使真空、原子和原子的重力成为其哲学的第一本原；不言而喻地把重力归咎于某个别的原因，而不是归咎于稠密物质。”

以致于从空中的顶部到地球的表面，又从地球的表面到地球中心，以太不可感觉地变得越来越精细。现在想象悬浮于空中或者位于地球上的任何物体，按照这个假说，由于处于物体上部的孔隙中的以太比处于物体下部的孔隙中的以太要粗大，由于粗大的以太比下面精细的以太更难射入那些孔隙中，所以它就努力离开，让位于下面更精细的以太，如果物体不下降，以给它们在上面腾出进入的空间，粗大的以太就不可能这样做。

“从以太的各个部分这种假设的逐渐精细中，可以进一步论证上述事物，而且也更容易理解它们；通过我所说的这些，你很容易辨别这些猜测是否有任何程度的可能性，那就是我的目的所在。对我来说，我对这些事物的本质还没有什么幻想，要是没有你的鼓励推动着我，我想我现在还不会提笔向你陈述这些问题。”①

在其《光学》的第二十一质疑中，这个关于重力的相当粗糙的假说又被牛顿仔细思量了一番，它采取了一种更成熟的形式，以下我们将引用《光学》中的这一片断。这些来自于牛顿早期的通信中的引文清楚地指出，在把这个以太理论应用于这些现象的详细方法上，他的建议是漂摇不定的，而且由于他那坦率承认的实验主义，他总是尝试性地、略微胆怯地提出这些建议；然而对这种媒介的存在，对用它来解决某些难题的合法性，他却没有丝毫的怀疑。对莫尔来说，没有以太精神，世界将分崩离析；对牛顿来说，如果不是寄存在以太中的活动本原对运动进行连续的补偿，那么世界就会衰弱、停滞，变得静止不动。他不曾放弃过这—希望：最终会得到一些实验证据，它们将证实或明确推翻这些专门猜测。①正是基于这一精神，而且为了达到这一目的，他提出了与《光学》相连的三十一条质疑。

对牛顿的以太假说的判断有趣地得到了《原理》的最后一段的证实。

“现在，关于遍布和隐藏在一切粗糙物体之中的某种最精细的精神，我们或许可以补充点东西；靠那种精神的力和作用，物体微粒在靠近时相互吸引，而且，如果它们接触的话，那么就会凝聚在一起；带电物体在更远的距离发生作用，它们既吸引又排斥邻近的微粒；光发生发射、反射、折射和弯曲，并烤热物体；一切感觉都被激起，动物身体的成员在意志的支配下运动，也就是说，通过这种精神的振动，沿着坚实的神经纤维，从外部感官传播到大脑，又从大脑传入肌肉。但是这一切不是用只言片语就能说清楚的，为了精确地确定和论证这种电的、弹性的精神运转的规律，我们需要提供充分的实验。”①

换句话说，这种精神的存在及其与这些现象的因果关系被认为是无疑的；唯一的不确定性——因而也就是为什么这些东西不能在《原理》中得到合适处理的理由——是至今我们还得不到表示这种弥漫媒介之运转的精确的实验定律。值得注意的是，对于在 1675 年的那封信中作出的关于以太的多方面区分，这里也没有任何暗示；以太好像被着作是一种单一的媒介。