笛卡爾與《氣象學》

楊萍（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

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笛卡爾與《氣象學》

楊萍
（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

摘要：笛卡爾的著作《氣象學》一書第一次打破了亞里士多德維持了近兩千年的氣象學體系，具有開創性的意義。本文系統梳理了《氣象學》的主要內容和重要觀點，重點介紹了笛卡爾在物質假說、降水、云、風、虹等方面的認識，并圍繞笛卡爾的科學研究思想談了幾點思考，希望能給從事科學研究及氣象科技史研究的學者提供一些參考。

關鍵詞：笛卡爾，氣象學，方法論，天氣現象

0　引言

勒內?笛卡爾（Rene Descartes，1596—1650年），法國著名的哲學家和科學家。他最為人知的論斷“我思故我在”開創了嶄新的哲學時代，其形而上學的思想至今仍舊在哲學史上存在著范圍甚廣和持久的影響。但是，笛卡爾的個人成就遠非如此。除了哲學上的貢獻外，笛卡爾在自然科學方面的成就令后人景仰：他改變了人們關于世界的概念，第一個提出了運用少數幾條基本法則來理解所有物理變化的觀念，并將其運用到多個領域的研究中；他建立了高等數學的重要基礎，是解析幾何的發明者；他發明了現代數學求解方程中常用未知量的表示，創立了表示數字的立方和高次冪的標準符號；他的機械唯物論把物理學與形而上學完全分開，創立了著名的“動量守恒定律”；他在34歲時完成《世界》一書的手稿，他的《屈光學》確立了光的折射與光所穿越的介質密度的關系。笛卡爾具有令人吃驚的創造性思維，敢于向他所處的時代占統治地位的成見和權威發起挑戰，并與弗蘭西斯?培根（Francis Bacon）齊名被稱為近代科學史上兩位“偉大的旗手”[1-3]。

氣象學作為一門年輕的科學，其發展歷史尚未得到足夠的重視。關于笛卡爾在氣象科學發展歷程中的突出貢獻關注甚少。笛卡爾在1937年第一部公開出版的著作為《談談方法》、《氣象學》和《屈光學》、《幾何學》三篇論文作為《談談方法》的附錄一同出版。盡管《談談方法》正文已有多位學者將其譯為中文[3]，但附錄《氣象學》一直尚未見其中文版，僅僅在劉昭民所著的《西洋氣象史》中部分談及了笛卡爾的氣象學觀點[1]。有關笛卡爾的其他參考資料中，對其氣象學觀點的介紹通常是淺嘗輒止。事實上，笛卡爾打破了亞里士多德維持了近兩千年的氣象學體系，建立了一種簡潔一致的解釋方法來研究大氣中各種自然現象，讓氣象學開始成為一門真正意義上的科學。可見，笛卡爾的《氣象學》這本著作值得氣象科技史的學者們進行深入研究。

本文在概述笛卡爾的生平和其對氣象領域貢獻的基礎上，簡要介紹《氣象學》這本著作的完成背景和章節，重點圍繞物質假說、降水、云、風、虹等方面介紹了笛卡爾在這些領域方面的認識和觀點，力圖歸納和總結出笛卡爾在氣象學方面的成就和貢獻，為后人提供借鑒和參考。

1　笛卡爾及對氣象學領域的貢獻

1.1笛卡爾的生平簡介

笛卡爾是17世紀法國著名的哲學家和科學家。他出身貴族，卻對政治沒有興趣，致力于對新科學的研究和探索。笛卡爾少年時代非常好學，就讀于歐洲最著名的學校拉?弗來施（La Fleche）公學，攻讀語文、歷史、文學、神學、哲學、法學、醫學等眾多古典學科，并大量閱讀多個領域的書籍，博覽眾書的學習積累是笛卡爾批判思考世界的原動力。成年后，笛卡爾放棄書本教條，收集各種經驗，并輔以理性思考去認知世界。他在1618年以紳士志愿兵的身份加入了荷蘭莫里斯親王的軍隊，并投入大量時間從事科學研究。1649年，他到瑞典為女王授晨課，由于無法適應當地的生活，因肺炎于1650年離世。笛卡爾偏愛新科學，認為只有科學才能給人類帶來幸福。作為近代史上眾多的科學家之一，笛卡爾不是多產的學者，從他第一部作品問世（1637年）到最后一部著作出版（1649年）一共只經歷了十二年的時間，然而，他為物理學、數學、光學、氣象學等多個自然科學領域做出了許多惠及后人的貢獻[5-8]。

1.2笛卡爾對氣象學的貢獻

從古希臘亞里士多德時代到17世紀的兩千年之間，氣象學的發展極為緩慢，亞里士多德的《天象論》在中世紀被視為神明經典，極大束縛了中世紀學者以觀察和實驗探究氣象科學的嘗試。中世紀后期，哥白尼提出了“日心說”，伽利略借助于自制的觀測儀器為哥白尼的天文學觀點做辯護，開普勒繼承和發展了哥白尼的行星天文學，這些成就盡管還不能和17世紀的科學革命相提并論，但對于推動科學革命的到來功不可沒。在這一時代背景下，對新科學進行研究的要求越來越迫切，于是在大氣科學領域，出現了笛卡爾這樣一位具有劃時代意義的科學家。

笛卡爾對于氣象學的貢獻突出：首先，他近乎完全擺脫了亞里士多德《天象論》的束縛，使氣象學成為了具有科學性質的一門學科；其次，笛卡爾創立了一個全面的新理論——機械唯物論，其核心思想“通過觀察收集材料，再總結成能夠理解的理論體系”在氣象學的分析中得到了充分的體現，為氣象學的研究打開思路；再次，笛卡爾追求化復雜為簡單的研究思路，他所撰寫的《談談方法》成為其進行氣象學研究的原則與規范，至今仍有很多值得后人學習和借鑒之處。

2　《氣象學》簡介

2.1《氣象學》的撰寫背景

在撰寫《氣象學》之前，笛卡爾曾經著手撰寫著作《世界》，并于1633年前后完成定稿，希望勾勒出一種能解釋所有自然現象的統一學說。但是，由于該書闡述的日心說等理論超越了他所處的時代，并被教會壓制，因此，《世界》這部作品直至笛卡爾死后才得以出版。慶幸的是，該書的諸多觀點在《談談方法》（1637年）中得以體現。

1637年以前，笛卡爾先后完成了《屈光學》、《幾何學》和《氣象學》這三部作品，在此基礎上，笛卡爾撰寫了一本關于方法論的著作《談談正確運用自己的理性在各門學問里尋求真理的方法》（簡稱《談談方法》），這四部作品在1637年合并為一本書出版，《談談方法》作為正文，《氣象學》等其他三部作品以附錄的形式呈現[3]。從《氣象學》的內容來看，《世界》一書中的一些假說在這本書中得以體現。值得一提的是，《談談方法》正文中提到了認識客觀世界的四條基本原則，在《氣象學》一書中有不少體現。這四條原則為：第一，要盡量避免輕率判斷，即使對待權威說法也要保持懷疑的態度；第二，遇到復雜問題時，可以把它分解為一系列簡單的問題；第三，要按照次序認識并解決系列問題，逐步回溯到原始的復雜問題；第四，要盡量全面細致地考慮問題，確信準確無誤[2]。

2.2《氣象學》的章節簡介

《氣象學》一書分為十講，第一講討論了陸地上關于物質的本質，提出了物質假說理論，第二講討論了蒸汽和其他蒸散物（exhalations），第三講論鹽的特性及形成原因，第四講討論風的屬性，第五講討論云的形成，第六講討論與降水相關的雪、雨、雹等自然現象，第七講圍繞風暴、閃電以及其他空中燃燒的火焰展開論述，第八講利用光學原理討論彩虹的特性和形成機理，第九講圍繞著云的顏色、暈等自然景觀展開論述，第十講談了假日現象及形成原因。通觀全書，笛卡爾將物質假說理論運用到對各種自然現象的解釋中去，本文將重點介紹該理論對于風、云、降水等常見自然現象的解釋，笛卡爾還提出了光學原理，并將其運用到虹、暈、假日等現象的解釋中去，本文將以彩虹現象的研究為代表介紹其光學原理的主要觀點[4]。

3　《氣象學》的重要觀點[4]

3.1物質假說理論

在《氣象學》開篇，笛卡爾便提出了物質假說理論。他認為，僅考慮物質構成的形狀和組成，水、空氣、土等物體都可以看作由不同形狀、大小、排列不規整的物質構成，并推導了固體和液體的形成過程。他認為，當這些物質相互纏繞和交叉成籬笆狀時，便形成諸如土、木頭等固體，當這些物質并未交錯而只是簡單組合，以致于稍一運動就會分開，便形成了比較稀薄的液體，比如水或油。在解釋光的傳播時，笛卡爾設想出一種感官無法感知的精微物質（fine material），這些精微物質可以沿任何方向做直線運動，能夠散布于液體和固體極其細小的氣孔（pore）中，這種物質產生的熱量與受太陽激發的程度成正比。在這樣一個假設下，他解釋了為何人覺得夏季比較熱、為什么白天比夜晚暖和、為什么離赤道越近就越熱等問題。

在提出物質假說的基礎上，笛卡爾解釋了蒸汽的產生原理。他認為，物質在物體的氣孔中運動，促使物體的一部分與整體相脫離，并上升到空氣中形成蒸汽。基于蒸汽的解釋理論，他還進一步解釋了為什么在暖季或中午的湖水比多云或冷季時干涸得更快；還解釋了為什么冬季人們能夠看到哈氣而夏季卻不能看到。此外，笛卡爾提出了蒸散物（exhalations）的概念，他認為蒸散物比蒸汽呈現出更多的形態，因為蒸散物的組成物質更加多樣和變化。

除了利用物質假說理論解釋蒸汽和蒸散物的形成外，笛卡爾對海洋中的鹽分也進行了詳細的闡述和研究。他認為，鹽是由長而硬的物質組成的，在水中不會蒸發，因為鹽太重，所以不能輕便地懸浮在空中；用沙子過濾能夠提取海水中的鹽，因為沙子的物質只能讓水物質通過，而攔截了長而硬的鹽物質；鹽水要明顯重于清水，因為組成鹽水的物質更厚更重，能夠在更小的空間中進行組合。此外，他還利用物質假說理論討論了為什么鹽和雪在一起會容易融化，而水和碎冰在一起卻會成為冰，以及為什么赤道地區海水的含鹽量要大于極地等問題。

3.2對風的認識

笛卡爾對于所有自然現象的解釋幾乎都是在物質假說理論的前提下展開的。他認為風是因為是受到多種物質的影響所產生的現象。例如，大吼大喊或者輕微扇動就能強迫空氣的流動，從而產生風。他認為更加強烈的風一般是來自于海面或地表上升的蒸汽運動，甚至還設計了一個裝入少量水的空心球（被稱為汽轉球），用此模型來理解和解釋自然界存在的風。

對于風的性質，笛卡爾做了大量和仔細的觀察，并對自己所觀察到的現象逐一加以解釋。

他提出東風比西風更干更潔凈，是與西風逆行于蒸汽自東向西運動的慣性相關；白天盛行猛烈干冷的北風，是因為在赤道地區有更多的蒸汽升至空中，北方相反，并受到更多外力，迫使物質更容易向各個方向運動；他還解釋了為什么白天盛行吹海風，那是因為受太陽照射后，海洋蒸發的水汽比在陸地多，而陸地在很多地方干旱而不能提供如此多的水汽。類似地，他解釋了為什么春季尤其是三月份的風是所有季節中最干的，還解釋了南風一般盛行于夜間且輕緩、潮濕的原因。

3.3對云的認識

笛卡爾認為蒸汽不僅產生了風，也是產生云的根本原因。當蒸汽在擴散過程中越來越不透明時，如果向地表擴散就形成霧，如果蒸汽繼續抬升，就會形成云。促使蒸汽越來越不透明的主要原因是構成蒸汽的細小微粒受外力作用后，與其他微粒足夠近直至碰撞后，會聚集成小水滴或小冰片，因此云層是由這些聚集成的小水滴或小冰片組成的。除非受到風的影響，那些小水滴的形狀一般呈現圓形，如果他們的體積增大到空氣無法支撐時，就會快速地降落到地面形成雨，如果周圍的空氣不夠暖和，無法溶解水滴的凍結，就形成了雪。

笛卡爾解釋了為什么云所處的高度存在不同。他認為，云一般是在有風的過程結束之后形成。云能夠在距離地面不同高度形成，出現錯落有致的堆疊，這主要取決于蒸汽在上升過程中發生聚合所用的時間。這種情形在山區更容易出現，因為山區對蒸汽的熱力抬升作用更為復雜。對于相對更高的云，那里的空氣更加寒冷，遇冷結冰的可能性更大，因此，高處的云往往由細長的小冰片組成。

此外，笛卡爾還研究了云的形狀。他認為，天氣平靜且少風的情況下，云的形狀一般會不規則、不均勻。如果蒸汽在上升中遇到了幾股強烈的陣風，風受阻被迫形成漩渦，從而蒸汽受到了來自不同方向的均衡外力，此時云的形狀就較為統一。如果風因受到太陽熱或其他原因比較溫暖，那么云在形成中需要一個將小冰粒包裹起來的外殼，此時形成的云往往會更加厚重和巨大。

3.4對降水的認識

笛卡爾認為，降水非常復雜多變，其不確定因素很大，因此人類很難準確地進行降水的預測，這個觀點即便今天來看，仍舊是了不起的結論。

笛卡爾利用物質假說理論，解釋了雨、雪、雹的形成。他認為，在風、流動的空氣等外界因素的作用下，云層里最高層的小冰片會首先下降，在降落途中顆粒間的相互吸引使其變大變重，當他們降落到地面尚未來得及溶解，便形成雪，如果冰片在溶解過后，遇到了冷風使其再次凝凍，便形成了雹。如果周圍空氣比較溫暖，冰片被溶解成小水滴，當水滴的體積增大的空氣不能夠支持時，抑或水滴下方的空氣發生收縮，再或水滴上方的空氣壓迫，就會形成雨降落在地面。關于降水強度，笛卡爾做了進一步分析，他認為水滴下方空氣收縮所造成的降水一般非常弱，有時甚至形成不了降水而只是下了一場霧；但是，如果是上方空氣壓迫云發生下沉，那么往往會形成大雨。此外，在悶熱的夏季，有時候還未看到云過來就有降水落下，這主要是由于別處的風與空氣中大量水汽作用的結果。

在雹的研究中笛卡爾非常重視觀察。他在《氣象學》一書中詳細介紹了在1635年2月4日發生的一次雹事件，他觀察到最初的雹顆粒非常微小，而后在冷風的作用下變大，并產生了類似齒輪一樣的六角冰雹。他認為，六角形冰雹是空氣中的熱量、蒸汽、強風相互作用后形成的一個產物。關于雹為何會有不同的形狀，笛卡爾這樣解釋，雹形狀的不同和形成過程相關：當遭遇冷風，使得下降的水滴迅速凝結，這時容易形成透明的圓形冰雹；當正在融化的雪片遭遇冷風，還沒有形成圓形的水滴便被冰凍，便形成了形狀不規則的雹。

3.5利用光學原理認識虹等自然現象

笛卡爾對于光學現象的研究起源于沙因奈爾（Christopher Scheiner）1629年夏天在羅馬附近觀察到了一種幻日現象。笛卡爾對此抱有了極大的興趣，并著手研究光學的原理。他提出了一種理論：最高云層由冰片和雪組成，風融化并凍結了它們，形成了堅硬的、透明的冰環，其功效如透鏡，產生了假日現象。這種解釋聽起來非常荒謬，但是，正是通過對幻日現象的深入追尋，笛卡爾才開始了對光的研究。他吸收了阿爾海森（Alhazen）和開普勒（Johanns Kepler）光學著作的精華，利用物質假說理論解釋光的現象，勾勒了光的形成原理，并闡釋了反射和折射定律。

利用光學原理解釋各種自然現象的論述中，笛卡爾關于虹的解釋是最為全面和詳盡的。他認為，當空氣中大量的水汽被陽光照射后，進入人們的眼睛，便形成了虹。這種自然現象不一定在遙遠的天空中發生，也可能是在很靠近人們的地方形成。他還指出，虹是一種弧形，圓形水滴的尺寸并不能改變虹的弧度，并用圖形解釋了虹形成的光學原理（圖1）。對于虹的形成原因，笛卡爾通過復雜的計算和對幾何圖形的分析得到，虹主要是通過光線的兩次折射和一次反射進入眼中，還有部分是通過光線的兩次折射和兩次反射進入眼中。此外，笛卡爾還指出，雖然彩虹呈現出紅、黃、藍等不同的顏色，但這些顏色形成的機理是相同的。由于笛卡爾掌握了反射、折射等光學原理，盡管他還不能說明彩虹的顏色為什么如此排列，但他對虹的成因分析與起亞里士多德時代相比，已經稱得上是科學。

4　總結

從笛卡爾《氣象學》這本專著中，我們能夠看到，笛卡爾對氣象學及自然科學領域的貢獻巨大。首先，笛卡爾非常重視觀測和實驗。17世紀開始，自然科學的研究開始全面注重觀測和實驗，笛卡爾便是最早從事氣象觀測的先鋒之一。笛卡爾在《氣象學》一書中對降水、云、風、虹等多種天氣現象進行了詳細的描述，這些觀測事實得益于他制造并使用了大量的觀測儀器。其次，笛卡爾建立了一套假說（物質假說理論），用于解釋各種自然現象。能夠通過觀測從千變萬化、看似毫無關聯的自然現象中找出共性，化繁為簡，盡管解釋結果存在偏差，但是，笛卡爾這種科學的研究方法已經遠超過了他所處的時代，即便到今天仍舊值得后人借鑒。第三，笛卡爾嘗試多學科的相互融合。笛卡爾在氣象學中值得后人稱道的工作之一是對于彩虹的成因分析，與亞里士多德時代關于虹分析的最大不同是笛卡爾引入了光學的原理、運用反射和折射定律來解釋虹，從而使其分析和研究結果具有了科學的意義。

圖1　彩虹形成的光學原理[4]Fig.1　Rainbow diagram

笛卡爾是世界科學史上的著名人物，是一位具有遠見卓識的思想家，盡管人們對其貢獻的評價多種多樣，但是，值得肯定的是，笛卡爾在氣象學中的諸多觀點給后人的研究提供有價值的參考，同時，其創造性思維、挑戰權威、否定和懷疑真理的科學精神也值得繼承和發揚。

致謝:衷心感謝中國氣象局許小峰研究員及兩位評審專家對本文撰寫過程中給予的指導和幫助。

參考文獻

[1]劉昭民.西洋氣象史.臺灣:中國文化大學出版部,1981.

[2]楊萍,葉夢姝,陳正洪.氣象科技的古往今來.北京:氣象出版社,2014.

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[4]Descartes R.Discourse on Method,Optics,Geometry,and Meteorology.Olscamp P J.Indianapolis:Bobb-Merrill,1965

[5]王洋.笛卡爾科學及其哲學之間的關系問題研究.上海:華東師范大學,2012.

[6]蒙虎.十七世紀西方數學的自然哲學背景.西安:西北大學,2003.

[7]周曉亮.直覺與演繹：笛卡爾的方法論選擇及其困境.云南大學學報:社會科學版,2004,4(1):3-10.

[8]湯姆·索雷爾.笛卡爾.李永毅,譯.南京:譯林出版社,2014.

Descartes and the Meteorology

Yang Ping
(China Meteorological Administration Training Centre,Beijing 100081)

Abstract:The Meteorology which Descartes wrote beat the meteorology system which had lasted for two thousand years by Aristotle in the first time,and has an initiating significance.This paper combed through the views of Meteorology,focusing on the areas of metaphysical theory,rain,cloud,wind,rainbow and so on,and makes reference of the ideas of Descartes,in order to offer some help for the study of meteorological history.

Keywords:Descartes,meteorology,methodology,weather phenomenon

收稿日期：2015年8月14日；修回日期：2016年1月4日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.008

第一作者：楊萍（1981—），Email:zz96998@163.com

資助信息： 中國氣象局“氣象科技史研究”項目；國家自然科學基金(41375069）