Faculteit Letteren En Wijsbegeerte

Faculteit Letteren en Wijsbegeerte

Vakgroep Wijsbegeerte en Moraalwetenschap

Academiejaar 2005-2006

Virtuosi at Work.

Historical-philosophical Essays on Causality and Methodology in the Natural Philosophy of Galileo, Huygens and Newton.

Door

Steffen Ducheyne

Proefschrift ingediend tot het behalen van de graad Doctor in de Wijsbegeerte

{januari 2006}

Promotor: Prof. dr. Erik Weber

Contents

Prefatio: Personal Motivation……………………………………………………..………………………...- 10 -

Chapter 1: Exordium

1.1.The Problem and Its Importance

1.2. On the History and the Philosophy of Science

1.3. On the Presuppositions in This Dissertation

Pars Prima: Galileo

Introduction

Chapter 2: Modelling Uniformly Accelerated Motion: Galileo’s Methodology

2.1. Introduction

2.2. An Examination of the Propositions on Naturally Accelerated Motion

2.3. Galileo’s Methodology and The Usage of Models

2.4. Conclusion

Chapter 3: Galileo’s Interventionist Notion of ‘Cause’

3.1. Introduction

3.2. Galileo and the Occurrence of Physical Causes in his Scientific Work

3.2.1. The Emergence of “Cause” in the Discourse on Floating Bodies (1612)

3.2.1.1. Galileo’s Causal intuitions in the Discourse on Floating Bodies

3.2.1.2. A More Systematic Analysis of Galileo’s Causal Intuitions in the Discourse on Floating Bodies

3.2.2. The Causal Explanation of the Tides in the Dialogo (1632)

3.2.2.1. The Causal Intuitions in the Explanation of the Tides

3.2.2.2. A More Systematic Treatment of These Intuitions

3.3. Common Interventionist Intuitions

3.4. In Conclusion: Galileo as an Operative Scientist

Pars Secunda: Huygens

Introduction

Chapter 4: Galileo and Huygens on Free Fall: Mathematical and Methodological Differences

4.1. Introduction

4.2. Galileo’s Treatment of Free Fall

4.3. Huygens’s Treatment of Free Fall

4.4. Comparing Galileo and Huygens

Chapter 5: Galileo’s, Huygens’s, and Newton’s Understanding of Trajectories

5.1. Introduction

5.2. Galileo’s: De Motu Proiectorum

5.3. On Huygens’s Centrifugal Force

5.4. Newton’s Centripetal Account of Force

5.5. Conclusion

Pars Tertia: Newton

Introduction

Chapter 6: Mathematical Models in Newton’s Principia: A New View of the ‘Newtonian Style’

6.1. Introduction

6.2. I. Bernard Cohen’s Account of Newton’s Way of Modelling

6.2.1. The ‘Newtonian Style’

6.2.2. The Predicament of the ‘Newtonian Style’

6.3. Models in the Principia

6.3.1. The Propositions of Book I

6.3.2. Newton and “Deductions” from Phenomena

6.3.3. The Newtonian Models as Autonomous Agents

6.4. Summary and Conclusion

Chapter 7: Newton’s Notion and Practice of Unification

7.1. Introduction

7.2. Kitcher and Newton

7.2.1. Kitcher’s Views on Unification

7.2.2. A Comparison with Newton

7.2.2.1. Introduction

7.2.2.2. Newton’s Explanation of the Tides and the Motion of the Moon

7.2.2.3. Some Further Fundamental Differences

7.3. Schurz and Newton

7.3.1. Schurz’s Ideas on Unification

7.3.2. A Comparison with Newton

7.4. Newton’s Views Positively Described

7.5. Conclusion

Chapter 8: Newton and the Tradition of Regressus

8.1. Introduction

8.2. Newton’s Early Training

8.2.1. Notes from Aristotelian Works in Add. 3996 CUL

8.2.2. A Brief Note on Regressus

8.2.3. The Aristotelian Textbooks on Logic

8.3. The Effects of the Textbooks on Newton

8.3.1. Newton on Causal Explanation in Science

8.3.2. Explanation in the Principia

8.4. Conclusion

Chapter 9: Causal Explanation in Newton’s Mechanical and Optical Work

9.1. Introduction

9.2. SI Explanations

9.4. Causal Explanation in Newton’s Optical Work: SI Explanations

9.5. Permanent Causal Influences in Newton’s Mechanical Work

9.6. In Conclusion

Chapter 10: Peroratio

Bibliography

Summary (in Dutch)

In het eerste, inleidende hoofdstuk stel ik de problematiek voor die ik in dit proefschrift wens aan te kaarten in dit proefschrift, met name meer inzicht krijgen in de noties en de praktijk van causaliteit, methodologie en wetenschappelijke verklaring in de mechanica van de volgende zeventiende-eeuwse natuurfilosofen: Galileo Galilei (1564-1642), Christiaan Huygens (1629-1695) en Isaac Newton (1642-1727). In functie hiervan worden de concepten en inzichten van de hedendaagse wetenschapsfilosofie inzake causaliteit, methodologie en wetenschappelijke verklaring aangewend. De leidraad doorheen dit onderzoek is dat het bestuderen van de zeventiende-eeuwse mechanica met recente modellen uit de wetenschapsfilosofie tot nieuwe resultaten leidt. De beschrijving van de hierna volgende hoofdstukken moet verduidelijken dat dit daadwerkelijk het geval is. Maar dit is niet het enige. Er is namelijk een belangwekkend neveneffect van het toepassen en contrasteren van hedendaagse wetenschapsfilosofische modellen over causaliteit, methodologie en wetenschappelijke verklaring: er is meermaals gebleken dat mijn zeventiende-eeuwse “studieobjecten” aanvullingen, preciseringen en zelfs correcties suggereerden voor onze hedendaagse wetenschapsfilosofische modellen. Zo ontstond een wederzijdse interactietussen de zeventiende-eeuwse mechanica en de hedendaagse wetenschapsfilosofie. De hiermee verkregen dynamiek draagt, naar mijn eigen bescheiden mening, ten dele bij tot de originaliteit van mijn proefschrift. In het inleidende hoofdstuk wordt een pragmatisch standpunt ingenomen ten aanzien van het probleem van anachronistische interpretatie. Of een notie x van een zeventiende-eeuwse natuurfilosoof voldoende overeenkomt met onze hedendaagse notie x’ is een zaak die men slechts a posteriori kan uitmaken. Ik argumenteer dat men zich niet door het probleem van anachronisme mag laten immobiliseren, maar dat men duidelijk moet maken welke aspecten van een notie het zijn die men wil gaan bestuderen. Hierna wordt het proefschrift opgedeeld in drie stukken: een deel over Galileï, een deel over Huygens en een slotdeel over Newton.

Hoofdstukken 2 en 3 vormen het deel over Galileï. Hoofdstuk 2 behandelt Galileï’s gebruik van mechanische modellen; hoofdstuk 3 behandelt Galileï’s zogenaamde interventionistische notie van causaliteit. Het tweede hoofdstuk is een poging om zowel Galileï’s methodologie als zijn gebruik van mechanische modellen filosofisch te karakteriseren. Daartoe bleek de recente aanpak met “mediërende modellen”van auteurs als Marry S. Morgan en Margaret Morrison voor een uitstekend conceptueel apparaat te zorgen. De hoofdidee van deze aanpak is dat wetenschappelijke modellen een “eigen leven leiden”aangezien ze noch volledig theorie-gedreven noch volledig data-gedreven zijn. Ik analyseer vrij gedetailleerd Galileï’s proposities over vrije val uit de derde dag van de Discorsi en toon aan hoe ze adequaat kunnen worden begrepen met de aanpak met “mediërende modellen”. Hierdoor is dit hoofdstuk dan ook een belangrijke case-study voor de bovenstaande filosofische aanpak betreffende wetenschappelijke modellen. In het derde hoofdstuk poog ik een vaak genegeerd aspect van Galileï’s causaliteitsconcept en zijn methodologienaar de voorgrond te brengen. Ik toon aan dat de gangbare terminologie (ofwel Aristoteliaans ofwel afkomstig uit de scientiae mixtae) die men hanteert om Galileï’s causaliteitsconcept en methodologie te beschrijven beter wordt vervangen door een moderne terminologie, met name een interventionistische. Galileï’s interventionistisch causaliteitsconcept was een poging om een nieuwe wetenschappelijk bruikbare notie van causaliteit te introduceren. Volgens de interventionistische causaliteitsaanpak (waarvan er in de recente wetenschapsfilosofie expliciete karakteriseringen zijn; denk bijvoorbeeld aan het werk van Judea Pearl of James Woodward) ontdekt men een causale relatie tussen A en B wanneer men vaststelt dat opzettelijke en door de onderzoeker via directe interventie aangebrachte variaties in A resulteren in variaties in B – terwijl men alle andere putatieve causale factoren op dat moment isoleert en constant houdt. Ik toon aan dat deze notie expliciet aanwezig is in zowel Galileï’s hydrostatische werk als in zijn geokinetische theorie van de getijden.

Ook het deel over Huygens is opgedeeld in twee hoofdstukken. In het vierde hoofdstuk contrasteer ik Galileï’s aanpak van vrije val (die reeds besproken werd in het tweede hoofdstuk) met die van Huygens in het tweede deel van de Horologium. Ik argumenteer dat Huygens aanpak radicaal verschilt van een hypothetisch-deductieve aanpak. Huygens ideaal is namelijk dat van het axiomatisch-deductivisme. Overeenkomstig zijn methodologische classicisme geeft Huygens de voorkeur aan reductiones ad absurdum en decompositie argumenten (beiden vormeneen truc om de door Huygens gevreesde limietargumenten te vermijden). In het vijfde hoofdstuk focus ik me op Galileï’s, Huygens’ en Newtonsconceptualisatie van trajectories[1]. Galileï verdedigde een notie van circulaire inertie die hem verhinderde om in te zien dat baanbewegingen een externe kracht nodig hebben. Hij beschikte evenmin over het geschikte mathematische apparaat om zijn studie van beweging tot een nog hoger niveau te brengen (hij beperkte zich in zijn studie van beweging steeds tot de afgelegde weg in niet-infinitesimale tijdsintervallen). Huygens besefte wel het belang van infinitesimale bewegingen en tijdsintervallen en beschikte ook over het nodige mathematische apparaat om centrifugale kracht quantitatief te karakteriseren. Daarentegen stond het feit dat hij het principe van rechtlijnige inertie niet kon verzoenen met zijn vortex-kosmologie, die veronderstelde dat baanbewegingen optreden als er zich een toestand van statisch equilibrium voordoet (dit impliceert namelijk dat de circulaire component van een baan inertieel is). Het was wachten op Newton die als eerste een bevredigende oplossing voor baanbewegingen formuleerde en daarbij beschikte over de daartoe benodigde mathematische technieken.

In het derde deel komt Newtons mechanica aan bod. Dit deel bestaat uit vier hoofdstukken. Het zesde hoofdstuk handelt over Newtons methodologie. Ik argumenteer dat Newtons methodologie bestaat uit drie fasen. In de eerste fase worden modellen a priori, i.e. op basis van (1) de wetten en definities van beweging én (2) een aantal wiskundige deducties, geconstrueerd. De meer complexemodellen voorspellen dat er deviaties op Keplers wettenzullen optreden. In de tweede fase wordt er een gelijkenisrelatie verondersteld tussen die (complexe) modellen en de fysische realiteit; beiden zijn isonomothetisch en isoconceptueel. Fysische lichamen en puntmassa’s hebben verder een belangrijke eigenschap gemeen: massa. De derde fase verloopt als volgt. Aangezien er (1) voldoende gelijkenis is tussen de modellen en de fysische werkelijkheid én (2) de voorspelde deviaties ook in ons zonnestelsel worden aangetroffen, kunnen we afleiden dat de oorzaken die in de modellen worden gepostuleerd dezelfde zijn als in de fysische wereld. Deze nieuwe visie op Newtons methodologie is een serieus alternatief voor de gangbare interpretatie van I. Bernard Cohens “Newtonian Style”. In het zevende hoofdstuk staat de vergelijking met moderne opvattingen (Kitcher, Schurz, Hintikka & Halonen, Salmon) over de verhouding tussen unificatie en causale verklaring centraal. Ik argumenteer dat Newton eerder aansluit bij Salmons latere werk (1998) waar unificatie wordt bereikt door het identificeren van causale processen. Het bestuderen van Newtons unificatie in de Principia inspireerde mij tot kritiek op de visies van Kitcher, Schurz en Hintikka & Halonen. In het achtste hoofdstuk toon ik aan dat mijn causale interpretatie zoals die uitgewerkt wordt in het zesde en zevende hoofdstuk daadwerkelijk historisch kan onderbouwd worden. Bij het doornemen van de catalogus van Newtons bibliotheek, merkte ik de aanwezigheid op van een aantal Aristoteliaanse logicaboeken. Ook in deze werken werd “de” wetenschappelijke methode (“methodus”) behandeld. In vele van deze gevallen wordt ruwweg een onderscheid gemaakt tussen de fase van analyse (het ontdekken van principes) en de fase van synthese (het toepassen van die principes op nieuwe domeinen, entiteiten). Verder wordt in een aantal van deze boeken de methode van regressus (moderne terminologie: abductie) besproken als valabele redeneertechniek in de natuurfilosofie. Ik argumenteer dat beide aspecten een invloed hebben uitgeoefendop Newton. Beiden zijn bijvoorbeeld prominent aanwezig in de Principia maar duiken ook op in TheOpticks. In het negende hoofdstuk, argumenteer ik dat de causaliteitsconceptie in Newtons optische werk grondig verschilt van zijn causaliteitsconceptie in zijn mechanische werk. Bij de eersteis die causaliteitsconceptie gebaseerd op structurele interacties: prismatische verschijnselen worden veroorzaakt door de interne structuur van licht (dat bestaat uit een bundeling van verschillende stralen met een eigen refractie-index) en de interactie hiervan met een prisma. In zijn mechanische werk vindt men typisch causaliteit die gebaseerd is op tegenfeitelijke afhankelijkheden (Newtons tweede wet laat toe zo te redeneren dat, wanneer een lichaam geen eenparig rechtlijnige beweging beschrijft, er een externe kracht op het desbetreffende lichaam moet inwerken).

In het slothoofdstuk zet ik resultaten die ik doorheen mijn proefschrift bereikte nog eens op een rij en reflecteer ik even over de relatie tussen wetenschapsgeschiedenis en wetenschapsfilosofie. Ik meen dat ik de voorafgaande doelstellingen heb gerealiseerd, met name aantonen dat (1) het combineren van wetenschapsgeschiedenis en wetenschapsfilosofie tot zowel nieuwe wetenschapshistorische als wetenschapsfilosofische inzichten kan leiden en dat (2) deze inzichten ons beeld van bovenstaande natuurfilosofen diepgaand kunnen wijzigen.

[1]Ik hanteer de term “trajectorie” aangezien ik dit onpopulaire woord de meest economische en adequate term vind. Een alternatief zou “de baan van een zich bewegend punt” of iets dergelijks zijn (zie Geerts & den Boon, 1999, Vol. III, p. 3486).