論視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)對(duì)牛頓的影響
——以牛頓建立萬(wàn)有引力定律為例

呂仕儒

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

論視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)對(duì)牛頓的影響
——以牛頓建立萬(wàn)有引力定律為例

呂仕儒

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

艾薩克·牛頓于1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，囊括了那個(gè)時(shí)代力學(xué)和天文學(xué)方面的主要成就，統(tǒng)一地說(shuō)明了橫跨40個(gè)數(shù)量級(jí)的質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)，他所建立的力學(xué)理論至今仍然可以說(shuō)是物理學(xué)理論中最基本、有效和優(yōu)美的部分。特別是萬(wàn)有引力定律的建立，實(shí)現(xiàn)了地面上物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律與天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)一，對(duì)自然科學(xué)理論的發(fā)展產(chǎn)生了極大的影響和作用。同時(shí)，作為最偉大的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家，牛頓的哲學(xué)思想和科學(xué)思維方法對(duì)后人同樣產(chǎn)生著舉足輕重的影響，文章從視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)的角度對(duì)牛頓的思維特征進(jìn)行了分析和探討。

牛頓；思維特征；方法論

牛頓（Isaac Newton，1643-1727），作為一個(gè)有創(chuàng)建的科學(xué)家，在從事自然科學(xué)研究工作當(dāng)中，具有自發(fā)的唯物主義和辯證法思想。他承認(rèn)物質(zhì)的客觀性和世界的物質(zhì)統(tǒng)一性；承認(rèn)空間、時(shí)間的客觀性；承認(rèn)自然界各種事物之間的聯(lián)系和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。牛頓力學(xué)體系的建立，成為機(jī)械唯物主義自然觀的重要自然科學(xué)基礎(chǔ)之一，它對(duì)人類(lèi)的思想和文明產(chǎn)生了深遠(yuǎn)而廣泛的影響。那么視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)的提示對(duì)牛頓的這些成就的取得有什么幫助呢?本文對(duì)此做一簡(jiǎn)單分析。

首先，牛頓是一位懷有深厚數(shù)學(xué)情結(jié)的科學(xué)家，堅(jiān)信整個(gè)自然界是“用數(shù)學(xué)語(yǔ)言寫(xiě)成的”，正因如此，才把他的代表性著作命名為《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。他說(shuō)：“我們奉獻(xiàn)出這部著作，把它作為哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。因?yàn)楦鶕?jù)在第一冊(cè)中已經(jīng)得到數(shù)學(xué)證明的命題，我們便能從天體現(xiàn)象推出把物體吸向太陽(yáng)和幾顆行星的引力。然后，從這些引力中，通過(guò)其他命題，我們推出了行星、彗星、月球和海洋的運(yùn)動(dòng)。我希望我們可以用同樣的推理，從力學(xué)原理中推出其余的自然現(xiàn)象；因?yàn)槲矣性S多理由猜測(cè)這些自然現(xiàn)象可能全部取決于某些力，物體的質(zhì)點(diǎn)就靠了這些力，由于一些迄今未知的原因，相互吸引而凝聚成為有規(guī)律的形狀，或者相互排斥而彼此離散。這些力既然未知，因此哲學(xué)家們對(duì)自然的探求至今仍然徒勞無(wú)功，但是我希望我在這里提出的原理能有助于闡明這個(gè)或某個(gè)比較合乎真理的哲學(xué)方法”[1]。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的中心內(nèi)容之一，論述了牛頓在數(shù)學(xué)上的偉大創(chuàng)造-微積分術(shù)，并且應(yīng)用其去解決天體運(yùn)動(dòng)和其他相關(guān)物理問(wèn)題。愛(ài)因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）說(shuō)：“只有微分定律的形式才能完全滿(mǎn)足近代物理學(xué)家對(duì)因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一”[2]。牛頓認(rèn)為：“數(shù)學(xué)家的任務(wù)就是要找出這種正好能使一個(gè)物體在一定軌道上以一定速度運(yùn)行的力，并且反過(guò)來(lái)要確定從一定地點(diǎn)以一定速度發(fā)射出去的一個(gè)物體，由于一定的力的作用偏離其原有直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入的那條曲線(xiàn)路程”[2]。因此，牛頓把物體的運(yùn)動(dòng)定律表達(dá)成了嚴(yán)格的、能用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)公式描述的關(guān)系。根據(jù)這些公式，再加上初始條件，就可以準(zhǔn)確地確定體系以往和未來(lái)某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。牛頓的這種運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來(lái)系統(tǒng)地整理物理理論的方法，為后來(lái)各種物理學(xué)理論體系的建立樹(shù)立了一個(gè)典范。但是，牛頓卻由此也提出了一個(gè)機(jī)械決定論的命題，認(rèn)為一切自然現(xiàn)象“都是某些力相聯(lián)系著的”。他的這個(gè)觀點(diǎn)，對(duì)以后200多年自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。那么像牛頓這樣崇尚理性的人對(duì)待非理性因素的態(tài)度又如何呢?

其實(shí)，在認(rèn)識(shí)論和方法論方面和笛卡兒學(xué)派強(qiáng)調(diào)理性以及演繹的作用相比，牛頓更推崇感性和歸納的作用。牛頓說(shuō)：“自然哲學(xué)的目的在于發(fā)現(xiàn)自然界的結(jié)構(gòu)和作用，并且盡可能把它們歸結(jié)為一些普遍的法則和一般的定律--用觀察和實(shí)驗(yàn)來(lái)建立這些法則，從而導(dǎo)出事物的原因和結(jié)果”[2]。而觀察和實(shí)驗(yàn)就離不開(kāi)視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)的提示和啟發(fā)。譬如，萬(wàn)有引力定律的建立，雖然沒(méi)有史料可以證明，牛頓最初的靈感肯定就是由蘋(píng)果落在頭頂上引發(fā)的；但是，我們也沒(méi)有根據(jù)說(shuō)牛頓沒(méi)有思考過(guò)類(lèi)似蘋(píng)果落地的問(wèn)題。據(jù)前不久英國(guó)皇家學(xué)會(huì)為紀(jì)念成立350周年，在網(wǎng)站上公布了7份歷史文獻(xiàn)手稿，其中有一份記錄了真實(shí)的關(guān)于“牛頓與蘋(píng)果樹(shù)”的故事：牛頓的好友、與其同時(shí)代的物理學(xué)家斯蒂克利在《牛頓一生回憶錄》中寫(xiě)到“吃過(guò)飯后，由于天氣暖和，我們來(lái)到花園，在幾棵蘋(píng)果樹(shù)下的陰涼處喝茶。在眾多話(huà)題中，牛頓告訴我，先前‘萬(wàn)有引力’思想開(kāi)始在他腦海里浮現(xiàn)時(shí)恰好也是這樣的情形?！薄爱?dāng)時(shí)他正在冥思苦想，突然一個(gè)蘋(píng)果從樹(shù)上掉下來(lái)。他想：為什么那個(gè)蘋(píng)果要垂直向下落到地面上?為什么它不斜著下落或飛到天上，而是始終朝著地心的方向?毫無(wú)疑問(wèn)，原因就是地球在吸引它”[2]?？梢?jiàn)，牛頓的這種想法是在一瞬間完成的，也就是說(shuō)通過(guò)“頓悟”的方式完成的，屬于直覺(jué)思維。我們知道，頓悟是不可能憑空產(chǎn)生的，是一個(gè)人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)一個(gè)問(wèn)題的苦思冥想后、在某種適宜的誘發(fā)環(huán)境條件下突然產(chǎn)生的對(duì)目標(biāo)物的本質(zhì)的一種領(lǐng)悟和把握。這也就是所謂的視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)的提示。其實(shí)在牛頓之前英國(guó)科學(xué)家羅伯特·胡克（Hooke Robert 1635-1703）關(guān)于萬(wàn)有引力就提出過(guò)三條假設(shè)：一是一切天體都有傾向自身中心的吸引力，這種力又作用于其他天體。二是作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的任何天體，在沒(méi)有受到其他作用力使其偏斜之前，繼續(xù)保持直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)不變；受到其他力的作用時(shí)，它的直線(xiàn)軌道就會(huì)傾斜，沿橢圓、正圓軌道或某種復(fù)雜的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。三是物體離吸引中心越近，所受到的吸引力就越大。所以，英國(guó)科學(xué)史家貝爾納（J.D.Bemal，1901-1971）甚至認(rèn)為，萬(wàn)有引力基本概念的提出應(yīng)該屬于胡克。也就是說(shuō)胡克的這種觀點(diǎn)對(duì)牛頓最終明確提出萬(wàn)有引力概念是應(yīng)該產(chǎn)生了一定影響的。甚至我們可以設(shè)想這樣一種情景：牛頓飯后一邊散步一邊在考慮天體之間的相互作用問(wèn)題，突然看到一個(gè)蘋(píng)果從身邊的蘋(píng)果樹(shù)上落了下來(lái)，正是蘋(píng)果下落的這一清晰畫(huà)面，使得這一令他長(zhǎng)期思考而又遲遲不得其解的難題，一下子豁然開(kāi)朗了。按照阿恩海姆（Rudolf Arnheim，1904-2007）的觀點(diǎn)，思維是離不開(kāi)知覺(jué)的，而視知覺(jué)更能幫助思維創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。牛頓從蘋(píng)果落地導(dǎo)致萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是對(duì)阿恩海姆的這種觀點(diǎn)的有力支持。至于后人說(shuō)牛頓看到樹(shù)上的蘋(píng)果熟了會(huì)落向地面，他想如果假設(shè)蘋(píng)果樹(shù)長(zhǎng)得很高，蘋(píng)果還會(huì)落地嗎?牛頓認(rèn)為當(dāng)然會(huì)，牛頓進(jìn)而又想，如果蘋(píng)果樹(shù)長(zhǎng)得像月球那樣高，蘋(píng)果還會(huì)落向地面嗎?答案似乎也應(yīng)當(dāng)如此?？墒牵铝翞槭裁床幌裉O(píng)果落地呢?于是，牛頓又想到物體的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，如果用繩子一端系著石頭，而另一端抓在人的手中，讓石頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這時(shí)如果放開(kāi)手，石頭就會(huì)沿著直線(xiàn)飛出去，不再作圓周運(yùn)動(dòng)?？磥?lái)要讓石頭繞著手作圓周運(yùn)動(dòng)就必須讓它獲得一定的速度，同時(shí)用繩子給它一個(gè)拉力，那么聯(lián)系地球和太陽(yáng)的這根“繩子”是什么呢?這些細(xì)節(jié)可看做是后人對(duì)牛頓視覺(jué)化思維的一種梳理。而從《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》和牛頓的聲明中確實(shí)可以看出，牛頓通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在地面很高的范圍內(nèi)，重力的大小變化不明顯，于是他想：重力的作用是否能夠延伸到月球所在的高度呢?如果答案是肯定的，月球?yàn)槭裁床辉谥亓ψ饔孟孪虻厍驂嬄淠?為此他設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，他說(shuō)："如果從山頂用彈藥以一定的速度把一個(gè)鉛球平射出去，那么它將沿著一條曲線(xiàn)射到兩英里以外才落到地面；如果能消除掉空氣阻力，而且發(fā)射速度增加到兩倍或十倍，那么鉛球的射程也會(huì)增加到兩倍或十倍。而且用增加發(fā)射速度的辦法，我們可以隨意增加其射程，并同時(shí)減少它所畫(huà)的曲線(xiàn)的曲率，使它終于在十倍，三十倍或九十倍遠(yuǎn)的距離處落到地面，或者甚至可以使它在落地以前繞地球一轉(zhuǎn)；或者最后，也可以把它發(fā)射到空中去，在那里繼續(xù)運(yùn)動(dòng)以至無(wú)窮遠(yuǎn)不落到地面?！坝纱丝梢?jiàn)，和伽利略一樣，牛頓的推理同樣是在視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上借助形象化的圖像完成的。此外，他的證明絕對(duì)空間和運(yùn)動(dòng)的“水桶實(shí)驗(yàn)”；他的關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“微粒說(shuō)”等等都是如此[3-5]。

歸納是從現(xiàn)象出發(fā)的，在對(duì)現(xiàn)象的觀察當(dāng)中，通過(guò)“意象”來(lái)提升事物的屬性，也就是說(shuō)是在視覺(jué)化的經(jīng)驗(yàn)圖景的提示下完成的。阿恩海姆應(yīng)用亞里士多德的話(huà)就是：“沒(méi)有形象的呈現(xiàn)，就沒(méi)有理智活動(dòng)”。可見(jiàn)，和絕大多數(shù)科學(xué)家們一樣，無(wú)論牛頓對(duì)數(shù)學(xué)懷有多么深厚的情結(jié)，而在科學(xué)理論的建立中仍然無(wú)法與來(lái)自經(jīng)驗(yàn)的物理圖景開(kāi)來(lái)。

[1]（美）愛(ài)德文·阿瑟·伯特.近代物理科學(xué)的形而上學(xué)基礎(chǔ)[M].徐向東譯.北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[2]呂仕儒.視覺(jué)化經(jīng)驗(yàn)與物理學(xué)理論的建立[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2011.

[3]張瑞琨.近代自然科學(xué)史概論[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1986.

[4]吳宗漢，周雨青.物理學(xué)史與物理學(xué)思想方法論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[5]林德宏.科學(xué)思想史[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[6]（美）魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ?視覺(jué)思維[M].滕守堯譯.北京：光明日?qǐng)?bào)出版社，1987.

Discussion on I nfluence of Visual E xperience to New ton

LüShi-ru
（School of Physical Science and Electronics，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

Isaac Newton＇s Mathematical Principles of Natural Philosophy，which published in 1687，contained main scientific achievements of thatage，stated uniformlymovementofmasswhich stretches across forty orders ofmagnitude.Themechanics theory Newton built can still be recognized as themost fundamental，effective and beautiful part in physics theory.Particularly the foundation of the Law of universal gravitation broughtabout the uniform of things＇movement rule on the ground and astronomical objects＇movement rule，influenced heavily on the developmentof natural scientific theory.Meanwhile，Newton＇s philosophical thoughts and methods of scientific thinking generated great influence on later generations，the author analyses and discussed Newton＇s thinking characteristics from the pointof visual experience in the article.

Newton；thinking characteristics；methodology〔責(zé)任編輯 李?！?/p>

O4-09

A

1674-0874（2012）03-0094-03

2012-04-28

呂仕儒（1963-），男，山西懷仁人，碩士，副教授，研究方向：物理學(xué)思想史。

book=96,ebook=101