關(guān)于牛頓的科學(xué)創(chuàng)新理論的探析

馬　濤

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關(guān)于牛頓的科學(xué)創(chuàng)新理論的探析

馬濤

【摘 要】牛頓在科學(xué)上的巨大成就連同他的樸素的唯物主義哲學(xué)觀點(diǎn)和一套初具規(guī)模的物理學(xué)方法論體系，給物理學(xué)及整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展，給18世紀(jì)的工業(yè)革命、社會(huì)經(jīng)濟(jì)變革及機(jī)械唯物論思潮的發(fā)展以巨大影響。本文試圖從牛頓的科學(xué)思想和科學(xué)方法方面來分析總結(jié)一下牛頓的科學(xué)創(chuàng)新理論。

【關(guān)鍵詞】牛頓 科學(xué)觀 研究方法

一、牛頓的科學(xué)觀

牛頓的哲學(xué)觀點(diǎn)與他在力學(xué)上的奠基性成就是分不開的，一切自然現(xiàn)象他都力圖用力學(xué)觀點(diǎn)加以解釋，這就形成了牛頓哲學(xué)上的自發(fā)的唯物主義，同時(shí)也導(dǎo)致了機(jī)械論的盛行。事實(shí)上，牛頓把一切化學(xué)、熱、電等現(xiàn)象都看作“與吸引或排斥力有關(guān)的事物”。例如他最早闡述了化學(xué)親和力，把化學(xué)置換反應(yīng)描述為兩種吸引作用的相互競爭；認(rèn)為“通過運(yùn)動(dòng)或發(fā)酵而發(fā)熱”；火藥爆炸也是硫磺、炭等粒子相互猛烈撞擊、分解、放熱、膨脹的過程，等等。這種機(jī)械觀，即把一切的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式都?xì)w為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，把解釋機(jī)械運(yùn)動(dòng)問題所必需的絕對(duì)時(shí)空觀、原子論、由初始條件可以決定以后任何時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械決定論、事物發(fā)展的因果律等等，作為整個(gè)物理學(xué)的通用思考模式。[1]可以認(rèn)為，牛頓是開始比較完整地建立物理因果關(guān)系體系的第一人，而因果關(guān)系正是經(jīng)典物理學(xué)的基石。

牛頓定律及其世界體系的建立，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界過程中的一次飛躍。美國科學(xué)史家?guī)於靼阉Q為科學(xué)革命。如果日心說是第一次科學(xué)革命，牛頓力學(xué)就是第二次科學(xué)革命。科學(xué)革命是技術(shù)革命的先導(dǎo)，在牛頓的科學(xué)革命之后大約一百年，出現(xiàn)了18世紀(jì)末19世紀(jì)初的工業(yè)革命或產(chǎn)業(yè)革命。牛頓在《原理》中提出了力學(xué)的三大定律和萬有引力定律，把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和太陽系內(nèi)的行星的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一在相同的物理定律之中，從而完成了人類文明史上第一次自然科學(xué)的大綜合。它不僅標(biāo)志了16，17世紀(jì)科學(xué)革命的頂點(diǎn)，也是人類文明、進(jìn)步的劃時(shí)代標(biāo)志。它不僅總結(jié)和發(fā)展了牛頓之前物理學(xué)的幾乎全部重要成果，而且也是后來所有科學(xué)著作和科學(xué)方法的楷模。牛頓的科學(xué)思想和科學(xué)方法對(duì)他以后三百年來自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。

牛頓的科學(xué)觀是因果決定論的科學(xué)觀。他認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)的原因就是萬有引力，行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是由萬有引力定律決定的。他根據(jù)萬有引力定律成功地解釋了行星、衛(wèi)星和彗星的運(yùn)動(dòng)，直至最微小的細(xì)節(jié)，同樣也解釋了潮汐和地球的進(jìn)動(dòng)。在牛頓力學(xué)中只要知道質(zhì)點(diǎn)在初始時(shí)刻的位移和速度，根據(jù)牛頓定律就可以預(yù)言其后時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況，[2]這是典型的因果描寫。但是，在牛頓以前往往并不用因果論來解釋自然現(xiàn)象，而用目的論來解釋自然現(xiàn)象，即按照某種目的或結(jié)果來解釋運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，而不是用力的原因作解釋。牛頓采用因果性的解釋在物理學(xué)的發(fā)展中是重要的一步。愛因斯坦指出：“在牛頓以前還沒有實(shí)際的科學(xué)成果來支持那種認(rèn)為物理因果關(guān)系有完整鏈條的信念。”牛頓建立了物理因果性的完整體系，從而揭示了物理世界的深刻特征。

在決定論科學(xué)觀的基礎(chǔ)上，牛頓確立了他的物理框架，所謂物理框架就是對(duì)物理現(xiàn)象解釋的一種標(biāo)準(zhǔn)。牛頓框架的核心是力和力所決定的因果性，認(rèn)為找到了力的規(guī)律就是找到了對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋。然而，在牛頓以前并不使用力的框架，而是“和諧性”的框架。在哥白尼—開普勒時(shí)期，他們追求的是和諧性，即尋找運(yùn)動(dòng)的和諧，認(rèn)為找到了和諧就找到了解釋，這種思想在這一時(shí)期發(fā)展到了頂峰。哥白尼之所以懷疑托勒密體系，主要是他認(rèn)為托勒密體系很不和諧，在托勒密體系中行星有時(shí)逆行。如果將中心從地球移到太陽，則行星的運(yùn)動(dòng)更加和諧。正如哥白尼說的顯示了“令人欣賞的對(duì)稱性”和“清晰的和諧性”。到了牛頓一代，不再采用和諧性框架，不再認(rèn)為尋找“和諧”就是尋找對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象原因的解釋，牛頓認(rèn)為找到了力才是找到了對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋。以后的物理學(xué)家主要依據(jù)力的框架進(jìn)行工作。愛因斯坦指出：“直到19世紀(jì)末，它一直是理論物理學(xué)領(lǐng)域中每個(gè)工作者的綱領(lǐng)。”“這個(gè)物理學(xué)框架在將近二百年中給予科學(xué)以穩(wěn)定性和思想指導(dǎo)?！盵3]沿用牛頓的框架發(fā)展到頂峰的是麥克斯韋，麥克斯韋堅(jiān)持牛頓的力的框架，他建立了電磁學(xué)的力學(xué)模型，企圖用以太中的力來解釋電磁現(xiàn)象，發(fā)展電磁理論，后來，他不再采用力學(xué)模型，而是用電磁場的概念來分析問題，這反映出框架的變化。

二、牛頓的科學(xué)研究方法

（一）牛頓的實(shí)驗(yàn)觀察方法

牛頓在科學(xué)研究中堅(jiān)持以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，他認(rèn)為在沒有從觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)引力之原因時(shí)，決不杜撰假設(shè)。牛頓的“不杜撰假設(shè)”具有方法論的意義，這種方法論與他同時(shí)代的大多數(shù)人所遵循的方法迥然不同。牛頓的同時(shí)代人都追隨笛卡兒探索自然現(xiàn)象的原因，構(gòu)筑引力的機(jī)制。而牛頓則不然，他所關(guān)心的不是引力“為什么”會(huì)起作用，而是“如何”在起作用。他的目的是尋求引力所遵從的規(guī)律，提出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述，證明行星系統(tǒng)如何依賴于引力定律。但是，牛頓的認(rèn)識(shí)路線也不同于受經(jīng)驗(yàn)主義影響很深的胡克的認(rèn)識(shí)路線。胡克強(qiáng)調(diào)從實(shí)驗(yàn)上去探求引力定律，忽視數(shù)學(xué)推理的必要性。他的表述停留在定性認(rèn)識(shí)上，缺乏定量的成分。他沒有認(rèn)識(shí)到當(dāng)時(shí)更需要的是數(shù)學(xué)推理，而不是實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗行行沁\(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)資料都已總結(jié)在開普勒定律之中，而胡克面對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，遲遲不能提出物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從而確立力的定律。這是他在方法論上不如牛頓的地方。

牛頓研究方法的一大特點(diǎn)是對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的自然現(xiàn)象敢于簡化，善于簡化，從而建立起理想的物理模型。宇宙間星體的相互影響是無限復(fù)雜的，每個(gè)星體都是一個(gè)引力中心，所以它是一個(gè)相互作用的多元的復(fù)雜系統(tǒng)；而且每個(gè)星體都有一定的形狀和大?。幻總€(gè)“行星既不完全在橢圓上運(yùn)動(dòng)，也不在同一軌道上旋轉(zhuǎn)兩次?！泵鎸?duì)這一情況，不采用簡化模型予以分別處理是極為困難的。1684年，牛頓在《論微粒》一書中指出：“同時(shí)考慮所有這些運(yùn)動(dòng)之起因，是整個(gè)人類智力所不能勝任的。”牛頓是怎樣對(duì)這一復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行簡化的呢？他采用的簡化模型的步驟是：從圓運(yùn)動(dòng)到橢圓運(yùn)動(dòng)，從質(zhì)點(diǎn)到球體，從單體問題到兩體問題。他一次又一次地將他的理想模型與實(shí)際比較，再適當(dāng)加以修正，最后使物理模型與物理世界基本符合。所以牛頓的萬有引力定律既解釋了為什么行星的運(yùn)動(dòng)近似地遵守開普勒定律，又說明了為什么它們又是那樣或多或少偏離開普勒定律。牛頓把一切物體間的引力歸結(jié)為粒子間引力的思想，對(duì)以后的物理學(xué)家影響很大，19世紀(jì)20年代，畢奧、薩伐爾和安培在研究電流之間的作用時(shí)，總是把它們歸結(jié)為電流元之間的作用力。

（二）牛頓的形象思維方法

牛頓研究方法的另一特色是運(yùn)用形象思維的方法，進(jìn)行創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，他構(gòu)思了一些神奇理想實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了新的物理圖象，來揭示天體運(yùn)動(dòng)與地面上物體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。牛頓在他的《原理》第三篇一開始處，就寫出了4條“哲學(xué)中的推理法則”，高度地概括了他的研究方法。

法則1：尋求事物的原因，不得超出真實(shí)和足以解釋其現(xiàn)象者。

法則2：因此對(duì)于相同的自然現(xiàn)象，必須盡可能地尋求相同的原因。

法則3：物體的特性，若其程度既不能增加也不能減少，且在實(shí)驗(yàn)所及范圍內(nèi)為所有物體所共有，則應(yīng)視為一切物體的普遍屬性。

法則4：在實(shí)驗(yàn)哲學(xué)中，我們必須將由現(xiàn)象所歸納出的命題視為完全正確的或基本正確的，而不管想象所可能得到的與之相反的種種假說，直到出現(xiàn)了其它的或可排除這些命題，或可使之變得更加精確的現(xiàn)象之時(shí)。

以上的法則1可稱為簡單性法則，用牛頓的話說就是“自然界喜歡簡單性?！彼麆?chuàng)建的牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律在內(nèi)容和數(shù)學(xué)形式上都體現(xiàn)了簡潔性。不作“多余原因的侈談”，“言簡意賅才見真諦”。法則2和法則3可稱為統(tǒng)一性法則。牛頓正是按照這兩條法則把天上運(yùn)動(dòng)和地上運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，并確立了引力普適性的概念。法則4是關(guān)于認(rèn)識(shí)的真理性法則，牛頓認(rèn)為從現(xiàn)象歸納出的命題，從它們源于實(shí)驗(yàn)又為實(shí)驗(yàn)所證明來看，是“精確真實(shí)的”，“完全正確的”，從實(shí)驗(yàn)證明的局限性來看，從在每一認(rèn)識(shí)階段上人們都是在根據(jù)部分的或有限的資料從事工作上來看，又是不完備的，有待于發(fā)展的。

三、牛頓科學(xué)思想和科學(xué)方法的總結(jié)

牛頓的科學(xué)思想和科學(xué)方法不僅使他少走彎路，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，而且深刻地影響著以后物理學(xué)家的思想、研究和實(shí)踐的方向。這說明科學(xué)思維方法的極端重要性。從物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)中吸取科學(xué)思想、科學(xué)方法的營養(yǎng)，對(duì)提高我們提出問題、分析問題和解決問題的能力都是大有裨益的。牛頓對(duì)人類的貢獻(xiàn)是巨大的。然而牛頓卻能清醒地評(píng)價(jià)自己的一生。他對(duì)自己所以能在科學(xué)上有突出的成就以及這些成就的歷史地位有清醒的認(rèn)識(shí)。他曾說過：“如果說我比多數(shù)人看得遠(yuǎn)一些的話，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟?。”在臨終時(shí)，他還留下了這樣的遺言：“我不知道世人將如何看我，但是，就我自己看來，我好像不過是一個(gè)在海濱玩耍的小孩，不時(shí)地為找到一個(gè)比通常更光滑的卵石或更好看的貝殼而感到高興，但是，有待探索的真理的海洋正展現(xiàn)在我的面前?！盵4]

參考文獻(xiàn)：

[1]曹蓓華.高中物理科學(xué)方法教育研究[D].石家莊:河北師范大學(xué),2009.

[2]黃順基.經(jīng)典科學(xué)的認(rèn)識(shí)論與方法論[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào),2010.

[3]石志芬.從培育創(chuàng)新思維角度研究經(jīng)典力學(xué)教學(xué)體系的改革[D].重慶:重慶師范大學(xué),2003.

[4]王忠明.讀經(jīng)典力學(xué)思想方法的思考[J].物理教學(xué)探討,2014.

作者簡介：馬濤（1988-），男，合肥工業(yè)大學(xué)馬克思主義學(xué)院科技哲學(xué)專業(yè)研究生。