牛頓的“推理力學(xué)”與“實驗哲學(xué)”

郭艷+黃慧芳+羊子初+施念

（浙江師范大學(xué) 浙江省金華市 321000）

摘要：牛頓推理力學(xué)的建立和發(fā)展和整個物理學(xué)的發(fā)展不論是過去還是現(xiàn)在都有著密切的聯(lián)系，反映了繼承與發(fā)展，批判與超越的人類認(rèn)識的發(fā)展。在近代早期的科學(xué)活動中并行著物理-數(shù)學(xué)潮流和經(jīng)驗-實驗潮流，牛頓在科學(xué)實踐中統(tǒng)一了這兩種思潮，從而形成了自己的實驗哲學(xué)思想。本文旨在通過論述牛頓的“推理力學(xué)”與“實驗哲學(xué)”來體會牛頓的近代科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：牛頓；推理力學(xué)；實驗哲學(xué)

牛頓爵士，英國著名的物理學(xué)家，百科全書式的“全才”，他在1687年發(fā)表的論文《自然定律》里，萬有對引力和三大運(yùn)動定律進(jìn)行了描述。這些描述奠定了此后三個世紀(jì)里物理世界的科學(xué)觀點(diǎn)，并成為了現(xiàn)代工程學(xué)的基礎(chǔ)。他通過論證開普勒行星運(yùn)動定律與他的引力理論間的一致性，展示了地面物體與天體的運(yùn)動都遵循著相同的自然定律；為太陽中心說提供了強(qiáng)有力的理論支持，并推動了科學(xué)革命。

本文主要論述牛頓的“推理力學(xué)”與“實驗哲學(xué)”來體會牛頓的近代科學(xué)精神。

一、牛頓的推理力學(xué)

（一）牛頓推理力學(xué)的產(chǎn)生和建立

由于資產(chǎn)階級進(jìn)行海外掠奪和貿(mào)易而發(fā)展起來的遠(yuǎn)洋航行，要求能夠準(zhǔn)確測定船只在海洋L的位置，特別是測量經(jīng)度。而測量經(jīng)度問題在本質(zhì)上就是在任何地方測定絕對時—今天稱為格林威治時—的問題。這個時刻與當(dāng)?shù)貢r刻的時差，可直接換算為經(jīng)度。測定絕對時的方法之一，是觀察月球在星辰間的運(yùn)行，為此就需要有準(zhǔn)確的天文表以預(yù)測天體的位置。這就迫使天文學(xué)家去發(fā)現(xiàn)太陽系的運(yùn)行規(guī)律[1]。

牛頓通過觀察實驗，繼承、概括和發(fā)展了前人及同時代人在認(rèn)識方法上和科學(xué)研究上的成果，建立了完整的古典力學(xué)體系。牛頓的表述中確定了表征外部對物體的作用強(qiáng)度的力和物體加速度的關(guān)系。也確定了兩個物體相互作用的關(guān)系，因而成為解決非常繁多的力學(xué)問題的基礎(chǔ)。牛頓從物質(zhì)普遍的機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的觀念出發(fā)，發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法得出了萬有引力支配著行星運(yùn)動的結(jié)論。這樣，就可以根據(jù)運(yùn)動方程進(jìn)行演繹作出對行星運(yùn)動的一般描述，從而奠定了天體力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上經(jīng)過創(chuàng)造性的研究于1687年發(fā)表自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，實現(xiàn)了物理學(xué)的第一次統(tǒng)一。原理以四個概念、三個運(yùn)動定律、六大推理為基礎(chǔ)構(gòu)成。核心是三個運(yùn)動定律和萬有引力定律。人們運(yùn)用牛頓定律和方法進(jìn)行計算成功地發(fā)現(xiàn)海王星和冥王星。牛頓定律的成功使物理學(xué)家形成一種基于因果關(guān)系的認(rèn)識自然的方式。按照牛頓定律，若已知初始條件就可以求出以后任何時刻物體的位置和速度。這一思想經(jīng)拉普拉斯推廣.表述為一種普適的確定論。這影響了后來的物理學(xué)發(fā)展。[2]

（二）牛頓推理力學(xué)的內(nèi)容

1、萬有引力定律

牛頓看到了“蘋果落地”，這構(gòu)成了他思考萬有引力定律問題并加以推理的起點(diǎn)?？梢哉f，從“蘋果落地”到萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，牛頓通過以下程序成功地經(jīng)驗歸納與推理方法：第一，牛頓看到“蘋果落地”這一現(xiàn)象，這是起點(diǎn)。第二，從“蘋果落地”推及到了“重物落地”這一經(jīng)驗規(guī)律，成為牛頓成功地運(yùn)用經(jīng)驗歸納與推理方法的第一步。第三，從“重物（蘋果）落地”規(guī)律到天上的“運(yùn)行的星球”，成為牛頓成功地運(yùn)用經(jīng)驗歸納與推理方法的第二步。第四，從“高山上的大炮”理想實驗到天上的“星球運(yùn)行”，成為牛頓成功地運(yùn)用經(jīng)驗歸納與推理方法的第三步。其中，從伽利略平拋物體運(yùn)動規(guī)律到對“具有水平方向速度的炮彈”的運(yùn)行軌跡，再到天上的“星球運(yùn)行”成為理論上的“可能”是其關(guān)鍵。第五，牛頓在將地球?qū)υ虑虻囊ο蛩械奶祗w和地面上的物體的推廣過程中，成為成功的運(yùn)用經(jīng)驗歸納與推理方法的最后一步。

2、牛頓三大定律

牛頓在伽利略等人工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，推理總結(jié)出了物體運(yùn)動的三個基本定律：

第一定律（即慣性定律）：

任何一個物體在不受任何外力或受到的力平衡時（Fnet=0），總保持勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。

第二定律：

牛頓第二定律是力的瞬時作用規(guī)律。力和加速度同時產(chǎn)生、同時變化、同時消逝。F=ma是一個矢量方程，應(yīng)用時應(yīng)規(guī)定正方向，凡與正方向相同的力或加速度均取正值，反之取負(fù)值，一般常取加速度的方向為正方向。根據(jù)力的獨(dú)立作用原理，用牛頓第二定律處理物體在一個平面內(nèi)運(yùn)動的問題時，可將物體所受各力正交分解，在兩個互相垂直的方向上分別應(yīng)用牛頓第二定律的分量形式：Fx=max，F(xiàn)y=may列方程。

適用范圍：只適用于低速運(yùn)動的物體（與光速比速度較低）。只適用于宏觀物體，牛頓第二定律不適用于微觀原子。參照系應(yīng)為慣性系。兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一直線上，大小相等，方向相反。

第三定律

表達(dá)式F=-F'（F表示作用力，F(xiàn)'表示反作用力，負(fù)號表示反作用力F'與作用力F的方向相反）。

二、牛頓的實驗哲學(xué)

（一）牛頓實驗哲學(xué)的產(chǎn)生

牛頓所處的時代，哲學(xué)理論正處于經(jīng)驗論取代唯實論的階段，與此同時，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域盛行學(xué)者傳統(tǒng)與工匠傳統(tǒng)匯合的潮流，這兩種思想對當(dāng)時的科學(xué)家產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響。牛頓的哲學(xué)思想中濃厚的經(jīng)驗主義色彩，并且向經(jīng)驗主義過度，哲學(xué)思想處于經(jīng)驗論與唯理論互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)中。牛頓的實驗哲學(xué)和推理力學(xué)既強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗與實驗的重要性，也重視推理演繹的過程。

牛頓認(rèn)為，科學(xué)是通過對自然進(jìn)行實驗而得到的認(rèn)識，因此，他稱之為“實驗哲學(xué)”。由此出發(fā)，他提出了關(guān)于自然科學(xué)的任務(wù)和總的方法論原則：“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——用觀察和實驗來建立這些法則，從而導(dǎo)出事物的原因和結(jié)果。”

（二）牛頓實驗哲學(xué)的內(nèi)容

從世界觀方面來看，從實際出發(fā)的唯物主義思想姓牛頓取得巨大科學(xué)成就哲學(xué)基礎(chǔ)。他研究自然現(xiàn)象都是從客觀實際出發(fā)的。

在考察現(xiàn)象之問的因果聯(lián)系時，牛頓通過觀察和實驗來發(fā)現(xiàn)事物的結(jié)構(gòu)和作用，從中找出事物的原因和結(jié)果。這就堅持了唯物論的決定論。

從方法論方而來看，注重實驗經(jīng)驗和歸納是牛頓的重要哲學(xué)方法。注重經(jīng)驗體現(xiàn)了他的唯物主義求實精神，注重歸納又是他取得成就的基本方法。歸納方法就是從許多個別現(xiàn)象概括出同類事物一般規(guī)律的方法，是從個別到一般的思維方法。歸納的過程就是先從大量的觀察和實驗中，選擇和確定幾個能反映事物本質(zhì)的最基本的概念，然后再尋找這幾個概念之間的必然聯(lián)系和邏輯關(guān)系，最后再通過實驗來驗證這種關(guān)系能否成立。

從認(rèn)識論方而來看，牛頓在實驗經(jīng)驗中尋求對客觀事物的正確認(rèn)識，是堅持了唯物論的反映論和真理觀的。后來，當(dāng)他采用了法國人皮卡特于1682年測得的地球半徑的準(zhǔn)確數(shù)值時，才證明了把萬有引力定律用于地月系統(tǒng)中，確實與觀測結(jié)果相符合，這才肯定了萬有引力定律的正確，并正式發(fā)表。[3]

參考文獻(xiàn)：

[1]北京師范學(xué)院物理系力學(xué)熱學(xué)教研室.牛頓力學(xué)原理的產(chǎn)生及牛頓哲學(xué) 思想的分析[J].物理學(xué)史.2015（1）.

[2]高奮忠.基于現(xiàn)代物理的牛頓力學(xué)發(fā)展[J].科技視界.2014.

[3]趙煦.實驗哲學(xué)研究的新視閾[J].科技導(dǎo)報.2012，30（03）.