牛顿的科学研究方法和科学观

70牛顿的科学研究方法和科学观牛顿是物理学史上最伟大的科学家之一，他除在自然科学的许多学科都做出了划时代的贡献之外，还继承和发展了伽利略所开创的近代科学研究方法。正是这些方法使得牛顿的科学理论十分富有成效，“直到19世纪末，它一直是理论物理学领域中每一个工作者的纲领。”他的研究方法，指导了以后几代物理学家的研究工作。一、实验方法与抽象方法实验方法是科学研究的基本方法。它既是获得经验知识，为科学理论的建立提供原始资料的途径和方法，同时也是检验科学理论和假说的重要途径和手段，牛顿对于实验十分重视。在他的著作中反复强调了实验和观察的重要性，他坚持认为自然哲学家要把他的概括建立在对现象的仔细考察的基础上。他指出：“虽然用归纳法来从实验和观察中进行论证不能算是普遍的结论，但它是事物的本性所许可的最好论证方法。”牛顿还进一步指出：“我所以相信我提出的理论是对的，不是由于它来自这样一种推论，因为它不能别样而只能这样，也就是说，不仅仅由于驳倒了与它们相反的假设，而是因为它是从得出肯定而直接的结论的一些实验中推导出来的。所以考察它的方法，就在于考虑我所提出的实验是否确定了这个理论中应用了这些实验的那些部分，或者是去进行理论自身的验证而提出其他实验。”可见牛顿是相当重视科学实验的，他把它作为科学研究的最基本方法之一。牛顿的科学研究是以实验为基础的。他历来十分注意科学观察和实验。他曾制造过风筝、日规和漏壶，还研磨过棱镜。他还设计了许多精巧的实验装置和仪器。例如他设计和制造了第一个反射望远镜。他做过许多出色的科学实验，如色散实验和干涉实验等。他的一些重大成果是与实验密切相关的。牛顿进行的科学实验有不少是研究探索性的，但更多的是验证性实验。除了他个人的实验和观察外，他十分注意从前人和其他科学家的实验和观察来获得大量的经验和证据。这样就使他的理论是建立在更加广泛的实验的基础之上的。牛顿建立力学理论，提出一般原理时，仅仅应用实验法是不够的。用实验方法还不能使牛顿提出力学三大定律。他还应用了抽象方法，例如第一定律指出：”每个物体继续保持其静止或沿一直线运动的状态，除非有力加于其上迫使改变这种状态。”这里所描述的是物体不受外力作用下的状态。一般来说，观察一个物体的运动要有一个观察者或某种观察记录仪器，但是任何物体之间都是存在着引力作用的。一个被观察的物体是不可能不受外力的作用。其实惯性定律是通过对物体运动做出的抽象而建立的。科学抽象也是牛顿进行科学研究的一种基本方法。在牛顿力学中有不少概念和原理的提出是与应用抽象方法分不开的。牛顿绝对空间、绝对时间的概念也是抽象的结果。牛顿引力理论的建立同样离不开抽象方法的运用。引力定律是在开普勒定律基础上进行高层抽象的结果。作为低层抽象的开普勒定律是描述性的经验定律，而作为高层抽象的万有引力定律是解释性的原理。理想化是科学抽象的一种形式。理想化方法是用理想的客体代替实在的客体进行科学研究的一种重要方法。运用这一方法能够大大的简化研究对象，有利于逻辑推理和发现事物的规律。牛顿在力学研究中运用了这种方法。实际上惯性定律的提出就应用了这一方法，它是在考察假想、纯化形态下物体的运动规律时得到的。引力定律实际上也是一个“理想模型”。在引力问题的研究中，牛顿实际上已运用了“质点”这一理想化的概念。虽然牛顿在他的著作中没有强调抽象方法。但他在科学研究中却多次应用了这种方法，他对许多问题的归纳概括也包含着大量的科学抽象。抽象方法的应用补充了牛顿实验研究的不足。二、归纳方法与演绎方法归纳与演绎都是科学研究的重要方法。前者是由个别到一般的思维和推理方法，后者是由一般到个别的思维和推理方法。归纳和演绎是牛顿进行科学研究的两种主要方法。他十分重视归纳的作用，在他的著作中反复强调过归纳方法，他说：“在实验学上，一切定理均由现象推得，用归纳法推广之，物体之不可透性、可动性、撞击性以及运动之定律，均是如此得来。”他指出：“实验科学只能从现象71出发，并且只能用归纳来从这些现象中推演出一般命题。”可见牛顿十分重视归纳的方法。但牛顿力学是一个演绎系统，而不是一个归纳系统。虽然牛顿在科学研究中广泛应用了归纳方法，但他建立的理论体系是主要以演绎法来完成的。其实，牛顿也是十分强调演绎的作用的，这主要体现在他对数学方法的多次强调上，数学方法本身就是具有演绎性质的方法。在科学研究中归纳和演绎不是截然分开的，而是互相补充的。任何一门理论自然科学都不是单用归纳或单用演绎得出的。没有归纳，实验中所获得经验材料就不能上升到理论；没有演绎，理论就不能成为严谨的，系统的理论。归纳方法与演绎方法分别是牛顿进行科学研究的两个过程——分析和综合过程——的核心方法。这使牛顿的归纳和演绎具有自己的特色。牛顿演绎得出的推断往往超出原来归纳结论的价值。由于归纳只是分析过程中的一种方法，所以它往往是与其他方法共同应用的，在归纳的过程中一般也渗透着其他方法的运用。同样，演绎的过程也往往包含其他一些方法的应用过程。而且归纳和演绎有时也是交织在一起的。三、分析研究与综合研究分析与综合既是科学研究的两种方法，同时也是科学研究的两个过程。作为方法，分析和综合都有整体性、一般性方法的功能。作为过程，分析与综合的结合与统一，反映了科学研究的一种重要程序。牛顿在《原理》一书中声称他的运动三定律和万有引力定律都是用分析与综合方法发现的。由此可知，分析与综合是牛顿科学方法与方法论的精华。作为科学研究的过程，分析与综合是牛顿进行科学研究的不同阶段。曾帮助牛顿进行《原理》第二版准备工作的数学家R·科茨在为该书所作的序中讨论了当时的科学方法。在讨论牛顿的分析法与综合法时指出：“从一些特选的现象，经过分析，他们导出了自然界的各种力以及这些力所遵循的比较简单的规律，这是研究哲学时无与伦比的最好方法。”这说明牛顿的科学研究一般来说先经过分析过程，然后进入综合过程。在分析过程中，从现象出发，通过观察和实验得出结论，然后经过归纳、类比和抽象获得一般性原理。在综合过程中通过演绎、公理化、理想化等方法推出新的结论和原理，然后对现象进一步进行解释，并对原理进行验证。分析研究和综合研究都是运用多种科学方法的过程，类比法、演绎法、公理化方法和理想化方法是综合研究的主要方法。其中，公理法的应用是创造性的，也是牛顿对科学方法发展的独特贡献，归纳方法与演绎方法在分析与综合过程中起着重要作用。归纳方法是牛顿分析研究过程的核心方法，没有这一方法分析研究就无法进行，同样，演绎方法又是综合研究的核心方法。数学方法在两个过程中都要应用，无论是分析研究还是综合研究都离不开数学方法。分析研究在提出原理、发现规律方面经常起着主要作用。在牛顿的力学研究中，综合研究占主导地位，在光学研究中则分析研究占主导地位，这与当时光学没有达到力学那样高的发展阶段有很大关系。分析研究和综合研究是牛顿进行科学研究不可缺少的两种方法和两个过程。正是由于分析与综合的相互作用和有机统一，使得牛顿的科学方法变得十分有效，成为牛顿实现近代科学史上第一次理论综合、做出伟大贡献的主要原因之一。四、数学方法和公理化方法数学的重要特点是具有高度的概括性和抽象性。数学作为科学方法，生动地表现了思维与存在、主观与客观的同一性。数学方法有普遍的适用性。牛顿在科学研究中高度运用了数学方法。数学方法渗透在牛顿科学研究的全部过程之中，成为他表达科学概念和科学理论必不可少的重要形式和手段。对于数学方法，牛顿是相当重视的。在为《原理》第一版写的序中，牛顿一开始就指出：“由于古人认为研究自然事物时力学最为重要，而今人则舍弃其实体形状和隐蔽性质而力图以数学定律说明自然现象，因此我在本书中也致力于用数学来探讨有关的问题。”可见，牛顿把教学方法运用于整个力学研究的各个方面和全过程之中。牛顿并没有把数学和力学严格区分开来，他认为“几何学是建立在力学的实践之上的，它无非是普通力学的一部分，能精确地提出并论证测量的方法”。牛顿把几何学看作力学的一部分，并把几何学的演绎方法应用于整个力学的研究之中。《原理》一书主要是按照欧几里德式的演绎法展开的。他把前人和自己的成果用公理化方法组成了一个有机整体。构造了经典力学的理论体系。牛顿与伽利略、笛卡尔一样都是以数学家的身份去探索自然的，无论在一般方法上72或是具体方法上都是如此。数学方法在牛顿的整个科学研究中起着十分重要的作用。在牛顿的著作中，科学原理和定律采用简明的数学公式处处皆是。牛顿把他的力学著作命名为《自然哲学之数学原理》决不是偶然的。从万有引力理论的建立过程更可以清楚地看到牛顿对数学方法的运用程度。正是由于高度应用了数学方法使他解决了其他人所没有解决的问题。著名物理学家劳厄（LaueMaxTheodorFelixvon，1879～1960）在谈到牛顿对数学方法的应用时指出：“没有任何东西像牛顿对行星轨道的计算那样如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国，没有任何权威可以忽视它而不受惩罚。”牛顿对数学方法的应用，对以后科学的发展产生了极大的影响，使数学方法在科学研究中的应用日益广泛。牛顿在建立经典力学的同时还创立了一套新的数学方法——微积分方法，他还创立了许多具体的数学方法，在数学上做出了划时代的贡献。牛顿与莱布尼兹相比，牛顿没有详细建立微积分的规范、法则和公式系统，但是他的宏伟的微积分应用不仅证明了它的价值，而且远远超过了莱布尼兹的工作，刺激并决定了几乎整个世纪数学分析的方向。牛顿的工作一方面推动了数学的向前发展，另一方面为数学方法在科学中的应用开辟了前进的道路。牛顿在力学中对公理化方法的成功应用是他高度运用数学方法的结果。牛顿力学是用公理化方法建立起来的演绎系统，《原理》一书是运用公理化方法的结晶。正如物理学家海森伯（HeisenbergWernerKarl，1901～1976）所说：“牛顿《自然哲学之数学原理》一书从一组定义和公理开始，这些定义和公理是这样内在地联系在一起，以致它们构成了人们可称为‘闭合系统’的一组东西，每一个概念能够用一个数学符号表示，而不同概念之间的联系可以用数学符号的数学方程来表示。系统的数学映像保证系统中不出现矛盾。这样，物体在作用力的影响下可能产生的运动就由方程的可能解所表示。”进一步考察牛顿的公理化体系，可以发现牛顿的公理化方法有三个阶段。牛顿对力学理论的系统阐述就是按这样的阶段展开的。第一个阶段是建立一个公理系统，它是通过演绎组织起来的一组定义、公理和定理。公理是不能从这一系统内的其它命题推演出来的，而定理是这些公理演绎的结果。第二个阶段是把公理系统中的定理与观察相联系，即把系统与物理世界中的事件联系起来。第三个阶段就是进一步验证和解释公理化体系中的演绎结果。牛顿强调把一个公理系统与它的实际应用相区分，这是他对科学方法论的一个重要贡献。牛顿的工作使公理化方法成为科学知识演绎系统化的一种重要方法。五、牛顿的科学观在牛顿以前，哥白尼和开普勒均信奉“简洁性”与“和谐性”。他们首先习惯于提出一个无法证实的准则，即上帝应该是很完美的，由上帝主宰的自然运动规律应该是“和谐而简洁”的。哥白尼之所以提出太阳中心说，其主要动力是因为如果将中心从地球移到太阳，则行星运动轨道将更为简单，并且可避免地心说中的行星逆行问题。正如哥白尼自己所说的那样，日心说显示了“令人欣赏的对称性”和“清晰的和谐性”。然而，牛顿的科学观则是因果决定论。他认为世界万物的运动均是统一的，所有的结果都是由明确的原因引起的，只要知道物体的初始状态，利用牛顿三大定律、万有引力定律以及微积分，便可精确预言之后任何时刻该物体的运动状态和位置。只要你愿意，预言的精确程度可无限地提高，且在这一过程中，因果关系十分明确，运动规律也完全确定。牛顿开创了因果性科学观的完整体系，揭示了自然世界在这一层次的深刻规律。直至20世纪初期，牛顿的这种因果决定论仍统治着整个物理学乃至自然科学的发展。量子力学诞生初期，微观粒子所显示出来的波粒二象性实验事实迫使物理学家重新考虑牛顿的因果决定论。最终，人们不得不放弃在微观领域中单个事例的因果决定论，进而采用了波函数统计规