牛顿的科学思想方法

牛顿的科学思想方法牛顿定律及其世界体系的建立，是人类认识客观世界过程中的一次飞跃。美国科学史家Kuhn(科赫)把它称为科学革命。如果日心说是第一次科学革命，牛顿力学就是第二次科学革命。科学革命是技术革命的先导，在牛顿的科学革命之后大约一百年，出现了18世纪末19世纪初的工业革命或产业革命。牛顿在《原理》中提出了力学的三大定律和万有引力定律，把地面上物体的运动和太阳系内的行星的运动统一在相同的物理定律之中，从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。它不仅标志了16，17世纪科学革命的顶点，也是人类文明、进步的划时代标志。它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果，而且也是后来所有科学著作和科学方法的楷模。牛顿的科学思想和科学方法对他以后三百年来自然科学的发展产生了极其深远的影响。牛顿的科学观是因果决定论的科学观。他认为天体运动的原因就是万有引力，行星运动的规律是由万有引力定律决定的。他根据万有引力定律成功地解释了行星、卫星和彗星的运动，直至最微小的细节，同样也解释了潮汐和地球的进动。在牛顿力学中只要知道质点在初始时刻的位移和速度，根据牛顿定律就可以预言其后时刻的运动情况，这是典型的因果描写。但是，在牛顿以前往往并不用因果论来解释自然现象，而用目的论来解释自然现象，即按照某种目的或结果来解释运动现象，而不是用力的原因作解释。牛顿采用因果性的解释在物理学的发展中是重要的一步。爱因斯坦指出：“在牛顿以前还没有实际的科学成果来支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”牛顿建立了物理因果性的完整体系，从而揭示了物理世界的深刻特征。在决定论科学观的基础上，牛顿确立了他的物理框架，所谓物理框架就是对物理现象解释的一种标准。牛顿框架的核心是力和力所决定的因果性，认为找到了力的规律就是找到了对运动现象的解释。然而，在牛顿以前并不使用力的框架，而是“和谐性”的框架。在哥白尼—开普勒时期，他们追求的是和谐性，即寻找运动的和谐，认为找到了和谐就找到了解释，这种思想在这一时期发展到了顶峰。哥白尼之所以怀疑托勒密体系，主要是他认为托勒密体系很不和谐，在托勒密体系中行星有时逆行。如果将中心从地球移到太阳，则行星的运动更加和谐。正如哥白尼说的显示了“令人欣赏的对称性”和“清晰的和谐性”。到了牛顿一代，不再采用和谐性框架，不再认为寻找“和谐”就是寻找对运动现象原因的解释，牛顿认为找到了力才是找到了对运动现象的解释。以后的物理学家主要依据力的框架进行工作。爱因斯坦指出：“直到19世纪末，它一直是理论物理学领域中每个工作者的纲领。”“这个物理学框架在将近二百年中给予科学以稳定性和思想指导。”沿用牛顿的框架发展到顶峰的是麦克斯韦，麦克斯韦坚持牛顿的力的框架，他建立了电磁学的力学模型，企图用以太中的力来解释电磁现象，发展电磁理论，后来，他不再采用力学模型，而是用电磁场的概念来分析问题，这反映出框架的变化。牛顿在科学研究中坚持以经验为基础，他认为在没有从观察和实验中发现引力之原因时，决不杜撰假设。牛顿的“不杜撰假设”具有方法论的意义，这种方法论与他同时代的大多数人所遵循的方法迥然不同。牛顿的同时代人都追随笛卡儿探索自然现象的原因，构筑引力的机制。而牛顿则不然，他所关心的不是引力“为什么”会起作用，而是“如何”在起作用。他的目的是寻求引力所遵从的规律，提出准确的数学描述，证明行星系统如何依赖于引力定律。但是，牛顿的认识路线也不同于受经验主义影响很深的胡克的认识路线。胡克强调从实验上去探求引力定律，忽视数学推理的必要性。他的表述停留在定性认识上，缺乏定量的成分。他没有认识到当时更需要的是数学推理，而不是实验，因为所有行星运动的实验资料都已总结在开普勒定律之中，而胡克面对实验事实，迟迟不能提出物理模型，进行数学推导，从而确立力的定律。这是他在方法论上不如牛顿的地方。牛顿所遵循的认识途径是从实验观察到的运动现象去探讨力的规律，然后用这些规律去解释自然现象。正如他在《原理》一书的前言中写道：“我奉献这一作品，作为哲学的数学原理，因为哲学的全部责任似乎在于——从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其它自然现象。”爱因斯坦对牛顿的科学认识道路给予了高度的评价。他在《自述》一文中写道：“你(指牛顿)所发现的道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一的道路。”牛顿的科学认识道路对以后物理学的发展产生了深刻的影响，许多物理学家都沿着牛顿的道路进行工作。1827年，安培在《电动力学理论》一书中，阐述了他处理电磁现象的方法：从观察事实出发，撇开力的性质的假说，推导出这些力的表达式，确立一般规律。最后他明确指出：“这就是牛顿所走过的道路，也是对物理学做出重大贡献的法兰西知识界近来普遍遵循的途径。”牛顿研究方法的一大特点是对错综复杂的自然现象敢于简化，善于简化，从而建立起理想的物理模型。宇宙间星体的相互影响是无限复杂的，每个星体都是一个引力中心，所以它是一个相互作用的多元的复杂系统；而且每个星体都有一定的形状和大小；每个“行星既不完全在椭圆上运动，也不在同一轨道上旋转两次。”面对这一情况，不采用简化模型予以分别处理是极为困难的。1684年，牛顿在《论微粒》一书中指出：“同时考虑所有这些运动之起因，是整个人类智力所不能胜任的。”牛顿是怎样对这一复杂系统进行简化的呢？他采用的简化模型的步骤是：从圆运动到椭圆运动，从质点到球体，从单体问题到两体问题。他一次又一次地将他的理想模型与实际比较，再适当加以修正，最后使物理模型与物理世界基本符合。所以牛顿的万有引力定律既解释了为什么行星的运动近似地遵守开普勒定律，又说明了为什么它们又是那样或多或少偏离开普勒定律。牛顿把一切物体间的引力归结为粒子间引力的思想，对以后的物理学家影响很大，19世纪20年代，毕奥、萨伐尔和安培在研究电流之间的作用时，总是把它们归结为电流元之间的作用力。牛顿研究方法的另一特色是运用形象思维的方法，进行创造性的思维活动，他构思了一些神奇理想实验，创造了新的物理图象，来揭示天体运动与地面上物体运动的统一性。牛顿在他的《原理》第三篇一开始处，就写出了4条“哲学中的推理法则”，高度地概括了他的研究方法。法则1寻求事物的原因，不得超出真实和足以解释其现象者。法则2因此对于相同的自然现象，必须尽可能地寻求相同的原因。法则3物体的特性，若其程度既不能增加也不能减少，且在实验所及范围内为所有物体所共有，则应视为一切物体的普遍属性。法则4在实验哲学中，我们必须将由现象所归纳出的命题视为完全正确的或基本正确的，而不管想象所可能得到的与之相反的种种假说，直到出现了其它的或可排除这些命题，或可使之变得更加精确的现象之时。以上的法则1可称为简单性法则，用牛顿的话说就是“自然界喜欢简单性。”他创建的牛顿运动定律和万有引力定律在内容和数学形式上都体现了简洁性。不作“多余原因的侈谈”，“言简意赅才见真谛”。法则2和法则3可称为统一性法则。牛顿正是按照这两条法则把天上运动和地上运动统一起来，并确立了引力普适性的概念。法则4是关于认识的真理性法则，牛顿认为从现象归纳出的命题，从它们源于实验又为实验所证明来看，是“精确真实的”，“完全正确的”，从实验证明的局限性来看，从在每一认识阶段上人们都是在根据部分的或有限的资料从事工作上来看，又是不完备的，有待于发展的。关于法则4里所讲的归纳方法，牛顿还在《光学》书末最后一条疑问里，做出如下较详细的说明：“在自然哲学里，应当像数学里一样，在研究困难的事物时，总是先用分析的方法，再用综合的方法。这种分析方法包括进行实验和观察，并且用归纳法从中推出普遍结论……用这样的分析方法，我们可以从复合物推知其中的成分，从运动推知产生运动的力；并且一般地说，从结果推知原因，从特殊原因推知更普遍的原因，一直到最普遍的原因为止。这就是分析的方法；而综合的方法则包括设定已经发现的原因，并且把它们确立为原理，再用这些原理去解释由它们而发生的现象，并且证明这些解释的正确性。”这里牛顿所讲的分析和综合的方法，就是归纳和演绎的方法。凭着这一方法，就可以完成从特殊到一般，再从一般到特殊的认识过程。人们在探索物质运动规律的过程中，归纳的过程就是通过对运动的研究，探索自然界力的规律的过程，演绎的过程就是运用已知力的规律，去计算物体的运动，做出明确预见的过程。万有引力定律的建立和海王星的发现就是运用归纳-演绎法的一个光辉的范例。牛顿的科学思想和科学方法不仅使他少走弯路，发现了万有引力定律，而且深刻地影响着以后物理学家的思想、研究和实践的方向。这说明科学思维方法的极端重要性。从物理学的重大发现中吸取科学思想、科学方法的营养，对提高我们提出问题、分析问题和解决问题的能力都是大有裨益的。牛顿对人类的贡献是巨大的。然而牛顿却能清醒地评价自己的一生。他对自己所以能在科学上有突出的成就以及这些成就的历史地位有清醒的认识。他曾说过：“如果说我比多数人看得远一些的话，那是因为我站在巨人们的肩上。”在临终时，他还留下了这样的遗言：“我不知道世人将如何看我，但是，就我自己看来，我好像不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为找到一个比通常更光滑的卵石或更好看的贝壳而感到高兴，但是，有待探索的真理的海洋正展现在我的面前。”