關于牛頓的科學創新理論的探析

馬　濤

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關于牛頓的科學創新理論的探析

馬濤

【摘 要】牛頓在科學上的巨大成就連同他的樸素的唯物主義哲學觀點和一套初具規模的物理學方法論體系，給物理學及整個自然科學的發展，給18世紀的工業革命、社會經濟變革及機械唯物論思潮的發展以巨大影響。本文試圖從牛頓的科學思想和科學方法方面來分析總結一下牛頓的科學創新理論。

【關鍵詞】牛頓 科學觀 研究方法

一、牛頓的科學觀

牛頓的哲學觀點與他在力學上的奠基性成就是分不開的，一切自然現象他都力圖用力學觀點加以解釋，這就形成了牛頓哲學上的自發的唯物主義，同時也導致了機械論的盛行。事實上，牛頓把一切化學、熱、電等現象都看作“與吸引或排斥力有關的事物”。例如他最早闡述了化學親和力，把化學置換反應描述為兩種吸引作用的相互競爭；認為“通過運動或發酵而發熱”；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。這種機械觀，即把一切的物質運動形式都歸為機械運動的觀點，把解釋機械運動問題所必需的絕對時空觀、原子論、由初始條件可以決定以后任何時刻運動狀態的機械決定論、事物發展的因果律等等，作為整個物理學的通用思考模式。[1]可以認為，牛頓是開始比較完整地建立物理因果關系體系的第一人，而因果關系正是經典物理學的基石。

牛頓定律及其世界體系的建立，是人類認識客觀世界過程中的一次飛躍。美國科學史家庫恩把它稱為科學革命。如果日心說是第一次科學革命，牛頓力學就是第二次科學革命。科學革命是技術革命的先導，在牛頓的科學革命之后大約一百年，出現了18世紀末19世紀初的工業革命或產業革命。牛頓在《原理》中提出了力學的三大定律和萬有引力定律，把地面上物體的運動和太陽系內的行星的運動統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的大綜合。它不僅標志了16，17世紀科學革命的頂點，也是人類文明、進步的劃時代標志。它不僅總結和發展了牛頓之前物理學的幾乎全部重要成果，而且也是后來所有科學著作和科學方法的楷模。牛頓的科學思想和科學方法對他以后三百年來自然科學的發展產生了極其深遠的影響。

牛頓的科學觀是因果決定論的科學觀。他認為天體運動的原因就是萬有引力，行星運動的規律是由萬有引力定律決定的。他根據萬有引力定律成功地解釋了行星、衛星和彗星的運動，直至最微小的細節，同樣也解釋了潮汐和地球的進動。在牛頓力學中只要知道質點在初始時刻的位移和速度，根據牛頓定律就可以預言其后時刻的運動情況，[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象，而用目的論來解釋自然現象，即按照某種目的或結果來解釋運動現象，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的發展中是重要的一步。愛因斯坦指出：“在牛頓以前還沒有實際的科學成果來支持那種認為物理因果關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。

在決定論科學觀的基礎上，牛頓確立了他的物理框架，所謂物理框架就是對物理現象解釋的一種標準。牛頓框架的核心是力和力所決定的因果性，認為找到了力的規律就是找到了對運動現象的解釋。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—開普勒時期，他們追求的是和諧性，即尋找運動的和諧，認為找到了和諧就找到了解釋，這種思想在這一時期發展到了頂峰。哥白尼之所以懷疑托勒密體系，主要是他認為托勒密體系很不和諧，在托勒密體系中行星有時逆行。如果將中心從地球移到太陽，則行星的運動更加和諧。正如哥白尼說的顯示了“令人欣賞的對稱性”和“清晰的和諧性”。到了牛頓一代，不再采用和諧性框架，不再認為尋找“和諧”就是尋找對運動現象原因的解釋，牛頓認為找到了力才是找到了對運動現象的解釋。以后的物理學家主要依據力的框架進行工作。愛因斯坦指出：“直到19世紀末，它一直是理論物理學領域中每個工作者的綱領。”“這個物理學框架在將近二百年中給予科學以穩定性和思想指導。”[3]沿用牛頓的框架發展到頂峰的是麥克斯韋，麥克斯韋堅持牛頓的力的框架，他建立了電磁學的力學模型，企圖用以太中的力來解釋電磁現象，發展電磁理論，后來，他不再采用力學模型，而是用電磁場的概念來分析問題，這反映出框架的變化。

二、牛頓的科學研究方法

（一）牛頓的實驗觀察方法

牛頓在科學研究中堅持以經驗為基礎，他認為在沒有從觀察和實驗中發現引力之原因時，決不杜撰假設。牛頓的“不杜撰假設”具有方法論的意義，這種方法論與他同時代的大多數人所遵循的方法迥然不同。牛頓的同時代人都追隨笛卡兒探索自然現象的原因，構筑引力的機制。而牛頓則不然，他所關心的不是引力“為什么”會起作用，而是“如何”在起作用。他的目的是尋求引力所遵從的規律，提出準確的數學描述，證明行星系統如何依賴于引力定律。但是，牛頓的認識路線也不同于受經驗主義影響很深的胡克的認識路線。胡克強調從實驗上去探求引力定律，忽視數學推理的必要性。他的表述停留在定性認識上，缺乏定量的成分。他沒有認識到當時更需要的是數學推理，而不是實驗，因為所有行星運動的實驗資料都已總結在開普勒定律之中，而胡克面對實驗事實，遲遲不能提出物理模型，進行數學推導，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是對錯綜復雜的自然現象敢于簡化，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雜的，每個星體都是一個引力中心，所以它是一個相互作用的多元的復雜系統；而且每個星體都有一定的形狀和大小；每個“行星既不完全在橢圓上運動，也不在同一軌道上旋轉兩次。”面對這一情況，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：“同時考慮所有這些運動之起因，是整個人類智力所不能勝任的。”牛頓是怎樣對這一復雜系統進行簡化的呢？他采用的簡化模型的步驟是：從圓運動到橢圓運動，從質點到球體，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際比較，再適當加以修正，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動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為粒子間引力的思想，對以后的物理學家影響很大，19世紀20年代，畢奧、薩伐爾和安培在研究電流之間的作用時，總是把它們歸結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用形象思維的方法，進行創造性的思維活動，他構思了一些神奇理想實驗，創造了新的物理圖象，來揭示天體運動與地面上物體運動的統一性。牛頓在他的《原理》第三篇一開始處，就寫出了4條“哲學中的推理法則”，高度地概括了他的研究方法。

法則1：尋求事物的原因，不得超出真實和足以解釋其現象者。

法則2：因此對于相同的自然現象，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，且在實驗所及范圍內為所有物體所共有，則應視為一切物體的普遍屬性。

法則4：在實驗哲學中，我們必須將由現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，直到出現了其它的或可排除這些命題，或可使之變得更加精確的現象之時。

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。”他創建的牛頓運動定律和萬有引力定律在內容和數學形式上都體現了簡潔性。不作“多余原因的侈談”，“言簡意賅才見真諦”。法則2和法則3可稱為統一性法則。牛頓正是按照這兩條法則把天上運動和地上運動統一起來，并確立了引力普適性的概念。法則4是關于認識的真理性法則，牛頓認為從現象歸納出的命題，從它們源于實驗又為實驗所證明來看，是“精確真實的”，“完全正確的”，從實驗證明的局限性來看，從在每一認識階段上人們都是在根據部分的或有限的資料從事工作上來看，又是不完備的，有待于發展的。

三、牛頓科學思想和科學方法的總結

牛頓的科學思想和科學方法不僅使他少走彎路，發現了萬有引力定律，而且深刻地影響著以后物理學家的思想、研究和實踐的方向。這說明科學思維方法的極端重要性。從物理學的重大發現中吸取科學思想、科學方法的營養，對提高我們提出問題、分析問題和解決問題的能力都是大有裨益的。牛頓對人類的貢獻是巨大的。然而牛頓卻能清醒地評價自己的一生。他對自己所以能在科學上有突出的成就以及這些成就的歷史地位有清醒的認識。他曾說過：“如果說我比多數人看得遠一些的話，那是因為我站在巨人們的肩上。”在臨終時，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，我好像不過是一個在海濱玩耍的小孩，不時地為找到一個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在我的面前。”[4]

參考文獻：

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

[2]黃順基.經典科學的認識論與方法論[J].遼東學院學報,2010.

[3]石志芬.從培育創新思維角度研究經典力學教學體系的改革[D].重慶:重慶師范大學,2003.

[4]王忠明.讀經典力學思想方法的思考[J].物理教學探討,2014.

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