牛頓的科學(xué)思想方法

1、 牛頓的科學(xué)思想方法牛頓定律及其世界體系的建立，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界過(guò)程中的一次飛躍。美國(guó)科學(xué)史家Kuhn(科赫)把它稱(chēng)為科學(xué)革命。如果日心說(shuō)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(wàn)有引力定律，把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和太陽(yáng)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(lèi)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(lèi)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(lái)所有科學(xué)著

2、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(lái)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(wàn)有引力，行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是由萬(wàn)有引力定律決定的。他根據(jù)萬(wàn)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，這是典型的因果描寫(xiě)。但是，在牛頓以前往往并不用因果論來(lái)解釋自然現(xiàn)象，而用目的論來(lái)解釋自然現(xiàn)象，即按照某種目的或結(jié)果來(lái)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(ài)

3、因斯坦指出：“在牛頓以前還沒(méi)有實(shí)際的科學(xué)成果來(lái)支持那種認(rèn)為物理因果關(guān)系有完整鏈條的信念?！迸ｎD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(kāi)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?zhuān)@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

4、地球移到太陽(yáng)，則行星的運(yùn)動(dòng)更加和諧。正如哥白尼說(shuō)的顯示了“令人欣賞的對(duì)稱(chēng)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?zhuān)ｎD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(ài)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)?！毖赜门ｎD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(lái)解釋電磁現(xiàn)象，發(fā)展電磁理論，后來(lái)，他不再采用力學(xué)模型，而是用電磁場(chǎng)的概念來(lái)分析問(wèn)題，這反映

5、出框架的變化。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(méi)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(lài)于引力定律。但是，牛頓的認(rèn)識(shí)路線(xiàn)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(xiàn)。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(méi)有認(rèn)識(shí)到當(dāng)時(shí)更需要的

6、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(kāi)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。牛頓所遵循的認(rèn)識(shí)途徑是從實(shí)驗(yàn)觀察到的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象去探討力的規(guī)律，然后用這些規(guī)律去解釋自然現(xiàn)象。正如他在原理一書(shū)的前言中寫(xiě)道：“我奉獻(xiàn)這一作品，作為哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，因?yàn)檎軐W(xué)的全部責(zé)任似乎在于從運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象去研究自然界中的力，然后從這些力去說(shuō)明其它自然現(xiàn)象?！睈?ài)因斯坦對(duì)牛頓的科學(xué)認(rèn)識(shí)道路給予了高度的評(píng)價(jià)。他在自述一文中寫(xiě)道：“你(指牛頓)所發(fā)現(xiàn)的道路，在你那個(gè)時(shí)代，是一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一的道路。”牛

7、頓的科學(xué)認(rèn)識(shí)道路對(duì)以后物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響，許多物理學(xué)家都沿著牛頓的道路進(jìn)行工作。1827年，安培在電動(dòng)力學(xué)理論一書(shū)中，闡述了他處理電磁現(xiàn)象的方法：從觀察事實(shí)出發(fā)，撇開(kāi)力的性質(zhì)的假說(shuō)，推導(dǎo)出這些力的表達(dá)式，確立一般規(guī)律。最后他明確指出：“這就是牛頓所走過(guò)的道路，也是對(duì)物理學(xué)做出重大貢獻(xiàn)的法蘭西知識(shí)界近來(lái)普遍遵循的途徑?！迸ｎD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(jiǎn)化，善于簡(jiǎn)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(wú)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??；每個(gè)“行星既不完全在橢圓上運(yùn)動(dòng)，也不在同一軌道上

8、旋轉(zhuǎn)兩次?！泵鎸?duì)這一情況，不采用簡(jiǎn)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(shū)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(lèi)智力所不能勝任的?！迸ｎD是怎樣對(duì)這一復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化的呢？他采用的簡(jiǎn)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(wèn)題到兩體問(wèn)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(wàn)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(kāi)普勒定律，又說(shuō)明了為什么它們又是那樣或多或少偏離開(kāi)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

9、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。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(lái)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(kāi)始處，就寫(xiě)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

10、本正確的，而不管想象所可能得到的與之相反的種種假說(shuō)，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(chēng)為簡(jiǎn)單性法則，用牛頓的話(huà)說(shuō)就是“自然界喜歡簡(jiǎn)單性?！彼麆?chuàng)建的牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在內(nèi)容和數(shù)學(xué)形式上都體現(xiàn)了簡(jiǎn)潔性。不作“多余原因的侈談”，“言簡(jiǎn)意賅才見(jiàn)真諦”。法則2和法則3可稱(chēng)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(lái)，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?cè)从趯?shí)驗(yàn)又為實(shí)驗(yàn)所證明來(lái)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(lái)看，從在每一認(rèn)識(shí)階段上人們都是在根據(jù)部分的或

11、有限的資料從事工作上來(lái)看，又是不完備的，有待于發(fā)展的。關(guān)于法則4里所講的歸納方法，牛頓還在光學(xué)書(shū)末最后一條疑問(wèn)里，做出如下較詳細(xì)的說(shuō)明：“在自然哲學(xué)里，應(yīng)當(dāng)像數(shù)學(xué)里一樣，在研究困難的事物時(shí)，總是先用分析的方法，再用綜合的方法。這種分析方法包括進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察，并且用歸納法從中推出普遍結(jié)論用這樣的分析方法，我們可以從復(fù)合物推知其中的成分，從運(yùn)動(dòng)推知產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力；并且一般地說(shuō)，從結(jié)果推知原因，從特殊原因推知更普遍的原因，一直到最普遍的原因?yàn)橹?。這就是分析的方法；而綜合的方法則包括設(shè)定已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的原因，并且把它們確立為原理，再用這些原理去解釋由它們而發(fā)生的現(xiàn)象，并且證明這些解釋的正確性?！边@里牛頓所講的

12、分析和綜合的方法，就是歸納和演繹的方法。憑著這一方法，就可以完成從特殊到一般，再?gòu)囊话愕教厥獾恼J(rèn)識(shí)過(guò)程。人們?cè)谔剿魑镔|(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程中，歸納的過(guò)程就是通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究，探索自然界力的規(guī)律的過(guò)程，演繹的過(guò)程就是運(yùn)用已知力的規(guī)律，去計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)，做出明確預(yù)見(jiàn)的過(guò)程。萬(wàn)有引力定律的建立和海王星的發(fā)現(xiàn)就是運(yùn)用歸納-演繹法的一個(gè)光輝的范例。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(wàn)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(shuō)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(yíng)養(yǎng)，對(duì)提高我們提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力都是大有裨益的。牛頓對(duì)人類(lèi)的貢獻(xiàn)是巨大的。然而牛頓卻能清醒地