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，是人類認識客觀世界過程中的一次飛躍。美國科學(xué)史家Kuhn(科赫)把它稱為科學(xué)革命。如果日心說是第一次科學(xué)革命，牛頓力學(xué)就是第二次科學(xué)革命?？茖W(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)的三大定律和萬有引力定律，把地面上物體的運動和太陽系內(nèi)的行星的運動統(tǒng)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(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，也是人類文明、進步的劃時代標(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)方法對他以后三百年來自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠的影響。牛頓的科學(xué)觀是因果決定論的科學(xué)觀。他認為天體運動的原因就是萬有引力，行星運動的規(guī)律是由萬有引力定律決定的。他根據(jù)萬有引力定律成功地解釋了行星、衛(wèi)星和彗星的運動，直至最微小的細節(jié)，同樣也解釋了潮汐和地球的進動。在牛頓力學(xué)中只要知道質(zhì)點在初始時刻的位移和速度，根據(jù)牛頓定律就可以預(yù)言其后時刻的運動情況，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(xiàn)象，而用目的論來解釋自然現(xiàn)象，即按照某種目的或結(jié)果來解釋運動現(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

3、因斯坦指出：“在牛頓以前還沒有實際的科學(xué)成果來支持那種認為物理因果關(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，認為找到了力的規(guī)律就是找到了對運動現(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(fā)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

4、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(xiàn)象原因的解釋，牛頓認為找到了力才是找到了對運動現(xiàn)象的解釋。以后的物理學(xué)家主要依據(jù)力的框架進行工作。愛因斯坦指出：“直到19世紀(jì)末，它一直是理論物理學(xué)領(lǐng)域中每個工作者的綱領(lǐng)?！薄斑@個物理學(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解釋電磁現(xiàn)象，發(fā)展電磁理論，后來，他不再采用力學(xué)模型，而是用電磁場的概念來分析問題，這反映

5、出框架的變化。牛頓在科學(xué)研究中堅持以經(jīng)驗為基礎(chǔ)，他認為在沒有從觀察和實驗中發(fā)現(xiàn)引力之原因時，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代的大多數(shù)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(xiàn)象的原因，構(gòu)筑引力的機制。而牛頓則不然，他所關(guān)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(guī)律，提出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述，證明行星系統(tǒng)如何依賴于引力定律。但是，牛頓的認識路線也不同于受經(jīng)驗主義影響很深的胡克的認識路線。胡克強調(diào)從實驗上去探求引力定律，忽視數(shù)學(xué)推理的必要性。他的表述停留在定性認識上，缺乏定量的成分。他沒有認識到當(dāng)時更需要的

6、是數(shù)學(xué)推理，而不是實驗，因為所有行星運動的實驗資料都已總結(jié)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(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。牛頓所遵循的認識途徑是從實驗觀察到的運動現(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。正如他在原理一書的前言中寫道：“我奉獻這一作品，作為哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，因為哲學(xué)的全部責(zé)任似乎在于從運動的現(xiàn)象去研究自然界中的力，然后從這些力去說明其它自然現(xiàn)象。”愛因斯坦對牛頓的科學(xué)認識道路給予了高度的評價。他在自述一文中寫道：“你(指牛頓)所發(fā)現(xiàn)的道路，在你那個時代，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?！迸?/p>

7、頓的科學(xué)認識道路對以后物理學(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行工作。1827年，安培在電動力學(xué)理論一書中，闡述了他處理電磁現(xiàn)象的方法：從觀察事實出發(fā)，撇開力的性質(zhì)的假說，推導(dǎo)出這些力的表達式，確立一般規(guī)律。最后他明確指出：“這就是牛頓所走過的道路，也是對物理學(xué)做出重大貢獻的法蘭西知識界近來普遍遵循的途徑?！迸ｎD研究方法的一大特點是對錯綜復(fù)雜的自然現(xiàn)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(fù)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(fù)雜系統(tǒng)；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

8、旋轉(zhuǎn)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(fù)雜系統(tǒng)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(zhì)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(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(jié)為粒子間引力的思想，對以后的物理學(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，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用形象思維的方法，進行創(chuàng)造性的思維活動，他構(gòu)思了一些神奇理想實驗，創(chuàng)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(tǒng)一性。牛頓在他的原理第三篇一開始處，就寫出了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，不得超出真實和足以解釋其現(xiàn)象者。法則2 因此對于相同的自然現(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，且在實驗所及范圍內(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 在實驗哲學(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，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。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(chuàng)建的牛頓運動定律和萬有引力定律在內(nèi)容和數(shù)學(xué)形式上都體現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)一起來，并確立了引力普適性的概念。法則4是關(guān)于認識的真理性法則，牛頓認為從現(xiàn)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(jù)部分的或

11、有限的資料從事工作上來看，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)書末最后一條疑問里，做出如下較詳細的說明：“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，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行實驗和觀察，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，從運動推知產(chǎn)生運動的力；并且一般地說，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為止。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，再從一般到特殊的認識過程。人們在探索物質(zhì)運動規(guī)律的過程中，歸納的過程就是通過對運動的研究，探索自然界力的規(guī)律的過程，演繹的過程就是運用已知力的規(guī)律，去計算物體的運動，做出明確預(yù)見的過程。萬有引力定律的建立和海王星的發(fā)現(xiàn)就是運用歸納-演繹法的一個光輝的范例。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、研究和實踐的方向。這說明科學(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)方法的營養(yǎng)，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