二 牛頓物理世界觀

牛頓對亞里士多德物理世界觀的革命是以實用的成功為基礎的，最終形成牛頓體系，他預測了新的行星——海王星的存在，使第一次科學革命順利進行。牛頓的世界觀支配了西方世界兩百多年。哥白尼、開普勒、伽利略、牛頓等科學家們對有關時間、空間以及宇宙的構造及其活動等不解之謎給予了不同解釋。例如，哥白尼的太陽中心說，開普勒的行星運行三定律，伽利略的天體觀測，牛頓的力學三定律和萬有引力定律等，這些解釋逐漸變成概括的解答，完成了第一次科學革命。例如，代替亞里士多德的靜止說的是新物理學的慣性概念，即根據牛頓的第一定律，物體不受外力的作用，就保持靜止或保持具有一定速度的直線運動。因此恒星或行星要改變其直線運動必須受力才能連續改變其速度和方向作圓周運動；如果已知物體所受作用力的大小、方向以及質量，那么根據牛頓第二定律便可知所產生的運動變化。

引力是物體之間主要的一種相互作用力，牛頓推導出計算它的大小和方向的公式，牛頓的研究同亞里士多德的科學研究方法完全不同。亞里士多德認為地球上的各種物體都有自動掉下來的性質，不隨環境改變而改變。然而，牛頓認為，物體之間的相互作用力是包括引力在內所有作用力的基礎。從此，科學家們的研究不再局限在物體固有的性質，而是更多的研究兩個以上物體之間的相互作用力。例如，蘋果掉到地上是因為地球對蘋果的引力作用，不是因蘋果本身的重量而發生。因此，向著太陽的彗星或圍繞木星旋轉的衛星是一種自然現象，不是擾亂宇宙秩序的不正常行為。

因此，無論是掉下來的蘋果還是行星的運動都隨著與其他物體之間的相互作用力的不同而不同。這種物體與物體之間的相互作用就是牛頓的萬有引力。如果已知某物體的位置和最初速度以及物體間相互作用力的定律，則可以預想該物體的未來運動趨向。

在亞里士多德和牛頓的研究方法中總想把世界上的事物予以同樣的說明，特別是亞里士多德的理論體系中正確的那一部分。亞里士多德認為拋出去的石頭不受力時停止而靜止，在更好的情況下（豎直上拋等特殊狀況下）返回原處。牛頓則認為石頭停止是因為摩擦力（石頭與地面相互作用）改變了石頭的運動。由此可知牛頓的理論比亞里士多德的理論更為精確，而且牛頓力學更加科學，即使是石頭停止所需要的時間也可預測出來，這是亞里士多德體系中不能解釋的定量的說明。

牛頓在天文學中取得了巨大的成功。他把運動定律應用到超越地球的宇宙引力上，看起來似乎很簡單地、但非常成功地推導出了萬有引力定律。應用萬有引力定律，科學家們能夠預測出以前未能看得見的行星——海王星的存在和其準確位置；用這個定律可以說明蘋果掉下來的原理以及看起來似乎獨立的月球軌道運動和潮汐現象。

研究天體的數學家們在19世紀中葉根據牛頓定律，正確計算出了未來數世紀的日、月食的預想值，其準確值達到秒單位。另外，根據牛頓定律計算，知道了歷史上從來認為不吉祥的彗星的出現，實際上是圍繞太陽旋轉的周圍軌道上的氣和灰塵的天體與地球有規則地相遇的現象。科學家們運用牛頓的科學研究方法更大范圍地對宇宙進行了預測，他們確信不久的將來還會出現更新的方法。

從亞里士多德的“靜止”理論到牛頓的萬有引力定律，其間經過了漫長的時間和艱難的歷程。

亞里士多德的科學不過是揭開理想秩序更大的世界觀的極小一部分。在牛頓力學里，物理的物體固有的運動狀態是通過引力一樣的宇宙作用力與周圍的其他物體相互作用的結果。對具有各種確定軌道的行星而言，延伸的物體間的引力，使得行星也有可能從原來固定的軌道上移動到新的軌道上。因而牛頓的宇宙論對科學界外的人們來說，是破壞世界唯一秩序的悖論。

雖然牛頓的世界觀不能支持人類普遍的世界觀，但是它給人類提供了新的視野。

在牛頓宇宙論中，只要知道聯系物體之間相互作用的力學定律和某種物體給定時刻的位置和速度，就能知道未來發生的事情。從原子到細胞或星星的物理世界里，只要運動一開始，根據慣性和相對作用力就能知道相應的效果，也就是能知道物體未來的運動。因此，理論上未來的行動決定于時間。

如果物理學的世界是復雜的時間（鐘表），那么任何物理事件完全被時間決定，不需要神來推動行星運動。行星一旦運動，就將永遠持續機械的運動。牛頓的想法被社會接受后，人們把鐘表看作宇宙的外觀模型，這種鐘表式宇宙從新的科學中誕生。

19世紀的英國物理學家開爾文對牛頓力學體系的評價是：“如果沒有想出力學的模型，那么無法理解其后的事件。”

牛頓力學的成就之大使它深深地改變了人們的自然觀。人們往往用力學的尺度去衡量一切，用力學的原理去解釋一切自然現象，將一切運動都歸結為機械運動，將一切運動的原因都歸結為力，認為自然界是一架按照力學規律運動著的機器。這種機械唯物主義自然觀在當時是有進步作用的。由于它把自然界中起作用的原因都歸結為自然界本身規律的作用，有利于促使科學家去探索自然界的規律。它能刺激人們運用分析和解剖的方式，從觀察和實驗中取得更多的經驗材料，這對科學的發展來說也是必要的。牛頓力學對哲學和人類自然觀的影響意味著它代表只有嚴格的因果律的決定論。當時人們認為：因為世界服從物理學的因果律運動，作為物理連續體的一部分的人類也服從該定律。

牛頓力學的又一個假設是主觀和客觀的分離，觀測者是完全屬于客觀的存在。因此進行觀測時觀測者完全不能受干擾。

牛頓力學建立后，在有關物理學問題的解決過程中，牛頓力學體系占據了絕對優勢，人們也逐漸適應了牛頓的世界觀。