二 牛顿物理世界观

牛顿对亚里士多德物理世界观的革命是以实用的成功为基础的，最终形成牛顿体系，他预测了新的行星——海王星的存在，使第一次科学革命顺利进行。牛顿的世界观支配了西方世界两百多年。哥白尼、开普勒、伽利略、牛顿等科学家们对有关时间、空间以及宇宙的构造及其活动等不解之谜给予了不同解释。例如，哥白尼的太阳中心说，开普勒的行星运行三定律，伽利略的天体观测，牛顿的力学三定律和万有引力定律等，这些解释逐渐变成概括的解答，完成了第一次科学革命。例如，代替亚里士多德的静止说的是新物理学的惯性概念，即根据牛顿的第一定律，物体不受外力的作用，就保持静止或保持具有一定速度的直线运动。因此恒星或行星要改变其直线运动必须受力才能连续改变其速度和方向作圆周运动；如果已知物体所受作用力的大小、方向以及质量，那么根据牛顿第二定律便可知所产生的运动变化。

引力是物体之间主要的一种相互作用力，牛顿推导出计算它的大小和方向的公式，牛顿的研究同亚里士多德的科学研究方法完全不同。亚里士多德认为地球上的各种物体都有自动掉下来的性质，不随环境改变而改变。然而，牛顿认为，物体之间的相互作用力是包括引力在内所有作用力的基础。从此，科学家们的研究不再局限在物体固有的性质，而是更多的研究两个以上物体之间的相互作用力。例如，苹果掉到地上是因为地球对苹果的引力作用，不是因苹果本身的重量而发生。因此，向着太阳的彗星或围绕木星旋转的卫星是一种自然现象，不是扰乱宇宙秩序的不正常行为。

因此，无论是掉下来的苹果还是行星的运动都随着与其他物体之间的相互作用力的不同而不同。这种物体与物体之间的相互作用就是牛顿的万有引力。如果已知某物体的位置和最初速度以及物体间相互作用力的定律，则可以预想该物体的未来运动趋向。

在亚里士多德和牛顿的研究方法中总想把世界上的事物予以同样的说明，特别是亚里士多德的理论体系中正确的那一部分。亚里士多德认为抛出去的石头不受力时停止而静止，在更好的情况下（竖直上抛等特殊状况下）返回原处。牛顿则认为石头停止是因为摩擦力（石头与地面相互作用）改变了石头的运动。由此可知牛顿的理论比亚里士多德的理论更为精确，而且牛顿力学更加科学，即使是石头停止所需要的时间也可预测出来，这是亚里士多德体系中不能解释的定量的说明。

牛顿在天文学中取得了巨大的成功。他把运动定律应用到超越地球的宇宙引力上，看起来似乎很简单地、但非常成功地推导出了万有引力定律。应用万有引力定律，科学家们能够预测出以前未能看得见的行星——海王星的存在和其准确位置；用这个定律可以说明苹果掉下来的原理以及看起来似乎独立的月球轨道运动和潮汐现象。

研究天体的数学家们在19世纪中叶根据牛顿定律，正确计算出了未来数世纪的日、月食的预想值，其准确值达到秒单位。另外，根据牛顿定律计算，知道了历史上从来认为不吉祥的彗星的出现，实际上是围绕太阳旋转的周围轨道上的气和灰尘的天体与地球有规则地相遇的现象。科学家们运用牛顿的科学研究方法更大范围地对宇宙进行了预测，他们确信不久的将来还会出现更新的方法。

从亚里士多德的“静止”理论到牛顿的万有引力定律，其间经过了漫长的时间和艰难的历程。

亚里士多德的科学不过是揭开理想秩序更大的世界观的极小一部分。在牛顿力学里，物理的物体固有的运动状态是通过引力一样的宇宙作用力与周围的其他物体相互作用的结果。对具有各种确定轨道的行星而言，延伸的物体间的引力，使得行星也有可能从原来固定的轨道上移动到新的轨道上。因而牛顿的宇宙论对科学界外的人们来说，是破坏世界唯一秩序的悖论。

虽然牛顿的世界观不能支持人类普遍的世界观，但是它给人类提供了新的视野。

在牛顿宇宙论中，只要知道联系物体之间相互作用的力学定律和某种物体给定时刻的位置和速度，就能知道未来发生的事情。从原子到细胞或星星的物理世界里，只要运动一开始，根据惯性和相对作用力就能知道相应的效果，也就是能知道物体未来的运动。因此，理论上未来的行动决定于时间。

如果物理学的世界是复杂的时间（钟表），那么任何物理事件完全被时间决定，不需要神来推动行星运动。行星一旦运动，就将永远持续机械的运动。牛顿的想法被社会接受后，人们把钟表看作宇宙的外观模型，这种钟表式宇宙从新的科学中诞生。

19世纪的英国物理学家开尔文对牛顿力学体系的评价是：“如果没有想出力学的模型，那么无法理解其后的事件。”

牛顿力学的成就之大使它深深地改变了人们的自然观。人们往往用力学的尺度去衡量一切，用力学的原理去解释一切自然现象，将一切运动都归结为机械运动，将一切运动的原因都归结为力，认为自然界是一架按照力学规律运动着的机器。这种机械唯物主义自然观在当时是有进步作用的。由于它把自然界中起作用的原因都归结为自然界本身规律的作用，有利于促使科学家去探索自然界的规律。它能刺激人们运用分析和解剖的方式，从观察和实验中取得更多的经验材料，这对科学的发展来说也是必要的。牛顿力学对哲学和人类自然观的影响意味着它代表只有严格的因果律的决定论。当时人们认为：因为世界服从物理学的因果律运动，作为物理连续体的一部分的人类也服从该定律。

牛顿力学的又一个假设是主观和客观的分离，观测者是完全属于客观的存在。因此进行观测时观测者完全不能受干扰。

牛顿力学建立后，在有关物理学问题的解决过程中，牛顿力学体系占据了绝对优势，人们也逐渐适应了牛顿的世界观。