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1、论牛顿的研究方法及哲学思考1642 年的圣诞节前夜，在英格兰林肯郡沃尔斯索浦的一个农民家庭里，牛顿诞生了。牛顿是一个早产儿，出生时只有 3 磅重。接生婆和他的双亲都担心他能否活下来。谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位震古烁今的科学巨人，并且活到了竟活到了 85 岁的高龄。牛顿出生前三个月父亲便去世了。在他两岁时，母亲改嫁。从此牛顿便由外祖母抚养。11 岁时，母亲的后夫去世，牛顿才回到了母亲身边。大约从 5 岁开始，牛顿被送到公立学校读书，12 岁时进入中学。少年时的牛顿并不是神童，他资质平常，成绩一般，但他喜欢读书，喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物，并从中受到启发，
2、自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意，如风车、木钟、折叠式提灯等等。后来，迫于生活，母亲让牛顿停学在家务农。但牛顿对务农并不感兴趣，一有机会便埋首书卷。牛顿的好学精神感动了舅父，于是舅父劝服了母亲让牛顿复学。牛顿又重新回到了学校，如饥似渴地汲取着书本上的营养。牛顿 19 岁时进入剑桥大学，成为三一学院的减费生，靠为学院做杂务的收入支付学费。在这里，牛顿开始接触到大量自然科学著作，经常参加学院举办的各类讲座，包括地理、物理、天文和数学。当时，牛顿在数学上很大程度是依靠自学。他学习了欧几里德的几何原本 、笛卡儿的几何学 、沃利斯的无穷算术 、巴罗的数学讲义及韦达等许多数学家的著作。其中，对牛顿具有决定性
3、影响的要数笛卡儿的几何学和沃利斯的无穷算术 ，它们将牛顿迅速引导到当时数学最前沿解析几何与微积分。正当牛顿准备留校继续深造时，严重的鼠疫席卷了英国，剑桥大学因此而关闭，牛顿离校返乡。家乡安静的环境使得他的思想展翅飞翔，以整个宇宙作为其藩篱。这短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月，他的三大成就：微积分、万有引力、光学分析的思想就是在这时孕育成形的。可以说此时的牛顿已经开始着手描绘他一生大多数科学创造的蓝图。纵观牛顿的求学生涯，或许牛顿资质平常，但勤能补拙，好学与好奇造就了科学的巨匠，牛顿，是科学史上的历史丰碑！牛顿是有史以来最伟大，最有影响力的科学家。牛顿定律及其世界体系的建立，是人类认识客观
4、世界过程中的一次飞跃。美国科学史家 Kuhn把它称为科学革命。如果日心说是第一次科学革命，牛顿力学就是第二次科学革命。科学革命是技术革命的先导，在牛顿的科学革命之后大约一百年，出现了 18 世纪末 19 世纪初的工业革命或产业革命。牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲学观点和一套初具规模的物理学方法论体系，给物理学及整个自然科学的发展，给 18 世纪的工业革命、社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响。顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿原理一书中集中体现了以下
5、几种科学方法：一、验理论应用的方法。牛顿在原理序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些方去论证其他的现象。 ”科学史家I.B.Cohen 正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较” 。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。 二、分析综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点） ，综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等） 。牛顿在原理中说过：“在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。一般地说，从
6、结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性” 。 三、归纳演绎方法。上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿从观察和实验出发。 “用归纳法去从中作出普通的结论” ，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论。 四、物理数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出” 。爱
7、因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合” ， “只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一” 。牛顿把他的书称为自然哲学的数学原理正好说明这一点。牛顿在原理中提出了力学的三大定律和万有引力定律，把地面上物体的运动和太阳系内的行星的运动统一在相同的物理定律之中，从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。它不仅标志了 16，17 世纪科学革命的顶点，也是人类文明、进步的划时代标志。它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果，
8、而且也是后来所有科学著作和科学方法的楷模。牛顿的科学思想和科学方法对他以后三百年来自然科学的发展产生了极其深远的影响。从科学思维方法论的角度看,牛顿从看到苹果落地这一现象到万有引力定律的发现和提出, 整个过程的背后是在经验归纳基础上一系列的推理过程:从看到苹果落地 现象推及重物落地经验规律推及天上运行的星球设计高山上的大炮 理想实验运用伽利略平抛物体运动规律分析具有水平方向速度的炮弹运行轨迹天上的星球运行 成为理论上的 可能将地球对月球的引力向天体和地面物体的推广发现和提出万有引力定律。这一系列的推理过程给我们的启迪很多,其中一个主要的启示就是牛顿自觉或不自觉地成功应用了经验归纳与外推方法。将
9、这一方法加以理性地提炼,其要义是,科学工作者在一定领域和范围内通过经验归纳得到的确实可靠的知识或规律,推及到其他的相同或相似的未知领域以获得新的科学发现、新的知识或规律的一种思维操作方法。这一方法不仅是科学知识增长的一条重要途径和科学发现过程中必不可少的逻辑方法,而且是一种值得人们重视的科学思维方法,甚至可以将它提升为一种科学研究的哲学思维方法。牛顿的科学观是因果决定论的科学观。他认为天体运动的原因就是万有引力，行星运动的规律是由万有引力定律决定的。他根据万有引力定律成功地解释了行星、卫星和彗星的运动，直至最微小的细节，同样也解释了潮汐和地球的进动。在牛顿力学中只要知道质点在初始时刻的位移和速
10、度，根据牛顿定律就可以预言其后时刻的运动情况，这是典型的因果描写。 但是，在牛顿以前往往并不用因果论来解释自然现象，而用目的论来解释自然现象，即按照某种目的或结果来解释运动现象，而不是用力的原因作解释。牛顿采用因果性的解释在物理学的发展中是重要的一步。爱因斯坦指出：“在牛顿以前还没有实际的科学成果来支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。 ”牛顿建立了物理因果性的完整体系，从而揭示了物理世界的深刻特征。 在决定论科学观的基础上，牛顿确立了他的物理框架，所谓物理框架就是对物理现象解释的一种标准。牛顿框架的核心是力和力所决定的因果性，认为找到了力的规律就是找到了对运动现象的解释。 然而，在牛顿以
11、前并不使用力的框架，而是“和谐性”的框架。在哥白尼开普勒时期，他们追求的是和谐性，即寻找运动的和谐，认为找到了和谐就找到了解释，这种思想在这一时期发展到了顶峰。哥白尼之所以怀疑托勒密体系，主要是他认为托勒密体系很不和谐，在托勒密体系中行星有时逆行。如果将中心从地球移到太阳，则行星的运动更加和谐。正如哥白尼说的显示了“令人欣赏的对称性”和“清晰的和谐性” 。 到了牛顿一代，不再采用和谐性框架，不再认为寻找“和谐”就是寻找对运动现象原因的解释，牛顿认为找到了力才是找到了对运动现象的解释。以后的物理学家主要依据力的框架进行工作。爱因斯坦指出：“直到 19 世纪末，它一直是理论物理学领域中每个工作者的
12、纲领。 ”“这个物理学框架在将近二百年中给予科学以稳定性和思想指导。 ”沿用牛顿的框架发展到顶峰的是麦克斯韦，麦克斯韦坚持牛顿的力的框架，他建立了电磁学的力学模型，企图用以太中的力来解释电磁现象，发展电磁理论，后来，他不再采用力学模型，而是用电磁场的概念来分析问题，这反映出框架的变化。 牛顿在科学研究中坚持以经验为基础，他认为在没有从观察和实验中发现引力之原因时，决不杜撰假设。牛顿的“不杜撰假设”具有方法论的意义，这种方法论与他同时代的大多数人所遵循的方法迥然不同。牛顿的同时代人都追随笛卡儿探索自然现象的原因，构筑引力的机制。而牛顿则不然，他所关心的不是引力“为什么”会起作用，而是“如何”在起
13、作用。他的目的是寻求引力所遵从的规律，提出准确的数学描述，证明行星系统如何依赖于引力定律。 但是，牛顿的认识路线也不同于受经验主义影响很深的胡克的认识路线。胡克强调从实验上去探求引力定律，忽视数学推理的必要性。他的表述停留在定性认识上，缺乏定量的成分。他没有认识到当时更需要的是数学推理，而不是实验，因为所有行星运动的实验资料都已总结在开普勒定律之中，而胡克面对实验事实，迟迟不能提出物理模型，进行数学推导，从而确立力的定律。这是他在方法论上不如牛顿的地方。牛顿在自然科学领域内作了奠基有贡献。他继承了英国唯物主义的始祖培根重视归纳法有传统，主张科学研究要通过实验发现现象，然后运用归纳法总结为定律，再用数学推演建立理论体系。 自然哲学的数学原理一书正是这样写成的，这无疑是一种重要的科学方法，对后来的科学发展起了很大的促进作用。牛顿的哲学思想基本上属于自发的唯物主义，曾经有人问牛顿：“你获得成功的秘诀是什么？”牛顿回答说：“假如我有一点微小成就的话，没有其它秘诀，唯有勤奋而已。 ”身为一名学者更应当有牛顿的这种精神，不畏艰难，不畏吃苦的精神。
