郭艷+黃慧芳+羊子初+施念

（浙江師范大學(xué) 浙江省金華市 321000）

摘要：牛頓推理力學(xué)的建立和發(fā)展和整個物理學(xué)的發(fā)展不論是過去還是現(xiàn)在都有著密切的聯(lián)系，反映了繼承與發(fā)展，批判與超越的人類認識的發(fā)展。在近代早期的科學(xué)活動中并行著物理-數(shù)學(xué)潮流和經(jīng)驗-實驗潮流，牛頓在科學(xué)實踐中統(tǒng)一了這兩種思潮，從而形成了自己的實驗哲學(xué)思想。本文旨在通過論述牛頓的“推理力學(xué)”與“實驗哲學(xué)”來體會牛頓的近代科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：牛頓；推理力學(xué)；實驗哲學(xué)

牛頓爵士，英國著名的物理學(xué)家，百科全書式的“全才”，他在1687年發(fā)表的論文《自然定律》里，萬有對引力和三大運動定律進行了描述。這些描述奠定了此后三個世紀里物理世界的科學(xué)觀點，并成為了現(xiàn)代工程學(xué)的基礎(chǔ)。他通過論證開普勒行星運動定律與他的引力理論間的一致性，展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律；為太陽中心說提供了強有力的理論支持，并推動了科學(xué)革命。

本文主要論述牛頓的“推理力學(xué)”與“實驗哲學(xué)”來體會牛頓的近代科學(xué)精神。

一、牛頓的推理力學(xué)

（一）牛頓推理力學(xué)的產(chǎn)生和建立

由于資產(chǎn)階級進行海外掠奪和貿(mào)易而發(fā)展起來的遠洋航行，要求能夠準確測定船只在海洋L的位置，特別是測量經(jīng)度。而測量經(jīng)度問題在本質(zhì)上就是在任何地方測定絕對時—今天稱為格林威治時—的問題。這個時刻與當(dāng)?shù)貢r刻的時差，可直接換算為經(jīng)度。測定絕對時的方法之一，是觀察月球在星辰間的運行，為此就需要有準確的天文表以預(yù)測天體的位置。這就迫使天文學(xué)家去發(fā)現(xiàn)太陽系的運行規(guī)律[1]。

牛頓通過觀察實驗，繼承、概括和發(fā)展了前人及同時代人在認識方法上和科學(xué)研究上的成果，建立了完整的古典力學(xué)體系。牛頓的表述中確定了表征外部對物體的作用強度的力和物體加速度的關(guān)系。也確定了兩個物體相互作用的關(guān)系，因而成為解決非常繁多的力學(xué)問題的基礎(chǔ)。牛頓從物質(zhì)普遍的機械運動規(guī)律的觀念出發(fā)，發(fā)現(xiàn)了行星運動規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，用嚴格的數(shù)學(xué)方法得出了萬有引力支配著行星運動的結(jié)論。這樣，就可以根據(jù)運動方程進行演繹作出對行星運動的一般描述，從而奠定了天體力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上經(jīng)過創(chuàng)造性的研究于1687年發(fā)表自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，實現(xiàn)了物理學(xué)的第一次統(tǒng)一。原理以四個概念、三個運動定律、六大推理為基礎(chǔ)構(gòu)成。核心是三個運動定律和萬有引力定律。人們運用牛頓定律和方法進行計算成功地發(fā)現(xiàn)海王星和冥王星。牛頓定律的成功使物理學(xué)家形成一種基于因果關(guān)系的認識自然的方式。按照牛頓定律，若已知初始條件就可以求出以后任何時刻物體的位置和速度。這一思想經(jīng)拉普拉斯推廣.表述為一種普適的確定論。這影響了后來的物理學(xué)發(fā)展。[2]

（二）牛頓推理力學(xué)的內(nèi)容

1、萬有引力定律

牛頓看到了“蘋果落地”，這構(gòu)成了他思考萬有引力定律問題并加以推理的起點?？梢哉f，從“蘋果落地”到萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，牛頓通過以下程序成功地經(jīng)驗歸納與推理方法：第一，牛頓看到“蘋果落地”這一現(xiàn)象，這是起點。第二，從“蘋果落地”推及到了“重物落地”這一經(jīng)驗規(guī)律，成為牛頓成功地運用經(jīng)驗歸納與推理方法的第一步。第三，從“重物（蘋果）落地”規(guī)律到天上的“運行的星球”，成為牛頓成功地運用經(jīng)驗歸納與推理方法的第二步。第四，從“高山上的大炮”理想實驗到天上的“星球運行”，成為牛頓成功地運用經(jīng)驗歸納與推理方法的第三步。其中，從伽利略平拋物體運動規(guī)律到對“具有水平方向速度的炮彈”的運行軌跡，再到天上的“星球運行”成為理論上的“可能”是其關(guān)鍵。第五，牛頓在將地球?qū)υ虑虻囊ο蛩械奶祗w和地面上的物體的推廣過程中，成為成功的運用經(jīng)驗歸納與推理方法的最后一步。

2、牛頓三大定律

牛頓在伽利略等人工作的基礎(chǔ)上進行深入研究，推理總結(jié)出了物體運動的三個基本定律：

第一定律（即慣性定律）：

任何一個物體在不受任何外力或受到的力平衡時（Fnet=0），總保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。

第二定律：

牛頓第二定律是力的瞬時作用規(guī)律。力和加速度同時產(chǎn)生、同時變化、同時消逝。F=ma是一個矢量方程，應(yīng)用時應(yīng)規(guī)定正方向，凡與正方向相同的力或加速度均取正值，反之取負值，一般常取加速度的方向為正方向。根據(jù)力的獨立作用原理，用牛頓第二定律處理物體在一個平面內(nèi)運動的問題時，可將物體所受各力正交分解，在兩個互相垂直的方向上分別應(yīng)用牛頓第二定律的分量形式：Fx=max，F(xiàn)y=may列方程。

適用范圍：只適用于低速運動的物體（與光速比速度較低）。只適用于宏觀物體，牛頓第二定律不適用于微觀原子。參照系應(yīng)為慣性系。兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一直線上，大小相等，方向相反。

第三定律

表達式F=-F'（F表示作用力，F(xiàn)'表示反作用力，負號表示反作用力F'與作用力F的方向相反）。

二、牛頓的實驗哲學(xué)

（一）牛頓實驗哲學(xué)的產(chǎn)生

牛頓所處的時代，哲學(xué)理論正處于經(jīng)驗論取代唯實論的階段，與此同時，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域盛行學(xué)者傳統(tǒng)與工匠傳統(tǒng)匯合的潮流，這兩種思想對當(dāng)時的科學(xué)家產(chǎn)生了強烈的影響。牛頓的哲學(xué)思想中濃厚的經(jīng)驗主義色彩，并且向經(jīng)驗主義過度，哲學(xué)思想處于經(jīng)驗論與唯理論互補的結(jié)構(gòu)中。牛頓的實驗哲學(xué)和推理力學(xué)既強調(diào)經(jīng)驗與實驗的重要性，也重視推理演繹的過程。

牛頓認為，科學(xué)是通過對自然進行實驗而得到的認識，因此，他稱之為“實驗哲學(xué)”。由此出發(fā)，他提出了關(guān)于自然科學(xué)的任務(wù)和總的方法論原則：“自然哲學(xué)的目的在于發(fā)現(xiàn)自然界的結(jié)構(gòu)和作用，并且盡可能把它們歸結(jié)為一些普遍的法則和一般的定律——用觀察和實驗來建立這些法則，從而導(dǎo)出事物的原因和結(jié)果?！?/p>

（二）牛頓實驗哲學(xué)的內(nèi)容

從世界觀方面來看，從實際出發(fā)的唯物主義思想姓牛頓取得巨大科學(xué)成就哲學(xué)基礎(chǔ)。他研究自然現(xiàn)象都是從客觀實際出發(fā)的。

在考察現(xiàn)象之問的因果聯(lián)系時，牛頓通過觀察和實驗來發(fā)現(xiàn)事物的結(jié)構(gòu)和作用，從中找出事物的原因和結(jié)果。這就堅持了唯物論的決定論。

從方法論方而來看，注重實驗經(jīng)驗和歸納是牛頓的重要哲學(xué)方法。注重經(jīng)驗體現(xiàn)了他的唯物主義求實精神，注重歸納又是他取得成就的基本方法。歸納方法就是從許多個別現(xiàn)象概括出同類事物一般規(guī)律的方法，是從個別到一般的思維方法。歸納的過程就是先從大量的觀察和實驗中，選擇和確定幾個能反映事物本質(zhì)的最基本的概念，然后再尋找這幾個概念之間的必然聯(lián)系和邏輯關(guān)系，最后再通過實驗來驗證這種關(guān)系能否成立。

從認識論方而來看，牛頓在實驗經(jīng)驗中尋求對客觀事物的正確認識，是堅持了唯物論的反映論和真理觀的。后來，當(dāng)他采用了法國人皮卡特于1682年測得的地球半徑的準確數(shù)值時，才證明了把萬有引力定律用于地月系統(tǒng)中，確實與觀測結(jié)果相符合，這才肯定了萬有引力定律的正確，并正式發(fā)表。[3]

參考文獻：

[1]北京師范學(xué)院物理系力學(xué)熱學(xué)教研室.牛頓力學(xué)原理的產(chǎn)生及牛頓哲學(xué) 思想的分析[J].物理學(xué)史.2015（1）.

[2]高奮忠.基于現(xiàn)代物理的牛頓力學(xué)發(fā)展[J].科技視界.2014.

[3]趙煦.實驗哲學(xué)研究的新視閾[J].科技導(dǎo)報.2012，30（03）.