四十不惑系列之（二十一）哇偶，科~学~

牛顿经典力学三定律的确立，标志着文艺复兴的结束和科学时代的来临。

经典力学三定律：

1. 牛顿第一定律（惯性定律）：除非受到外力作用，否则静止的物体会保持静止，运动的物体会保持匀速直线运动。

2. 牛顿第二定律：一个物体所受的合外力等于它的质量乘以它的加速度。用公式表示为 F=ma。这是经典力学的核心方程，它将力、质量和运动联系起来。

3. 牛顿第三定律（作用与反作用定律）：当一个物体对另一个物体施加力时，第二个物体也会对第一个物体施加一个大小相等、方向相反的力。

人们对“牛顿”多崇敬呢？英国诗人蒲柏给牛顿的墓志铭是这样的写的：

“自然和自然的规律在黑暗中藏身。上帝说：‘要有牛顿！’于是万物有了光。”

我们来看看经典力学定律背后的故事。

1 自然科学的理论

什么是定律？在科学领域，定律（Law）是经过大量观察、实验和重复验证后，被普遍接受的、对自然现象基本规律的概括和描述。它通常以简洁的语言或数学公式表达，用来解释和预测特定条件下的现象。

这解释了最早的科学理论的来源是，基于对客观世界的理性观察，通过实验确定的自然现象的内在规律，并在经过广泛的重复的验证后被普遍接受的概括和描述。

关键词提取：观察自然现象，实验寻找内在规律，科学语言的概括和描述，通过验证被普遍接受。

基本上定律这个词只在自然科学中出现。量子力学到现在为止还没有被称之为定律的理论出现。薛定谔方程iℏ∂t∂
Ψ(r,t)=H^Ψ(r,t)是最接近定律的理论，但因其描述的是某种例子处于某种状态的概率，本身描述的是一种不确定性而并没有被定义为定律。

2 实验和观察的科学工具

前文提到过，古希腊的科学长期的停滞是因为对世界的观察，受限于人体感官器官的功能限制。

那么科学革命是如何突破这种限制的呢？科学家将前人的发现用于制作专门的工具来拓展人的感知能力和范围，通过更深入、更全面的观察来发现自然的规律。

在这个层面，伽利略的贡献比牛顿要大得多。伽利略不仅仅改进了望远镜，还改进了钟表，他很可能还发明了湿度计。他的学生托里拆利发明了气压计，盖里克发明了抽气机。可以说是伽利略拓展了科学的发展才导致了科学的降临。有证据表明，伽利略先于牛顿发现了经典力学三定律的前两条。

这些工具不仅仅用于拓展人类的感官，让感知更深入，更广泛的同时更精确。而精确的观察工具为规律的科学描述提供了另一个重要的充要条件“量化”。这个冲要条件似乎是由科学的描述语言和最重要的研究工具“数学”天生就隐含的要求。

开普勒第三定律的数学公式表示为：

·T 代表行星的公转周期（绕太阳一周所需的时间）。

·a 代表行星椭圆轨道半长轴的长度（可以理解为平均距离）。

引入常数k之后公式就转化为：

牛顿将开普勒第三定律与经典力学第二和第三定律相结合推导出后世普遍使用的开普勒第三定律公式和开普勒第三定律中的比例常数：

4 广泛，重复的验证

广泛的重复的验证是科学理论被普遍认可的唯一途径。俗话说：人教人教不会，事教人一次就会。真真切切的多次重复依然相同的实验结果比任何语言和重复千遍的谎言更有说服力。

5 科学理论的潜力和作用

我们编造一个故事来说明这一点。

在一个陡峭的山壁上修建一座庙宇，这个需求是有真实来源的。在我的家乡人们想要为“一人得道鸡犬升天”的民间传说修建一个庙宇。

民间传说是这样的：汉高祖的孙子刘安是一名地方官吏。因为权力斗争汉武帝刘彻派军队追杀刘安。刘安携家带口逃进深山。在陡峭的山崖下，追杀刘安的士兵看到刘安一家人在云层之上渐行渐远。当士兵爬上山顶时，不但没有找到刘安，连他带上上的家畜的影子都没有发现。

陡峭的山壁上修建庙宇的困难之处在于有限的站立空间内将修筑房顶的横梁抬到足够的高度。于是人们请来一个经验丰富的木工师傅。木工师傅提出一种方法，利用杠杆原理制造一个简单的起重机，将横木抬到房顶的高度。很快起重机就修好了。起重机确实好用，第一根衡量很快就安放好了。看着稳稳放在柱子上的衡量，人们询问老木匠这是怎么做到的。老木匠只是神秘的微笑，并不向众人说明他是从京城来的负责修建城郭的官员那里学来的。

好景不长，这个简单的起重机在架设第三根衡量的时候。吊臂断了，砸伤了几个修建庙宇的工人，同时也砸坏了已经立起来的柱子。老木匠大惊，眼珠子一转，声称庙宇的建设打扰了刘安仙人的清静而不被仙人所容。

正在受伤的工匠翻滚哀嚎，其他工匠不知所措的跪拜以求仙人的赦免时。一个混账从天而降，摸着满头的黄毛懵逼的看着一群跪拜的人。这是一个不知霍霍了谁家闺女而受到天罚被扔到这里的现代人。

黄毛询问了事情的经过之后，一脚将老木匠提到在地。口中骂骂咧咧的说：什么神仙的诅咒，杠杆原理都不懂，瞎指挥。杠杆原理除了之外还有。你这么细的吊臂能不断才怪。更换了吊臂后的起重机很快就修好了庙宇。

黄毛是比老木匠的经验更丰富吗？不，黄毛一天木匠也没做过。那为什么黄毛能改进起重机完成预期的目标？这是因为黄毛所掌握的科学理论是被验证有效的，具有预示未知和未来结果的能力。

老木匠的经验蕴含世界的规律，但并不具有普遍适用性和对未知的预示。所以没有经过提炼和归纳的经验并不适用于所有的情况和场景。但是经过科学方法，特别是数学计算和量化后的科学理论发现的是自然现象中更广泛的，更适用的内涵规律。应用科学理论可以有效的对为发生的事情结果给出更可靠，更有效的预言和设计。

在科学诞生的这一时期，有些戏剧性的巧合被神秘主义者津津乐道，也被人们认为是命运的安排。最著名的就是，伽利略出生的那天是米开朗基罗离开人世的日子。而在圣诞节诞生牛顿的同年，伽利略也离开了人世。这似乎象征着：一个巨人的陨落，标志着一个旧时代的终结；同时也将诞生另一位巨人，预示着新时代的开启。