《世界观：现代人必须要懂的科学哲学和科学史》第二十章：新科学和牛顿世界观概述

《世界观：现代人必须要懂的科学哲学和科学史》是美国学者理查德・德威特撰写的科学哲学著作，2018年由机械工业出版社出版。作者基于费尔菲尔德大学的教学经验，通过图表辅助与通俗化表述，系统梳理科学认知体系的演进历程。

全书以科学史为主线，解析人类世界观从亚里士多德地心说、牛顿经典力学到相对论与量子力学的变革过程。第一部分探讨科学哲学基础命题，包括真理本质与实证方法；第二部分分析古代至近代科学范式转换，聚焦托勒密至伽利略的理论突破；第三部分评述现代科学对传统世界观的冲击，揭示科学理论与认知框架的动态发展。通过跨学科视角，阐释科学思维如何重构人类对世界的理解。

第20章　新科学和牛顿世界观概述

17世纪新科学的发展是很多研究人员共同努力的结果。然而，将这些努力汇集在一起的，是牛顿在1687年发表的著作《自然哲学的数学原理》，通常被简称为《原理》（Principia，源于这部著作的拉丁文名称Principia Mathematica Philosophiae Naturalis）。《原理》展示了一种新的物理学，与运动的地球保持一致，同时建立了我们现在所认为的牛顿科学的核心。这部著作还提供了一个易于使用的方法，可以用来研究牛顿世界观，也就是一个新的观点拼图，一个可以替代亚里士多德世界观的观点拼图。

我们在这一章的主要目标是探讨牛顿科学和新（牛顿）世界观。我们将从对牛顿科学的概述开始。

新科学

我们在第18章中讨论过，亚里士多德世界观的核心部分无法与运动的地球拼合在一起，因此，接受了地球围绕太阳运转，就意味着需要一种全新的科学。当时出现的新科学是许多人经过几十年不断努力的结果。正如前面提到过的，这个新科学随着牛顿著作的出现而最终成型。正因如此，我们将主要研究一下牛顿科学，尽管我们不应该忘记牛顿的研究也得益于其他科学家的努力。虽然我们在本章中不会深入探讨，但仍然值得一提的是，在牛顿独立创立微积分学的同一时期，戈特弗里德·莱布尼茨（1646—1716）也创立了微积分学。微积分学是牛顿科学发展过程中的一个重要数学工具，直到今天，也仍然是应用最为广泛的数学工具之一。

《原理》是一部内容丰富翔实的著作，其最新英文译本一共有大约600页。然而，究其核心，通常认为牛顿科学由三大运动定律和万有引力定律组成。当然，在这600页中，牛顿并不只是提出了一系列运动定律和万有引力概念。尽管如此，把万有引力概念和运动定律当作牛顿科学的核心，仍然是有一定道理的。那么，接下来，我们将对此进行探讨，同时也将对某些与牛顿科学相关的普遍命题进行讨论。

三大运动定律

牛顿《原理》的第一部分是定义，在这部分里，牛顿解释了在书中他将如何使用各种术语。接下来是一个较为简短的部分（大约10页），在这部分里，牛顿提出了三大运动定律。

牛顿第一运动定律是我们现在通常所说的惯性定律。我们在第12章中第一次讨论了惯性定律，在那一章中，对惯性定律的表述与现在通常所使用的表述相同：任何物体在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态。牛顿对惯性定律的表述稍微有些不同，但他的表述与现代通常所用的表述在意思上是等价的。我们在前面讨论过，惯性定律与我们的日常经验相矛盾，是能在17世纪得出的比较难以理解的定律之一。惯性定律的多种前身在16世纪得到了广泛探讨。在17世纪早期，伽利略对运动的物体进行了一系列研究，几乎正确总结出了惯性的核心概念，但还是差了那么一点儿。到了17世纪中叶，笛卡尔对惯性进行了准确的总结表述，牛顿第一运动定律在很大程度上借鉴了笛卡尔的表述。

要理解牛顿第二定律，可以思考一下击打棒球时的情形。你越用力击打棒球，棒球飞出的速度就会越快，飞出的距离会越远。也就是说，棒球运动的变化与其所受到的力（也就是你击打棒球时所用的力）是成正比的。更全面地说，牛顿第二运动定律的表述是，物体运动的改变与其所受作用力成正比，而且与其所受作用力在一条直线上。这条定律通常被归纳为F=ma，也就是物体所受作用力等于质量乘以加速度。在击打棒球的例子里，根据这条定律，物体的加速度将等于其所受作用力除以物体的质量。

牛顿第三运动定律的表述是，对任何作用力，总会存在一个方向相反、大小相等的反作用力。对这条定律的标准解释运用了手枪的后坐力，也就是射出一颗子弹的动作会使手枪在子弹射出的相反方向产生大小相等的反作用力，也就是手枪在相反方向上的后坐力。

万有引力

三大运动定律是牛顿科学的核心组成部分，然而在《原理》中只占了两页纸的篇幅。另一个关键组成部分——万有引力概念，解释起来多少更加复杂一些。在这一节，我想解释一下牛顿在《原理》中是如何逐渐建立起万有引力概念的，然后在本章的最后一节（也就是结语之前），我想探讨一下为什么牛顿要采用这种逐步推进、小心谨慎的方法。让我们从现在对万有引力概念的通常表述开始。

万有引力通常被表述为任意两个物体之间的相互吸引力。举个例子，太阳的万有引力作用吸引着地球向太阳靠近，与此同时，地球的万有引力作用也吸引着太阳向地球靠近。同样地，当我扔出一本书，地球的万有引力作用将书往地球的方向吸引，然而与此同时，书的万有引力作用也把地球向书的方向吸引。书的万有引力作用实际上对地球没有效果，这是因为地球的质量远远大于书的质量。同样地，在前面关于太阳和地球的例子中，太阳的质量远远大于地球的质量，这就解释了为什么相较于太阳的万有引力作用对地球的效果，地球的万有引力作用对太阳可以说几乎没有影响。

更具体地说，两个物体之间的万有引力作用与物体的质量成正比例。也就是说，物体质量越大，万有引力作用越强。同时，万有引力作用与两个物体之间距离的平方成反比例，因此，随着物体之间距离的增加，它们之间的万有引力作用迅速减弱。

以上所说的就是现在我们通常对万有引力的表述。事实上，这种对万有引力的表述也是《原理》中的表述。然而，相较于在开篇即得到了完整、简明表述的运动定律，万有引力概念的提炼和描述则有所不同，是一个逐渐展开的过程。

除去序言，在《原理》最开始的几页中，也就是在关于定义的那个部分中，牛顿就首次讨论了重力。然而，此时牛顿用“重力”指代把物体往地球方向吸引的作用力，很明显，这里所使用的这个术语，其含义并不是“万有引力”。随后，在书中（实际上是400页以后），牛顿表明地球的重力作用肯定至少影响了月球，而且是月球轨道形成的原因。同时，牛顿还表明，不管其他行星的卫星（如木星的卫星）是在什么力的作用下保持在其自身轨道上运行，那个作用力，一定与地球的重力特点相同（也就是，这个吸引力与物体的质量成正比，与物体之间距离的平方成反比）。牛顿还表明，使行星始终沿其轨道围绕太阳运转的作用力，一定也与地球的重力特点相同。此时，也就是在《原理》第三卷的命题七中，牛顿一切准备就绪，提炼出了重力的概念：重力普遍存在于一切物体中。

那么在这里，我们最终得到了一个完整的“万有引力”概念。在《原理》结尾的部分，牛顿向我们展示了“万有引力”概念与运动定律的解释能力，让人印象深刻。《原理》是一部革命性著作，虽然其中的概念数量不多（也就是三大运动定律和万有引力），却可以解释种类广泛、数量众多的现象，确实令人赞叹。

牛顿世界观概述

重申一下，亚里士多德世界观是一个以地球为中心的世界观。“地球在宇宙中心”的观点并不是一个简单的外围观点，而是核心观点，不能在不替换观点拼图中其他大多数拼板的情况下替换这个观点。牛顿科学为一个新的观点拼图提供了很多科学拼板，具体来说，牛顿所提供的科学体系在解释方面能力卓著，而且值得注意的是，这个科学可以与运动的地球保持一致。回忆一下，亚里士多德世界观拼图中的大多数拼板，不只是科学相关的拼板，也包括哲学性/概念性拼板，都不能与这个新科学相适应。换句话说，我们需要一系列新的哲学性/概念性拼板来与牛顿所提供的与科学有关的拼板进行组合。

举个例子，在亚里士多德世界观中，宇宙被认为是有目的、有本质存在的。物体因内在的本质性质而形成其运转模式。在牛顿科学中，物体运转模式的形成原因不再是其内在本质；相反，物体是在外力的影响下而形成其运转模式。整个亚里士多德世界观中关于宇宙的观点，也就是认为“宇宙充满了目标和目的”的观点，不能与新科学拼合在一起，而且事实上，此时宇宙已开始被看作一台机器。在一台机器中，不同的零件之间彼此推拉，而各种零件之所以会有如此表现，原因正是其他零件所施加的作用力。同样地，宇宙中的物体也开始被认为是在其他物体的推拉和外力的影响下而形成其运转模式。

这个机器的比喻在新世界观中占了主导地位。在这样一个宇宙中，外力的推拉是理解宇宙中物体运转模式的核心，而这样的宇宙观几乎与亚里士多德的整体观点完全相反。简言之，与亚里士多德世界观科学紧密相连的宇宙观，也就是认为“宇宙是有目的、有本质存在”的观点，被一个新的机械论的宇宙观所替代，而且这个把宇宙当作机器一样的宇宙观与新科学紧密相联。

随着机器比喻的出现，人们对神明的观点也发生了变化。重申一下，对亚里士多德本人来说，神明并不是宗教的神明，而是解释恒星和行星为什么可以持续运动时所需的因素。正如我们在前面提到过的，几百年后，亚里士多德关于神明的概念被基督教、犹太教和伊斯兰教中上帝/真主的概念替代了。所以，尽管亚里士多德世界观中神明的概念发生了一些变化，但是亚里士多德世界观中的一个核心概念并没有发生变化，也就是，在宇宙运转中，上帝是一个必要的组成部分。换句话说，在亚里士多德世界观中，出于科学原因的考虑，需要有上帝或者类似上帝的存在，因为这是天体能够保持运动的原因。

然而，在新科学中，不需要这样的因素来使宇宙运转。举个例子，行星的运动被解释成惯性（运动的物体会保持运动，由于行星本身就是运动的物体，所以会保持运动）及重力作用（重力作用解释了行星为什么围绕太阳运动，而不是沿直线运动）共同的结果。简言之，新科学不再需要上帝来使宇宙运转。

宗教观点通常都不容易改变，所以毫不意外，大多数人并没有放弃自己的宗教观点。然而，上帝的概念则发生了相当大的变化。具体来说，人们开始认为是一位类似于工程师或钟表匠这样的上帝设计、构建了宇宙，并让宇宙运转了起来。但从这以后，宇宙可以自行运转，并不需要前一个世界观里所必需的神明来持续介入。

与此同时，对个人在社会中所扮演的角色，普遍认知也发生了变化。亚里士多德世界观中所包括的应该是一种可以被称为等级观的观点，就像每个物体在宇宙中都有其天然的位置一样，每个人在其所处的整体环境中同样有自己天然的位置。举个例子，思考一下国王们所拥有的神圣权利。这背后的逻辑是，成为国王的人命中注定要成为国王，这是他在自己所处的整体环境中合适的位置。有趣的是，在坚持“国王有神圣权利”信条的最后一代君主之中，有一位是英国国王查理一世。直到17世纪40年代，查理一世国王被推翻、审判并处决时，他仍然在维护这个并不能让人信服的信条。西方世界近代史上主要的政治革命，也就是发生在17世纪40年代的英国革命，以及随后发生的美国和法国革命，其过程中都以个人权利为重点诉求，这些革命都发生在亚里士多德世界观被摒弃以后，很可能这并不是巧合。

总的来说，在亚里士多德世界观中，宇宙是一个比较小而舒适的空间，同时，地球在宇宙的中心。宇宙充满了天然目标和目的，因此这是一个目的论、本质论的宇宙观。这个宇宙观也延伸到了人的身上，每个人在自己所处的整体环境中都有其天然位置，就像物体在宇宙中都有各自的天然位置一样。而且，在日常生活中，需要有上帝或与上帝类似的存在来使宇宙保持运转。

随着新世界观的出现，以上所有观点都发生了变化。现在，宇宙被认为是广阔的，甚至可能是无限大的，太阳只是太阳系的中心，行星围绕太阳运转。宇宙现在还被认为像机器一样，物体不再为了实现某个目的或目标而运转。相反，物体是在没有目的的外力作用下运转。同时，也不需要上帝或类似上帝的存在来使宇宙运转。事实上，宇宙一天一天保持运转，就像钟表每天嘀嗒嘀嗒走个不停。

哲学思考：对待牛顿重力概念的工具主义和现实主义态度牛顿世界观中通常的重力概念有一个方面相当有趣，值得我们在结束这一章之前花点时间讨论一下。这个有趣的方面与我们在前面讨论过的某些核心哲学命题息息相关，而且从某种程度上来说，也可以解释我们在前面所提到过的牛顿在《原理》中为什么要采取一种渐进且谨慎的方式来提出重力概念。

我想花点时间来探讨，为什么重力概念从某个特定角度来看是个相当奇特的概念。让我首先举个例子，在本书后面的篇幅中，我还会用到这个例子。假设我把一支钢笔放在桌子上，我让你把钢笔移动一下，但前提是不能跟钢笔有任何形式的联系。你不能碰钢笔、不能向钢笔吹气、不能向钢笔扔东西、不能摇桌子等，总之就是根本不能与钢笔有任何形式的联系。尽管不允许你与钢笔有任何形式的联系，但我还是要求你把钢笔移动一下。你几乎肯定会认为我在让你完成一个不可能完成的任务。之所以这样认为，是基于一个已经成为常识的判断，它的起源至少可以追溯到古希腊。这个判断说的是，一个物体（比如你）不可能在不存在任何形式的联系或交流的情况下，对另一个物体（比如钢笔）产生影响。用通俗的话来说，这个判断通常都被总结为，“超距作用”不可能存在。

现在，让我们回到重力概念。重力通常都被认为是物体之间的吸引力。

举一个典型的例子，地球的重力作用吸引了我的钢笔，因此当我松开手中的钢笔时，它会向地面下落。如果我们提个问题：“钢笔为什么会下落？”通常的答案会是，钢笔下落是因为受到地球的重力作用。

同样地，如果我们的问题是，重力是不是一个真实的力，也就是重力是否真实存在，通常的答案是，“当然，重力是真实存在的”。人们通常用一种现实主义态度来看待重力，认为重力真实存在，而这在很大程度上解释了我们日常生活中所观察到的大部分现象。

我怀疑我们大多数人都用现实主义态度看待重力，主要是因为从我们很小的时候就开始被灌输重力的概念，因此不容易注意到重力，或者说，至少用现实主义态度来看待的重力，具有某些相当奇怪的特点。要理解这些奇怪的特点，我们可以把重力和在其他情况下两个物体之间的吸引力进行对比。

举个例子，假设我把一根橡皮筋绑在两支钢笔上，然后把两支钢笔拉开，绑在两支钢笔上的橡皮筋就被拉长了。在这个例子里，从某种意义上说，两支钢笔彼此互相吸引。如果我松开两支钢笔，它们会迅速向彼此移动。不过，在这个例子里，吸引力的性质很容易理解，两支钢笔由一根拉长了的橡皮筋连接起来，这根拉长了的橡皮筋正是两支钢笔之间吸引力的来源。

在前面的这个例子中，也就是当两支钢笔被一根拉长的橡皮筋绑在一起时，我们很容易理解其中吸引力的性质。不过，现在回到向地面下落的钢笔的例子，请注意钢笔和地球之间似乎不存在联系，并没有橡皮筋把地球和钢笔绑在一起，也没有细绳，什么都没有。然而，尽管如此，钢笔在被松开以后仍然向地球移动。从这个角度来看，重力听起来并不像是科学，而像是魔法。

简言之，如果用现实主义态度来看待重力，认为重力是一个真实存在的力，那么重力的效果听起来非常像某种神秘的超距作用。这种在远距离外就可以产生作用而又看不见的力通常被称为“超自然”的力，人类在摒弃似乎包含这类力量的观点方面，拥有悠久的历史。举个例子，在17世纪早期，开普勒曾提出潮汐可能是受到月球影响的结果（这个观点最终被证明方向是正确的），但因为这个观点涉及了这种超自然的力量，开普勒遭到大肆批评，其中包括来自伽利略的批评。至少追溯至古希腊时期，人们都认为，很显然这世界上不存在可以在远距离产生作用的动作，也不存在超自然的力量。

当牛顿初次发表《原理》时，很多批评人士攻击牛顿的切入点，也就是牛顿所引入的这个力，需要一种神秘的超距作用。在这些批评人士中，有些人很有影响力，这样的人很多，暂且举一个例子，比如戈特弗里德·莱布尼茨（我们在前面提到过他是微积分学的共同创立者）。莱布尼茨尤其攻击牛顿在科学中引入了“超自然”的力，而莱布尼茨这种观点的基础正是我们在前面提到过的那个问题，重力似乎涉及某种神秘的超距作用。

面对这样的批评意见，一个可行的做法就是向工具主义转变，采用工具主义态度来看待重力。实际上，牛顿本人通常都声称自己是用工具主义态度来看待重力的。要更好地理解这种会有怎样的影响，可以再思考一下向地面下落的钢笔。牛顿的方程式，包括与重力相关的方程式，可以对钢笔将如何下落（比如钢笔下落的加速度）做出很好的预测。采取工具主义态度，实际上就是认为这些方程式可以很好地描述物体运动模式，同时对物体为什么会有这样的运动模式保持不可知论的态度。换句话说，你可以用牛顿的方程式，特别是与重力相关的方程式，来进行很好的预测，但同时对重力是不是一个“真实”的力保持沉默。

牛顿确实始终希望对重力给出一个现实主义的描述，与他在《原理》中给出的数学计算保持一致，并且从某个意义上说，这个描述仅涉及数学计算而没有超距作用。不过，尽管在后来的两个世纪里，看待重力的方法多少有些不同（比如，出现了一个新概念，那就是物体是在不需要超距作用的情况下，对一个在局部有效的重力场做出反应的，这可以是看待重力的另一种可行选择），但仍然没有出现一种对重力完全没有问题的解释。至少从现实主义角度来看，这些解释都有问题。只要采取完全的工具主义态度，那么所有解释，包括牛顿的解释，都是没有问题的。最终，爱因斯坦的广义相对论将会对重力给出一个不涉及超距作用的解释，我们在后面的章节将对此进行讨论。然而，我们也将看到，爱因斯坦对重力的解释，与我们大多数人从小到大所理解的牛顿关于重力的观点之间存在巨大差异。

结语

旧的亚里士多德世界观不能与17世纪的新发现保持一致。它的替代者当然不是一夜之间就建立起来的，不过，最终我们在前面所描述的新的世界观出现了，这正是我们所说的牛顿世界观。与亚里士多德世界观的情况相同，牛顿世界观也随时间推移而经历了发展，不过一个机械论的、像机器一样的宇宙一直保留了下来，并且成为这一世界观的核心观点。

科学在17世纪得到发展，在这个过程中，特点之一就是出现了越来越多的定律，比如开普勒行星的运动定律和牛顿的运动定律。科学定律变得越来越重要，而这也带来了一些有趣的哲学问题，比如什么是科学定律。在第21章中，我们将简要研究围绕这些定律产生的某些令人困惑的命题。然后，在第22章中，我们将简要描述牛顿世界观在随后两个世纪中的发展轨迹。