物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学②科学革命和科学观的形成

物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学

2——科学革命和科学观的形成

中国在15-16世纪曾有过资本主义的萌芽，但很快便枯萎了。然而，在世界范围内，资本主义生产方式却首先在欧洲生根开花结果。资本主义的发展不仅提出了对发展科学的需求，而且也提供了科学发展所需要的物质技术条件，使得系统的实验科学成为了可能。伴随着资产阶级反对封建主义的政治、文化革命运动，科学从服从宗教神学、作为神学奴卜的状况中解放出来。一场科学革命随之到来，预示着新的科学观必将诞生。近代科学的兴起，既标志着科学和哲学从神学中得到解放，又标志着科学和哲学、自然科学和自然哲学走上相对独立发展的道路。

一、欧洲文艺复兴运动

中世纪晚期，欧洲长达千余年的封建、神学统治已摇摇欲坠，资本主义的生产方式从封建社会中逐步形成和发展。地中海周边城市出现了资本主义萌芽，扩大贸易和市场的要求推动了航海业的发展和地理上的新发现。1492年，哥伦布发现了美洲新大陆，1519-1522年麦哲伦的船队完成了环球航行。航海与贸易开拓了市场，加速了资本的原始积累进程。航海、贸易和战争的需要使欧洲的工业迅速发展，同时引起了一系列生产技术革命，也直接促进了天文学、地理学、物理学等科学的形成和发展。14、15世纪，出现了改良的脚踏纺织机、水力风力发动机、磨机和钟表，逐渐产生了关于摩擦、动力测量、传动和匀速运动理论。射击武器的发展，提出了弹道、空气阻力及抛体运动等问题，造船业的发展提出了浮力研究、船的载重和坚固性等问题。13世纪兴起的眼镜业为光学的发展打下了基础。总之，资本主义生产的发展需要科学技术，又为科学研究提供了物质条件。

在欧洲经济发展的同时，一场规模空前的“文艺复兴运动”开始了。由于天主教会是封建制度的精神支柱，严密地统治着社会生活、思想文化、教育等各个方面，这一运动的矛头首先直指教会和神学。随着政治运动的开展，思想文化领域内出现了反映新兴资产阶级要求、反对封建思想统治的强大的运动即文艺复兴运动。这一运动首先在意大利发起，进而很快扩展到整个欧洲。文艺复兴是14世纪中叶到17世纪初发生在欧洲的伟大的思想解放、艺术创造、科学发现运动。“文艺复兴”一词，意指古代灿烂的文化在经历了长期的衰落和沉寂之后，现在又得到了复兴。文艺复兴的指导思想是人文主义或人本主义，这是从神的世界回到人的世界的一种资产阶级价值观。人文主义者提倡人权和思想自由，反对神权，要求把人的思想、感情和智慧从教会神学的束缚中解放出来，重视人与自然的统一，倡导对自然的研究。英国哲学家富兰西斯·培根(Francis Bacon,1561-1626)提出了“知识就是力量”的口号，并且指出科学的目的就是要用新发明和新发现来改善人类的生活。

弗朗西斯.培根

那一时代不仅复兴了古代文化，更是创造了新的文化和一种气氛，而且在文学、艺术、科学、政治理论等各个领域人才辈出，群星灿烂。大学林立，到处是讲学、辩论、著述、出版和宣传。正如恩格斯所说：“这是一次人类从来没有经历过的最伟大、进步的变革，是一个需要巨人而且产生了巨人——在思维能力、热情和性格方面，在多才多艺和学习博学方面的巨人的时代” 。达·芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）是这些巨人中的杰出代表。他是一个多才多艺的天才，《最后的晚餐》《蒙娜丽沙》等绘画作品千古不朽。他在当时每一个学科领域都取得了辉煌的成就，不仅是画家、雕刻家、音乐家，而且是哲学家、工程师、物理学家、数学家、生物学家。他在物理学上的成就主要有：对冲击过程进行了观察，初步表述了惯性原理；研究过材料的强度；研究了抛体运动（弹道）、单摆运动，提出了运动合成的概念；用虚速度方法证明了杠杆原理；重新发现了阿基米德的液体压力的概念，提出了连通器原理，研究过液体的流动；认识到光有类似于水波和空气中波的波动特点；通过绘画，研究过光和影的规律、眼睛的构造并说明了视网膜上像形成的原因。研究过水力、热力动力机械并试图从减少摩擦和部件磨损来提高机械效率；设计过永动机并得出永动机不可实现的结论。

达.芬奇

总之，文艺复兴运动的意义在于，在政治、文化、科学等各个领域引起了前所未有的思想大解放，彻底动摇了封建制度和神权统治的根基，给世界留下了一大批文学、艺术、科学、政治理论成果与精神财富，为近代科学的兴起和新科学观的诞生奠定了基础。

二、科学革命

真正的科学革命是从波兰天文学家哥白尼（Nikolaus Copernicus,1473-1543）否定地心说、提出日心说开始突破的。中世纪的教会把上帝创造世界及与之适应的地心说奉为不可违反的教条。地心说的创始人是古希腊哲学家柏拉图（Plato,约前427-前470），认为地球是一个静止不动的球体，日月星辰都围绕着它运转。绝大多数学者都赞成这种观点。托勒密（Ptolemy,100-170）通过天文观测进一步发展了地心说并给出了一个完整的宇宙模型。他认为宇宙有“九重天”，即一重天是月亮天；二、三重天是水星天和金星天；太阳居住第四重天上，是宇宙的主宰，其光辉照耀整个宇宙，其余依次是火星天、木星天、土星天、恒星天（全部恒星镶嵌其上）。最高的是九重天即上帝或神灵居住的天堂。地球于宇宙中心不动。中世纪的教会把托勒密学说与宗教教条结合起来，认为上帝创造一切包括人，人居住于宇宙中心—地球上。上帝创造的其他星体都是为人服务的，太阳给人类以光明和温暖，月亮给人类在黑暗中以光明，其他星体的天象变化预卜吉凶祸福。地心说成了封建神学统治的思想基础。

哥白尼

哥白尼详细分析了有关行星运动的大量资料，，经过许多年的观测和计算，最终完成了一部划时代的科学巨著《天体运行论》，提出了一个以太阳为中心的宇宙结构体系，推翻了主宰西方思想长达千余年的托勒密的地心说。哥白尼对宇宙结构是这样描述的，最远的恒星天球包罗一切，它本身是不动的；在行星中土星的位置最远，三十年转一周；其次是木星，十二年转一周；然后是火星，两年转一周；第四是地球和同它一起的月亮一年转一周；第五是金星，九个月转一周；第六是水星，八十天转一周；等等。他还得出了各个行星到太阳的相对距离。哥白尼学说建立后，人们一直认为太阳系只有六颗行星，直到1781年，才知道土星外的天王星是第七颗行星，随着海王星和冥王星的发现，人们才认识到太阳系有九大行星。哥白尼学说得到了布鲁诺的宣扬和支持，但布鲁诺又扬弃了太阳是宇宙中心的观点，认为宇宙是无限的，在太阳系外还有无数的世界。他的观点更加有力地冲击了关于宇宙有限、地球中心的宗教教义，教会对其恨之入骨。

哥白尼学说明显的优点在于（1）提供了用匀速圆周运动解释天体现象的简单几何方案，使天文测算变得较简单了。（2）把行星的排列顺序与它们的轨道半径和周期紧密联系起来，形成了一个和谐有序的整体。（3）首次提出了相对运动的思想，揭示了太阳的东升西落不是太阳绕地球转动、而是地球自转的原因。1852年法国的傅科完成了著名的傅科摆实验以及光行差现象的观察，都证明了地球的自转，日心说逐渐被人们所接受。

哥白尼的日心说仍然是一个缺乏物理基础的模型，因为他假定行星都在轨道上做圆周运动。丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe,1546-1601）经过长达21年的艰苦观测，记录了行星位置，得到了详细而精确的数据。当他用数据去拟合哥白尼学说时，发现日心说中的行星圆轨道模型并不是完美的，只是粗略的近似。第谷的学生、德国天文学家开普勒（Johannes Kepler,1571-1630）摆脱了“匀速圆周运动”的老观念，在第谷的工作基础上，经历了长大17年的研究，终于从第谷浩繁的数据中发现并归纳出行星运动三大定律：（1）行星做椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上；（2）太阳到行星的矢径在相同时间内扫过相等的面积（如图1-2-1）；（3）行星绕太阳的运动周期的平方正比于它绕太阳的圆轨道的半长轴a的立方即T²/a³=常数。开普勒定律对后来牛顿的万有引力定律的发现具有奠基性作用。

图1-2-1 开普勒定律

意大利科学家伽利略从物理学的角度支持了哥白尼学说。1609年他制成了第一个天文望远镜，次年获得了几个重大发现：月球和金星表面有山谷；木星有四颗卫星；太阳表面有黑子，从黑子有规律的运动判断太阳以27天左右的周期转动；银河由千万颗暗淡的星体组成。伽利略的发现既表明了古代关于游动的天体只有7个的断言，也表明地球并不是所有天体绕之运动的中心，这是对哥白尼学说的重要支持。1632年，伽利略的巨著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》对哥白尼学说进行了理性论证：（1）论证了天体和地球在本质上是类似的；（2）论证了地球的周日运动，驳斥了地球不动的观点，而且还应用了惯性原理、运动叠加原理和相对性原理，说明在地球上进行的一切实验都不能证明地球是否运动，为地动说奠定了物理基础；（3）论证了地球的周年运动，证明了哥白尼体系的和谐简明，另外对宇宙有限和具有中心的观点提出了怀疑；（4）叙述了潮汐理论，指出潮汐是地球运动的一个证据（这个理论是错误的，潮汐是太阳和月亮的引力造成的）。伽利略宣传哥白尼学说、抨击托勒密体系和经院哲学，曾受到教会的迫害。后来伽利略又继续力学的研究工作，秘密出版了《关于力学和局部运动两门新学科的谈话和数学证明》一书。伽利略为以后牛顿力学的建立铺平了道路。

总之，科学革命的实质是思想大革命。科学革命使科学从服从于经院哲学和神学的束缚中解放了出来，确立了与旧的世界图景完全不同的新的世界图景，新的科学观和思想方法开始成熟起来，也使自然科学从自然哲学中分化并走上独立发展的道路进而逐渐形成系统的学科体系。从哥白尼的日心说开始到后来牛顿力学体系的建立标志着第一次科学革命的完成，这是一次从朴素自然观到以机械自然观为核心的经典科学理论的提升。

三、科学观的形成

科学观涉及到人们对自然的看法、对科学本质的理解以及科学研究的态度、思维和方法。哥白尼学说引起了人们自然观的根本转变，使人类离开感官的直接提示或外观现象而进入现象后面的本质，虽然看到的是太阳绕着地球运动，实际上是地球自身转动的缘故。

新的科学观也是同对经院哲学的批判而形成的。弗兰西斯·培根认为经院哲学对正确地研究自然是有害无益的，强调人是自然界的主人。法国数学家、物理学家和哲学家笛卡儿（Rene Descartes,1596-1650）认为必须创立为实践服务的世俗科学代替经院哲学，提出了“怀疑原则”作为创立真正科学的出发点。他主张怀疑包括经院哲学在内的那些过去被当作真理的一切东西，一切从基本开始，以保证认识的基础绝对可靠。伽利略坚决主张科学认识的自由，提倡自由探索精神，指出宗教在科学上是毫无意义的。

科学研究方法是科学观的一个重要方面，它指导人们如何认识自然并掌握自然规律。在经验和实验基础上建立认识是近代科学革命的明显特点。弗兰西斯·培根是最早倡导新科学方法的人之一。他认为，一切知识来源于感觉，科学在整理感性材料时，用的是观察、实验、归纳、分析、比较的理性方法，经验、实验是真理的来源和检验标准，利用一定的仪器有程序有规则地进行的实验才是科学知识的可贵源泉。笛卡儿也认为实验可以提供“原始前提的必要素材”，还能检验所得结论的正确性。伽利略同样强调，人们必须通过实验去阅读“自然之书”。当时的科学家不仅强调了经验、实验在认识中的作用，而且还开始对实验方法进行研究。系统的实验研究方法是把对自然的研究变为真正的科学的重要标志。实际上，物理学在本质上就是一门实验学科。

根据获得的经验和实验资料建立科学理论体系，还必须进行理论概括。培根提出了经验归纳法即从大量的个别经验事实中概括出一般原理的方法，还提出了正确归纳的步骤即列举正面和反面事例、提出假说、通过实验进行选择修正、最后得出科学结论。由于现象和事例不可穷尽，归纳出来的结论必然受到局限。培根对假说不够重视，认为只要对资料进行系统整理，正确的假说就会自然显现出来。实际上并非如此简单，所以他的归纳法有明显缺陷，但是其方法论思想具有深远意义。笛卡儿与培根的思想不同，他更强调理论思维即理性，把理论思维作为知识的出发点。他对物理学中发展起来的数学方法十分赞赏，认为一切科学都应该按照数学形式建立起来，从明晰的原理出发并通过逻辑途径和数学方法进行论证，就可以得出科学结论，而实验只具有检验理论结果的作用。笛卡儿的唯理论方法也是有缺点的，但这种方法对物理学中理论思维的发展和演绎方法的广泛应用产生了重要影响，也是当时科学哲学和自然科学最重要的思想根源之一。笛卡儿的唯理论方法忽视了实验和经验的作用，培根的经验归纳法不了解数学的作用，两者的相互补充是近代科学新方法论的基础。真正代表近代科学新方法论精神的是伽利略和牛顿。

实验和数学演绎相结合的方法到了伽利略之后已经成熟。伽利略很重视观察和实验，但又认为科学的真正目的是阐明客观现象的因果联系，而且需要对材料进行确切的数学分析和数学概括并用简洁的数学形式把结果表达出来。伽利略开创的近代科学研究方法可概括为：对自然现象进行观测，总结出规律；提出理论假设，解释实验现象；利用数学和逻辑得到推论；对推论进行客观、可重复、精确定量的实验检验；修改理论及假设；实验检验理论及假设；……。这种严谨的方法所得出的结论建立在强有力的实验基础之上，因而是可靠的。他所倡导的这种理论和实验结合的科学研究方法至今仍是自然科学家所遵循的研究准则。