揭露天机：《新物理学的诞生》|三个一|月旦评|品乐书会|同一本书

简单说句“科学史”的意义：

对于大多数人来说，科学史是关于科学家进行智力探险的惊奇故事。故事里充满巧合、惊讶、追悔莫及、嫉妒与错误……

但严肃的科学史显然需要更可靠一点。如果，我们承认是科学技术带来了现代化，带来了和以前一百万年都截然不同的现代世界——那么，理解科学史就一定和理解现代性息息相关。（这是我所读到的科学史）

我们一再看到，自17世纪以来，物理科学任何一部分的重大调整必定会引起通盘改变；另一个结论是，孤立地或完全凭借自身去检验或证明科学命题一般来说是不可能的，每一项检验毋宁说是对相关命题外加整个物理科学体系的确证。

考虑到哥白尼-牛顿之间的科学发展，大多数朋友只有很模糊的概念，本文还是以简单厘清科学发展思路为主，对提炼出来的意义不展开阐释。

天文学还是物理学？

对现代人来说，天文学和物理学差不多是一回事儿的不同侧面。但古代并非如此，亚里士多德的自然哲学把世界分为两类，地界/天界。

地界的物体由四元素（气水火土）构成，其“自然的运动方式”是竖直运动——清的升、浊的沉——这是物体的“本性”。水平方向上的，是“受迫运动”，也就是受到外力施加才会发生。

天界的物体是日月星辰，它们由“第五元素”（或“以太”）构成，其“自然运动”是圆周运动，正如我们看到星河周转。

地界的事物可朽，而天界是不朽、圆满的，始终不变——常被比作宝石。不难推论，地球是地界的中心，其“自然运动”是竖直上下。如果硬要地球转动，那就是不“自然”的，会违反地球的“本性”。

因此，对于亚里士多德来说，既然存在自然运动和受迫运动的区分。那么为了要使物体发生受迫运动，就必须施加力。力越大，运动就越强。

在这种考量下，我们很容易区分天文学和物理学。天文学涉及天界，以圆周运动为主，天体完美无缺；物理学是地界的学问，往往是直线或者曲线运动，物体时常变化、损坏。

早在公元前3世纪，古希腊的阿里斯塔克就提出，地球（古希腊一般默认是球体）可能一边自转，一边绕太阳公转。但在很大程度上，这个观点在那个时代没啥说服力。中世纪也不断有人提出，地球可能会绕轴自转。

核心问题在于：“惯性”的概念还未被发现。假设地球在运动，那么显然地球上的人会被甩飞。中世纪后期流行一个问题，如果朝天上发射一颗炮弹，它会落回原地呢，还是落在几十公里以外。如果我们从来没有思考过“惯性”，那么答案是很显然的：如果地球不动，那么炮弹会落回原地；如果地球在运动，那么炮弹会落到几十公里以外。观察支持了这个（实际上是错误的）论证——炮弹一般会落在原地附近→所以地球是不动的。

亚里士多德的错误不是什么新鲜事儿。早在公元6世纪，就有一个拜占庭学者菲洛波诺斯做了中世纪版“自由落体”实验，并明确指出：

如果从同一高度释放两个重量相差数倍的重物，我们会发现，运动所需时间之比并不取决于重量之比，时间差其实相当小。

可作为一个观念体系的亚里士多德哲学，并不会由于其中的一两个小错误而彻底崩塌。相反，中世纪智者们依然不断试图完善（而不是直接推翻）它。这种枷锁是如此强大——有些时候还有实验验证的支持。物理学的革新并不来自物理学，而是天文学。

哥白尼、伽利略和开普勒

托勒密继承古希腊先贤的研究，发展出一套复杂美丽的系统，现在我们一般叫作“托勒密体系”或“本轮-均轮体系”。这一系统可以解释火星逆行，在多数时候都能完美地预测行星的运动。更妙的是，它的“轮”都是正圆（完美无缺的天界不能容忍椭圆啊……）。

伊斯兰的智者继承了这套系统，并且随着观测手段的提高，发展出越来越精密的轮系，差不多可以堆满一整个大房间吧。。可是总有意外，总有偏差，托勒密体系从来没能真正完美无缺——就像天界该有的那样。

为了处理这些问题，哥白尼提出了日心说（当然，我们现在并不认为太阳是宇宙的中心，我们告诉小朋友，太阳是太阳系的中心）。日心说在行星逆行问题上提出的解释更可靠（实际上和现代解释一样），并且能够计算太阳和诸行星之间的距离。但哥白尼同样认为，“天体”轨道必须是圆形，于是他又把本轮均轮带了回来修正参数。哥白尼也没有能力考虑物理学问题，自然无法解释为啥地球以如此高速运动，人却安然无恙。

伽利略是第一位真正的“科学家”，一手包办了全部问题——数学、天文学、物理学、实验、仪器设备。毫无疑问，天文望远镜不是伽利略的发明，但他以最快的速度制造了清晰度最高的望远镜（可以比别人的多放大十几倍）。

望远镜足以改变一切：月球坑坑洼洼——说好的完美无缺呢？木星有四颗卫星——地球还真不是宇宙的中心，太阳大概也不是。恒星的数量极大地增多了，以前觉得星图已经画完，其实不过是因为肉眼看不见更多而已。根据观察到的太阳黑子，伽利略还算出了太阳的自转速度。

另一方面，伽利略认真思考了运动学的问题。实际上，在伽利略之前数十年，拉穆斯就提出亚里士多德物理学有很多地方不合理。之前数百年间，类似的批评不绝于耳。问题是提出啦，但没人给个答案。

伽利略不仅质疑，还给出回答。抛射物的运动可以被分解：水平方向上，可以视为匀速直线运动；竖直方向上，可以视为匀加速运动，两个方向的运动合成了一条抛物线。这一点意义非凡：

首先，这是理解圆周运动的基础（但伽利略没有考虑这一点，直到牛顿）
其次，匀速直线运动和匀加速直线运动的对比表明，物体的匀速运动不需要持续的力，持续的力会造成加速。（无限接近牛顿运动定律第一、二条）
最后，伽利略做了大量实验来验证这一理念。事实证明他是对的，这也成为了科学研究的关键步骤。

但伽利略没有把天文学和物理学结合起来，同时他还是一个行星圆形轨道的信徒——这是时代观念的局限，多么遗憾！

反过来说，时代的观念局限有时候可能带来意外惊喜：第谷和开普勒。开普勒是第谷的助手。第谷很壕，又聪明，建设了一波波巨型观星设备，大大提高了星星位置的准确性。他三十余年坚持观星，积累了一大堆资料，想要证明地心说是对的。临终前，第谷把资料给了开普勒，告诉他，去吧，孩纸！为我证明地心说！

开普勒甚至不能说是一个科学家，他坚持观星是为了证明“宇宙的和谐”。

开普勒缜密地梳理这些数据，最后发现火星轨道就是差着8'对不上……而那时候误差经常以度（°）来计。但开普勒强迫症很严重，他不能接受不完美，于是反复演算。最后，开普勒拿出了一个伽利略并不认同的理论：椭圆形轨道——这就是行星运行三定律：1.行星轨道是椭圆形，太阳位于一个焦点上。2.太阳与行星的连线在任何相等时间段内扫过相等的面积。3.行星绕日运动的周期T与到太阳的平均距离D存在一种神秘的关系：太阳系内任何行星的D^3/T^2等于一个常数。

第三定律被开普勒称为“和谐定律”——那是宇宙（上帝）的精妙安排，体现了世界的终极和谐。这一定律的发现过程没有任何理性可言，完全是虔诚的人把所有行星属性的数字变着法子找规律找了一遍，居然还让他找出来了一个。。

但这是为什么？那得等牛顿来解释。

绝世天才牛顿

开普勒提出了行星运动的定律，却根本不知道它实际上意味着什么——一个严肃的科学家不会止于和谐。

百年间，无数能人志士沿着伽利略开辟的道路前进，但成效不多。胡克、哈雷是其中之二。他们试图挖掘行星何以遵循开普勒三定律运行，也就是说，那个导致这种现象的“力”是什么。哈雷发现，使行星保持椭圆轨道的作用力“与距离的平方成反比”，但还不够。胡克说他能证明，但即便面对巨额奖金，胡克也拿不出那个“证明”来。

于是哈雷去找牛顿，牛顿看穿了一切。

哈雷催促牛顿发表《论物体的运动》（《自然哲学之数学原理》的前两卷），并最终促成了《自然哲学之数学原理》。哈雷写了一首颂歌：

你们，啊！饮天神美酒的人，
来和我一起歌唱牛顿的名字，
他打开了隐藏真理的宝匣，
牛顿，缪斯垂青的人，阿波罗
居住在他纯洁的心中，他充满了神力；
比任何一个凡人更接近神。
——埃德蒙德·哈雷《致人杰》

在第一卷中，牛顿明确地表述了三大运动定律。伽利略主要使用文字描述（前两条），而牛顿建立了严密的数学语言体系，奠定了整个现代科学的基础。对伽利略来说，圆周运动可以是惯性运动（亚里士多德理念的残余）；而牛顿不然，在牛顿那里，圆周运动一定是加速运动，因此需要力的维持。

通过使用微积分（前所未有）来分析圆周和三角形的关系，牛顿为开普勒发现却没理解的行星运动第二定律建立了理论基石，并进一步推广到抛物线和双曲线的情况。

数学是科学女皇！

虽然我们多半认为“苹果砸头”的故事问题很大，但其隐喻却是明白无误的——透过理解“地界”的运动而发现“天体”运行的规律。这就彻底抛弃了亚里士多德的自然哲学。（我们现在还用一用亚里士多德的道德哲学……）

有趣的是，牛顿建立了更普遍的联系：

他表明，有一种普遍的力（1）使行星保持在绕太阳运转的轨道上，（2）使卫星保持在轨道上，（3）使物体像观察到的那样下落，（4）使物体保持在地球上，（5）造成潮汐。这就是万有引力。

回顾一下。

首先，亚里士多德否认地球运动，是因为地球动，人不动，人就会被甩飞。而对牛顿来说，惯性和引力共同作用，使得地球动，人跟着动。人和地球由于引力作用而处在同一惯性系，所以地球和人相对静止。

其次，在亚里士多德看来，“天界”运动是圆周，“地界”运动是竖直直线运动。牛顿拿出惯性、引力和微积分：惯性保持直线运动，引力的作用也是直线的，但二者可以合成曲线运动（借助微积分）。从而“天界”和“地界”没有区别。伽利略对抛物线运动分解的洞察其实部分的发现了这一点，但缺乏微积分的他无法在计算中完美处理这一切。

要言不烦。千余年间，对“旧体系”的疑惑从未停止。但先辈的积累始终需要天才突破，方能接近真理。牛顿以其高超的数学技巧、卓越的物理洞察力，整合了一百多年的经验观察和理论探索，铸就人类科学的第一个顶峰——“经典物理”新体系。

简单总结：

1.地球是球体，地球绕轴自转与绕太阳公转的观点，都属古已有之。

2.亚里士多德不是傻子，他发展了一套符合当时观察结论的自然哲学。这套自然哲学将天文学和物理学分开来对待。

3.哥白尼的日心说从技术上讲并不比托勒密体系更高明，但他引发了更深入的思考。中世纪的人也不是傻子，只是革命性的变革需要多方面的积累和创新。

4.伽利略做了天文学和物理学两方面的工作，并且都相当卓越，但未能把这两部分联系起来。伽利略的伟大贡献……是说不完的，思考的深度和广度也非常充足，是当之无愧的开山鼻祖。

5.开普勒基于第谷的数据发现了这种联系的可能性，但未能实现。

6.牛顿搞定了一切。

参考书目

亚里士多德《物理学》
G·E·R·劳埃德《早期希腊科学》
米歇尔·霍斯金《剑桥插图天文学史》
哥白尼《天体运行论》
托马斯·库恩《哥白尼革命》
伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》
布莱希特《伽利略传》
亚历山大·柯瓦雷《伽利略研究》
开普勒《世界的和谐》
牛顿《自然哲学之数学原理》
牛顿《宇宙体系》（即《自然哲学之数学原理》第三卷）
亚历山大·柯瓦雷《牛顿研究》
特别推荐《从封闭世界到无限宇宙》

PS1：

科学上的柏拉图主义，是指认为宇宙具备一种自发的“和谐”。

比如说自由落体的匀加速运动，按相同时间划分，设第一段时间内走过的路程是1个单位，那么第二段是3，第三段是5，第四段是7。实际上，这是因为从匀加速运动的公式来看，1、2、3、4个单位时间总共走过1、4、9、16个单位的距离。4-1=3，9-4=5，16-9=7……于是这又涉及奇数的产生和自然数平方的关系。

换言之，世间万物都具备一种简单、纯粹的配合。体现在数学上，就会发现某些属性的数字是有规律的。

伽利略、开普勒就持有这种观念。牛顿是唯意志论者，也就是说一切全凭上帝想法，上帝可以搞个和谐的，也可以搞个不和谐的宇宙。

PS2：

胡克认为牛顿侵吞了他的成果。这就是牛顿所谓“站在巨人的肩膀上”的由来——是嘲讽胡克。实际上，牛顿最开始感觉影响行星运动的力是一种离心力。后来胡克给他写信说，应该把圆周运动分解为向心运动和切向运动，牛顿忽然意识到“引力”恐怕是一种向心力。

但问题在于，胡克根本没有能力证明平方反比定律，也不懂微积分……给他一辈子也搞不出万有引力来。牛顿指出，胡克仅仅提出了观念，但并不真的理解他自己在说什么。具体解析请见《新物理学的诞生》或《牛顿研究》。