牛顿的“推理力学”与“实验哲学”

郭艳+黄慧芳+羊子初+施念

（浙江师范大学 浙江省金华市 321000）

摘要：牛顿推理力学的建立和发展和整个物理学的发展不论是过去还是现在都有着密切的联系，反映了继承与发展，批判与超越的人类认识的发展。在近代早期的科学活动中并行着物理-数学潮流和经验-实验潮流，牛顿在科学实践中统一了这两种思潮，从而形成了自己的实验哲学思想。本文旨在通过论述牛顿的“推理力学”与“实验哲学”来体会牛顿的近代科学精神。

关键词：牛顿；推理力学；实验哲学

牛顿爵士，英国著名的物理学家，百科全书式的“全才”，他在1687年发表的论文《自然定律》里，万有对引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；为太阳中心说提供了强有力的理论支持，并推动了科学革命。

本文主要论述牛顿的“推理力学”与“实验哲学”来体会牛顿的近代科学精神。

一、牛顿的推理力学

（一）牛顿推理力学的产生和建立

由于资产阶级进行海外掠夺和贸易而发展起来的远洋航行，要求能够准确测定船只在海洋L的位置，特别是测量经度。而测量经度问题在本质上就是在任何地方测定绝对时—今天称为格林威治时—的问题。这个时刻与当地时刻的时差，可直接换算为经度。测定绝对时的方法之一，是观察月球在星辰间的运行，为此就需要有准确的天文表以预测天体的位置。这就迫使天文学家去发现太阳系的运行规律[1]。

牛顿通过观察实验，继承、概括和发展了前人及同时代人在认识方法上和科学研究上的成果，建立了完整的古典力学体系。牛顿的表述中确定了表征外部对物体的作用强度的力和物体加速度的关系。也确定了两个物体相互作用的关系，因而成为解决非常繁多的力学问题的基础。牛顿从物质普遍的机械运动规律的观念出发，发现了行星运动规律的内在联系，用严格的数学方法得出了万有引力支配着行星运动的结论。这样，就可以根据运动方程进行演绎作出对行星运动的一般描述，从而奠定了天体力学的基础。牛顿在总结前人的基础上经过创造性的研究于1687年发表自然哲学的数学原理，实现了物理学的第一次统一。原理以四个概念、三个运动定律、六大推理为基础构成。核心是三个运动定律和万有引力定律。人们运用牛顿定律和方法进行计算成功地发现海王星和冥王星。牛顿定律的成功使物理学家形成一种基于因果关系的认识自然的方式。按照牛顿定律，若已知初始条件就可以求出以后任何时刻物体的位置和速度。这一思想经拉普拉斯推广.表述为一种普适的确定论。这影响了后来的物理学发展。[2]

（二）牛顿推理力学的内容

1、万有引力定律

牛顿看到了“苹果落地”，这构成了他思考万有引力定律问题并加以推理的起点。可以说，从“苹果落地”到万有引力定律的发现，牛顿通过以下程序成功地经验归纳与推理方法：第一，牛顿看到“苹果落地”这一现象，这是起点。第二，从“苹果落地”推及到了“重物落地”这一经验规律，成为牛顿成功地运用经验归纳与推理方法的第一步。第三，从“重物（苹果）落地”规律到天上的“运行的星球”，成为牛顿成功地运用经验归纳与推理方法的第二步。第四，从“高山上的大炮”理想实验到天上的“星球运行”，成为牛顿成功地运用经验归纳与推理方法的第三步。其中，从伽利略平抛物体运动规律到对“具有水平方向速度的炮弹”的运行轨迹，再到天上的“星球运行”成为理论上的“可能”是其关键。第五，牛顿在将地球对月球的引力向所有的天体和地面上的物体的推广过程中，成为成功的运用经验归纳与推理方法的最后一步。

2、牛顿三大定律

牛顿在伽利略等人工作的基础上进行深入研究，推理总结出了物体运动的三个基本定律：

第一定律（即惯性定律）：

任何一个物体在不受任何外力或受到的力平衡时（Fnet=0），总保持匀速直线运动或静止状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。

第二定律：

牛顿第二定律是力的瞬时作用规律。力和加速度同时产生、同时变化、同时消逝。F=ma是一个矢量方程，应用时应规定正方向，凡与正方向相同的力或加速度均取正值，反之取负值，一般常取加速度的方向为正方向。根据力的独立作用原理，用牛顿第二定律处理物体在一个平面内运动的问题时，可将物体所受各力正交分解，在两个互相垂直的方向上分别应用牛顿第二定律的分量形式：Fx=max，Fy=may列方程。

适用范围：只适用于低速运动的物体（与光速比速度较低）。只适用于宏观物体，牛顿第二定律不适用于微观原子。参照系应为惯性系。两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等，方向相反。

第三定律

表达式F=-F'（F表示作用力，F'表示反作用力，负号表示反作用力F'与作用力F的方向相反）。

二、牛顿的实验哲学

（一）牛顿实验哲学的产生

牛顿所处的时代，哲学理论正处于经验论取代唯实论的阶段，与此同时，在科学技术领域盛行学者传统与工匠传统汇合的潮流，这两种思想对当时的科学家产生了强烈的影响。牛顿的哲学思想中浓厚的经验主义色彩，并且向经验主义过度，哲学思想处于经验论与唯理论互补的结构中。牛顿的实验哲学和推理力学既强调经验与实验的重要性，也重视推理演绎的过程。

牛顿认为，科学是通过对自然进行实验而得到的认识，因此，他称之为“实验哲学”。由此出发，他提出了关于自然科学的任务和总的方法论原则：“自然哲学的目的在于发现自然界的结构和作用，并且尽可能把它们归结为一些普遍的法则和一般的定律——用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果。”

（二）牛顿实验哲学的内容

从世界观方面来看，从实际出发的唯物主义思想姓牛顿取得巨大科学成就哲学基础。他研究自然现象都是从客观实际出发的。

在考察现象之问的因果联系时，牛顿通过观察和实验来发现事物的结构和作用，从中找出事物的原因和结果。这就坚持了唯物论的决定论。

从方法论方而来看，注重实验经验和归纳是牛顿的重要哲学方法。注重经验体现了他的唯物主义求实精神，注重归纳又是他取得成就的基本方法。归纳方法就是从许多个别现象概括出同类事物一般规律的方法，是从个别到一般的思维方法。归纳的过程就是先从大量的观察和实验中，选择和确定几个能反映事物本质的最基本的概念，然后再寻找这几个概念之间的必然联系和逻辑关系，最后再通过实验来验证这种关系能否成立。

从认识论方而来看，牛顿在实验经验中寻求对客观事物的正确认识，是坚持了唯物论的反映论和真理观的。后来，当他采用了法国人皮卡特于1682年测得的地球半径的准确数值时，才证明了把万有引力定律用于地月系统中，确实与观测结果相符合，这才肯定了萬有引力定律的正确，并正式发表。[3]

参考文献：

[1]北京师范学院物理系力学热学教研室.牛顿力学原理的产生及牛顿哲学 思想的分析[J].物理学史.2015（1）.

[2]高奋忠.基于现代物理的牛顿力学发展[J].科技视界.2014.

[3]赵煦.实验哲学研究的新视阈[J].科技导报.2012，30（03）.