牛顿的方法论

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-11-01

牛顿的方法论一直是科学家们研究的对象。

伽利略是方法论的开创者,为“新科学方法”打下了基础;牛顿则是当时方法论的集大成者。研究牛顿的科学方法对我们进行科学研究有非常重要的指导意义。

牛顿是一位伟大的综合者。他不仅善于总结前人的工作成果,提出自己的观点,而且善于总结前人的科学方法,开发出新的方法。正如他自己说的那样,如果说他看得更远,是因为他站在巨人的肩膀上。他善于在其他人的基础上,使那些似乎有效却又充满矛盾的方法和理论得到整合、澄清和综合。牛顿的科学方法是经验方法和理性方法的结合,同时又有自己的分析综合的方法。他的科学研究程序是一种方法与原理相结合的程序。后来,牛顿的科学方法被称为假说演绎方法。

在近代,两种主要的科学方法是培根的归纳推理的经验方法和法国哲学家笛卡儿的偏向演绎的唯理论方法。1620年培根提出所谓的归纳推理法,和伽利略一样,他主张科学思想应当建立在观察和实验的基础上,强调归纳,讲求从特殊到一般。与此同时,法国的笛卡儿提出了对立的观点,他在1637年出版的《方法谈》(Discours Sur La Method)中提出唯理论方法,讲求“我思故我在”,强调演绎推理,主张从一般到特殊的推理过程。牛顿接受了这两大遗产,把他们的实验方法进行了综合,打造出了一种新的、更加强大的方法,即运用数学工具表达并且构建实验结果,在观察实验的基础上进行分析综合,最后形成假说,进行演绎的科学研究方法。

科学精神 科学方法

① 观察实验方法

光学研究中牛顿的三棱镜实验是其运用观察实验方法的最好证明。他通过做三棱镜的实验揭示了光的颜色的奥秘,为他后面进行光谱实验打下了基础。牛顿还做过一个关于光学的实验。牛顿曾把一个磨得很精、曲率半径较大的凸透镜的凸面压在一个十分光洁的平面玻璃上,在白光照射下进行观察,他发现,中心的接触点是一个暗点,周围则是明暗相间的同心圆圈。后人把这一现象称为“牛顿环”。牛顿自己常用“牛顿环”来检查镜片的好坏。

② 分析综合方法

分析综合方法是牛顿开创的新方法。分析从根本上说就是一个从现象一层层地向本质深入的过程。分析也就是把整体分解为各部分及认识各个部分的一种形式和方法,但这种分解绝不是简单的机械分割,只是一种形象的说法,一种手段。分析是一种从多样性到单一性、从偶然性到必然性、从现象到本质、从个别到一般的认识方法和思维运动。要注意将分析方法和归纳方法区分开来,两者虽有相似之处,但实质不同。归纳是通过观察很多相似的特殊事物得到一般的结论,而分析方法对数量没有要求,多个并不比一个更加令人信服。例如萨迪·卡诺对蒸汽机的研究,他只对一台蒸汽机进行了细致的分析就设计出了一台理想的蒸汽机(或煤气机)。综合就是在已经认识到本质的基础上,将对象的各方面本质有机地联合成为一个整体。

在牛顿之前的近两个世纪,物理学方面取得了一些令人可喜的研究成果,方法论也有了很大的发展。但是遗憾的是物理学方面的一系列成就没有形成一个具体的形式,方法论也是模糊、混乱的。牛顿分析和总结了两个世纪以来物理学积累的伟大成就,运用科学革命中出现的新的定量化工具,解决了无数科学家为之思考的难题,形成了牛顿运动三大定律和万有引力定律两大科学成果。例如,牛顿三大运动定律的第一定律(惯性定律)就是总结了伽利略早已说过的“在不受力的情况下,静止中的物体趋于静止,运动中的物体倾向于以恒定的速度运动”形成的。

③ 数学方法

数学方法是牛顿的一个很重要的科学方法。牛顿创立了数学的分支——微积分,在当时,他称之为“不断变化”。牛顿在后来进行的许多证明中都用到了这种新方法。牛顿在万有引力公式的计算中应用了大量的数学知识。1686年,牛顿把他关于万有引力的工作充实成9页的证明,用数学描述了宇宙的运转方式。

④ 科学假说方法

假说是指按照预先设定对某种现象进行的解释,即根据已知的科学事实和科学原理,对所研究的自然现象及其规律性提出的推测和说明,而且数据经过详细的分类、归纳与分析,得到一个暂时性但是可以被接受的解释。任何一种科学理论在未得到实验确证之前均表现为假设学说或假说。一旦有了假说,科学工作者就能根据其要求有计划地设计和进行一系列的观察、实验;而假说得到观察、实验的支持,就会发展成为建立有关科学理论的基础。但是并不是所有的猜想都可以称为假说。假说具有几个基本特点。首先,科学假说必须是建立在一定实践经验的基础上,并经过了一定的科学验证的一种科学理论。它既与毫无事实根据的猜想、传说不同,也和缺乏科学论据的冥想、臆测有区别。其次,科学假说要具有相当的推测性。它的基本思想和主要论点是根据不够完善的科学知识和不够充分的事实材料推想出来的,它还不是对研究对象的确切可靠的认识。再次,科学假说具有明显的过渡性。科学假说是科学性与推测性的对立与统一。它既包含着真,又包含着假,是真与假的对立与统一。它有可能失真而成为假,也有可能由假而转为真。它是为由假达真而生,也为这种转化的实现而亡。因此,假说又是理论形成中的生与亡的对立统一。这种对立统一的转化条件在于实践,实践是检验假说的唯一客观标准。

牛顿就经常使用假说方法,在他和一些人的往来通信中也可以看到牛顿对于假说的理解和运用。他在1675年出版的著作《解释光属性的假说》(An Hypothesis explaining the Properties of Light)中假设以太的寻在,就应用了假说。一定程度上来说,刚开始他对于万有引力的猜想也是一种假说。他是基于开普勒三大定律提出的具有一定科学事实支撑的一种想法和观点。虽然后来牛顿对万有引力进行了证明,但是没有得到实验验证。

⑤ 归纳演绎方法

归纳是由个别现象到一般的过程。归纳是从个别的、单一的事物的性质、特点和关系中概括出一类事物的性质、特点和关系,并且从不太深刻的一般到更为深刻的一般,由范围不太大的类到范围更为广大的类。它是从特殊事实中概括出一般原理的推理形式和思维方法。而演绎则是由一般到个别的过程。它是根据一类事物都有的一般属性、关系、本质来推断该类中的个别事物所具有的属性、关系和本质的推理形式和思维方法。

在《原理》的第三卷中,牛顿就运用了演绎方法。他用自己提出的万有引力定律来预计一些事情,解释一些现象,这是一个由一般原理到个别事件的推理过程,就是演绎方法的体现。例如,牛顿曾经预言过地球的形状。地球不同地方的引力能够使地球形成一个完美的球形,但是地球自转产生额外的力,这个力使直径方向形成一个突起,即在赤道处有所突出。他在知道地球大小、质量和旋转的速度下预测了这个突起的大小。后来被证明这个牛顿的预计和实际相差不到1%。牛顿还预计过彗星也是以椭圆轨道围绕太阳运行,只是轨道更加细长。这为后来哈雷对彗星的周期预言奠定了基础。这些都是牛顿演绎方法的体现。

摘自《科技史与方法论》清华出版社授权登载

荐书:一本书”看透“科技史丨科技史与方法论


扫码加蝌蚪五线谱微信