《科学理解的方法论 03》

哥白尼的发现只是一个开端，引导出一个颠覆人类认知的时代。十七世纪的科学发展完全可以和二十世纪相比，甚至有过之而无不及。这两个时代又有很多相似之处，也有承前启后的关系。十七世纪有牛顿和惠更斯关于光的粒子论和波动论的争论。二十世纪有了关于光和粒子的波粒二象性的诠释。十七世纪发现了万有引力，而二十世纪是对引力的再认识。二十世纪的量子物理发源于光辐射和光谱的研究。十七世纪开始利用光学仪器探索天文。第谷观察到一颗以前不存在的新星，也就是我们现在知道的超新星，证明恒星天不是一成不变的。伽利略在1609年知道了望远镜，并进行改善。他将望远镜的放大倍数从通常的三四倍一下搞高到二十倍，然后用来天文观测，有了惊人的发现。

首先，伽利略观察到第谷所说的新星，还有很多人的裸眼无法看见的恒星。当他将望远镜转向金星时，他发现金星也有月亮盈亏圆缺一样的相移。金星的光亮来自反射太阳的光。最重要的是金星有像满月一样的全相。在托勒密的地心说里，金星只能在太阳和地球之间运行，所以不可能出现全相。伽利略这个观测结果是否定地心说的第一个实证。金星的全相在日心说里是允许的。伽利略又发现了木星的三个卫星。地月子系统其实并不孤立。这个观测无疑给了哥白尼日心说提供了事实支持，并且丰富了人们对太阳系的认知。人们很早就知道月亮的光亮面有相对明和暗的区域，并不均匀，但时常忽略这些细节。伽利略在月半的时候，观察到月亮的边缘并不平滑，所以断定月球表面也有地球表面类似的地貌。伽利略又发现了太阳表面的黑子，而这些太阳黑子还在随时间漂移。伽利略推论太阳也像地球一样在不停地自转，也认识到太阳并不像人们想象的那样那样完美无缺，从而打破了天界与地界的界限。

在理论研究方面，理解开普勒三大定律背后的原因成为当时重大的任务和兴趣。当时的人们已经有了力的概念，也认识到行星运行受到力的支配。牛顿曾说过他在1666年（当年他二十三四岁）躲避瘟疫期间发现了万有引力。但这个说法一直遭到怀疑。牛顿不爱发表论文。除了他的说辞，找不到别的佐证。另外牛顿人品低劣，不仅经常恶毒攻击对手，还会抢占别人的成果。他的一面说法很难让人信服。当然，通过他的著作，牛顿的旷世天才和他对人类理解做出的不凡贡献毋庸置疑。

真实的情况应该是，天文学家布里阿德在1645年提出一个假设，天体的吸引力与距离的平方成反比。布里阿德的这个看法来自类比，更像他的一个直觉。当时开普勒提出一个由点光源扩散出的光亮以距离平方的方式衰减。布里阿德认为引力也该如此。之后胡克也有同样的想法。而牛顿在1679年发表他自己的引力论文之前应该是了解到胡克的文章的。按照牛顿的说法，他将开普勒第三定律用在圆轨道的特例，导出引力的平方反比律，再在月球轨道上验证后将引力定律确认。牛顿在1687年出版了《自然哲学的数学原理》，代表了两千多年来自然科学的最高成就。日心说的现象理论有了动力学基础。

牛顿宏大的力学理论体系不仅仅是万有引力。首先，牛顿似乎不自觉地定义了一个绝对的时空，然后提出了著名的牛顿运动学三大定律。牛顿发明和引进了他的流变术，也就是微积分方法。有了这些基本物理概念和数学方法，牛顿可以完全推导出行星的椭圆轨道和开普勒三大定律。不仅如此，牛顿的理论结果还是多方面的。牛顿利用万有引力推测出太阳与行星的相对质量。牛顿认为月球的引力造成地球海洋的一天两次的涨落，解释了潮汐现象。有趣的是牛顿一生中从未到过海边。牛顿曾经把在科学中探索的自己比喻成海边拾贝壳的人。牛顿推测出地球是一个稍微扁平的椭球。那么地球在太阳的引力下会产生进动。他计算出进动周期，非常接近现代数值的两万六千年。现在我们知道地球进动造成地球气候的周期性变化，称为米兰科维奇循环。牛顿又有对流体的研究。他推导出声波速率与气体密度和压强的关系。牛顿科学和数学成就中的任何一项，运动定律，引力理论，光学理论，或者微积分的发明，都有划时代的伟大意义。牛顿去世后，诗人蒲伯写下这样的墓志铭：自然法则于黑暗中藏隐。上帝说让牛顿出现吧。于是一切都是光明。

--写于2022年6月24日（图片来自网络）