牛顿的机械宇宙观

    牛顿到底是一个什么样的人?自然是仁者见仁，智者见智。要告诉你一个真实的牛顿，就必须借助那些权威的牛顿传记材料。把牛顿的《自然哲学的数学原理》翻译成为中文的赵振江先生是一个有心人，他在研究之余，还孜孜不倦地收集牛顿的各种传记文本。综合赵振江先生收集的五种牛顿传记和笔者自己能够收集的其他材料，我们不难看到了一个多元化的牛顿：

    伊萨克·牛顿，1842年的圣诞节出生于英国林肯郡的乌尔索普，是从男爵（或译准男爵）约翰·牛顿爵士家的长房子孙。牛顿家族是一个非常显赫的家族，牛顿家族拥有乌尔索普庄园已经达到200多年，牛顿家族来自同一郡的韦斯特比，但祖籍在兰开夏郡的新城（Newton）。伊萨克爵士的母亲，她做姑娘时的名字叫汉娜·艾斯库，同样来自于一个古老的家族，她在牛顿的父亲去世以后再次嫁人。牛顿12岁时，被母亲送到在格兰瑟姆的语法学校读书。几年以后，牛顿的母亲又把他从学校接了回来，原因在于其母亲要培养其照料自己的产业。但母亲最终还是把小牛顿送回学校，原因是她发现牛顿对母亲希望他做的事情心不在焉，而对书本学习则如痴如醉。

    对于年幼的牛顿来说，人生最大的理想就是憧憬进入剑桥大学的三一学院读书，在他十八岁那年他如愿以偿。1660年，牛顿获准入学剑桥大学。当普通孩子一看到欧几里德的几何学就望而却步的时候，牛顿却认为这本书不值得他浪费时间去阅读。即使是在大学时候，牛顿就开始钻研笛卡尔的几何学和开普勒的光学。在牛顿仅仅只有24岁的时候，牛顿就已经在几何上做出了重大的发现，并为其后的学术研究奠定了扎实的基础。难怪法国作家丰特奈尔如此感慨：“如果那些高于人类的生物在知识上有类似的进步，他们在飞的时候我们在爬；当我们困难地从一条真理向另一条与它相关的真理缓慢地前进时，他们一跃而过。”【法】丰特奈尔等著：《牛顿传记五种》，张振江译，商务印书馆，2007年12月第1版，第4页）

    但在另一些人看来，牛顿却是另一个面貌。牛顿在剑桥的继任者惠斯顿在谈起牛顿的印象时说，牛顿有：“我所知道的最胆怯，最警惕和最小心的气质”。（【法】丰特奈尔等著：《牛顿传记五种》，张振江译，商务印书馆，2007年12月第1版，第288页）牛顿与胡克、莱布尼兹以及弗拉姆斯蒂德等人围绕著作所发生的争吵或许就是这种气质的证明。牛顿一辈子大脑处于高度的紧张状态，他完全不关心女人，如果不是在朋友的反复催促下一般不会主动发表自己的研究成果。而在英国著名经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯（John Maynard Keynes）的眼中，牛顿则成为“最后一个巫师”、“最后的巴比伦人和苏美尔人”。

    凯恩斯通过研究牛顿晚年留下来的资料发现，牛顿把一生中的很长时间用于研究古老的占星术，并期盼通过研究自古至今这些神秘的巫术来获取关于这个世界的内在奥秘。凯恩斯在解释他为什么把牛顿看成是一个“巫师”时说道：“因为他把整个宇宙和其中的一切看作一个谜语，看作一个秘密，这一秘密通过应用纯理智于特定的证据，特定的神秘线索就能弄明白，这些线索是上帝设置在世界中用来让一类哲学家精英寻求秘密的同行关系。他相信这些线索部分地在天空的以及元素构成（这是错误地建议他为实验自然哲学家的原因）的证据中被发现，部分地在一定的论文和传说中被发现，这些论文和传说由同业的人沿一根完好的链条传下来，这根链条上溯至巴比伦的最初的神秘启示，他把宇宙看作是全能的上帝设置的密码——正如他自己在与莱布尼兹的通信中把微积分的发现隐藏在密码中。由纯理智，由思想的集中，他相信那个谜语会被内行人揭示。”（【法】丰特奈尔等著：《牛顿传记五种》，张振江译，商务印书馆，2007年12月第1版，第290页）

    但是不管怎么说，牛顿毫无疑问是一个伟大的天才，是人类智慧的集大成者。与牛顿相比，伽利略、哥白尼、开普勒就显得微不足道了。伽利略本人从未试图展示任何力的框架以说明行星或卫星的运动。哥白尼的《天体运行论》在天体力学上原创性贡献极端有限。开普勒试图提出一种天体的机械论，但他对这种运动的成因则缺乏正确的看法。尤其是，开普勒甚至不得不求救于“施动灵魂”来说明行星之所以环绕太阳的圆周运动。

    牛顿发明了微积分，德国哲学家莱布尼兹与其几乎同时独立发明这种物理学语言，丝毫也影响不了牛顿的伟大。他提出了二项式定理以及无穷级数的各种性质，并且奠定了变分法的基础。在光学方面，牛顿对光的分解和合成作了实验研究，表明白光是由不同颜色的光混合而成，其中每一种光都有其特定的折射率，根据这些研究，创造了光谱学和颜色分析法。牛顿还发明了反射式望远镜，为天文学的发展提出了超越透镜限制的可行途径。1687年，牛顿出版《自然哲学的数学原理》，标志着牛顿机械自然观的正式创立，牛顿的机械自然观统治人类达两个世纪之久。直到今天，牛顿的天体力学理论，迄今依然支配着我们的人造卫星、航天飞机和探索太阳系的宇宙飞船。

    在这部巨著中，牛顿用一组方程把行星和地球的运动联系了起来。牛顿的《原理》博大精深，不要说在当时，就是现在，除非专业人士以外，也很少有人予以系统的理解。在对此书进行评议之前，我们不妨把牛顿此书的目录列举如下：

绪论

　　定义

　　运动的公理或定律

第一编 物体的运动

　　第1章 初量与终量的比值方法,由此可以证明下述命题

　　第2章 向心力的确定

　　第3章 物体在偏心的圆锥曲线上的运动

　　第4章 由已知焦点求椭圆,抛物线和双曲线的轨道

　　第5章 焦点未知时怎样求轨道

　　第6章 怎样求已知轨道上的运动

　　第7章 物体的直线上升或下降

　　第8章 受任意类型向心力作用的物体环绕轨道的确定

　　第9章 沿运动轨道的物体运动;回归点运动

　　第10章 物体在给定表面上的运动;物体的摆动运动

　　第11章 受向心力作用物体的相互吸引运动

　　第12章 球体的吸引力

　　第13章 非球形物体的吸引力

　　第14章 受指向极大物体各部分向心力推动的极小物体的运动

第二编 物体(在阻滞介质中)的运动

　　第1章 受与速度正比的阻力作用的物体运动

　　第2章 受正比于速度平方的阻力作用的物体运动

　　第3章 物体受部分正比于速度平方的阻力作用的物体运动

　　第4章 物体在阻滞介质中的圆运动

　　第5章 流体密度和压力;流体静力学

　　第6章 摆体的运动与阻力

　　第7章 流体的运动,及其对抛体的阻力

　　第8章 通过流体传播的运动

　　第9章 流体的圆运动

第三编 宇宙体系（使用数学的论述）

　　哲学中的推理规则

　　现象

　　命题

　　月球交会点的运动

　　总释

    通过这本书的目录，我们不难看出牛顿的雄心壮志，他不是在从事什么物理学的研究，他是在给宇宙立法，给天地立法。阅读牛顿的书，还有一个印象就是这本书充斥着大量的数学公式。而恰恰这些公式体现了牛顿理论的机械性色彩。在牛顿看来，宇宙世界是一个可以用数学公式规制起来予以把握的机械系统。在牛顿看来，只要给定物体的质量、运动的速度和受到的力，就可以预测出这个物体接下来的如何运动。天文学家兼数学家拉普拉斯将牛顿理论的“机械化”意味推高到极点：牛顿定律将保证，假如有这样一个超级精灵，他能够获悉宇宙中一切物体在某一时刻的位置和力，那么他就可以预言此前的整个历史和随后的所有发展。一句话，在拉普拉斯看来，宇宙中间的所有物质，无论是最大的天体，还是最微小的原子，没有什么东西是不确定性的。一切都在严格的因果法则主宰下运行。在这个世界中，不存在偶然行这个冒失鬼。

    十七世纪，机械唯物论崛起，在解释自然上，它超越了之前的所有哲学，文艺复兴后期的哲学家倾向于把世界看作是一架大机器，也有人把宇宙世界比喻为钟表，这种比喻后来逐渐扩展到动物和国家上，这种世界架构的设置上，隐含着人类企图操纵宇宙如玩偶的原始冲动，也正是这种原始的冲动决定了科学的萌芽和越来越迅速的发展。