牛頓不是科學家

而是自然哲學家

來源 | 《改變?nèi)祟愡M程的科學理論》

科學不是在一夜之間改變的

牛頓的巨著《原理》雖已不是科學家的必讀書籍，但他的力學理論依然是中學的必修課程。我們回顧這場以牛頓和他的著作為核心的科學革命，也是重新見證人類認識自我，乃至第一次認識宇宙的整個過程。

人類可能再也不會有牛頓時代那種認為自己已經(jīng)理解宇宙全部奧秘的青澀自信了，卻也對自身的理性有了更加成熟和樂觀的認識。

牛頓并非完人，更不是科學史上的圣人。除了他在自然哲學領(lǐng)域的偉大貢獻之外，人們經(jīng)常提到他性格上的諸多缺陷。他在老年時有一段自述：

“我不知道自己在世人眼中是什么樣子，但在我自己的感覺里，我似乎一直是個在海邊玩耍的小男孩，時不時因找到一枚光滑的鵝卵石或漂亮的貝殼而自得其樂，卻對面前那真理的浩瀚海洋一無所知。”

這段話透露出了真誠和謙卑。其實，這段話也完全可以作為人類自身的寫照—我們所面對的，不僅是無窮無盡的宇宙，還有無窮無盡的可能。

牛頓用三棱鏡將白光分解為光譜的示意圖（?視覺中國）

英國科學史學會前任主席、劍橋大學科學史專家帕特里夏·法拉（Patricia Fara）主要研究18 世紀的歐洲自然哲學史。針對牛頓在科學上的貢獻、17 世紀以英國為中心的科學革命，以及當時的時代背景等問題，法拉接受了我的專訪。

帕特里夏·法拉

01

牛頓是一位自然哲學家，

而不是科學家

苗千：“自然哲學”（natural philosophy）和“科學”（science）這兩個詞究竟有什么區(qū)別？

法拉：我們可以從“科學”這個詞談起。“科學”來源于拉丁語，意思是“知識”。在17、18 世紀，這個詞意味著那種可以從書本中學到的、已經(jīng)被整理出來的系統(tǒng)性知識。這是一種學術(shù)性知識，你可以學到歷史的科學、語言的科學，等等。但是，很重要的一點是，“科學家”（scientist）這個詞是在19 世紀才被正式發(fā)明出來的，所以，我認為，說牛頓是一位“科學家”肯定是錯誤的，他是一位“自然哲學家”（natural philosopher）。在科學家和自然哲學家，以及物理學家和自然哲學家之間有很多區(qū)別。比如，科學家可以進入大學，學習科學知識，然后在其中發(fā)展自己的事業(yè)，以此為生。但是，這在牛頓的時代是不可能的。在當時，你可以在大學里學習數(shù)學，但是不可能在大學里學習科學。對于牛頓以及他同時代的自然哲學家來說，在他們的研究中，宗教是處于中心地位的。他們研究科學是為了尋找上帝創(chuàng)造世界的證據(jù)——雖然現(xiàn)在有些科學家也信仰宗教，但宗教和他們的科學研究并無關(guān)系。而對于牛頓來說，宗教是處于中心地位的。還有很重要的一點是，從希臘時代開始，研究自然哲學的目的就是尋找“原因”（cause）。上帝被認為是“第一因”（first cause），人們還需要尋找其他的原因。所以說，引力就像是某種“原因”。在當時也有另一群數(shù)學家，他們并不是在尋找“原因”，而是在尋找一種“解釋”，尋找數(shù)學上的一種描述。他們在乎的是能夠利用數(shù)學來描述一種現(xiàn)象，所以，牛頓的著作才叫作《自然哲學的數(shù)學原理》，因為他所做的一件事就包括把數(shù)學和自然哲學結(jié)合在一起，這在之前是分開的兩件事。

劍橋大學三一學院門前有一棵從牛頓故鄉(xiāng)的蘋果園移來的蘋果樹（?視覺中國）

苗千：你會如何向讀者介紹牛頓？可以說他是科學史上最偉大的天才嗎？

法拉：我不會說牛頓是這個世界上曾經(jīng)生活過的最偉大的科學家，而會說他是一個得到了如此名譽的人。人們確實把他看作一位偉大的天才，但實際上這是所謂的“名人文化”（celebrity culture）中的一部分。我個人并不認為他是一個偉大的天才。他非常聰明，非常有天賦，但其他很多人也是如此。社會中確實有這樣一種趨勢，會說某個人有一些非常不同尋常的地方，然后，稱他為天才。對我來說，這就像是把他從蕓蕓眾生之中排除掉，變成宗教中的圣人一樣。有一位學者說牛頓是通過他的智慧成為天才的，超越了其他所有人。我并不同意這樣的觀點，但他確實擁有這樣的名聲。

在皇家學會展示的由牛頓制作的第一架反射望遠鏡的復制品（?視覺中國）

苗千：牛頓說他站在了很多巨人的肩膀上，這些巨人都包括哪些人呢？

法拉：首先，“站在巨人的肩膀上”這句話并不是牛頓發(fā)明的。第一個說這句話的人是一位12 世紀的法國修道士。在很多教堂的窗戶上都寫著這句話，這是一個很著名的表達方式。

其次，牛頓是在給羅伯特·胡克的一封信里提到了這句話。胡克是牛頓在科學研究上的敵人，而且，在當時他還指控牛頓抄襲自己的想法。牛頓和胡克之間相互厭惡，所以牛頓給胡克寫信解釋：“我并沒有抄襲你的想法。”而且，他寫道：“如果我真的需要抄襲別人的想法，我會站在巨人的肩膀上（而不是站在你的肩膀上）。”這就讓這場爭論顯得更加難堪了，因為胡克在生理上屬于殘疾人。他個子非常矮小，并且脊柱彎曲，從16 歲就開始駝背，等到成年時身體幾乎與地面平行了。所以，牛頓說“我站在巨人的肩膀上”，實際上是一種對胡克身有殘疾的很過分的攻擊。這在當時是一個非常復雜的情況，但有趣的是，這句話又變得盡人皆知。牛頓可以非常好客、非常迷人，但有時也會非常有報復心，甚至令人厭惡。現(xiàn)在真的難以說清牛頓究竟是個什么樣的人，因為我們現(xiàn)在只有一些對他感興趣的人留下的回憶錄。人們要么把他描述得非常美好，要么把他寫得非常糟糕。

苗千：對于那些和牛頓幾乎同時代的人，比如萊布尼茨和胡克，宗教在他們的研究中也處于中心地位嗎？

法拉：牛頓曾經(jīng)和萊布尼茨就誰首先發(fā)明了微積分有過爭論，他們在“上帝在宇宙中的角色”方面也有著非常大的分歧。牛頓認為，上帝的存在是“內(nèi)在的”（immanent），也就是說，上帝無所不在，也可以對宇宙的發(fā)展進行干預。萊布尼茨則認為這種想法毫無道理。他有一個著名的表述：牛頓和他的追隨者們創(chuàng)造了一個如同蹩腳的制表匠一樣的上帝，需要不斷干預他創(chuàng)造的宇宙。對于萊布尼茨來說，上帝創(chuàng)造了宇宙之后，就讓宇宙自己運轉(zhuǎn)了。關(guān)于上帝對宇宙的作用，這是兩種非常不同的觀點。實際上，兩個人在18 世紀進行的這些辯論，不僅是關(guān)于自然哲學的，也是關(guān)于神學和物理學的。兩人之間的巨大分歧還涉及“超距作用”。牛頓認為存在超距作用，比如說，太陽與地球之間的引力可以通過真空傳播。而對于很多人來說，這是不可接受的。因為當時人們認為“物質(zhì)”（matter）和“精神”（spirit）之間有著明顯的分別，物質(zhì)存在于世上，而精神則屬于神。如果你賦予物質(zhì)以精神，就等于行使了神的權(quán)利。在當時，關(guān)于引力的本質(zhì)有著大量的討論。現(xiàn)在我們認為能量可以通過真空傳播，但在18 世紀，人們是無法接受這樣的思想的。正因如此，牛頓才提出了另外一個模型，提出在我們周圍存在著不可見、不可感知的“以太”。以太是由極小極小的相互排斥的粒子構(gòu)成的，就像聲音通過空氣傳播一樣，引力通過以太來傳播。一直到19 世紀，人們才普遍接受了以太的存在。直到1905 年，愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論，以太模型才被拋棄。

02

《原理》的重要性何時開始顯現(xiàn)

苗千：牛頓一開始似乎并不是很積極地寫一部論述自己的力學研究的著作，如果沒有埃德蒙·哈雷的督促和幫助，這本書甚至可能不會出現(xiàn)。但隨后，牛頓似乎對“引力定律的發(fā)現(xiàn)者”和“微積分的發(fā)明人”這樣的稱號又格外敏感。

法拉：這本書源于哈雷、胡克以及另外一個人關(guān)于行星運行軌道的爭論，后來他們?nèi)蛘遗ｎD尋求幫助。牛頓告訴他們，這個問題他早已解決。牛頓沒有在自己的舊筆記中找到記錄，于是花了兩周時間寫了一篇論文，講述了物體之間的引力與它們距離的平方成反比的定理，并且，這會導致行星沿著橢圓形的軌道運行。于是，哈雷鼓勵牛頓把他的研究結(jié)果全部發(fā)表出來，并出錢幫助他出版了這部書。哈雷幾乎算是把紙放在牛頓的筆下讓他寫出來的。

關(guān)于引力定律的發(fā)現(xiàn)并沒有太大的爭論，但關(guān)于微積分的發(fā)明，牛頓和萊布尼茨曾經(jīng)有過長時間的爭論。牛頓和萊布尼茨看起來是在同一時間進行研究的，他們還曾經(jīng)通過信。諷刺的是，現(xiàn)在我們所使用的微積分符號是萊布尼茨發(fā)明的；更諷刺的是，牛頓實際上并不愿意使用微積分，他認為人們應該使用幾何學方法，因為他認為這是古希臘人使用的方法，而在古希臘時代之后一切都開始走下坡路了。當時在英格蘭幾乎沒有人使用微積分，但在歐洲大陸已經(jīng)有人——比如歐拉——開始使用微積分了。隨著微積分的發(fā)展，到了18 世紀末，大多數(shù)人都開始使用微積分了。牛頓和胡克、萊布尼茨、約翰·弗蘭斯蒂德（John Flamsteed）這三個主要人物都有過多年的爭論，可以說，他是一個非常尖酸刻薄的人，非常在意科學發(fā)現(xiàn)以及各種名譽。

苗千：《自然哲學的數(shù)學原理》最開始是用拉丁文寫的，其中還有非常艱深的數(shù)學。那么，它是面向哪些讀者的呢？

法拉：在這部書出版的最初幾年里，只有極少的讀者讀過這本書。牛頓說他有意把書寫得艱深，這樣他就不用不斷去向別人解釋書中的內(nèi)容了。至于這部書的大眾化，以及后來人們在課本中學到的內(nèi)容，都是由牛頓的追隨者們完成的。也就是說，從出版這部書到人們理解這部書有一個漫長的過程。牛頓在1687 年完成了這部書，但它在很長時間里并沒有什么反響，只有一些大學里的數(shù)學家對其進行了研究。荷蘭萊頓大學的一位數(shù)學家設(shè)計了一系列實驗對牛頓的力學理論進行驗證，之后他用拉丁文發(fā)表了這些實驗。1729 年，有人把這部書翻譯成英文，其重要性才逐漸顯現(xiàn)出來。1749 年，夏特萊侯爵夫人（émilie du Chatelet）完成了這部書的法文翻譯。此外，她還介紹了笛卡爾和萊布尼茨的思想，并且加上了很多注釋。在法國，直到18 世紀下半葉人們才認識到這部書的重要意義。當然，人們在接受這部書的過程中還伴隨著關(guān)于神學和哲學的辯論。

苗千：牛頓的宗教觀是否影響了他在自然哲學方面的研究？

法拉：就像我們會把宗教、哲學和歷史區(qū)別對待一樣，他對宗教、自然哲學，包括煉金術(shù)也都是加以區(qū)分的。

苗千：對于當時的劍橋?qū)W者來說，癡迷于煉金術(shù)是一件很常見的事情嗎？

法拉：這在當時也并不常見，所以牛頓必須非常小心。我想，對此的一種解釋是，牛頓可能發(fā)現(xiàn)周圍的一切都在以一種奇妙的方式發(fā)生轉(zhuǎn)變：橡果可以長成一棵大樹，把生雞蛋加熱就會變成固態(tài)……關(guān)鍵之處在于如何理解這種變化并且掌握它。煉金術(shù)的思路就是把鉛轉(zhuǎn)變成金，一個人的靈魂也會從黑暗轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷鳌磺卸际顷P(guān)于轉(zhuǎn)變的。在當時，化學和宗教也是緊密聯(lián)系在一起的。

03

牛頓最大的科學遺產(chǎn)是什么？

苗千：牛頓曾說“我不做假設(shè)”，這是他對于笛卡爾主義者對他的引力理論的批評所做的回應嗎？

法拉：這只是他的回應的一部分。你可以讀一下他在1704年發(fā)表的《光學》，那也是一種英國經(jīng)驗主義對法國理性主義的回應。法國理性主義的理念是從一些最基本的原則出發(fā)，通過邏輯思辨就能得到知識；而英國經(jīng)驗主義的理念是從來源于實驗的數(shù)據(jù)出發(fā)，以此建立你的理論。當時英法之間有很大的敵意——英法兩國在18 世紀還發(fā)生了戰(zhàn)爭，在自然哲學研究領(lǐng)域，英法之間也存在著競爭關(guān)系。光學領(lǐng)域也是如此。當時，在法國有很多人批評牛頓的光學理論，但牛頓并沒有提供關(guān)于他做光學實驗的細節(jié)。比如，他通過三棱鏡把來自太陽的白光分解為光譜，這個實驗在技術(shù)上的難度很大，人們需要精心地設(shè)計實驗，并且要用某種玻璃來制造三棱鏡。牛頓并沒有解釋這些細節(jié)問題，所以當時很多法國人認為他的光學理論是錯誤的。

苗千：現(xiàn)代物理學包含很多假設(shè)，牛頓的方法是否已經(jīng)過時了？

法拉：牛頓說“我不做假設(shè)”，這句話的背景是非常復雜的。就像我剛才說的，其主要目的是反擊來自法國的批評。另外，我想牛頓所說的“假設(shè)”和我們現(xiàn)在所談論的“假設(shè)”意義并不一樣。現(xiàn)在很多科學家都是建立一種假設(shè)，然后通過實驗去證實或者否定這種假設(shè)。我認為牛頓所謂的不做假設(shè)，指的是他不帶任何成見地去看待這個世界，對任何可能性都表示接受；同時，他也不帶任何預設(shè)地工作，這才是他所說的“不做假設(shè)”的意思。

苗千：牛頓最大的科學遺產(chǎn)是什么？

法拉：我想牛頓最大的科學遺產(chǎn)就是任何事物都可以被量化，可以通過數(shù)學來處理這一理念。我們可以看看現(xiàn)在人類對于經(jīng)濟學的研究，實際上它和物理學的研究方法是非常相似的，所以這個理念對人類造成了巨大影響。

苗千：人們對牛頓最大的誤解是什么？

法拉：我想，是人們認為牛頓在一夜之間就改變了科學，以為他只不過是坐在一棵蘋果樹下，然后整個世界就都被改變了。事實并不是這樣的，人類花了五十到一百年的時間才完成了科學革命，而且，我們現(xiàn)在所說的牛頓力學與牛頓最初呈現(xiàn)的牛頓力學是有很大不同的。他的版本中存在著上帝，而我們理解的牛頓力學是確定性的，并沒有上帝的存在——這是由拉普拉斯在18 世紀才完成的。

圖片均來自《改變?nèi)祟愡M程的科學理論》書中配圖