《科學理解的方法論 03》

哥白尼的發現隻是一個開端，引導出一個顛覆人類認知的時代。十七世紀的科學發展完全可以和二十世紀相比，甚至有過之而無不及。這兩個時代又有很多相似之處，也有承前啟後的關係。十七世紀有牛頓和惠更斯關於光的粒子論和波動論的爭論。二十世紀有了關於光和粒子的波粒二象性的詮釋。十七世紀發現了萬有引力，而二十世紀是對引力的再認識。二十世紀的量子物理發源於光輻射和光譜的研究。十七世紀開始利用光學儀器探索天文。第穀觀察到一顆以前不存在的新星，也就是我們現在知道的超新星，證明恒星天不是一成不變的。伽利略在1609年知道了望遠鏡，並進行改善。他將望遠鏡的放大倍數從通常的三四倍一下搞高到二十倍，然後用來天文觀測，有了驚人的發現。

首先，伽利略觀察到第穀所說的新星，還有很多人的裸眼無法看見的恒星。當他將望遠鏡轉向金星時，他發現金星也有月亮盈虧圓缺一樣的相移。金星的光亮來自反射太陽的光。最重要的是金星有像滿月一樣的全相。在托勒密的地心說裏，金星隻能在太陽和地球之間運行，所以不可能出現全相。伽利略這個觀測結果是否定地心說的第一個實證。金星的全相在日心說裏是允許的。伽利略又發現了木星的三個衛星。地月子係統其實並不孤立。這個觀測無疑給了哥白尼日心說提供了事實支持，並且豐富了人們對太陽係的認知。人們很早就知道月亮的光亮麵有相對明和暗的區域，並不均勻，但時常忽略這些細節。伽利略在月半的時候，觀察到月亮的邊緣並不平滑，所以斷定月球表麵也有地球表麵類似的地貌。伽利略又發現了太陽表麵的黑子，而這些太陽黑子還在隨時間漂移。伽利略推論太陽也像地球一樣在不停地自轉，也認識到太陽並不像人們想象的那樣那樣完美無缺，從而打破了天界與地界的界限。

在理論研究方麵，理解開普勒三大定律背後的原因成為當時重大的任務和興趣。當時的人們已經有了力的概念，也認識到行星運行受到力的支配。牛頓曾說過他在1666年（當年他二十三四歲）躲避瘟疫期間發現了萬有引力。但這個說法一直遭到懷疑。牛頓不愛發表論文。除了他的說辭，找不到別的佐證。另外牛頓人品低劣，不僅經常惡毒攻擊對手，還會搶占別人的成果。他的一麵說法很難讓人信服。當然，通過他的著作，牛頓的曠世天才和他對人類理解做出的不凡貢獻毋庸置疑。

真實的情況應該是，天文學家布裏阿德在1645年提出一個假設，天體的吸引力與距離的平方成反比。布裏阿德的這個看法來自類比，更像他的一個直覺。當時開普勒提出一個由點光源擴散出的光亮以距離平方的方式衰減。布裏阿德認為引力也該如此。之後胡克也有同樣的想法。而牛頓在1679年發表他自己的引力論文之前應該是了解到胡克的文章的。按照牛頓的說法，他將開普勒第三定律用在圓軌道的特例，導出引力的平方反比律，再在月球軌道上驗證後將引力定律確認。牛頓在1687年出版了《自然哲學的數學原理》，代表了兩千多年來自然科學的最高成就。日心說的現象理論有了動力學基礎。

牛頓宏大的力學理論體係不僅僅是萬有引力。首先，牛頓似乎不自覺地定義了一個絕對的時空，然後提出了著名的牛頓運動學三大定律。牛頓發明和引進了他的流變術，也就是微積分方法。有了這些基本物理概念和數學方法，牛頓可以完全推導出行星的橢圓軌道和開普勒三大定律。不僅如此，牛頓的理論結果還是多方麵的。牛頓利用萬有引力推測出太陽與行星的相對質量。牛頓認為月球的引力造成地球海洋的一天兩次的漲落，解釋了潮汐現象。有趣的是牛頓一生中從未到過海邊。牛頓曾經把在科學中探索的自己比喻成海邊拾貝殼的人。牛頓推測出地球是一個稍微扁平的橢球。那麽地球在太陽的引力下會產生進動。他計算出進動周期，非常接近現代數值的兩萬六千年。現在我們知道地球進動造成地球氣候的周期性變化，稱為米蘭科維奇循環。牛頓又有對流體的研究。他推導出聲波速率與氣體密度和壓強的關係。牛頓科學和數學成就中的任何一項，運動定律，引力理論，光學理論，或者微積分的發明，都有劃時代的偉大意義。牛頓去世後，詩人蒲伯寫下這樣的墓誌銘：自然法則於黑暗中藏隱。上帝說讓牛頓出現吧。於是一切都是光明。

--寫於2022年6月24日（圖片來自網絡）