作者｜张卜天 清华大学人文学院科学史系长聘教授

“科学革命”（the Scientific Revolution）是指发生在欧洲16、17世纪那场独一无二的思想剧变，这场革命将统治西方两千多年的古代宇宙论模型彻底击碎，而代之以全新的天文学、物理学和世界图景。如今，我们依然生活在科学革命的影响之下。我们用两部重要的科学著作来界定这场科学革命的起止时间：1543年哥白尼（Nicholaus Copernicus，1473―1543）的《天球运行论》以日心地动说取代古典的两球宇宙模型，宣告了革命的开始；1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》建立了经典力学体系，对科学革命中锻造的各种新概念与思想线索进行综合，标志着这场革命的终结。

一、哥白尼之前的西方宇宙论

和其他古代文明不同，古希腊人很早就开始了建立理性宇宙论的努力。所谓理性宇宙论，首先意味着在其对宇宙结构的描述中，神和超自然事物几乎完全隐退，人们更关心如何将自然世界的实际现象和天文观测纳入宇宙论体系。

公元前4世纪，“两球宇宙模型”已被绝大多数希腊天文学家和哲学家所接受。其基本思想是，恒星散布在一个巨大的天球上，地球静止于该天球的中心，太阳位于恒星天球与地球之间，恒星天球连同太阳自东向西运动；同时，太阳还有另一重自西向东的运动，以恒星天球为背景，这样一次向东运动的轨迹便是所谓的黄道，所需时间是365天多一点，即所谓的“年”。

两球宇宙模型将原本散乱的天文现象纳入到统一简洁的解释原则中，成为哥白尼之前宇宙论的基本框架。两球宇宙模型本身并不构成一个宇宙论体系，在恒星天球和地球之间还有几颗行星，也就是与恒星相比运动显得不那么规则的七个天体：太阳、月亮、水星、金星、火星、土星和木星。这些行星总在黄道线附近徘徊，偶尔还会出现“留”与“逆行”的现象。

古希腊人相信，天的世界是完美的，这种完美性体现在天体绝对完美的圆周运动上，行星的运动虽然看起来缺少规则，却能用圆的组合加以刻画和描述。柏拉图明确提出了“拯救现象”的要求，即用匀速圆周运动来解释行星不规则的视运动。它从方法和目的两个方面对后世的天文学研究做出了规定。柏拉图之后的宇宙论发展可以概括为在两球宇宙模型下进行“拯救现象”的一系列努力。

亚里士多德为两球宇宙提供了自然哲学基础，宇宙被截然分成月下世界和月上世界：在月下世界，土、水、气、火的不同结合构成了万物，也规定着物体自然运动的方向，这是一个充满生灭变化的世界；而月上世界则由被称为“以太”的第五元素所构成，星体被镶嵌在巨大的水晶天球上，有规律地永恒运动着，没有生灭变化。对月上世界天体运行的研究在希腊化时期的托勒密那里达到了高峰，他对本轮、均轮、偏心圆等工具的熟练运用以及引入的偏心匀速点为解决行星问题提供了全套技巧。他的《至大论》浓缩了古代天文学最伟大的成就，是一部集大成的数理天文学论著。尽管亚里士多德主义物理学和托勒密天文学从未被融贯和系统地组织在一起，但二者结合所形成的空前强大的宇宙论体系已经足以掩盖其各自的理论缺陷以及这两种理论之间的不相容。

特别是经过13世纪经院哲学家阿奎那的努力，亚里士多德主义哲学与基督教教义被相当成功地调和起来。在哥白尼的时代，欧洲人普遍信奉一种具有基督教神学意义的亚里士多德―托勒密宇宙论，其图景大致是：月下世界从中心到外围分别由土圈（通常被看作地狱的处所）、水圈、气圈和火圈构成；火圈之上是月亮天球，地界和天界由此分开，月亮天球之上分别是水星、金星、太阳、火星、土星和恒星所在的诸天球，如洋葱般层层嵌套，它们的运动和位置可以通过托勒密天文学计算得出；再往上则是根据《圣经》所推知存在的水晶天和最高天，后者是上帝及其选民的永恒居所。

二、新天文学

1. 哥白尼与《天球运行论》

在16世纪的欧洲，新的大翻译运动复兴了新柏拉图主义、赫尔墨斯主义、伊壁鸠鲁主义等古代思想，人文主义学者热情地迎接和讨论这些新观念，对陈腐的经院哲学进行无情嘲讽。基于托勒密对地球尺寸的过小估计，哥伦布向西远航意外发现了美洲大陆。人们在惊叹这位古代科学巨匠在地理学上的巨大失误时，也对其在天文学上的成就产生了严重的怀疑。

路德和加尔文掀起了宗教改革的大潮，新教对一切超越《圣经》之外的罗马天主教教义进行了否定和批判，其中自然也包括罗马教廷认可的亚里士多德―托勒密宇宙论。在这样一个变革的时代大背景下，作为科学革命开启者的哥白尼倒显得格外平静，甚至近乎保守了。

事实上，哥白尼既不想撼动亚里士多德的权威，也不想移动上帝的宝座，他只想在不打破亚里士多德主义基本世界图景的前提下，技术性地调换太阳与地球的天文学功能，以更好地继承和延续柏拉图的“拯救现象”传统。在《天球运行论》的序言中，哥白尼说自己之所以批判托勒密体系，是因为在尝试解释行星运动的一些不均等性的过程中，托勒密使用了偏心匀速点，而哥白尼认为此举违反了匀速圆周运动的假设。因此，他在第一卷中建议放弃地心和地静的天文学预设，让太阳成为宇宙的中心，将太阳的运动转移给地球，以简化对行星运动的数学计算。哥白尼设想的宇宙图景大致是：太阳取代地球位于宇宙中心并保持静止；水星、金星、地球、火星、木星、土星被镶嵌在各自的天球上依次围绕太阳转动；最外层的恒星天球静止不动；月亮是地球的卫星，它既随地球绕日公转，又绕地球做周月旋转。地球被赋予了三重运动：绕轴周日自转、绕日周年公转、地轴的圆锥运动。由于哥白尼保留了天球概念，地球第三重轴转运动是十分必要的，因为只有这样才能抵消地球被镶嵌在天球上旋转而造成的地轴方向变化，使地球自转轴在绕日公转时与黄道面保持固定交角，从而形成四季差别。【图1】

图1 　早期的哥白尼主义者托马斯·迪格斯（Tomas Diges，1546－1595）所描绘的哥白尼体系，它预言了新宇宙的无限性

与托勒密体系相比较，这个新图景在天文学上有三个主要优点：

第一是比较容易解释行星的逆行现象。在哥白尼的体系中，逆行并非缘于行星本身的运动，而是缘于地球运动与行星各自绕日运动的叠加。

第二是能够确定诸行星的轨道次序。在托勒密体系中，各个行星的几何结构是互相独立的，因此没有确定行星次序的标准 ；而在哥白尼体系中，太阳系内行星的排布由它们绕日运行的时间所决定。水星（88天）、金星（225天）的周期小于地球（365.25天），因而处于太阳和地球之间，属于内行星，而火星（687天）、木星（12年）和土星（29年）则属于外行星。内行星概念的引入使哥白尼无须借助额外的特设性假设就能解释为什么水星和金星总是出现在太阳附近。

第三个优点体现在天文计算上。利用三角学的方法，哥白尼借助日地距离计算出了所有行星到太阳的距离，这等于确定了太阳系和诸行星轨道的相对尺寸。在定性解释方面，哥白尼体系的确比托勒密更有优势，但这些进步很快便被《天球运行论》随后几卷庞杂而繁复的数理天文学计算所淹没。在对行星运动的精确计算中，哥白尼依然不得不求助于本轮与偏心圆，从而使新体系至少与托勒密体系同样复杂，而它对行星位置的预测精度明显比不上托勒密体系。偏心圆的运用使太阳并不处于宇宙的中心。换言之，哥白尼体系并未成为一个真正的日心体系，而更应被视为一个地动日静体系。

哥白尼体系还面临一系列更为严峻的理论困难。在天文学上，假如地球绕太阳运转，那么随着地球从轨道的一侧转到另一侧，恒星的相对视位置应当有微小的改变，即出现恒星视差。然而，自古以来从未有人观察到这一现象。对此哥白尼预言，视差现象本身是存在的，但由于土星和恒星天球之间的距离过于遥远，肉眼无法直接观察到。直到1838年，科学家才借助功能强大的望远镜证实了这条假说。除此之外，新的宇宙体系还存在着物理学上的困难。如果周日运动和周年运动成立，地球就不再是静止的球体，而是一个时刻处于高速运动的天体，那么为何从高处落下的物体不会被抛向西边？哥白尼需要重新面对这些古老的反驳。虽然在《天球运行论》中，哥白尼未对新天文学做出有效的物理学辩护，但他用严格的数学工具探索了新的宇宙结构在天文学上的可靠性。尽管该体系此时还存在各种缺陷和不足，但哥白尼的工作最大程度地说明了其内在的和谐与统一，揭示了对其进一步修改和变革的可能性，它将在未来半个世纪引起欧洲最优秀科学家的注意。与之相比，沿用一千多年的托勒密体系显得过于繁琐复杂，它不符合当时兴起的对于数学简单性的审美要求。

2. 第谷与观测天文学

阻碍哥白尼取得比托勒密更为精确的行星预测结果的另一个原因是他采用的天文数据。这些数据包含了大量错误，一部分来自实际观测中的失误，另一部分则来自传抄过程中的笔误或曲解。哥白尼对古代流传下来的观测数据不加怀疑地使用，严重损害了他的计算工作。显然，天文学上的新突破必须建立在更为精确可靠的观测数据的基础之上。

丹麦天文学家第谷（Tycho Brahe，1546―1601）用毕生勤恳的工作将欧洲天文学从对古代数据的依赖中解放出来，其观测精度达到了裸眼天文观测的极限。这种对精度的大幅提升为日后天文学的进步铺平了道路。第谷还提出了一个新的天文学体系。他很清楚哥白尼体系的优点，同时又深知其所面临的巨大挑战，特别是地球运动所引发的物理学困难。因此，第谷在自己的体系中再次认为地球静居于宇宙中心；月亮、太阳绕地球转动；水星、金星、火星、木星、土星绕太阳旋转，同时随太阳一起绕地球转动；而最外层的恒星天球每天绕地球旋转一周。

第谷体系是一种折中方案，在数学上与哥白尼体系完全等价，却又巧妙避开了那些对哥白尼的反驳，在17世纪受到不少天文学家的欢迎。【图2】

图2 　里乔利（ Giovanni Battista Riccioli ）《新天文学大成》（Almagestum novum,Bologna,1651）的卷首插图。正义之神正在哥白尼体系和第谷体系之间进行权衡，而托勒密体系（位于右下角）已被弃置一旁

3. 开普勒与行星三定律

第谷体系貌似是一个完美的解决方案。但如果对其深入思考，便会发现这个体系蕴含着一种极大的不和谐。曾被看作神圣而完美的天界，如今却像是被一个蹩脚的技师临时拼凑起来一样。对称性和统一性赋予了哥白尼体系独特的审美价值，这一点对于像开普勒（Johannes Kepler，1571―1630）这样狂热的新柏拉图主义者来说尤为重要。

开普勒在图宾根大学学习时第一次接触到哥白尼的新天文学。哥白尼体系和谐的数学结构，成为开普勒相信和捍卫它的最重要理由。他还关心为什么在哥白尼体系中，围绕太阳运转的行星只有六颗。

1595年，开普勒想到了一个绝妙的答案：只要将球体和正多面体以适当顺序套起来，球体的相对大小就能符合哥白尼理论所给出的行星到太阳的相对距离。由于正多面体只有五种，因此被它们隔开的球体有且只有六个，恰好等于行星的数目⸺不多不少就是六颗。【图3】

对开普勒而言，这一发现令人敬畏。他找到了行星数目和距离何以如此的原因，揭示了天界的几何结构，其优雅和美正是对哥白尼体系的最佳证明。这样的证明很难有说服力，但在开普勒看来，数学不仅是描述自然的工具，而且也是自然的存在原因和意义源泉⸺自然之所以如此，是遵循了某种简单而和谐的数学定律。在这种精神力量的支撑下，他洞悉了行星运行的奥秘。

图3 开普勒的行星天球模型

1596年，开普勒在《宇宙的神秘》一书中宣布了这项发现，并给第谷寄了一本。第谷意识到开普勒非凡的数学和天文学才能，邀请他和自己合作。

在1609年出版的《新天文学》中，开普勒公布了自己的火星轨道研究结果，其中包括了三条行星运动定律的前两条。第一定律指出每颗行星的轨道都是椭圆，太阳位于它的一个焦点上；第二定律表明，太阳与行星的连线在任何相等时间段内扫过相等的面积（因而这条定律也被称为等面积定律）。

现在，椭圆取代了正圆轨道，等面积定律取代了相对于圆心的匀速运动，而偏心圆、本轮、偏心匀速圆以及其他特设性工具都不再需要了，开普勒的宇宙比过去所有体系都更为简单和优雅，而给出的预测则比之前所有的预测都更精确。

1618年出版的《世界的和谐》包含着开普勒第三定律：行星轨道周期的平方之比等于到太阳平均距离的立方之比。

第三定律预示着诸行星的运动仿佛受到来自太阳的某种统一原则的支配，其威力将在17世纪后半叶逐渐发挥出来。

4. 伽利略和望远镜

就在开普勒出版《新天文学》的1609年，伽利略（Galileo Galilei，1564―1642）将望远镜对准了天空。伽利略并没有发明望远镜，而只是在荷兰透镜技师的基础上对望远镜进行了改进。他的意义在于第一次充分理解了望远镜中的天文现象，并用这些新的证据为哥白尼体系做了辩护。借助望远镜，伽利略看到了从未用肉眼观测到的大量恒星，这从侧面暗示了古代天文学家的局限性，他们能看到的星星数量少得可怜，所做的结论也无法令人信服。

与行星不同，恒星在望远镜中显示的尺寸并没有被放大，伽利略认为这是对哥白尼的有力支持，因为他在《天球运行论》中做出过正确的预测。与行星相比，恒星距离我们要遥远得多⸺由于太过遥远，望远镜无法将其尺寸进一步放大。

伽利略观察到月球表面布满了沟壑和山脉【图4】，而古人曾认为月亮和所有天界物体一样是完美的，犹如一个光洁无瑕的圆盘。他还发现了地球反照现象，正如月光可以照亮地球上漆黑的夜晚，从地球反射的光也可以照亮月球的暗区。这些新证据表明，月球与地球并无本质不同。伽利略还发现木星周围有四颗卫星，而且土星的形状很奇怪，像是长了一对“耳朵”，这对“耳朵”有时会改变形状，甚至消失不见。甚至连太阳也称不上完美，几年后伽利略便发现了太阳黑子。然而，对托勒密体系最有力的反驳来自他对金星相位的观察。

在托勒密体系中，金星总是位于太阳与地球之间，因而最多只能呈现新月形。伽利略观测到了新月形的金星和满的金星，这表明金星时而处于我们和太阳之间，时而远在太阳的另一侧，简言之，金星是围绕太阳运转的。

图4 伽利略手绘的月相图，望远镜下的月亮并不是一个完美的球体

三、物理学的变革

1. 伽利略与运动科学

伽利略对金星全套相位的发现彻底埋葬了托勒密天文学，现在天文学家只能在第谷体系与哥白尼体系之间进行选择。于是，这两个体系之间唯一的分歧，即地球是否运动，就成了天文学家最为关切的问题。如果承认哥白尼体系对宇宙的描述是真实的，那就意味着亚里士多德主义物理学的全面破产：地球被移出了宇宙中心，天界与地界的区分不再成立，地界物体自然运动与受迫运动的区分也失去了意义。

一门新物理学已经呼之欲出。

它迫切需要解决运动地球的概念与我们日常所感知到的运动经验之间的种种矛盾，这些矛盾集中体现在落体问题上：为什么从高塔上落下的物体没有因为地球高速的绕轴自转被抛在西边，而是落回了原地？伽利略终生都在致力于回答这样的运动问题。他原计划完成一本名为《论运动》的专著，尝试将阿基米德的数学力学方法与亚里士多德主义物理学结合起来。但这一努力并不成功，伽利略愈发感到古代物理学中存在着无法调和的矛盾。如果不对基本运动概念进行全盘清理和改造，就无法彻底消除这些矛盾。

经过十余年的思考，伽利略最终在运动问题上取得了重要突破，其成果发表在《关于两大世界体系的对话》（1632，简称《对话》）和《关于两门新科学的谈话》（1638，简称《谈话》）中。

伽利略在运动学方面取得了一系列开创性成就。他把运动分成匀速运动和加速运动，而加速运动又可以分为匀加速运动和非匀加速运动。伽利略对匀加速运动做了细致考察，发现物体的运动速度不是与距离而是与时间成正比，运动距离与时间的平方成正比。伽利略批判了一条流行的谬误，即认为物体下落的速度与其重量成正比。事实上，重量不同的重物几乎以相同的速度下落，它们在空气等介质中下落时，阻力随速度的增加而增加；当阻力变得与物体重量相等时，加速会停止，物体继续匀速下落。这意味着当物体的所有受力之和为零时，物体将保持运动状态。这一结论再次与亚里士多德的意见相左，后者认为物体的运动总是需要力的维持。

我们发现，此时伽利略距惯性定律只有一步之遥，然而事实上，他从未提出一般意义上的惯性定律，甚至根本没有使用过“惯性”（inertia）这个词，其全新的运动科学中依然残留着亚里士多德物理学的某些痕迹。当然，我们不应对伽利略过分苛求，他的运动科学已经为哥白尼日心体系提供了足够的辩护武器。结合他所发现的关于运动的分解、合成和叠加的法则，伽利略证明了抛物体的运动轨迹是一条抛物线，由此出发，矛盾最为集中的落体问题可以得到令人满意的回答。物体从高塔下落后，将继续参与在塔顶时所拥有的地球运动，从塔顶落下后仍将跟上地球的运动。即使地球在运动，物体也会落到塔基处。就这样，哥白尼宇宙所面对的最大理论障碍被清除了。

2. 从“机器隐喻”到机械论哲学

伽利略的运动科学对时间、空间、位移等运动基本概念的重新界定预示着一种全新的自然观。

17世纪欧洲出现的这种新的自然哲学思潮，取代了古代的有机论或有机自然观，一般被称为机械论或机械自然观。有机自然观和机械自然观基于对自然世界整体上的不同理解，这种理解决定了二者对待自然研究问题采取了不同的回应策略。

古典的有机自然观以植物、动物这样的有机体作为理解自然的蓝本。譬如一粒大树的种子，其一生会经历发芽、生长、成熟等一系列阶段，它未来展开的所有生命形式，都潜在地蕴藏在这粒小小的种子之中。

宇宙也是一个类似的有机体，它的发展变化也是其内部潜能不断展开和实现的过程。在有机自然观中，每一个自然物的存在和行为都同它最终指向的目的密切地联系着。而机械自然观则将宇宙视为一台无生命的、巨大的机器，或是一部构造精密的钟表，这一类比关系常常被称为“机器隐喻”或“钟表隐喻”。

“机器隐喻”是近代欧洲独有的一种思想文化现象，将宇宙比作机器的观念，在此前的任何一种人类文明中都不曾有过。

首先，“机器隐喻”和基督教的影响密不可分。有机自然观是古希腊人的产物，作为有机体的宇宙无始无终、自给自足。而基督教的创世说却认为，物质世界是神从无中创造出来的。有生命的东西不可能无中生有，我们看到一粒种子，总想到它是从另一棵大树上孕育出来的，生命过程就这样不断地轮回和延续着。但机器既不会自发地存在，也不会繁衍，而肯定是被一个更高级的智慧设计和制造出来的。正如我们看到一部做工精美的钟表，并不会夸耀这个钟表本身，而一定会赞叹制造它的匠人。正是通过这种方式，“机器隐喻”将自然世界和独一的神巧妙地联系在一起。自然世界是一台庞大而严密的机器，而上帝则是创造和维护它的“神圣技师”。

其次，文艺复兴时期机械工程的巨大发展对“机器隐喻”的流行起了推波助澜的作用。15、16世纪的欧洲钟表制造业已经达到了相当高的水平，人们第一次看到了似乎不需要外力持续推动就可以精密运行的造物。他们不由得推想，那些周而复始运动的天体不就像钟表上的齿轮，整个宇宙不就像一台严丝合缝的大钟么？

最后，“机器隐喻”特别有助于科学革命时期的思想家对亚里士多德主义哲学进行批判。以伽利略为代表的研究者们日益感到，亚里士多德主义自然哲学之所以无效，源于其目的论式的自然探究方式。如果把自然看作一台机器，这种自然探究方式的荒谬性立刻会暴露出来。正确的思路应当是分析钟表里每一个零件的构造、功能和相互之间的关系，只有这样才能对钟表有更为深入的了解。

在自然研究中，关心的重点应该是动力因⸺物质的运动及其相互作用，而非目的因。随着批判的深入，“机器隐喻”所蕴藏的内在逻辑被逐渐展开，与之相应的机械论哲学应运而生。机械论哲学的各种版本无不遵从两点假设：

第一，正如钟表的运作可以还原为其内部组件及其相互作用，对一切自然现象的解释也只能从物质及其直接的相互作用出发；

第二，正如对钟表整体运动的解释总要归结为对其细小零件的运动进行解释，对宏观自然现象的解释也要归结为对微观物质的解释。

法国哲学家笛卡尔给出了一套严格的机械论版本。他敏锐地洞察到，一个完全机械化的宇宙将是一个数学的宇宙，整个物理学王国都可以被还原为几何学。这一观念要求人们从感性的现象世界跳出来，不依靠具有欺骗性的人类感官，而是借助理性之光抵达那个最真实、最可靠的数学王国。经由“普遍怀疑”的方法，笛卡尔把不具有广延的思想实体和具有广延的物质实体区分开来，物质总是占据三维空间的一部分，这种特性被称为广延，在笛卡尔那里，物质、空间和广延本质上是等价的。

笛卡尔进而将物体的性质分成第一性质和第二性质：

第一性质是广延实体的性质，是那些属于物体本身的、可以数学化的性质；

第二性质则依赖于思想实体的活动，是那些属于主体的、不可数学化的性质。

第二性质是第一性质作用于人的感官所产生的结果。

事实上，开普勒和伽利略都曾表达过关于第一性质与第二性质的类似区分，这是迈向自然数学化的关键一步。

惯性原理是机械论宇宙的基石。在充满惰性物质的宇宙中，运动是物体的基本状态，运动本身不需要原因，而改变运动才需要原因。

笛卡尔既不承认虚空，也不承认原子，他的宇宙被物质所充满，其中的物质是无限可分的。在《哲学原理》（1644）中，笛卡尔规定了宇宙运行所服从的最高定律，即总物质量和速度的乘积保持恒定，类似于今天的动量守恒定律。他还加入了三条辅助性的运动定律，用以描述自然事件的进程：第一定律排除了一切可能的自发运动，第二定律即惯性定律，第三定律刻画了物体碰撞之后的运动。

在此基础上，笛卡尔给出了他的机械论世界图景：整个空间被不可见的物质微粒所填满，这些微粒一刻不停地在涡旋中运动着。每颗恒星都处于涡旋的中心，涡旋产生的巨大离心力将行星维持在圆周轨道上。与此同时，行星的自转也形成了一个环绕自身的小涡旋，这使行星不仅可以携带月亮这样的卫星，而且也会把处于行星表面的物体推向球心，从而形成重力。【图5】

图5 笛卡尔的涡旋宇宙

涡旋体系第一次给出了取代亚里士多德体系的全套宇宙论方案，使人们看到了从最基本的机械论信条出发能走多远。但其缺陷也很明显，除了整个体系的公理化结构具有明显的数学特征之外，涡旋理论并不是数学的。开普勒三定律已经精确刻画了行星的运动规律，但笛卡尔并未将其纳入他的理论之中。这说明注重定量描述的数学传统与精于因果分析的自然哲学传统之间依然存在着巨大的理论鸿沟。填平这一鸿沟将引出科学革命的最高成就⸺牛顿的《自然哲学的数学原理》。

3. 牛顿综合

在一百多年的演进过程中，新天文学体系现在仅剩最后一个问题仍然悬而未决：究竟是什么把行星维持在轨道上？作为天文学家的哥白尼和第谷对这一问题语焉不详。开普勒曾认为太阳会对行星施加某种力，并把这种力称为“致动灵魂”，这显然与流行的机械论思潮格格不入。伽利略的运动科学固然成功，但他极少关注运动的原因。

笛卡尔的涡旋理论仅仅是一种定性的、粗糙的宇宙模型，然而这一理论暗示，沿轨道运行的行星和落向地心的重物遵循着相同的动力学机制。

牛顿的工作将上述思想线索统一起来。通过引入力的概念，他对这一问题做出了成功的解答。牛顿渐渐认识到，一门基于惯性原理的运动科学需要一种力的概念，要把月球维持在稳定轨道上，必须有一个力把它拉向地球，其大小等于使月球飞离的离心力，但方向相反。牛顿称之为“向心力”，并推测它与地月之间距离的平方成反比。他还发明了所谓的“流数法”，即微积分。他用这一数学理论推导出了引起轨道运动的力，计算了开普勒第二定律所要求的面积。

最终，牛顿于1687年完成了《自然哲学的数学原理》（简称《原理》）。他从定义和公理开始，建立了完整的经典力学体系。牛顿先是系统表述了经典力学的一些基本概念（如质量、动量、力、空间、时间等），然后提出了三大运动定律。牛顿对力做了清晰的界定，这为《原理》中的证明奠定了基础。

《原理》的正文部分共分三卷。

第一卷题为“论物体的运动”，主要涉及对引力的数学分析。牛顿首先揭示出，开普勒第二定律即等面积定律蕴含着每颗行星的运动都有一个向心力，而且开普勒第一定律与平方反比律可以相互推导。

《原理》的第二卷没有标题，原本只是第一卷的一部分，主要讨论物体在介质中的运动，因为内容相对独立而被拆分出来，牛顿在其中批判了笛卡尔的涡旋理论。

第三卷名为“论宇宙体系”，在这一卷中，牛顿给出了万有引力定律，并用这一定律解释了各种现象。

牛顿证明，开普勒三定律不仅对太阳系有效，而且也适用于木星的四颗卫星、土星的五颗卫星，月球的运动也满足等面积定律。这表明宇宙中存在着一种普遍的力，这种力不仅将行星和卫星维持在轨道上，而且决定了物体在地球表面的下落，造成了潮汐现象。牛顿把这种力称为万有引力，并且给出了数学表达。万有引力定律表明地界和天界服从同样的物理定律，从而最终消除了二者的区分，确立了自然的空间均匀性。

牛顿第一次用一套公理和适用于天地万物的万有引力定律完整地解释了宇宙。牛顿的力学体系象征着世界的理性秩序。它不仅解释了现在和过去的现象，还可用于预言未来事件，这体现了这门新科学的力量。

18世纪不仅是启蒙时代，还是“信仰科学的时代”。牛顿象征着科学的成功，成为一切科学的理想，无论在哲学和心理学中，还是在政治学和社会科学中。《原理》基本上接纳了笛卡尔所表述的机械自然观，用机械论取代目的论作为自然的解释原则。

牛顿的新世界是一个机械论的世界。

在牛顿那里，机械论大致有两种相互关联的含义：一是“机器隐喻”依然得到保留，世界是个不具有内在动力的大机器，没有主动性的灵魂，一切都按照自然定律的必然性运行；二是力学还原论，即认为一切自然现象最终都可以还原为物质微粒及其运动，一切科学最终都可以还原为力学。物理世界是一台严格根据力学定律来运行的庞大的数学机器，而人只是这台数学机器无关紧要的旁观者。

牛顿本人当然不认为这个机械论的宇宙是自足的，它时时刻刻需要上帝补充机械宇宙运行所消耗的能量，不断修正其自身所产生的偏差。

对牛顿而言，万有引力不是一种机械力。它既证明纯粹机械论的宇宙并非自足，又揭示了上帝在世界中时刻发挥着作用。

因此，牛顿的上帝不同于笛卡尔和莱布尼茨的上帝：后者是一个按照几何规律创世后便不再干预世事的唯理智论的上帝，而牛顿的上帝则是一个随时会干预世界运行的唯意志论的上帝。但牛顿去世后，牛顿主义者逐渐忘记了牛顿的教诲，而将引力视为一种纯粹的机械力，视为物质本身的固有属性。牛顿的上帝逐渐抽身隐退，给我们留下了目前仍然生活于其中的机械论世界。

四、新世界图景的问题

最后，我们从本体论、认识论与价值论三个方面来简要评论近代科学革命所带来的新世界图景。

首先，近代科学革命打破了亚里士多德关于天界与地界的区分，把宇宙统一成了一个开放、无限的宇宙。这幅新的世界图景就像是17世纪的诸多天才共同锻造出的一颗熠熠生辉的“大钻石”。但不幸的是，这颗“大钻石”上有一个醒目的瑕疵：作为观察者的人并没有被置于这个宇宙之中。所有其他事物都在其中获得了自己的位置，唯有人失去了自己的位置，变成了世界体系的旁观者。然而，一个不包括人在内的世界图景还是一个真实、完备的世界图景吗？

其次，笛卡尔的工作使我们清楚地看到，在这幅新的世界图景中，广延性的身体和世界与非广延的心灵和精神不得不仅仅依靠松果腺这个大脑中微不足道的部位来连接。果真如此，我们就会面临一个认识论上的重大困难：这个被囚禁在松果腺中的心灵，如何才能走出那个幽暗的小室，获得关于一个无限宇宙的确定性认识呢？或许正是由于这个困难，认识论才会在笛卡尔之后的近代哲学发展中一直占据中心地位。

最后，我们日常生活的世界是一个充满着质与可感知觉，充满意义与价值的世界。古代世界图景之所以能够满足古代与中世纪精神生活的需要，恰恰是因为它将价值世界与事实世界融为一体，其中价值的等级秩序决定着存在的等级秩序。

但近代科学革命在建构宇宙时完全摒弃了完美、和谐、意义、目的等基于价值观念的考虑。这些概念只是一些主观的东西，在一个纯粹数学的、量化的客观宇宙中没有任何本体论地位。宇宙是一个纯粹事实的世界，与价值世界是完全分离的。然而，一个无意义、无价值的宇宙如何才能为我们提供生活的意义与价值？

我们是否一直在一幅本质上毫无意义的近代世界图景中绝望而徒劳地追寻着意义？

这是未来科学与哲学的发展必须做出回答的难题。20世纪物理学中的相对论与量子论试图将人的形象部分地放回到世界图景之中，但就其所获得的世界图景仍然是一个纯粹数学化的世界图景而言，上述意义与价值的根源问题并未获得根本解决。

—End—

本文选编自《中国文明与山水世界》

来源于“三联学术通讯”

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