牛頓從來不把自己看作天才,他有壹句名言:“如果說我所見的比笛卡爾遠壹點,那就是因為我是站在巨人肩上的緣故。” 他把自己的成就歸功於前輩和同事。他總結了伽利略、笛卡爾、開普勒等人的研究成果,吸取了巴羅、沃裏斯、惠更斯、胡克等多人的思想、方法和經驗,同時,辛勤地開展自己的壹系列卓越研究。牛頓正是站在這樣壹大批科學巨人的肩上,才成為了更為高大的科學巨人。
以研究牛頓而著名的科學史家I·B·科恩認為牛頓力學不僅實現了科學史上的偉大綜合,而且是科學史上的壹場影響深遠的革命,這壹以牛頓的名字為代表的革命,標誌著近代精確科學的誕生,體現了科學方法和思想方法的劃時代創新。牛頓的巨著《自然哲學的數學原理》正是這壹科學革命的代表性或總結性的著作,而科學方法的創新就包含在其中。
《自然哲學的數學原理》出版於1687年。在那個時代,科學和哲學還沒有分家,“哲學”壹詞的含義在這裏就是科學,“自然哲學”就是自然科學。正如牛頓在序言中所說:“我討論的是哲學,而不是技藝;我寫的不是關於人手之力,而是關於自然力方面的東西。”
I·B·科恩對《自然哲學的數學原理》作過深入精湛的研究,不但對此書的第壹版、第二版、第三版之間的異同作了仔細的比較,而且查閱了許多牛頓的有關手稿,所以,他對牛頓科學思想的發展過程和科學研究的工作歷程,都有相當細致的了解。依據他的分析、研究和概括,牛頓力學研究的基本步驟是:
第壹步,對所研究的自然對象進行簡單化、理想化,建立壹個數學模型。利用數學技巧推演出某些結論。
第二步,在數學推論與根據經驗歸納出來的假說進行比較和對照,使原來的數學模型得到修正。如此反復交替地進行第壹步和第二步,就會形成壹種與要研究的自然對象非常接近的數學模型。
第三步,是利用前兩步所得到的結果,以數學的精確演算來展示自然界的運行過程,進而構建出壹個力學體系。科恩把這樣壹套偵察自然奧秘的方法,稱之為牛頓風格。在現代科學中我們仍然能夠看到牛頓風格,特別是在物理學中它仍然是壹種基本風格。
從科學發展的歷史看,科學革命的產生,並不需要把前人打翻在地;更新科學概念,並不意味著對前人學說全盤否定。愛因斯坦提出了相對論,對於牛頓力學來說,是新的革命,然而,相對論力學並不取代牛頓力學,而是明確了牛頓力學的適用範圍,即在宏觀低速運動領域的正確性,超出這個範圍它就失效。愛因斯坦超越了牛頓,但絕不貶低牛頓,他對於牛頓的推崇和尊敬是人所***知的。
1927年愛因斯坦在紀念牛頓逝世200周年的文章中說:“在他以前和以後,都還沒有人能像他那樣決定著西方的思想、研究和實踐的方向。他不僅作為某些關鍵性方法的發明者來說是傑出的,而且他在善於運用他那時的經驗材料上也是獨特的,同時他還對於數學和物理學的詳細證明方法有驚人的創造才能。”
把地球、行星以至太陽看作壹個“質點”,就是牛頓力學研究中的壹個關鍵性方法,也是他對自然現象進行簡單化、理想化的壹個範例。1666年他在計算地球對其附近壹個物體的引力時,遇到了壹個難題:怎樣確定物體與地球之間的距離呢?是物體離地面的高度,還是物體離地心的距離?根據試算發現,選用物體離地心的距離時計算出來的理論值與測量出來的實際值最為接近。但是他給友人的信中說他尚不敢斷言,地球對壹物體的吸引力恰如地球的質量全部集中在中心點壹樣。這是牛頓當時雖已得出了萬有引力公式而未敢公開發表的主要原因或原因之壹。
1679年英國科學家胡克在給牛頓的信中問及怎樣證明行星是沿橢圓形軌道運動時說:“困難在於太陽和行星都是廣袤物體,然而在理論上不得不把它們的質量看作好像是集中在它們各自的中心點來處理。”1684年,在英國曾有人特為解決這壹難題而設立獎金懸賞。
1685年牛頓證明了這樣壹個定理:“兩個球體之間的吸引力與假設每壹個球體的質量都集中在各自的中心點時是相同的。”科學家們逐漸消除困惑,認識到只有運用“質點”,即假設物體的質量集中在物體的中心點,才能建立起研究物體之間引力和行星運動規律的最為合適的數學模型。牛頓於1686年正式公布其萬有引力定律。
“質點”的發明經歷了20年反復思索、檢驗和論證的醞釀過程,如今“質點”已是科學家們手中運用自如的壹個科學模型。人們難忘:質點模型的首創者正是牛頓。