世界近代中期科技史-第4节
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顿建立经典力学的重要借鉴。
牛顿研究了伽利略、刻卜勒等人的力学成果，感觉到，他们俩人在力学
中虽然取得了重要成就，而在对力学现象进行定性描述和定量分析时，却缺
乏明确的力学范畴，即没有明确的力学概念。为此，牛顿首先在力学概念上
进行了研究，较为明确地提出了质量、动量、外力等一套力学概念。
对于质量，牛顿吸取了化学家波义耳的质量概念。1660年，波义耳进行
了关于气体容积与压力的关系实验时，曾从气体的密度引出质量概念。牛顿
把这一概念引入力学中，指出质量是“用它的密度和体积一起来量度的”物
质的量。
对于动量，牛顿以他的质量概念为基础。指出动量是“它的速度和质量
一起来量度的”运动的量。
对于外力，牛顿吸取了当时静力学中外力的概念，特别是吸取了伽利略
的惯性原理中的外力概念，指出外力是“一种为了改变一个物体的静止的或
等速直线的运动状态而加于其上的作用力”。
此外，牛顿还提出了惯性、向心力、加速度、相对运动、绝对运动等力
学概念的明确定义。
在建立了质量、动量、外力等一套明确的力学概念以后，牛顿对客观力
学现象进行了广泛的实验、观察与分析，在发现万有引力运动定律的过程中，
同时发现了著名的牛顿力学三定律。
第一定律：在不受外力作用的条件下，任何物体都保持原有的静止或匀
速直线运动状态。按照牛顿的本来表述是：“每个物体继续保持其静止或沿
一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态”。因为
这一定律是用来描述物体运动的惯性原理的，因此，这一定律也称为惯性定
律。
第二定律：在外力作用下，“运动的改变和所加的动力成正比，并且发
生在所加的力的那个直线方向上。”在一般情况下，也表述为：在外力作用
下，物体的加速度与外力成正比，与物体的质量成反比；加速度的方向在外
F
力的作用方向上。其数学表达式为F = ma或a = 。其中F为外力，m为质
m
量，a为加速度。
第三定律：作用力与反作用力大小相等、方向相反。按照牛顿本来的表
述就是：“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物
①
体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方。”其数字表达式为
F=…F。
在发现运动力学三定律的基础上，牛顿还从三大定律出发，作出了三大
定律的一些推论，如关于一个物体同时受两个力作用时的运动方向与所需时
间的推论，关于力的合作与分解的推论等。这样，牛顿就以他的力学概念、
三大定律、基本推论为主要内容，实现了17世纪中期以前的力学的一次大综
合，从而奠定了经典力学的理论基础。
力学三定律是一个整体，是经典力学的基础。第一定律从质的方面反应
了物体惯性的本质，第二定律是从量的方面说明了作用力与物体之间的关
① ＇美＇H·S·塞耶： 《牛顿自然哲学著作选》，上海人民出版社1974年版。
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系，第三定律揭示了机械运动的一个矛盾：作用力与反作用力。而惯性与力，
是全部牛顿力学中的两个最基本的概念。
由于万有引力定律的发现，由于力学三大定律的发现，一个以宏观低速
物理现象为研究对象的经典力学体系，也就由牛顿建立起来。
牛顿的经典力学成果，集中地反应在他的《自然哲学的数学原理》这一
巨著中，全书共分三卷。其中第一卷和第二卷均为“论物体的运动”，讨论
从天体力学到运动力学的一般力学规律问题，第三卷为“论宇宙的体系”，
讨论行星、月球、慧星、潮汐和岁差等具体的天体力学问题。全书在 1687
年5月出版。按照自古希腊以后的传统涵义和当时语义内涵，所谓自然哲学，
实际上指广义的自然科学。因此，所谓《自然哲学的数学原理》，实为《自
然科学的数学原理》。牛顿在这一著作中所讨论的自然现象的普遍性，以及
他所用的数学方法的严谨性，使这一著作无愧成为经典力学的奠基工作，经
典力学体系由于此书的完成也就初步建立起来。
4。机械自然观的确立与牛顿的综合
牛顿生活在英国资产阶级革命后的王政复辟时代。他在哲学思想上主要
受从培根、霍布斯（1588—1679年）到洛克（1632—1704年）的唯物主义经
验论的影响。正是在这种唯物主义经验论的影响下，才形成了他在自然观与
方法论上的自然科学的唯物主义基础。
牛顿的《自然哲学的数学原理》一书，不仅奠定了近代力学的基础，它
还展示了近代科学上最早的理论体系。这本书首次告诉人们，与从演绎原理
出发人为构成的哲学体系相区别的，一个始终以实际经验为基础，由逻辑推
理构成的科学理论的体系究竟应该是怎样的。
《原理》全书共分为三部分，这三部分前面还有两节——定义和公理（或
运动定律）这些内容具有极为重要的意义。在前面，在卷首，有致读者的序
文。牛顿在序文中表明了自己用数学形式论述力学的基础上来说明整个自然
现象的愿望。
在《原理》的第三卷中，牛顿曾列出自然哲学（实为自然科学）的四条
基本推理法则。
“法则1：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必去寻求自然界其
他原因。”
“法则2：对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。”
“法则3：物体的属性，凡既不能增强也不能减弱者，又为我们的实验
所能及的范围内的一切物体所具有者，就应视为所有物体的普遍性。”
“法则4：在实验哲学中，我们必须把那些从多种现象中运用一般归纳
而导出的命题看作是完全正确的，或者是非常接近于正确的；虽然可以想象
出任何与之相反的假说，但是没有出现其他现象足以使之更为正确或者出现
例外之前，仍然应当给与如此对待。”
从牛顿所列的这些推理法则可以看出，牛顿坚信物质世界的客观性、统
一性、因果性和规律性。正是从自然科学的唯物主义的这些基本信念出发，
牛顿实现了机械自然观与科学方法论的综合。
在近代科学革命兴起之初，哥白尼和维萨里等人虽然动摇了神学自然观
的基础，但他们并没有建立起一套新的自然观。直到19世纪初年，当法国哲
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学家伽桑狄使以伊壁鸠鲁为代表的古希腊哲学中的原子论复兴后，特别是伽
利略的运动力学与刻卜勒的天体力学的影响日趋增大之后，一种以力学观念
为基础的机械自然观即处于初步形成之中，而笛卡尔则是一种自然观在初步
形成时期的代表人物。笛卡尔认为，物质的唯一属性是广延，因此他以广延
为基础，提出空间、时间、重量和速度是物质世界的基本量纲。正是从这些
基本量纲出发，笛卡尔为物质世界建立起了一幅最初的机械图景，并因此奠
走了机械自然观的初步基础，但他却没有使机械自然界观最终确立。
牛顿批判了笛卡尔把物质与空间等同的思想，吸取了笛卡尔的空间和时
间是基本量纲的思想，建立了绝对时空观。牛顿认为：所谓“绝对的空间”
就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；牛顿也
提出过相对空间的概念，不过他认为相对空间只是绝对空间的可动部分或者
量度。为了证实绝对空间的存在，牛顿还设想过著名的水桶实验。牛顿设想，
若有一桶水，让它做旋转运动，开始时水桶旋转而水不动，此时，水与桶壁
之间虽有相对运动，但水面与水桶静止时相同，是一个平面。随后，水被桶
壁带动并与桶一道旋转，这时水与桶之间虽无相对运动，但水面却与桶静止
时不同，是一个凹面。这样，即使在水与桶没有相对运动的情形下，也可判
定水桶体系有无相对于绝对空间的运动。
对于时间，牛顿认为，笛卡尔的数字演绎法处于彼此分离的状态。培根
轻视数学演绎为：“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于
其本性而在均匀地，与任何其他外界事物无关地流逝着。”
在批判笛卡尔把物质与空间等同的思想时，牛顿还吸取了伊壁鸠鲁的原
子论思想，建立了物质的微粒观。牛顿说：“一切物体的最小微粒也具有广
延性、不可入性、能动性，并且赋有其固有的惯性，这是整个哲学的基础。”
物质微粒观不仅是牛顿的科学自然观的一个重要方面，而且也是他的力学中
的质点观念与光学中的微粒观念的直接理论基础。
同时，牛顿还以他的绝对时空观为基础，提出了绝对运动观。他说，所
谓“绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所移动。”为了
说明绝对运动的存在，他除了借助于绝对时空观之外，也借助了他所提出的
相对运动观念。实际上，无论是绝对运动观还是相对运动观，牛顿都是从他
的绝对时空观出发的。
正是在绝对时空观、物质微粒观、绝对运动观相继形成的基础上，牛顿
把自然界的所有作用都规定为力的作用，并指出：“哲学的全部任务，看来
就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，然后用这些方法去论证其他的
现象。”正是从这一宗旨出发，牛顿写作了《自然哲学的数学原理》一书，
而正是在这一巨著中，牛顿建立了关于物质世界的一幅完整的机械力学的图
景。
可见，机械自然观的最终确立，对于牛顿前半生的以经典力学为代表的
科学成果的取得，确实是起过积极的作用。
在科学方法论方面，培根重视实验归纳法的作用，笛卡尔轻视实验归纳
法的作用，而牛顿则首次在理论上，特别是在实践上实现了两种科学方法论
的综合。
牛顿重视实验的作用，同时也重视数学的作用。牛顿认为，“物体的属
性只有通过实验才能为我们所了解。”又说：“探求事物属性的准确方法是
从实验中把它们推导出来。”正是在这种方法论思想的指导下，牛顿进行了
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一系列受控实验，设想了不少理想实验，与此同时，牛顿也十分重视数学的
作用，认为数学方法是自然科学的基础方法，并由此探索了整个数学方法统
一的数学原理。这样，牛顿也就实现了实验方法与数学方法的结合。
在科学逻辑方面，牛顿既重视培根的归纳法，也重视笛卡尔的演绎法。
牛顿曾把归纳法作为他的推理法则的第四条准则，并进而指出：“在实验哲
学中，命题都从现象推出，然后通过实验而使之成为一般。”与此同时，尽
管牛顿本人曾反复声称：“应当力戒去考虑假说”，说他自己“不作任何假
说”，但在实际上，牛顿不仅在其科学理论的研究中经常运用假说，而且在
理论上也承认过建立假说的必要性。1672年，牛顿在给皇家学会秘书欧登堡
的一封信中说：“进行哲学研究的最好和最可靠的方法，看来第一是，勤恳
地去探索事物的属性，并用实验来证明这些属性，然后进而建立一些假说，
用以解释这些事物本身。”可见，牛顿所反对的假说只是那些没有实验依据
的臆测。
在科学逻辑方面，牛顿不仅较好地处理归纳与演绎的关系，而且较好地
处理了分析与综合的关系。牛顿认为：“从结果到原因，从�
