科学史(上)-第28章
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最后我们不要忘记，十七世纪中叶所有的合格的科学家与差不多所有的
哲学家，都从基督教的观点去观察世界。宗教与科学互相敌对的观念是后来
才有的。伽桑狄在重新提出原子论的时候，小心避免同古人给与原子论的无
神论沾了边。虽然笛卡尔的反对者指摘他设计了一个十分有效的宇宙机器，
没有给上帝的控制留下余地，可是笛卡尔仍然认为自然界的数学定律是上帝
所建立的，通过思想世界也可以接近上帝。霍布斯的确把哲学局限于自然科
学所取得的实证知识，对神学加以抨击，并且把宗教叫做公认的迷信。可是
他却同意国家应该建立和实行以圣经为根据的宗教。不过，他的态度是一个
例外。一般说来，一切学者都接受了有神论的根本假定，这并不是为了护教
的缘故，而是由于他们认为这个假定是普遍接受的资料，任何宇宙学说都必
须同它相符合。
中世纪的许多思想方法当时还残存着；波义耳需要反驳经院哲学家的化
学观念，不亚于需要反驳炼全家的化学观念。哥白尼的理论虽为数学家和天
文学家所承认，但是一般教科书所讲授的仍然是托勒密的体系。占星术仍为
人所重视。由于内战的缘故，世事变化不定，机遇无常，因此占星家的每一
个预言差不多都肯定有机会应验①。就是牛顿，在少年时代也觉得占星术是值
得研究的。1660 年，他初入剑桥大学，在别人问他要学什么的时候，据说他
回答道：“数学，因为我打算去检验人事占星术”②。这个事例，说明牛顿一
生中心理观点的转变，这转变主要是由他自己的工作造成149 的。占星术的
著作，特别是历书之类，虽在牛顿之后很长时期里仍继续出版，但到十七世
纪末年，就只有无知识的人才对它们感兴趣了。
科学院
① A。J。Snow； Natter and Gravity in Newton's Physical Philosoplhy； Oxford； 1926， p．
①
Dict。Nat。Biography；〃William Lilly〃；〃Hlenry Colley〃；〃John Case〃。
②
Reverend H。T。Inman； Sir Isaac Newton and one of his Prisms；Ox…ford （privately printed）。 1927。
③ T。Sprat； Bishop of Rochester； Hirtory of the Royal Society；1667；Re… cord of the Royal
Society；London；1912… ；Martha Ornstein；Scientific Soci…eties in the Seventeenth Century； Chicago and
Cambridge；1928；R。W。T。Gunther；Early science in Oxford；1921 Et seq。；H。Brown； Scientific Organisation in
France；Baltimore；1934。
帮助造成牛顿的学术环境的还有一些别的因素。多年来受到亚里斯多德
派的阻挠的新学术，这时已经渗透进有些大学。热心自然哲学的人数迅速地
增加，增加的一个表现，便是学会或学院的纷纷成立。会员常常聚会，以讨
论新问题并推进新学术。这类学会中的最早一个，在1560 年出现在那不勒
斯，名叫“自然秘奥学院”。1603 至1630 年，伽利略所属的第一个“林
学院”成立于罗马，1651 年，梅迪奇（Medici）贵族们在佛罗伦萨创立了“西
芒托学院”。在英国，学者们从1645 年起，以哲学院或“无形学院”的名义，
在格雷汉大学或伦敦其他地方集会。1648 年，大部分会员因内战迁到牛津，
但1660 年，伦敦的集会又恢复举行。1662 年，在国王查理第二的特许下，
这个学会正式定名为“皇家学会”。在法国，同类的科学院于1666 年由路易
十四创立，类似的组织不久也出现于其他国家，这些学会进行了充分的讨论，
集中了科学界的意见，公布了会员们的研究成果，因而这些组织成立后，科
学的发展愈加迅速，特别是大半的学会不久都开始发行定期刊物。独立的科
学杂志最老的一个似乎是《学人杂志》，1665 年在巴黎首次发行。三个月后，
又有《皇家学会哲学杂志》问世，这最初是皇家学会秘书私人的事业。别的
科学杂志不久也相继出现，不过，直到十七世纪末叶或更后，数学家们还主
要是靠私人通信来宣布他们的研究成果。这是一个效率低微的办法，有些发
明先后的争执即由此而起，如牛顿和莱布尼茨之间的争执。
刻卜勒的研究成果提供了太阳系的模型，但是，这个模型的大小——太
阳系的实际大小——在用天文单位测定一个距离以前，是无法确定的。
在1672—1673 年，路易十四的大臣科尔伯（Colbert）派遣里希150 尔
（Jean Richer）到法属圭亚那的卡宴（Cayenne）去进行航海上有用的天文
学观测。他就测量过行星火星的视差。他的研究成果的最显著的结果，就是
认识到太阳和较大行星的巨大体积，以及太阳系的惊人的规模。地球和地球
上的人相形之下，就显得很小了。
牛顿与引力
我们已经简要地叙述过牛顿开始工作时科学知识和哲学见解的概况。爱
萨克·牛顿（IsaacNew…ton，1642—1727 年）是一个有120 英亩土地的小地
主所有者的遗腹独生子。牛顿出生于林肯郡伍耳索普
（WoolsthorpeinLincolnshire），自幼身体纤弱，在格兰瑟姆文法学校
（Grantham Grammar School）受过教育。1661 年，他进了剑桥大学的三
一学院，在那里他听过巴罗的数学讲演。1664 年，他被选为三一学院的研究
生（Scholar），次年被选为校委（Fel… low）。1665 至1666 年，剑桥瘟疫
流行，他返回伍耳索普，开始考虑行星的问题。伽利略的研究表明，要使行
星和卫星在轨道上运行，而不循直线向空间飞去，必定有一个原因。伽刊略
把这原因看做是力，但这个力是否存在仍有待于证明。
据伏尔泰（Voltaire）说：牛顿在他的果园中看见苹果坠地时找到解决
这个问题的线索。这个现象引起他猜度物体坠落的原因，并且使他很想知道
地球的吸力能够达到多远；既然在最深的矿井中和最高的山上一样地感觉得
到这种吸引力，它是否可以达到月球，成为物体不循直线飞去，而不断地向
地球坠落的原因。看来，牛顿的头脑中已经有了力随着距离平方的增加而减
少的想法，事实上，别人当时似乎也有这样的想法。在牛顿的异父妹汉娜，
巴顿（Han… mah Barton）的后裔朴次茅斯（Portsmouth）勋爵1872 年赠给
剑桥大学的牛顿手稿中，有一份备忘录，对于这些早期的研究有如下的叙述：
就在这一年，我开始想到把重力引伸到月球的轨道上，并且在弄清怎样
估计圆形物在球体中旋转时压于球面的力量之后，我就从刻卜勒关于行星公
转的周期与其轨道半径的二分之三方成比例的定律中，推得推动行星在轨道
上运行的力量必定与它们到旋转中心的距离的平方成反比例：于是我把推动
月球在轨道上运行的力与地面上的重力加以比较，发现它们差不多密合。这
一切都是1665 与1666 两个瘟疫年份的事，因为在那些日子里，我正在发现
旺！盛的年代对于数学和哲学，比以后任何年代都更加关心。惠更斯先生后
来发表了关于离心力的研究成果，我想这些研究成果的取得应当在我以前。
读者当会看出，这里牛顿没有谈到他的朋友彭伯顿（Pember…ton）所说
的故事：牛顿所使用的地球大小的数值不精确，所得出的推动月球在轨道上
运行的力与重力不合，因此，他就把他的计算搁置起来。相反地，牛顿却说
他发现“它们差不多密合”。卡焦里（Cauori）教授也指出这一点①，并且提
出证据，说明那时已经有几个关于地球大小的相当精确的估计值，牛顿在
1666 年很可能是知道的。其中之一是冈特（Gunter）
的估计值：纬度度等于66
23
法定英里，而据彭伯顿说，牛顿所用的数值是
1
60 英里。卡焦里说：
既然牛顿买过“冈恃尔的书”，那么，很可能地，也可以说是无疑地，他知道冈
特尔的估计值：°＝66
3
法定英里，这与斯内耳（Snell
12
）的数值是近似的。
如果牛顿用了66
23
，他所算出的物体由静止坠落第一秒钟所走的距离就是15。53
呎，正确的距离是16。1呎。误差只有3
21
％。也许正是由于取得这样的结果，牛顿才
说“它们差不多密合”。
亚当斯（J．C。Adams）与格累夏（J．W。L。 Glaisher）在1887 年指出的
牛顿所以迟迟不发表他的计算的原因，比较近乎情理。引力理论里有一大困
难，无论如何牛顿是了解的。太阳和行星的大小与它们之间的距离比较是
那样的小，在考虑它们之间的关系时，每一星体的全部质量可以看做集中在
一点，至少是近似地这样的。
可是月球与地球之间的距离相对地来说并没有那样大，要把月球或地球
当作一个质点看，便有问题了。还有，在计算地球与苹果之间的相互引力的
时候，我们须记住和苹果的大小或它对地球的距离相比地球是很庞大的。第
一次计算地球各部分对于它的表面附近的一个小物体的引力总和显然有很大
的困难。这大概就是1666 年牛顿把他的工作搁置起来的主要原因。卡焦里说
牛顿也明白重力随纬度而有变化，同时，地球自转所造成的离心力也有影响；
他觉得重力的说明“比他原来所想的更困难”。1671 年，牛顿又好象回52
到这个问题，但他仍没有打算发表。也许是同样的考虑阻止了他。还有，当
时他的光学实验引起的争论也使他感觉十分不快。他说：“我在过去几年中
一直在努力离开哲学而从事其他研究”。事实上，他对化学好象比对天文学
①
Sir Isaac Newton； History of Science Society； Baltimore；1928；p。127。
更感觉兴趣，对神学好象比对自然科学更感觉兴趣。他在晚年就很不愿把他
在造币厂的公务时间使用到“哲学”上去。
惠更斯（Christian Huyryens， 1629—1695 年）是荷兰外交家和诗
人的儿子，1673 年发表了他的动力学著作：《摆钟论》。惠更斯以动力系统
中活力（现时叫做“动能”）守恒的原则为前提，创立了振动中心的理论，
并发明了一个可以应用于许多力学与物理学问题的新方法。他测定了摆长与
摆动时间的关系，发明了表内的弹簧摆，而且创立了渐屈线的理论，包括摆
线的性质在内。
但就我们的直接研究目的而论，他的最重要的研究成果是这部著作最后
所谈到的关于圆运动的研究成果，虽然如上所说，牛顿在1666 年一定也得到
了同样的结论。我们可以用比较简单比较现代的方式把这一成果叙述如下。
设有一质量为m 的物体，以速度U 在半径为R 的圆上运动，象拴在一条线上
的石头旋转时那样。则照伽利略的原则，必有一个力向中心施作用。惠更斯
证明这个力所主的加速度A 必等于v2/r。
到1684 年，总的引力问题就已经在大家的纷纷议论之中。胡克，哈雷
（Halley），惠更斯、雷恩（Wren）似乎都独立地指出过：如果把本来是椭
圆的行星轨道当作是圆形的，则平方反比必为力的定律③。这一点可以立即
从两个前提中推出。一个前提是惠更斯的证明：半径为r 的向心加速度a 是
v2/r；另一个前提是刻卜勒的第三定律：周期的平方，即r2/v2随r3而变化。
这后一结果说明v2随1/r 变化。因而，加速度v2/r，也就是力随1/r2而变
化。
几位对这个问题进行进一步研究的皇家学会会员，特别讨论到如果一个
行星像刻卜勒第三定律所指出的那样按平方反比的关系在吸引力下运行的
话，它是否又能按照他的第一定律在椭圆轨道上运行。哈雷由于觉得没有希
望从别的来源求得数学解决，就到剑桥三一学院去访问半顿。他发现牛顿在
两年前已经解决了这个问题，虽然他的手稿已经遗失，但牛顿重新写出一遍，
并和“许多旁的材料”送给住在伦敦的哈雷。在哈雷的推动之下，牛顿又回
到这个问题。1685 年，他克服了计算上的困难，证明一个由具有引力的物质
组成的球吸引它外边的物体时就好象所有的质量都集中在它的中心一样。有
了这个有成效的证明，把太阳、行星、地球、月球都当作一个质点看待的简
化方法就显得很合理了，从而就把从前粗略近似的计算提高到极其精密的证
明。格累夏博士在阐释这个证明的重要性时说：
从牛顿自己的话中，我们知道他在没有用数学证明这个定理以前，从来没有料到
有这样美妙的结果，但一经证明这个精妙的定理以后，宇宙的全部机制便立刻展开在他
眼前。。。把数学分析绝对准确地应用于实际的天文问题，现在已经完全在他能力之内
了。①。。
这一成就为牛顿的独创的研究，扫除了障碍，于是他努力把天体的力和
地球吸引物体坠落的力联系起来。他利用皮卡尔（Picart）测量地球所得的
新值，再回到重力与月球的老问题去。地球的引力现在可以看做有一个中心
了，而且就在地球的中心，验证他的假设也是很简单的事。月球的距离约为
①
J。W。L。Glaisher； Address on the bi…centenary of the publication of Newton's Principia； 1887。
地球半径的60 倍，而地球的半径是4000 英里。由此算出月球离开直线路径，
而向地球坠落的速度，约为每秒0。0044 英尺。如果平方反比律是正确的，这
个力量在地球表面应该比在月球强（60）2 倍，或3600 倍，所以在地面物体
坠落的速度为3600x0。0044，或每秒约16 英尺。这与当代观测的事实相合，
于是这个证明完全成立了。于是牛顿就证明了平常向地面坠落的苹果或石
头，与在天空中循轨道庄严运行的月球，同为一个未知的原因所支配。
他证明了重力必然要使行星轨道成为椭圆，也就意味着对刻卜勒定律给
予合理的解释，并且把他在月球方面所得的结果推广到行星的运动上去。于
是整个太阳系的错综复杂的运动，就可以从一个假设中推出来。这个假定就
是：每一质点对于另一质点的引力，与两点的质量的乘积成正比并与其间的
距离的平方成反比。这样推导出来的运动和观测结果精密符合，达两个世纪
之久。彗星的运动一向认为是无规则而不能计算的，现在也就范了； 1695
年，哈雷说，他在1682 年所看见的彗星，从它的轨道来看，实在为重力所控
制；它周期地回来，事实上与贝叶（Bayeux）毛毡上所绣的、在1066 年被人
当做是萨克逊人的灾祸预兆的那颗彗星，实在是同一颗彗星。
亚里斯多德以为天体是神圣而不腐坏的，和我们有缺陷的世界是不同类
的，而今人们却这样把天体纳入研究范围之内，并且证明天体也按照伽利略
和牛顿根据地面上的实验和归纳所得到的力学原理，处在这个巨大的数学和
谐之内。1687 年牛顿的《自然哲学的数学原理》的出版，可以说是科学史上
的最大事件，至少在近些年以前是这样的。
引力的次要效应之一是潮汐。在牛顿考虑这问题以前，人们有许多混淆
不清的看法。刻卜勒以为潮汐的成因在月球，但他是占星家，因而他同时相
信恒星与行星也有影�
