2.2　第一次物理革命：牛顿力学与机器宇宙

在自然哲学阶段，科学家们研究的对象是广泛的自然现象，通过发明数学工具来描述这些现象之间的关系。但这些自然现象极其复杂，包罗万象，没有被分离出来，所以，科学的进步一直是缓慢的，直到科学在天文学上取得突破。

研究天文学的优点很多。第一，天文学研究是非世俗的，是持续而长期的需求。核心驱动来自宗教机构和政府，这让科学家们有足够的时间积累观测数据，提出理论假设并进行解释、预测和证伪，从而实现概念、模型和工具的持续改进。由于这种需求来自宗教机构和政府，因此，有足够的经费支持科学家的研究工作，有足够的资源制造和改进设备。

第二，天文学的研究对象是具体的天体。这些天体虽然是巨大的，却显示为一个个相互独立的“点”，自然地形成了一种简化和抽象。这种抽象使他们自己成为独立的研究对象，被独立观测、用数学描述，不像其他自然现象的研究那样复杂。此外，由于人类无法干预天体的位置和运动，科学家们只能成为客观的研究者。

第三，天体的运动是缓慢的，运动的速度各不相同，运动慢的天体就成为静止参考点，因此，这些运动能够被测量，而且是实时的原位测量。科学家们可以通过理论计算模拟这些运动，预测未来即将发生的现象，使理论能够得到精确的证伪。

第四，天体的运动是有周期规律的，各个天体的周期是不一样的，显示出宇宙的统一性和精确性。宇宙如同被上了发条的钟表一样，秒针、分针、时针各自运转，但相互之间又紧密联系着，各自运动的周期及其相互联系都可以用数学描述。

正是对天文学的持久研究让科学重新起步，并诞生了近代科学。

16世纪初，哥白尼在波兰当牧师，研究托勒密的著作。托勒密的宇宙体系有两个公认的弱点：一个是地球是宇宙的正中心，另一个是每个天体都有一个本轮，在围绕地球运转的同时，自己绕本轮自转，这导致计算极其复杂。毕达哥拉斯学说相信世界是完美的，运动是完美的圆。因此，宇宙有那么多本轮不符合简单、完美的要求，天体运动也应该是匀速且精确为圆的。哥白尼尝试简化模型和计算，将宇宙中心放在太阳上。他利用托勒密的数据，经过反复运算建立了日心说体系，其精确度几乎达到了托勒密理论的精度。哥白尼将研究成果写在专著《天体运行论》中，为了谨慎起见，这本书在他去世后的1543年才出版。

从意识形态上讲，哥白尼的学说引起了轩然大波。但他的研究是在宗教机构赞助下进行的，所以，他并不是一个人在战斗。从科学上讲，哥白尼学说仅仅是一个假说，他具有更加简洁和协调的美感，但还不足以说明该学说的正确性。

在丹麦君主的赞助下，第谷更新了观察设备，因此能够获得更高的数据精确度，他前后进行了20年的观测，留下了丰富的数据宝库。开普勒继任后继续观察，并开始整理数据，企图找出其中的规律，先后提出了著名的开普勒三定律。这三大都以数学形式表达，延续了自然哲学时代天文学的研究方法。开普勒提出第一定律的核心：行星绕太阳运转的轨迹是椭圆的；第二定律的核心：行星绕太阳运转的速度不是匀速的（这两个定律都修正了哥白尼的假说）；第三定律——平方反比定律于1618年提出：行星绕太阳运动的周期的平方，与轨道半长轴的立方成正比。

伽利略与开普勒属于同一时代，两人也是好朋友。伽利略在科学史上有三大贡献：第一个是与教会斗争，力挺哥白尼学说；第二个是发明了天文望远镜来观测天体，让人类摆脱了经验观测的局限，从此利用感觉增强观测工具进行科学研究成为首要标准；第三个是开辟了一个全新的研究领域，将研究对象从天体转向普通的物体，创立了物体运动学，并建立了系统的科学方法论，开启了物理学的新时代。

天体的运动是容易观测的，即容易量化，所以，数学能够清晰地表达天体之间的关系。但描述普通物体的运动则是很困难的，如何定义时间、如何测量速度，如何修正各次观测的误差，这在今天也许容易，但在当时很困难。例如，由于缺乏计时器，伽利略在测量时间时，只能通过数自己的脉搏来计量时间长度。

一如用望远镜发现新宇宙一样，伽利略通过研究普通物体的运动发现了一个新世界，激发了世俗科学（即研究普通物体的科学）的诞生和迅猛发展。过去人类对普通物体运动的认知凭借常识和经验，例如，重的物体在空中下降的速度比轻的物体下降的速度快，这在常识上是没有问题的。但通过比萨斜塔实验，伽利略发现，质量差异未必引起下落速度的差异。这个结论和日心说一样，都是破坏经验并证明经验是错的。由此科学家们认为一定存在着一种世界，他比经验更加精确、可靠，更加接近真理。这在哲学上引起了怀疑主义的理性批判，如笛卡儿、贝克莱、休谟等人的工作；在科学研究上，导致实验和测量的普遍采用成为从业标准。

伽利略通过比萨斜塔和斜面实验的方法，颠覆了经验的可靠性，提供了进入新世界的方法，其核心是“观”与“测”：观察物体的移动状态；测量时间、位置的变化。通过距离与时间的关系定义速度和加速度，这些可观测的概念通过数学形式连接起来，形成了可以检验的物理规律。任何一个概念（如速度、时间、空间）都可以被测量——这是物理精神的精髓。

伽利略唤醒的世俗科学的种子在欧洲各国繁荣成长，叠加军事战争的强大需求，从事科学研究的人数急剧增加，从此开启了科学大发现的时代。英国成立了皇家学会，广泛吸收欧洲乃至美洲各地的科学爱好者，鼓励他们发表自己的新发现，并频繁地发送这些科学新发现，激励会员之间的相互交流和分享。英国皇家学会还建立了第一优先权制度，以激励科学家做出更多新发现，并不断提出一些迫切需要解决的科学难题，向社会公开悬赏。

牛顿的科学研究正是在这样的竞争环境下开始的。行星按照椭圆轨道运行的问题是英国皇家学会的悬赏问题，吸引了同时代惠更斯、虎克、哈雷等多名科学家的参与。在哈雷的督促下，牛顿试图解决这个问题。最后，参与竞赛的多位科学家都得出了相同的结论，即“平方反比定律”。

但牛顿更进一步。1687年，牛顿撰写的《自然哲学的数学原理》出版了，该书以完全类似《几何原本》的方式进行演绎，将上帝的天文学和尘世的运动学统一起来，给予清晰的数学描述，让人类获得了根据物理定律演绎出各种知识和应用的能力。

在运动学部分，牛顿阐述了运动三大定律：（1）惯性定律；（2）加速度定律（力的定律）；（3）作用力和反作用力定律。

根据平方反比定律，牛顿推理出万有引力定律。然后，根据向心力的公式，在牛顿第二定律的基础上，牛顿推导出开普勒第三定律。由于开普勒第三定律吻合第谷的观测数据，从而证明了万有引力定律和当时最精确的观测数据是吻合的。

万有引力定律说明，无论浩瀚宇宙中的所有天体，还是地球上的一切物体，都服从同一个规律，其相互作用能够被准确计算和预测。人类几千年来对第一原理的追求，终于结出了确定性的硕果，这使得人类将理性从宗教转向对自然原理的探索中。而宇宙像一台机械时钟一样，和谐而精确地运行着，成为从17世纪到19世纪的主导理念，激励了科学革命和工业革命。