牛顿的科学研究方法和科学观
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牛顿的科学研究方法和科学观
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牛顿是物理学史上最伟大的科学家之一,他除在自然科学的许多学科都做出了划时代的贡献之
外,
还继承和发展了伽利略所开创的近代科学研究方法。
正是这些方法使得牛顿的科学理论十分富有
成效,
“直到
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世纪末,它一直是理论物理学领域中每一个工作
者的纲领。
”他的研究方法,指导了
以后几代物理学家的研究工
作。
一、实验方法与抽象方法
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实验方法是科学研究的基本方法。
它既是获得经验知识,
为科学理论的建立提供原始资料的途径
和方法,同时也是检验科学理论和假
说的重要途径和手段,牛顿对于实验十分重视。在他的著作中反
复强调了实验和观察的重
要性,
他坚持认为自然哲学家要把他的概括建立在对现象的仔细考察的基础
上。他指出:
“虽然用归纳法来从实验和观察中进行论证不能算是普遍的结论
,但它是事物的本性所
许可的最好论证方法。
”牛顿还进一步指
出:
“我所以相信我提出的理论是对的,不是由于它来自这样
一
种推论,因为它不能别样而只能这样,也就是说,不仅仅由于驳倒了与它们相反的假设,而是因为
它是从得出肯定而直接的结论的一些实验中推导出来的。
所以考察它的方法,<
/p>
就在于考虑我所提出的
实验是否确定了这个理论中应用了这些实验
的那些部分,
或者是去进行理论自身的验证而提出其他实
验。<
/p>
”可见牛顿是相当重视科学实验的,他把它作为科学研究的最基本方法之一。
牛顿的科学研究是以实验为基础的。他历来十分注意科学观察
和实验。他曾制造过风筝、日规和
漏壶,还研磨过棱镜。他还设计了许多精巧的实验装置
和仪器。例如他设计和制造了第一个反射望远
镜。
他做过许多出
色的科学实验,
如色散实验和干涉实验等。
他的一些重大成果是
与实验密切相关的。
牛顿进行的科学实验有不少是研究探索性的,但更多的是验证性实验
。除了他个人的实验和观察外,
他十分注意从前人和其他科学家的实验和观察来获得大量
的经验和证据。
这样就使他的理论是建立在
更加广泛的实验的基
础之上的。
牛顿建立力学理论,提出一般原理
时,仅仅应用实验法是不够的。用实验方法还不能使牛顿提出
力学三大定律。他还应用了
抽象方法,例如第一定律指出:
”每个物体继续保持其静止或沿一直线运
动的状态,除非有力加于其上迫使改变这种状态。
”这里所描述的是物体不受外
力作用下的状态。一
般来说,
观察一个物体的运动要有一个观察
者或某种观察记录仪器,
但是任何物体之间都是存在着引
力作用
的。
一个被观察的物体是不可能不受外力的作用。
其实惯性定律
是通过对物体运动做出的抽象
而建立的。
科学抽象也是牛顿进行
科学研究的一种基本方法。
在牛顿力学中有不少概念和原理的提出
是与应用抽象方法分不开的。牛顿绝对空间、绝对时间的概念也是抽象的结果。牛顿引力理论的建立
同样离不开抽象方法的运用。
引力定律是在开普勒定律基础上进行高层抽象
的结果。
作为低层抽象的
开普勒定律是描述性的经验定律,而作
为高层抽象的万有引力定律是解释性的原理。
理想化
是科学抽象的一种形式。
理想化方法是用理想的客体代替实在的客体进行科学研究的一种
重要方法。运用这一方法能够大大的简化研究对象,有利于逻辑推理和发现事物的规律。
牛顿在力学
研究中运用了这种方法。实际上惯性定律的提出就应用了这一方法,它是在考
察假想、纯化形态下物
体的运动规律时得到的。引力定律实际上也是一个“理想模型”<
/p>
。在引力问题的研究中,牛顿实际上
已运用了“质点”这一理想化
的概念。虽然牛顿在他的著作中没有强调抽象方法。但他在科学研究中
却多次应用了这种
方法,
他对许多问题的归纳概括也包含着大量的科学抽象。
抽象
方法的应用补充了
牛顿实验研究的不足。
二、归纳方法与演绎方法
归纳与演绎
都是科学研究的重要方法。
前者是由个别到一般的思维和推理方法,
后者是由一般到
个别的思维和推理方法。归纳和演绎是牛顿进行科学研究的两种主要
方法。他十分重视归纳的作用,
在他的著作中反复强调过归纳方法,他说:
“在实验学上,一切定理均由现象推得,用归纳法推广之,
物体之不可透性、
可动性、撞击性以及运动之定律,均是如此得来。
”他指出:
“
实验科学只能从现象
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出发,并
且只能用归纳来从这些现象中推演出一般命题。
”可见牛顿十分重视归纳的方法。但牛顿
力
学是一个演绎系统,而不是一个归纳系统。虽然牛顿在科学研究中广泛应用了归纳方法
,但他建立的
理论体系是主要以演绎法来完成的。其实,牛顿也是十分强调演绎的作用的
,这主要体现在他对数学
方法的多次强调上,数学方法本身就是具有演绎性质的方法。<
/p>
在科学研究中归纳和演绎不是截然分开的,
而是互相补充的。
任何一门理论自然科学都不是单用
归纳或
单用演绎得出的。没有归纳,实验中所获得经验材料就不能上升到理论;没有演绎,理论就不
能成为严谨的,
系统的理论。
归纳方法与演绎方法分别是牛
顿进行科学研究的两个过程——分析和综
合过程——的核心方法。
这使牛顿的归纳和演绎具有自己的特色。
牛顿演绎得出的推断往往超出原来
归纳结论的价值。由于归纳只是分析过程中的一种方法,所以它往往是与其他方法共同应用的,在归
纳的过程中一般也渗透着其他方法的运用。同样,演绎的过程也往往包含其他一些方法的
应用过程。
而且归纳和演绎有时也是交织在一起的。
三、分析研究与综合研究
分析与综合
既是科学研究的两种方法,同时也是科学研究的两个过程。
作为方法,
< br>分析和综合都
有整体性、一般性方法的功能。作为过程,分析与综合的结合与统一
,反映了科学研究的一种重要程
序。牛顿在《原理》一书中声称他的运动三定律和万有引
力定律都是用分析与综合方法发现的。由此
可知,分析与综合是牛顿科学方法与方法论的
精华。
作为科学研究的过程,分析与综合是牛顿进行科学研究的不同
阶段。曾帮助牛顿进行《原理》第
二版准备工作的数学家
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·科茨在为该书所作的序中讨论了当时的科学方法。在讨论牛顿的分析法与
< br>综合法时指出:
“从一些特选的现象,经过分析,他们导出了自然界的各种力以及
这些力所遵循的比
较简单的规律,这是研究哲学时无与伦比的最好方法。
”这说明牛顿的科学研究一般来说先经过分析
过程,然后进入综合过程。在分析
过程中,从现象出发,通过观察和实验得出结论,然后经过归纳、
类比和抽象获得一般性
原理。在综合过程中通过演绎、公理化、理想化等方法推出新的结论和原理,
然后对现象
进一步进行解释,并对原理进行验证。
分析研
究和综合研究都是运用多种科学方法的过程,类比法、演绎法、公理化方法和理想化方法
是综合研究的主要方法。其中,公理法的应用是创造性的,也是牛顿对科学方法发展的独特贡献,归
纳方法与演绎方法在分析与综合过程中起着重要作用。
归纳方法是牛顿分析研
究过程的核心方法,
没
有这一方法分析研究就无法进行,同样,
演绎方法又是综合研究的核心方法。数学方法在两个过程中
都要应用,无论是分析研究还
是综合研究都离不开数学方法。分析研究在提出原理、发现规律方面经
常起着主要作用。
在牛顿的力学研究中,
综合研究占主导地位,
< br>在光学研究中则分析研究占主导地位,
这与当时光学没有达到力学那样高的发展阶
段有很大关系。
分析研究和综合研究是牛顿进行科学研究
不可缺
少的两种方法和两个过程。
正是由于分析与综合的相互作用和有机统一,
使得牛顿的科学方法
变得十分有效,成为牛顿实现近代科学史上第一次理论综合
、做出伟大贡献的主要原因之一。
四、数学方法和公理化方法
数学的
重要特点是具有高度的概括性和抽象性。数学作为科学方法,生动地表现了思维与存在、
主观与客观的同一性。数学方法有普遍的适用性。牛顿在科学研究中高度运用了数学方法。数学方法
渗透在牛顿科学研究的全部过程之中,成为他表达科学概念和科学理论必不可少的重要形式和手段。<
/p>
对于数学方法,牛顿是相当重视的。在为《原理》第一版写的
序中,牛顿一开始就指出:
“由于
古人认为研究自然事物时力学
最为重要,
而今人则舍弃其实体形状和隐蔽性质而力图以数学定律说明
< br>自然现象,因此我在本书中也致力于用数学来探讨有关的问题。
”可见,牛顿把教
学方法运用于整个
力学研究的各个方面和全过程之中。牛顿并没有把数学和力学严格区分
开来,他认为“几何学是建立
在力学的实践之上的,它无非是普通力学的一部分,能精确
地提出并论证测量的方法”
。牛顿把几何
学看作力学的一部分,
并把几何学的演绎方法应用于整个力学的研究之中。
《原理》一书主要是按照
欧几里德式的演绎法展开的。
他把前人和自己的成果用公理化方法组成了一
个有机整体。
构造了经典
力学的理论体系。牛顿与伽利略、笛卡
尔一样都是以数学家的身份去探索自然的,无论在一般方法上
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