【刘华桂】牛顿的自然研究方式论
牛顿关于自然研究的方式论思想在近代科学发展史上占有十分重要的地位。作为精典自然科学的造就者，牛顿在他那种时代独树一帜的方式论思想无疑是造成他取得自然探求巨大成功的一个极端重要诱因。正是他的这种思想的深远影响，引导着200年来科学家把精典科学发展到了顶峰。爱因斯坦深刻地强调：“牛顿成就的重要性，并不限于为实际的热学科学创造了一个可用的和逻辑上令人满意的基础，但是直至19世纪末，它仍然是理论化学学领域中每位工作者的纲领。”（注：《爱因斯坦选集》第1卷，商务印书馆1976年版，225页。）
爱因斯坦这儿所指的“纲领”，实际上指的是牛顿基本的方式论思想。牛顿曾以非常精简的语言将他的方式论思想叙述为知名的“哲学的推理法则”，即《自然哲学的物理原理》（以下简称《原理》）第三编首节中的推理四法则。它们是：“法则Ⅰ：除这些真实的而且足以说明现象的诱因之外，不承认自然界事物的其它诱因。法则Ⅱ：所以牛顿第一定律遵循什么规律，对于自然界中相同的结果，必须尽可能归之于相同的诱因。法则Ⅲ：物体的属性，但凡既不能提高也不能减小的，但是在我们实验所能及的范围内为一切物体所具有的，我们就应当把它们视为所有物体的普遍属性。法则Ⅳ：在实验哲学中，我们必须把这些从各类现象中运用通常归纳得出的命题看作是完全正确的，或则是十分接近的，虽然可以想像出任何与之相反的假说，而且没有出现其它现象足以使之更为正确或则造成例外曾经，依然应该给以这么的对待。”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，3-6页。）大致说来，这四条反映了牛顿坚信宇宙万物一致性的信念，其精义是阐述了他面对自然的基本心态，以及怎样从现象（观察和实验）出发，得到正确命题（定理和原理），进而构建科学理论，掌握自然客观规律的基本技巧论思想。时至今日，这四条法则在科学研究中依然是有效的。
只要我们稍加剖析牛顿的“四条法则”，就不难发觉这样的要点，即仍然指出这样一个简单但是却是一切科学研究中十分重要的立场：专心于观察事实。在牛顿看来，科学本质上是通过对自然进行实验得来的认识。这除了表现在他深信任何关于自然的基本原理都是从经验中归纳而至的，也表现在他坚持即使是通过理论自身结构诠释发觉的定理也要在经验和实验中得到否认能够证明其真理智的思想。简言之，坚持自然研究的起点是经验和实验这一唯心主义认识路线是牛顿取得成功的根本前提。
牛顿的整个方式论基调是以经验为主的。正是这个基本立场，使牛顿在自然研究的起点问题上坚定地承继了以培根为代表的经验主义的方式论，竭力反对当时还占有较大优势的经院哲学的方式论。为此，牛顿在《原理》原序中旗帜鲜明地提出他的自然哲学不是对自然现象作“隐蔽性质”的解释，而是“在于发觉自然界的结构和作用，而且尽可能把它们归结为一些普遍的法则和通常的定理——用观察和实验来构建这种法则，进而导入事物的缘由和结果”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，1页。）。从这儿可以看出，牛顿把科学研究的任务规定为从研究自然现象出发，进而发觉自然规律、探索事物属性。其正确方式是从观察实验中归纳出事物的属性。
为此，牛顿把观察、实验列为科学研究的第一步。他注重强调：“物体的属性只有通过实验能够为我们所了解”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，4页。）。“探索事物属性的确切方式是从实验中把它们推论下来”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，9页。）。在具体的科学实践中，牛顿自己严格采用经验、实践的方式，他除了制做过例如浑天仪、水钟、透镜、棱镜和望远镜等多种热学和光学仪器，并且借助它们进行了大量的科学观测，由此取得了一些重大科学发觉，如光的色散效应和牛顿环现象等。
其实，牛顿自己十分清楚地晓得：“实验—归纳”发现科学定理其实是一种重要的科学发觉逻辑，但却不是惟一的，比如人们也可以通过“数学—演绎”发现科学定理。实际上，牛顿本人曾自觉地采用这些技巧，并发觉了大量的科学定理。不过，牛顿指出强调，通过“数学—演绎”发现的科学定理，也必须经过实验做出鉴别否认后才会纳入其理论体系之中。比如，他在《原理》第一编从三条基本运动定理推出六条结论以后，指出强调：“迄今我所写下的这种原理，都是已为物理家们所接受，并为许多实验事实所证明了的。”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，35页。）由此可见，牛顿除了把观察实验看成自然研究的起点，并且把它看成检验认识成果是否具有真理智的标准。牛顿明晰声称，他之所以相信他“所提出的理论是对的，不是因为它来自这样一种推测，由于它不能别样而只能这样……而是由于它是从得出肯定而直接的推论的一些实验中推论下来的”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，9页。）。为此，牛顿劝告人们，考察他的理论是否正确的关键之点就在于考虑他所提出的实验。“是否确实证明了这个理论中应用了这种实验的这些部份，或则是去进行为理论自身的验证而提出其它实验”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，9页。）。他还说，在实验的确证面前，一切异议都将显得懦弱无力。牛顿的这一思想至今看来也是非常正确的。
牛顿似乎非常注重与经验和实验紧密相关的归纳方式在科学研究中的重要作用，但他并不抵触诠释方式，非常是假说方式在科学研究中的合理应用。许多人经常按照牛顿的这句格言“我不作假说”批评牛顿侮辱理智思维在科学研究中的作用，我以为这是对牛顿的莫大误会。
实际上，牛顿的“我不作假说”的涵义是与他坚持自然研究的起点是经验和实验的主张相一致的。甚至可以这样说：后者是对前者的最有力的缩影。我们只有具体地考察牛顿时代关于自然研究的基本心态，准确地辨明牛顿“假说”一词的含意，能够完整地理解牛顿的整个关于自然研究的基本方式论思想，以及为何牛顿指出和坚持自然研究的起点是经验和实验这一看似颇为简单的方式论原理何以在历史上起了如此大的作用。
我们从与牛顿同时代的科学家、剑桥三一大学研究员罗杰·科茨为牛顿《原理》第二版写的序中，可以清楚地晓得牛顿时代主要有三类不同的自然哲学家。第一类自然哲学家渊始于亚里士多德，她们的学说是以“一些特定的物体的现象是根据不知其所以然的方法进行的”这种原则为基础的。诸如亚里士多德把天体规定为圆周运动，把月球上的物体规定为直线运动，实际上亚里士多德并未解释过物体从何处获得这种特点，而圆周运动和直线运动的原则又成为亚里士多德运动学和天文学的基础。第二类自然哲学家是“把假说看作她们思辨的第一原则的人”，这是指以笛卡尔为代表的唯理论科学家，她们不是以经验为基础，而是以先验的“第一原理”和假说为出发点。第三类自然哲学家就是牛顿式的科学家，她们“从不把没有被现象所证明的东西作为原理”，而是从现象出发，借助剖析法导入规律，再借助综合法得出普遍的原理而去说明其它事物的构造（注：参丹皮尔《科学史》，244-245页。）。
其次牛顿第一定律遵循什么规律，我们要注意到“假说”一词在牛顿哪里有多种涵义。比如有的学者强调牛顿专著中“假说”一词一共有九种涵义（注：参约翰·洛西《科学哲学历史绪论》，94页。）。我觉得主要意义有两个，其二是他那种时代对假说的特定理解——泛指这些不是从现象出发的理论，即笛卡尔的方法；其一是指从现象得出而尚待证明的理论，这与现代对假说的理解是一致的。为此，牛顿的“我不作假说”是将“假说”一词限制在第一种意义上使用的，主要在于对抗笛卡尔式的唯理倾向，即以假说为出发点，通过思辨，并不是在实证的基础上完善体系，并不是通常地反对假说方式。不作这样的理解，就不能解释为何牛顿自己也经常使用假说。例如，他的光的微粒说，解释引力机制时的超距作用等，都是以假说的方式出现的。关于对“假说”一词的第二种意义的理解，牛顿曾这样写道：“因为进行哲学研究的最好的和最可靠的方式，看来第一是，勤勉地去探求事物的属性，并用实验来证明这种属性，之后从而完善一些假说，用以解释这种事物本身。由于假说只应当用于解释事物的一些属性，而不能用以决定它们，除非它能为之提供一些实验。”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，6页。）由此看来，牛顿对假说方式的合理应用是持肯定心态的。
因为牛顿坚持实证的科学研究公路，因而有背于在法国源远流长的思辨传统，常因此受到他同时代人的诟病。诸如惠更斯和莱布尼兹曾批评牛顿工作的非哲学性。我们从这儿可以理解牛顿坚持自然研究的起点是经验和实验的主张须要何等的理论勇气。正是靠了牛顿的努力和卓有成效的工作，自然研究才被列入了有坚实根基的实证研究公路。爱因斯坦对牛顿的“我不作假说”的理解是深刻的，值得我们好好感受：“理论化学学的广博而合用的体系的首创者牛顿却相信，他的体系的基本概念和基本定理是能否以经验中推论下来的。这无疑就是他所说的‘我不作假说’(nonfingo)的意义。”（注：《爱因斯坦选集》第1卷，商务印书馆1976年版，312页。）
自然研究起点是经验与实验，这为自然研究的认识成果能正确地反映客观现实，进而指导人们能动地改建自然提供了保证。并且自然研究的重要任务却在于最终能赶超直接的经验，从看似混乱和不断变化的大量自然现象中探求出一个有秩序和有意义的协调一致的结构——即科学的概念和体系，并以这些方法解释自然现象以及对未来作出预言。用爱因斯坦的话来说：“各门科学的目的是要协调我们的经验并使它们成为一个逻辑体系。”（注：见G.《物理科学的概念和理论概论》上册，高等教育出版社1983年版，258页。）其实，自然研究的目的是力图构成一套有条理的、逻辑的和必要的总的思想体系，使我们经验的每一成份都能得到解释。
牛顿在他后期出版的《光学》一书中对他研究自然的方式以及自然研究成果的抒发等问题作了较明白周详的探讨。他写道：“在自然科学里，应当像在物理里一样，研究困难的事物时，总是应该先用剖析的方式，之后才用综合的方式。这些剖析法包括实验和观测，以及通过归纳法从中做出普遍的推论，但是不使这种推论受到异议，除非那些异议来自实验或其它确实可靠的真理。由于在实验哲学中是不应当考虑哪些假说的。即使通过归纳法从实验和观测中进行的论证并非普遍推论的证明，但它是事物的本性所许可的最好的论证方式，但是随着归纳的愈为普遍，这些论证就愈有力。若果在许多现象中没有出现例外，这么可以说，推论就是普遍的。……用这样的剖析方式，我们就可以从复合物论证到它们的成份，从运动到形成运动的力，通常地说，从结果到缘由，从特殊缘由到普遍缘由，仍然论证到最普遍的诱因为止。这就是剖析的方式。而综合的方式则是假定缘由早已找到，而且已把它们定为原理，再用这种原理去解释由它们发生的现象，并证明这种解释。”（注：见G.《物理科学的概念和理论概论》上册，高等教育出版社1983年版，254页。）由此可以看出，牛顿的方式论是基于经验和实验基础之上的剖析—综合过程。所谓“分析过程”，是指根据经验和实验发觉“一般定理”，因而找出事物的诱因。在牛顿先前，伽利略等人曾运用这些技巧打开了认识自然界的房门，发觉了许多至今仍正确的定理，如惯性定理、自由落体运动定理等。但牛顿之所以能做出更大的理论贡献，其中一个重要诱因就在于牛顿特别注重所谓“综合过程”，即按照已发觉的“一般定理”，运用物理—演绎相结合的方式以及公理化方式，构建优雅的概念体系，进而凭着科学理论这些最高知识形态最大限度地发挥科学思维的逻辑力量。
牛顿在《原理》的原序中说：“由于古人觉得研究自然事物时力学最为重要，而今人则放弃其实体形状和隐蔽性质而力图以物理定理说明自然现象，因而我在本书中也旨在于用物理来阐述有关的哲学问题。”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，10页。）由此可见，在牛顿的心目中，物理方式以无与伦比的方法提供了理解和安排自然的技术。
综观牛顿的整个科学实践活动，我们不难发觉，作为近代科学初步完成者，牛顿除了擅于运用经验材料，更为重要的是能从直接的经验材料中具象出大量具有普遍意义的规定性，即科学概念，并借此产生严密的科学体系。这主要得助于他创造性地运用了有效的思维工具——数学技巧，才在科学史上第一次在经验自然科学上实现了古埃及人所追求的科学知识确定性、精密性和理论化的理想。
注重物理及其物理方式，这仍然是法国科学和哲学的优良传统。非常是近代以来，人们愈加自觉地将物理作为一种思维工具拿来探求自然。近代科学的先驱伽利略就是其中的杰出代表。伽利略相信自然界是用物理设计下来的，坚决地同揣测的神秘的想法交恶而赞同热学的物理的观点。他认为，科学研究应当从定量观察和实验入手，从中获得确切的观测数据，再经过物理剖析和处理因而获得相应的物理表达式。牛顿对伽利略的科学方式是赞赏并加以承继的。正如梅森所说：“牛顿的方式事实上和伽利略采用的方式十分之像，不但在总的方面相像，但是在细节上也相像。”（注：梅森《自然科学史》，北京译文出版社1981年版，187页。）值得注意的是，牛顿除了自觉地将物理方式用于自然研究，并且还亲自发明新的物理手段以适应对复杂现象的解剖。在牛顿之前，物理语言在运动问题上只能用于静态地描述关系，远不能适应于描画运动的动态过程。因此，牛顿发明了微积分。他用微分等式使描画运动过程的瞬时状态得以可能。从这儿可以清楚地看出，物理方式在牛顿那儿得到了极大的注重。爱因斯坦一语道破了个中原因：“对牛顿来说，把这些技巧搞得更健全，是绝对必要的，由于只有这些方式能够为他提供抒发他的思想的工具。”（注：《爱因斯坦选集》第1卷，商务印书馆1976年版，223页。）
有的学者强调：“科学形成于用物理解释自然这一信念。”（注：克莱因《古今物理思想》第2册，北京科学技术出版社1980年版，37页。）这似乎有偏颇之嫌。但无疑有一点可以肯定，语文作为最精纯建立的性感科学，它在主要以性感为其特点的实证科学中的作用是绝对的，其缘由在于物理是性感思维抒发的最有效的工具。
物理通过对事物的“量和形”的突出打破了直观经验事物质和量的通常描述，为人们深入事情内部、抽象出具有普遍意义的规定性提供了条件。物理的具象方式确定远离了现实，而且当回到现实时，它却比把所有诱因都考虑进去更为有力。至于物理方式的气质特点所固有的认识上的局限性只能置于由感性、知性、理性三个不同的环节组成的人的思维进程这个统一体中加以理解，否则孤立地谈它的片面性是无任何意义的，甚至是有害的。由于这将造成将物理的气质方式当做“形而念书”方法而加以敌视。虽然，“知性是人类特有的具象与概括能力的表现，是从事实证科学研究的方式论的灵魂，是中级的人类辨证的哲学思维不可缺乏的基础”（注：萧焜焘《精神世界散记》，湖南人民出版社1987年版，75页。）。这就是我们从牛顿将物理应用于自然研究获得成功中所得到的启示。
知识的积累使科学面临着知识的系统化，由此引起了用哪些方式构建严密科学体系的任务。
在牛顿先前的西方历史上，有一个在这方面取得非凡成功的光辉范例，这就是欧几里德的《几何起初》。欧几里德凭借公理化方式，将散见的、由许多人各自发觉的不同几何定理涵盖在仅由一些基本概念和定义、以及极少数的公理和公设，通过诠释组成的严密体系之中。这个鸿篇巨著的体系深深地影响着西方的思想发展史。虽然《几何起初》显示下来的那个追求一种纯粹思维、远离经验的唯理倾向起码焦躁着多少世纪以来人们将经验知识通过类似的方式构建体系的冲动，虽然我们如今可以说《几何起初》远不是纯方式化的体系，它的公理的经验依赖性仍有显著的痕迹，但无论怎样，《几何起初》在历史上常年以来给人们的强烈印象却是方式化的物理几何体系。
牛顿的伟大在于他明察到《几何起初》的经验来源。他写道：“几何学是构建在热学的实践之上的，它无非是普通热学的一部份，能精确地提出并论证检测的方式。”（注：塞耶编《牛顿自然哲学专著选》，北京人民出版社1974年版，11页。）正是基于这卓越的认识，牛顿饱含信心地、毫无怨怼地按照欧几里德的公理化方式将带有具体内容的自然知识组成为博大精深的体系。假如说欧几里德在历史上构建起了第一个较方式化的物理几何体系，这么牛顿是首次创造性地将具体内容与方式化相统一构建了科学的热学理论。海森堡对牛顿热学公理系统作了这样的说明：“牛顿的《自然哲学的物理原理》一书从一组定义和公理开始，这种定义和公理是这样内在地联系在一起，因而它们构成了人们可称为闭合系统的一组东西。每一个概念能用一个物理符号表示，而不同概念之间的联系可以用物理符号的数学多项式表示。系统的物理映象保证系统中不出现矛盾。这样，物体在斥力的影响下可能形成的运动就由多项式的可能解表示。才能用一套物理多项式表示的定义和公理系统，被看作是描述自然的永恒结构的系统，既与特殊的空间无关，也与特殊的时间无关。”（注：海森堡《物理学和哲学》，商务印书馆1981年版，52页。）其实，牛顿热学所以成为近代科学时期里发展出包括诸多分支的古典数学学庞大体系的基础，就由于牛顿应用公理化方式，利用于物理—演绎方式，构建了严密的物理化的热学理论体系，进而使科学思维具有无可估量的逻辑力量。
我们在这儿企图加以说明的是：从牛顿用公理化方式构建物理热学理论这个显著事实，可以清楚地看见牛顿的科学方式论不同于与他同时代的两种极端倾向，即既不同于以培根为代表的经验主义方式，也不同于以笛卡尔为代表的唯理主义方式，而是兼有了两者优点。假如仅仅仰赖培根的归纳法，就不可能使得牛顿去悉心设想《原理》这样的宏伟体系；假如片面坚持笛卡尔的先验的自明原理，就不能想像牛顿敢将由经验归纳得出的三条运动定理也称公理作为其体系的出发点。
牛顿的《原理》是一部伟大的不朽专著，这虽已为人们所公认，但书中采用的研究方式却没有得到应有的研究和注重。我感觉，在我们明天的科学方式论研究中，理应深入研究这部专著，挖掘其所蕴涵的科学方式，这无论在理论上还是实践上都是非常有益的。^NU1
（原载《四川师范学院学报》，1999年02期）
