牛顿为什么伟大?

这里我们先说说他在科学上的主要贡献,我将它们总结为这样几方面:

在数学上发现二项式定理,与莱布尼茨分别独立发明微积分;

在物理学上,奠定了经典力学的基础,定义了许多物理量,提出了力学三定律和万有引力定律;

在光学上,提出了光的粒子说,发现了光谱,发明了牛顿望远镜;

在天文学上,利用经典力学和微积分,构建了当时最准确的天体运动模型;

在化学上,通过对炼金术的研究,提出了原子论的原型,以及朴素的物质不灭定律的构想。

当然,牛顿最了不起的不在于发现了那么多的知识点,而在于构建起很多庞大的学科体系。

在牛顿之前的数学是初等数学,在他之后才有了高等数学。初等数学和高等数学有什么区别呢?这不仅仅在于前者容易,后者难,而在于它们看待世界的方式不同。

在微积分出现之前的初等数学时代,大家研究的对象和解决的问题都是属于静态的,而牛顿关注到了精确而瞬时的动态计算问题,以及对一个变量长期变化的累积效应的追踪问题。微积分就是解决这样两个动态问题的数学工具。什么意思呢?我举一个例子你就能明白了。

你是否还记得我在第15讲,说到科学的诞生,提到芝诺悖论,说飞毛腿阿喀琉斯要想追上乌龟,要先走完路程的1/2,再走完剩下总路程的1/2……如此循环,他永远走不完与乌龟之间的距离。这个悖论存在了几百年之久,人们都束手无策,直到微积分的出现,人们才解决了这个问题。从静态到动态,从孤立到统一,这是人类在认识上的一个飞跃。

在物理学上,牛顿之前的人类虽然也掌握了很多力学和光学知识,但都是零星的知识点,经验的总结,不成体系,有些结论甚至和非科学的没有什么区别,是牛顿完成了它们科学化的过程。建立一个学科体系,首要的任务则是定义清楚各种基本的概念。

在牛顿之前,那些最基本的物理学概念,包括质量和力,都没有清晰的定义,甚至是相混淆的,比如人们搞不清楚力、惯性和动能的区别,质量和重量的区别,速度和加速度的区别。这些概念可能你在中学时也区分了很久才搞清楚,更不要说几百年前的人了。

牛顿定义了经典物理学中的这些最基本的概念,然后在此基础上,才提出了力学三定律,进而搭建起整个物理学的大厦。牛顿的工作重现了当年欧几里得构建公理化几何学的过程,再次向世人展示了构建一个学科体系的方法。在牛顿之后,各门自然科学都开始从知识点向体系化发展了。

类似地,在光学方面,牛顿提出了完整的粒子说。此前虽然人类对于光、颜色和视觉的研究历史悠久,但是缺乏定量、系统的分析。牛顿建立起完整的光学体系,用各种实验证实了他的理论,并且用理论解释了光学的各种现象。有了完整而可以重复验证的学说体系,人类对规律的认识才可能从自发状态进入到自觉状态。

在天文学方面,牛顿通过万有引力定律阐释了宇宙中日月星辰运行的规律,也从理论上解释了他的前辈开普勒的行星运动三定律,牛顿就是我在第21讲“日心说”最后提到的早产儿。

这件事情对人类的认知意义很大,因为从此之后,宇宙中星体的运行和各种天文现象都可以变得可预测了,人类从此有了非凡的自信心。

在牛顿之前,几乎所有的科学发现都需要先观察到现象,才能发现规律,在牛顿之后,很多发现则是先通过理论的推导,预测可能观察到的结果,然后再通过实验证实。

你可能注意到了,我在前面的叙述中,用了很多“从牛顿以后”这样的表述,以上所说的科学领域都以牛顿为分界点开启了新的纪元。但是,牛顿的贡献还不止于此,他在思想领域最大的成就是将数学、物理学和天文学三个原本孤立的知识体系,通过物质的机械运动统一起来。因此,牛顿和当时其他科学家们一起,确立了一种新的世界观,就是机械论。关于机械论我们后面还会具体讲。

简单地讲,机械论认为我们的世界是客观物质的,是确定的,是可以认识的。物质世界的变化,我们看到的各种现象都可以用各种机械运动来描述,而人类则可以通过对世界的研究,发现那些运动背后确定的规律。

这些描述虽然你今天听起来觉得有些绝对化,但是在人类的进步过程中,这是一次巨大的飞跃。因为在牛顿之前,人类搞不清楚世界上各种事情是怎么回事,于是就把自己能力所不及的原因都想象为神的作用。

这就如同今天还有些人相信金字塔是外星人造的一样。但是牛顿等人,给了人类这个自信,从此人不再是匍匐在神的面前,而开始相信自己。这也是为什么西方对牛顿的评价如此之高的原因。

诗人亚历山大·波普在拜谒牛顿墓时写下了这样一句著名的诗句,“自然和自然律隐没在黑暗中;神说,让牛顿去吧!万物遂成光明”



本文整理自得到app 吴军科学史纲60讲

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