【劉華桂】牛頓的自然研究方式論
牛頓關于自然研究的方式論思想在近代科學發展史上占有十分重要的地位。作為精典自然科學的造就者，牛頓在他那種時代獨樹一幟的方式論思想無疑是造成他取得自然探求巨大成功的一個極端重要誘因。正是他的這種思想的深遠影響，引導著200年來科學家把精典科學發展到了頂峰。愛因斯坦深刻地強調：“牛頓成就的重要性，并不限于為實際的熱學科學創造了一個可用的和邏輯上令人滿意的基礎，但是直至19世紀末，它仍然是理論化學學領域中每位工作者的綱領?！保ㄗⅲ骸稅垡蛩固惯x集》第1卷，商務印書館1976年版，225頁。）
愛因斯坦這兒所指的“綱領”，實際上指的是牛頓基本的方式論思想。牛頓曾以非常精簡的語言將他的方式論思想敘述為知名的“哲學的推理法則”，即《自然哲學的物理原理》（以下簡稱《原理》）第三編首節中的推理四法則。它們是：“法則Ⅰ：除這些真實的而且足以說明現象的誘因之外，不承認自然界事物的其它誘因。法則Ⅱ：所以牛頓第一定律遵循什么規律，對于自然界中相同的結果，必須盡可能歸之于相同的誘因。法則Ⅲ：物體的屬性，但凡既不能提高也不能減小的，但是在我們實驗所能及的范圍內為一切物體所具有的，我們就應當把它們視為所有物體的普遍屬性。法則Ⅳ：在實驗哲學中，我們必須把這些從各類現象中運用通常歸納得出的命題看作是完全正確的，或則是十分接近的，雖然可以想像出任何與之相反的假說，而且沒有出現其它現象足以使之更為正確或則造成例外曾經，依然應該給以這么的對待?！保ㄗⅲ喝帯杜ｎD自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，3-6頁。）大致說來，這四條反映了牛頓堅信宇宙萬物一致性的信念，其精義是闡述了他面對自然的基本心態，以及怎樣從現象（觀察和實驗）出發，得到正確命題（定理和原理），進而構建科學理論，掌握自然客觀規律的基本技巧論思想。時至今日，這四條法則在科學研究中依然是有效的。
只要我們稍加剖析牛頓的“四條法則”，就不難發覺這樣的要點，即仍然指出這樣一個簡單但是卻是一切科學研究中十分重要的立場：專心于觀察事實。在牛頓看來，科學本質上是通過對自然進行實驗得來的認識。這除了表現在他深信任何關于自然的基本原理都是從經驗中歸納而至的，也表現在他堅持即使是通過理論自身結構詮釋發覺的定理也要在經驗和實驗中得到否認能夠證明其真理智的思想。簡言之，堅持自然研究的起點是經驗和實驗這一唯心主義認識路線是牛頓取得成功的根本前提。
牛頓的整個方式論基調是以經驗為主的。正是這個基本立場，使牛頓在自然研究的起點問題上堅定地承繼了以培根為代表的經驗主義的方式論，竭力反對當時還占有較大優勢的經院哲學的方式論。為此，牛頓在《原理》原序中旗幟鮮明地提出他的自然哲學不是對自然現象作“隱蔽性質”的解釋，而是“在于發覺自然界的結構和作用，而且盡可能把它們歸結為一些普遍的法則和通常的定理——用觀察和實驗來構建這種法則，進而導入事物的緣由和結果”（注：塞耶編《牛頓自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，1頁。）。從這兒可以看出，牛頓把科學研究的任務規定為從研究自然現象出發，進而發覺自然規律、探索事物屬性。其正確方式是從觀察實驗中歸納出事物的屬性。
為此，牛頓把觀察、實驗列為科學研究的第一步。他注重強調：“物體的屬性只有通過實驗能夠為我們所了解”（注：塞耶編《牛頓自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，4頁。）?！疤剿魇挛飳傩缘拇_切方式是從實驗中把它們推論下來”（注：塞耶編《牛頓自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，9頁。）。在具體的科學實踐中，牛頓自己嚴格采用經驗、實踐的方式，他除了制做過例如渾天儀、水鐘、透鏡、棱鏡和望遠鏡等多種熱學和光學儀器，并且借助它們進行了大量的科學觀測，由此取得了一些重大科學發覺，如光的色散效應和牛頓環現象等。
其實，牛頓自己十分清楚地曉得：“實驗—歸納”發現科學定理其實是一種重要的科學發覺邏輯，但卻不是惟一的，比如人們也可以通過“數學—演繹”發現科學定理。實際上，牛頓本人曾自覺地采用這些技巧，并發覺了大量的科學定理。不過，牛頓指出強調，通過“數學—演繹”發現的科學定理，也必須經過實驗做出鑒別否認后才會納入其理論體系之中。比如，他在《原理》第一編從三條基本運動定理推出六條結論以后，指出強調：“迄今我所寫下的這種原理，都是已為物理家們所接受，并為許多實驗事實所證明了的?！保ㄗⅲ喝帯杜ｎD自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，35頁。）由此可見，牛頓除了把觀察實驗看成自然研究的起點，并且把它看成檢驗認識成果是否具有真理智的標準。牛頓明晰聲稱，他之所以相信他“所提出的理論是對的，不是因為它來自這樣一種推測，由于它不能別樣而只能這樣……而是由于它是從得出肯定而直接的推論的一些實驗中推論下來的”（注：塞耶編《牛頓自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，9頁。）。為此，牛頓勸告人們，考察他的理論是否正確的關鍵之點就在于考慮他所提出的實驗。“是否確實證明了這個理論中應用了這種實驗的這些部份，或則是去進行為理論自身的驗證而提出其它實驗”（注：塞耶編《牛頓自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，9頁。）。他還說，在實驗的確證面前，一切異議都將顯得懦弱無力。牛頓的這一思想至今看來也是非常正確的。
牛頓似乎非常注重與經驗和實驗緊密相關的歸納方式在科學研究中的重要作用，但他并不抵觸詮釋方式，非常是假說方式在科學研究中的合理應用。許多人經常按照牛頓的這句格言“我不作假說”批評牛頓侮辱理智思維在科學研究中的作用，我以為這是對牛頓的莫大誤會。
實際上，牛頓的“我不作假說”的涵義是與他堅持自然研究的起點是經驗和實驗的主張相一致的。甚至可以這樣說：后者是對前者的最有力的縮影。我們只有具體地考察牛頓時代關于自然研究的基本心態，準確地辨明牛頓“假說”一詞的含意，能夠完整地理解牛頓的整個關于自然研究的基本方式論思想，以及為何牛頓指出和堅持自然研究的起點是經驗和實驗這一看似頗為簡單的方式論原理何以在歷史上起了如此大的作用。
我們從與牛頓同時代的科學家、劍橋三一大學研究員羅杰·科茨為牛頓《原理》第二版寫的序中，可以清楚地曉得牛頓時代主要有三類不同的自然哲學家。第一類自然哲學家淵始于亞里士多德，她們的學說是以“一些特定的物體的現象是根據不知其所以然的方法進行的”這種原則為基礎的。諸如亞里士多德把天體規定為圓周運動，把月球上的物體規定為直線運動，實際上亞里士多德并未解釋過物體從何處獲得這種特點，而圓周運動和直線運動的原則又成為亞里士多德運動學和天文學的基礎。第二類自然哲學家是“把假說看作她們思辨的第一原則的人”，這是指以笛卡爾為代表的唯理論科學家，她們不是以經驗為基礎，而是以先驗的“第一原理”和假說為出發點。第三類自然哲學家就是牛頓式的科學家，她們“從不把沒有被現象所證明的東西作為原理”，而是從現象出發，借助剖析法導入規律，再借助綜合法得出普遍的原理而去說明其它事物的構造（注：參丹皮爾《科學史》，244-245頁。）。
其次牛頓第一定律遵循什么規律，我們要注意到“假說”一詞在牛頓哪里有多種涵義。比如有的學者強調牛頓專著中“假說”一詞一共有九種涵義（注：參約翰·洛西《科學哲學歷史緒論》，94頁。）。我覺得主要意義有兩個，其二是他那種時代對假說的特定理解——泛指這些不是從現象出發的理論，即笛卡爾的方法；其一是指從現象得出而尚待證明的理論，這與現代對假說的理解是一致的。為此，牛頓的“我不作假說”是將“假說”一詞限制在第一種意義上使用的，主要在于對抗笛卡爾式的唯理傾向，即以假說為出發點，通過思辨，并不是在實證的基礎上完善體系，并不是通常地反對假說方式。不作這樣的理解，就不能解釋為何牛頓自己也經常使用假說。例如，他的光的微粒說，解釋引力機制時的超距作用等，都是以假說的方式出現的。關于對“假說”一詞的第二種意義的理解，牛頓曾這樣寫道：“因為進行哲學研究的最好的和最可靠的方式，看來第一是，勤勉地去探求事物的屬性，并用實驗來證明這種屬性，之后從而完善一些假說，用以解釋這種事物本身。由于假說只應當用于解釋事物的一些屬性，而不能用以決定它們，除非它能為之提供一些實驗?！保ㄗⅲ喝帯杜ｎD自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，6頁。）由此看來，牛頓對假說方式的合理應用是持肯定心態的。
因為牛頓堅持實證的科學研究公路，因而有背于在法國源遠流長的思辨傳統，常因此受到他同時代人的詬病。諸如惠更斯和萊布尼茲曾批評牛頓工作的非哲學性。我們從這兒可以理解牛頓堅持自然研究的起點是經驗和實驗的主張須要何等的理論勇氣。正是靠了牛頓的努力和卓有成效的工作，自然研究才被列入了有堅實根基的實證研究公路。愛因斯坦對牛頓的“我不作假說”的理解是深刻的，值得我們好好感受：“理論化學學的廣博而合用的體系的首創者牛頓卻相信，他的體系的基本概念和基本定理是能否以經驗中推論下來的。這無疑就是他所說的‘我不作假說’(nonfingo)的意義?！保ㄗⅲ骸稅垡蛩固惯x集》第1卷，商務印書館1976年版，312頁。）
自然研究起點是經驗與實驗，這為自然研究的認識成果能正確地反映客觀現實，進而指導人們能動地改建自然提供了保證。并且自然研究的重要任務卻在于最終能趕超直接的經驗，從看似混亂和不斷變化的大量自然現象中探求出一個有秩序和有意義的協調一致的結構——即科學的概念和體系，并以這些方法解釋自然現象以及對未來作出預言。用愛因斯坦的話來說：“各門科學的目的是要協調我們的經驗并使它們成為一個邏輯體系?！保ㄗⅲ阂奊.《物理科學的概念和理論概論》上冊，高等教育出版社1983年版，258頁。）其實，自然研究的目的是力圖構成一套有條理的、邏輯的和必要的總的思想體系，使我們經驗的每一成份都能得到解釋。
牛頓在他后期出版的《光學》一書中對他研究自然的方式以及自然研究成果的抒發等問題作了較明白周詳的探討。他寫道：“在自然科學里，應當像在物理里一樣，研究困難的事物時，總是應該先用剖析的方式，之后才用綜合的方式。這些剖析法包括實驗和觀測，以及通過歸納法從中做出普遍的推論，但是不使這種推論受到異議，除非那些異議來自實驗或其它確實可靠的真理。由于在實驗哲學中是不應當考慮哪些假說的。即使通過歸納法從實驗和觀測中進行的論證并非普遍推論的證明，但它是事物的本性所許可的最好的論證方式，但是隨著歸納的愈為普遍，這些論證就愈有力。若果在許多現象中沒有出現例外，這么可以說，推論就是普遍的。……用這樣的剖析方式，我們就可以從復合物論證到它們的成份，從運動到形成運動的力，通常地說，從結果到緣由，從特殊緣由到普遍緣由，仍然論證到最普遍的誘因為止。這就是剖析的方式。而綜合的方式則是假定緣由早已找到，而且已把它們定為原理，再用這種原理去解釋由它們發生的現象，并證明這種解釋?！保ㄗⅲ阂奊.《物理科學的概念和理論概論》上冊，高等教育出版社1983年版，254頁。）由此可以看出，牛頓的方式論是基于經驗和實驗基礎之上的剖析—綜合過程。所謂“分析過程”，是指根據經驗和實驗發覺“一般定理”，因而找出事物的誘因。在牛頓先前，伽利略等人曾運用這些技巧打開了認識自然界的房門，發覺了許多至今仍正確的定理，如慣性定理、自由落體運動定理等。但牛頓之所以能做出更大的理論貢獻，其中一個重要誘因就在于牛頓特別注重所謂“綜合過程”，即按照已發覺的“一般定理”，運用物理—演繹相結合的方式以及公理化方式，構建優雅的概念體系，進而憑著科學理論這些最高知識形態最大限度地發揮科學思維的邏輯力量。
牛頓在《原理》的原序中說：“由于古人覺得研究自然事物時力學最為重要，而今人則放棄其實體形狀和隱蔽性質而力圖以物理定理說明自然現象，因而我在本書中也旨在于用物理來闡述有關的哲學問題?！保ㄗⅲ喝帯杜ｎD自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，10頁。）由此可見，在牛頓的心目中，物理方式以無與倫比的方法提供了理解和安排自然的技術。
綜觀牛頓的整個科學實踐活動，我們不難發覺，作為近代科學初步完成者，牛頓除了擅于運用經驗材料，更為重要的是能從直接的經驗材料中具象出大量具有普遍意義的規定性，即科學概念，并借此產生嚴密的科學體系。這主要得助于他創造性地運用了有效的思維工具——數學技巧，才在科學史上第一次在經驗自然科學上實現了古埃及人所追求的科學知識確定性、精密性和理論化的理想。
注重物理及其物理方式，這仍然是法國科學和哲學的優良傳統。非常是近代以來，人們愈加自覺地將物理作為一種思維工具拿來探求自然。近代科學的先驅伽利略就是其中的杰出代表。伽利略相信自然界是用物理設計下來的，堅決地同揣測的神秘的想法交惡而贊同熱學的物理的觀點。他認為，科學研究應當從定量觀察和實驗入手，從中獲得確切的觀測數據，再經過物理剖析和處理因而獲得相應的物理表達式。牛頓對伽利略的科學方式是贊賞并加以承繼的。正如梅森所說：“牛頓的方式事實上和伽利略采用的方式十分之像，不但在總的方面相像，但是在細節上也相像?！保ㄗⅲ好飞蹲匀豢茖W史》，北京譯文出版社1981年版，187頁。）值得注意的是，牛頓除了自覺地將物理方式用于自然研究，并且還親自發明新的物理手段以適應對復雜現象的解剖。在牛頓之前，物理語言在運動問題上只能用于靜態地描述關系，遠不能適應于描畫運動的動態過程。因此，牛頓發明了微積分。他用微分等式使描畫運動過程的瞬時狀態得以可能。從這兒可以清楚地看出，物理方式在牛頓那兒得到了極大的注重。愛因斯坦一語道破了個中原因：“對牛頓來說，把這些技巧搞得更健全，是絕對必要的，由于只有這些方式能夠為他提供抒發他的思想的工具?！保ㄗⅲ骸稅垡蛩固惯x集》第1卷，商務印書館1976年版，223頁。）
有的學者強調：“科學形成于用物理解釋自然這一信念?！保ㄗⅲ嚎巳R因《古今物理思想》第2冊，北京科學技術出版社1980年版，37頁。）這似乎有偏頗之嫌。但無疑有一點可以肯定，語文作為最精純建立的性感科學，它在主要以性感為其特點的實證科學中的作用是絕對的，其緣由在于物理是性感思維抒發的最有效的工具。
物理通過對事物的“量和形”的突出打破了直觀經驗事物質和量的通常描述，為人們深入事情內部、抽象出具有普遍意義的規定性提供了條件。物理的具象方式確定遠離了現實，而且當回到現實時，它卻比把所有誘因都考慮進去更為有力。至于物理方式的氣質特點所固有的認識上的局限性只能置于由感性、知性、理性三個不同的環節組成的人的思維進程這個統一體中加以理解，否則孤立地談它的片面性是無任何意義的，甚至是有害的。由于這將造成將物理的氣質方式當做“形而念書”方法而加以敵視。雖然，“知性是人類特有的具象與概括能力的表現，是從事實證科學研究的方式論的靈魂，是中級的人類辨證的哲學思維不可缺乏的基礎”（注：蕭焜燾《精神世界散記》，湖南人民出版社1987年版，75頁。）。這就是我們從牛頓將物理應用于自然研究獲得成功中所得到的啟示。
知識的積累使科學面臨著知識的系統化，由此引起了用哪些方式構建嚴密科學體系的任務。
在牛頓先前的西方歷史上，有一個在這方面取得非凡成功的光輝范例，這就是歐幾里德的《幾何起初》。歐幾里德憑借公理化方式，將散見的、由許多人各自發覺的不同幾何定理涵蓋在僅由一些基本概念和定義、以及極少數的公理和公設，通過詮釋組成的嚴密體系之中。這個鴻篇巨著的體系深深地影響著西方的思想發展史。雖然《幾何起初》顯示下來的那個追求一種純粹思維、遠離經驗的唯理傾向起碼焦躁著多少世紀以來人們將經驗知識通過類似的方式構建體系的沖動，雖然我們如今可以說《幾何起初》遠不是純方式化的體系，它的公理的經驗依賴性仍有顯著的痕跡，但無論怎樣，《幾何起初》在歷史上常年以來給人們的強烈印象卻是方式化的物理幾何體系。
牛頓的偉大在于他明察到《幾何起初》的經驗來源。他寫道：“幾何學是構建在熱學的實踐之上的，它無非是普通熱學的一部份，能精確地提出并論證檢測的方式?！保ㄗⅲ喝帯杜ｎD自然哲學專著選》，北京人民出版社1974年版，11頁。）正是基于這卓越的認識，牛頓飽含信心地、毫無怨懟地按照歐幾里德的公理化方式將帶有具體內容的自然知識組成為博大精深的體系。假如說歐幾里德在歷史上構建起了第一個較方式化的物理幾何體系，這么牛頓是首次創造性地將具體內容與方式化相統一構建了科學的熱學理論。海森堡對牛頓熱學公理系統作了這樣的說明：“牛頓的《自然哲學的物理原理》一書從一組定義和公理開始，這種定義和公理是這樣內在地聯系在一起，因而它們構成了人們可稱為閉合系統的一組東西。每一個概念能用一個物理符號表示，而不同概念之間的聯系可以用物理符號的數學多項式表示。系統的物理映象保證系統中不出現矛盾。這樣，物體在斥力的影響下可能形成的運動就由多項式的可能解表示。才能用一套物理多項式表示的定義和公理系統，被看作是描述自然的永恒結構的系統，既與特殊的空間無關，也與特殊的時間無關?！保ㄗⅲ汉Ｉぁ段锢韺W和哲學》，商務印書館1981年版，52頁。）其實，牛頓熱學所以成為近代科學時期里發展出包括諸多分支的古典數學學龐大體系的基礎，就由于牛頓應用公理化方式，利用于物理—演繹方式，構建了嚴密的物理化的熱學理論體系，進而使科學思維具有無可估量的邏輯力量。
我們在這兒企圖加以說明的是：從牛頓用公理化方式構建物理熱學理論這個顯著事實，可以清楚地看見牛頓的科學方式論不同于與他同時代的兩種極端傾向，即既不同于以培根為代表的經驗主義方式，也不同于以笛卡爾為代表的唯理主義方式，而是兼有了兩者優點。假如僅僅仰賴培根的歸納法，就不可能使得牛頓去悉心設想《原理》這樣的宏偉體系；假如片面堅持笛卡爾的先驗的自明原理，就不能想像牛頓敢將由經驗歸納得出的三條運動定理也稱公理作為其體系的出發點。
牛頓的《原理》是一部偉大的不朽專著，這雖已為人們所公認，但書中采用的研究方式卻沒有得到應有的研究和注重。我感覺，在我們明天的科學方式論研究中，理應深入研究這部專著，挖掘其所蘊涵的科學方式，這無論在理論上還是實踐上都是非常有益的。^NU1
（原載《四川師范學院學報》，1999年02期）
