01新科学发展过程中的哲学性/概念性关联
17世纪是个美妙的时代，出现了数量众多的变革，包括科学、哲学、宗教和政治等领域的变革。这些领域之间的相互作用和相互促进令人惊叹，而且与人们通常所认为的情形大为不同。17世纪哲学/概念领域的变革影响了科学发现，反之亦然；同样地，宗教、政治和科学领域的变革也都对彼此产生了相互影响。
具体来说，我们将研究的内容包括尼古劳斯·冯·库斯和乔达诺·布鲁诺的某些宗教和哲学观点如何影响了17世纪的发展，以及原子论中某些从很大程度上说是形而上学的观点是如何在这个过程中发挥作用的。
现在既然地球已经显然是围绕太阳运转的，我们也就必须承认宇宙比我们曾经所想象的要浩瀚得多。
在此之前的几个世纪里，几个哲学家和神学家都曾经从哲学角度提出，宇宙是无限大的，其中有无限多的恒星，唯有这样的宇宙才可以与无限伟大的上帝相称。这些人中最值得注意的是尼古劳斯·冯·库斯（1401—1464）和乔达诺·布鲁诺（1548—1600）。这里，必须强调的是尼古劳斯·冯·库斯和乔达诺·布鲁诺都不是科学家，他们的观点几乎全都是以哲学和宗教为基础的。
在其有生之年，冯·库斯和布鲁诺关于宇宙无限大的观点都没有得到广泛认可。（比如，布鲁诺因其观点而遭受宗教裁判迫害，在1600年被当作异教徒而活活烧死）。然而，到了17世纪早期，人们对于“宇宙很大，而且可能是无限大”的认识开始逐渐变得清晰，此时冯·库斯和布鲁诺的观点则使这个“宇宙无限大”的观点变得更易于接受了。他们认为，无限大的宇宙反映了上帝的无限伟大，这个观点有助于使这些难以理解的新观点得到接受。
同时值得注意的是，冯·库斯和布鲁诺的观点还与一种被称为“原子论”的古老哲学联系在了一起。原子论可以追溯到古希腊哲学家留基伯和德谟克利特（公元前5世纪），以及继承了这两人思想的伊壁鸠鲁（公元前341—公元前270年）和卢克莱修（公元前99—公元前55年）。后来，原子论在16世纪晚期和17世纪成为在欧洲广受欢迎的一种观点（在17世纪，这种原子论观点通常被称为“微粒”观点）。原子论在这一时期复兴，背后有很多原因，其中部分原因就与冯·库斯和布鲁诺的哲学变得越来越受欢迎有关。
根据原子论，世界说到底是由原子和虚空两部分组成的。原子被认为是微小的、不可分割的粒子，也就是实际上可能存在的最小粒子。另一方面，虚空与我们所知的真空十分相像，也就是说，是一个完全空旷的空间。有些原子聚集在一起，形成了我们在身边所看见的物体。另外有一些原子只是在空旷的空间（也就是虚空）中飞过。在虚空中飞过的这些原子，其运动模式就像台球一样，也就是说，它们沿直线运动，除非与其他单个或多个原子发生碰撞。如果发生了碰撞，这些原子会像台球碰撞后弹开一样彼此弹开。原子论更多的是一个形而上学的哲学性/概念性观点，而不是一个经验性观点。
笛卡尔是第一个对现在所说的惯性定律进行清晰表述的人。笛卡尔受到了原子论观点（或微粒观点）的影响，但这并不是巧合。“宇宙无限大”的概念和原子论哲学有助于人们理解17世纪发现的主要科学定律，也就是惯性定律。
重点是，我不想让你觉得惯性定律的发现只是接受“宇宙无限大”的概念并同时运用原子论哲学的结果。惯性定律是通过各种实验、运用了认识宇宙的新方法并由很多人在很长一段时间内付出了巨大努力后才发现的。不过，就像与宇宙大小有关的情形一样，有些领域通常被认为是相互独立的，但彼此之间的相互影响事实上多到令人惊讶。
02新科学和牛顿世界观概述
17世纪新科学的发展是很多研究人员共同努力的结果。然而，将这些努力汇集在一起的，则是牛顿在1687年发表的著作《自然哲学的数学原理》。这部著作通常被简称为《原理》（Principia，源于这部著作的拉丁文名称Principia Mathematica Philosophiae Naturalis）。《原理》展示了一种新的物理学，与运动的地球保持一致，同时建立了我们现在所认为的牛顿科学的核心。这部著作还提供了一个易于使用的方法，可以用来研究牛顿世界观，也就是一个新的观点拼图，一个可以替代亚里士多德世界观的观点拼图。
新科学
当时出现的新科学是许多人经过几十年不断努力的结果。正如前面提到过的，这个新科学随着牛顿著作的出现而最终成型。正因如此，我们将主要研究一下牛顿科学，尽管我们不应该忘记牛顿的研究也得益于其他科学家的努力。（同样值得一提的是，在戈特弗里德·莱布尼茨（1646—1716）创立微积分学的同时，牛顿也独立创立了微积分学。微积分学是牛顿科学发展过程中的一个重要数学工具，直到今天，也仍然是应用最为广泛的数学工具之一。）通常认为牛顿科学由运动三大定律和万有引力定律组成。当然，在这600页中，牛顿并不只是提出了一系列运动定律和万有引力概念。
运动三大定律
牛顿第一定律是我们现在通常所说的惯性定律。任何物体在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态。惯性定律的多种前身在16世纪得到了广泛探讨，在17世纪早期，伽利略对运动的物体进行了一系列研究，几乎正确总结出了惯性的核心概念，但还是差了那么一点儿。到了17世纪中叶，笛卡尔对惯性进行了准确的总结表述，牛顿的运动第一定律从很大程度上说是借鉴了笛卡尔的表述。
牛顿运动第二定律的表述是，物体运动的改变与其所受作用力成正比，而且与其所受作用力的方向成一条直线。这条定律通常被归纳为F=ma，也就是物体所受作用力等于质量乘以加速度。
牛顿运动第三定律的表述是，对任何作用力，总会存在一个方向相反、大小相等的反作用力。
万有引力
万有引力通常都被表述为任意两个物体之间的相互吸引力。更具体地说，两个物体之间的万有引力作用与物体的质量成正比例。同时，万有引力作用与两个物体之间距离的平方成反比例。相较于在开篇即得到了完整、简明表述的运动定律，万有引力概念的提炼和描述则有所不同，是一个逐渐展开的过程。
牛顿用“重力”指代把物体往地球方向吸引的作用力，很明显，这里所使用的这个术语，其含义并不是“万有引力”。牛顿表明地球的重力作用肯定至少影响了月球，而且是月球轨道形成的原因。同时，牛顿还表明，不管其他行星的卫星（如木星的卫星）是在什么作用力的作用下保持在其自身轨道上运行，那个作用力一定与地球的重力特点相同（也就是，这个吸引力与物体的质量成正比，与物体之间距离的平方成反比）。牛顿还表明，使行星始终沿其轨道围绕太阳运转的作用力一定也与地球的重力特点相同。此时，也就是在《原理》第三卷的命题七中，牛顿一切准备就绪，提炼出了重力的概念：重力普遍存在于一切物体中。那么在这里，我们最终得到了一个完整的“万有引力”概念。
牛顿世界观概述
值得注意的是，亚里士多德世界观拼图中的大多数拼板，不只是科学相关的拼板，也包括哲学性/概念性拼板，都不能与这个新科学相适应。换句话说，我们需要一系列新的哲学性/概念性拼板来与牛顿所提供的与科学有关的拼板进行组合。
此时宇宙已开始被看作是更像一台机器。在一台机器中，不同的零件之间彼此推拉，而各种零件之所以会有如此表现，原因正是其他零件所施加的作用力，同样地，宇宙中的物体也开始被认为是在其他物体的推拉和外界作用力的影响下而形成其运转模式了。这个机器的比喻在新世界观中占了主导地位。简言之，新科学不再需要上帝来使宇宙运转。
有趣的是，在坚持“国王有神圣权利”信条的最后一代君主之中，有一位是英国国王查理一世。直到17世纪40年代，自己被推翻、审判并处决时，查理一世国王仍然在维护这个并不能让人信服的信条。西方世界近代史上主要的政治革命，也就是发生在17世纪40年代的英国革命，以及随后发生的美国和法国革命，其过程中都以个人权利为重点诉求，这些革命都发生在亚里士多德世界观被摒弃以后，很可能这并不是巧合。
总的来说，在亚里士多德世界观中，宇宙是一个比较小而舒适的空间，同时，地球在宇宙的中心。宇宙充满了天然目标和目的，因此这是一个目的论、本质论的宇宙观。这个宇宙观也延伸到了人的身上，每个人在自己所处的整体环境中都有一个天然位置，就像物体在宇宙中都有各自的天然位置。而且，在日常生活中，需要有上帝或与上帝类似的存在来使宇宙保持运动。
哲学思考：对待牛顿重力概念的工具主义和现实主义态度
具体来说，我想花点时间来探讨，为什么重力概念从某个特定角度来看是个奇特的概念。之所以认为我在让你做一件不可能的事情，是基于一个已经成为常识的判断，这个判断的起源至少可以追溯到古希腊。这个判断说的是，一个物体（比如你）不可能在不存在任何形式的联系或交流的情况下对另一个物体（比如钢笔）产生影响。用通俗的话来说，这个判断通常都被总结为，“超距作用”不可能存在。
也就是说，人们通常用一种现实主义态度来看待重力，认为重力真实存在，而这在很大程度上解释了我们日常生活中所观察到的大部分现象。
我怀疑我们大多数人都用现实主义态度看待重力，主要是因为从我们很小的时候就开始被灌输重力的概念，因此不容易注意到重力，或者说至少用现实主义态度来看待的重力，具有某些其实相当奇怪的特点。
莱布尼茨攻击牛顿在科学中引入了“超自然”的力，而莱布尼茨这种观点恰恰是基于重力似乎涉及某种神秘超距作用的问题。
这个问题的一个解决方案就是用工具主义态度来看待重力，而且实际上，牛顿本人通常都声称自己是用工具主义态度来看待重力的。
牛顿确实始终希望对重力给出一个现实主义的描述，与他在《原理》中给出的数学计算保持一致，并且从某个意义上说，这个描述仅涉及数学计算而没有超距作用。
03哲学插曲：什么是科学定律
哲学家一直乐于对科学定律和自然规律进行区分，在过去50年中尤为如此。
我们通常所认为的科学定律，比如开普勒行星运动定律、牛顿运动定律和万有引力定律等，通常都只是近似地描述了物体的运转模式
粗略地说，通常都将自然规律定义为“负责宇宙运转的宇宙基本特点”，而将科学定律看作是近似地反映了这些自然规律的定律。
与科学定律相关的特点
一条科学定律反映了宇宙某个基础且无例外的方面，也就是说，科学定律反映的是事物应当具有的运转模式，而不仅仅是事物的某个偶然行为。
开普勒行星运动第二定律，这一定律通常也被称为“等面积”定律
然而，通常认为像开普勒第二定律这样的一个表述所描述的是行星一直会遵循的运转模式，而不仅仅是行星通常如何运转，而这正是科学定律的一个特点，也就是它们反映了无例外的规律性。目前，让我们暂时记下这个观点，也就是反映无例外的规律性似乎是科学定律的一个关键特点。
通常与科学定律联系在一起的另一个关键特点是，我们认为科学定律反映了世界的客观特点。我在这里所使用的“客观”，其关键点是某个东西是否依赖于人类。更具体地说，我们通常认为如果即使人类不存在，某个东西也可以存在，那么这个东西就是客观的，如果情况相反，那么我们通常就认为它不是客观的。我必须指出这不仅是“客观”这个词的意思，也是我在这里所要使用的这个术语的意思。
无例外的规律性
首先，我们要看到不存在意外情况的规律性随处可见，不过其中大多数都是我们并没想作为潜在科学定律的。潜在科学定律的无例外的规律性与不是潜在科学定律的无例外的规律性之间有什么区别？
对于这个问题，有一个相当常见的答案，尽管这个答案本身也会带来一些难以解决的命题。这个答案所涉及的是我们通常所说的“反事实条件句”，或者也可以叫“反事实”。需要指出的是，反事实除了在这里的讨论中发挥作用，在其他讨论中，包括科学的和非科学的，也都会发挥作用。
反事实
反事实是日常语言与思维的一个常见特点。
在区分我们通常认为是潜在科学定律的无例外的规律性与通常认为不能作为潜在科学定律的无例外的规律性时，反事实通常被当作是一个关键因素。
通常认为，可以作为潜在科学定律的无例外的规律性与不能作为潜在科学定律的无例外的规律性之间，关键的一个区别就是前者即使面对多种反事实条件仍然可以保持为真，而后者则无法做到这一点。
利用反事实条件是否足以区分两种规律性了？很不幸，并不是这么简单。具体来说，利用反事实条件可以对这两种规律性进行区分，但同时也产生了问题严重的命题。这些命题涉及两个方面，其中一个与语境依赖性有关，另一个与通常所说的“其他条件不变句”有关。
1. 语境依赖性 如果对科学定律进行描述需要反事实条件，而反事实条件又是依赖于语境的，那么反事实条件是依赖于人的（或者更准确地说，反事实条件的真假是依赖于人的）。因此，反事实条件的使用破坏了科学定律的表面客观性。
2. 其他条件不变句 认为科学定律反映了无例外的规律性，还导致了另一个基础性命题。严格来说，开普勒第二定律所反映的并不是有关行星轨道的无例外的规律性。比如其他行星的撞击，使得行星没有按既定的轨道运转，这样的事件似乎使科学定律不能再适用于其本该适用的情形，而且可能在所有涉及科学定律的情形中都会存在此类事件。或者换句话说，很有可能并没有任何一条科学定律能够被直接而严格地遵循。为了尽量避免这一问题，通常的做法是引入通常所说的“其他条件不变句”
毫无悬念，这个解释也引发了新的问题，我将讨论其中两个。首先，你可能已经注意到，对其他条件不变句的讨论与前面对反事实条件的讨论之间是存在联系的。两个讨论确实相互关联。当我们认为开普勒第二定律是一个伴随着其他条件不变句的定律时，就相当于说（同样以前面提到过的木星为例），这个定律所说的就是木星在没有受到其他外力影响的情况下，就将按照开普勒第二定律描述的轨道运转。然而，我们从一开始就知道木星实际上是受到各种外力影响的。因此，前面这个描述就把自己变成了一个反事实条件，因而也具有我们在前面讨论过的反事实条件的各种问题。
除此之外，请注意，一一列举所有可能的其他条件不变句也是不可能的，因为存在太多可能性。
相似性的概念与人类利益紧密联系。如果界定科学定律的特点需要使用其他条件不变句，而使用这类句子又依赖于相似性概念，相似性概念本身又取决于人类的判断，那么我们对科学定律的界定似乎又不符合“科学定律具有客观性”的概念了。
总结
从多个角度来看，有一个模式尽管肯定不是一个无例外的规律性，但确实反复出现，那就是，每当我们深入到一个看似相对直接明确的科学命题或概念中时，我们很快就会遇到难以解决且令人困惑的问题。
04 1700～1900年牛顿世界观的发展
在17世纪以后的几个世纪里，牛顿世界观得到了发展和修正，但尽管如此，这个世界观的核心元素仍然保持不变。
对科学主要分支发展的评述，1700～1900年
我们的第一个任务将是对科学的某些主要分支进行简要评述，并探讨这些科学主要分支在1700～1900年之间是如何发展的，这些评述将有助于说明科学的不同分支是如何“牛顿化的”，也就是，它们在范围广阔的牛顿科学体系中是如何发展的。
现代化学的起源通常追溯到18世纪晚期，以安东尼·拉瓦锡（1743—1794）的研究为标志。
化学的定性研究方法在18世纪晚期发生了巨大变化。安东尼·拉瓦锡开始以天平作为主要实验工具来进行大量化学研究。通过这种做法，拉瓦锡提出了新的观点，这些观点的解释和预言能力要优于当时现有理论，很快，他的定量研究方法就开始成为化学研究的主流。
约翰·道尔顿（1766—1844）构建了他的原子理论，这是一个基本都在牛顿科学体系内的理论。道尔顿认为理解气体运动模式最好的方法是把它们看作是粒子因互斥力而相互作用的结果。请注意这种研究方法与牛顿研究方法之间的相似之处。比如，牛顿认为行星的运动是天体受外力影响的结果。类似地，道尔顿认为气体的运动从根本上说，所涉及的就是物体和作用于物体上的力。
不管是化学还是物理学，它们所研究的世界基本上都被构建为一个可用牛顿科学体系来探究的世界，也就是在这个世界中，物体都受到外力影响，而这些外力都可以通过数学法则来精确描述。
生物学是一门范围颇广的学科，值得注意的是，生物学中很多非常重要的著作都完成于16世纪和17世纪。但是，直到18世纪和19世纪，“生物现象并没有脱离牛顿宇宙观”的认识才变得清晰起来
活力论者的观点是，有生命的物质和无生命的物质是不同的，因此适用于无生命物体的规律（比如牛顿定律）并不一定也适用于有生命的物体。从18世纪开始，一直延续到19世纪和20世纪，生物学领域内的研究都清楚地表明，活力论者的观点是错误的。
对神经的研究，包括对神经纤维的解剖研究，以及对运动神经元和感觉神经元之间区别的认识，可以至少追溯到公元前500年。
在18世纪晚期，路易吉·伽伐尼（1737—1798）进行了一系列实验，实验结果表明电流会使青蛙腿部肌肉收缩。不久以后，亚历山德罗·伏特（1745—1827）延续了伽伐尼的研究工作，并有所扩展。随着伽伐尼和伏特（还有其他许多人）研究的深入，“神经传导是一种电学现象”的观点很快就建立起来了，这与过去关于“神经是维持生命所需的液体或生命力的通路或管道”的观点相比相当不同。
然而，1828年，弗里德里希·维勒（1800—1882）成功用一种非有机化合物合成了尿素，也就是一种很明确的有机化合物。
在1700～1900年间，生物学领域内出现的主要发展的例子说明了人们是如何逐渐认识到生物现象与非生物现象实际上并无差异的。尽管甚至到了20世纪初期，仍然有一小部分人坚持为活力论辩护，但此时，已经很明显的是，机械论观点才是正确的。
总的来说，到20世纪初，生物、化学和物理出现了融合，并开始被视为是在不同层面对同一个处于牛顿科学体系内的世界所进行的研究。
电磁理论
对与电和磁相关现象的研究，至少从古希腊时期就已经出现了。
在18世纪中期，本杰明·富兰克林（1706—1790）证明了闪电是一种电学现象，同时还证明了电学现象和磁现象之间存在一系列有趣的联系。然后，在18世纪晚期和19世纪初期，研究人员，包括查尔斯·库仑（1736—1806）和迈克尔·法拉第（1791—1867），当然还有其他很多人，让我们对电和磁的认识发生了重要飞跃。举个例子，库伦发现磁和电的斥力和引力遵循平方反比的规律，也就是说两个物体之间的电引力/斥力或磁引力/斥力与两个物体之间距离的平方成反比。
值得注意的是，库伦定律平方反比的性质与牛顿重力概念的平方反比性质相当类似。
从理论角度来看，法拉第最具影响力的观点是“电力、磁力和光可能是同一个根本源头的不同侧面”，很快得到了发展，成了由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831—1879）在19世纪中期提出的电磁理论。
在这段时期，这些领域都出现了超乎寻常的发展，许多现象过去都曾经被认为是独特的，而且要用定性的方法进行研究，此时却逐渐统一了起来，而且都可以用牛顿科学体系中的基础数学定量方法来进行研究。
概括评述
1900年，有一种感觉是我们已经几乎完全了解了自然，只剩下几个相当无足轻重的问题还有待解决。接下来，让我们对其中几个问题进行一下探讨。
几块小乌云
英国著名物理学家之一开尔文爵士在1900年发表了一段经常被引用的谈话，在谈话中他指出，在现代科学本应晴朗的天空里，现在只有几块“小乌云”了。开尔文所指的“小乌云”中，有两块比较重要，分别是迈克尔逊-莫雷实验结果和对黑体辐射理解上的某些问题。
事实上，对迈克尔逊-莫雷实验结果的理解有赖于爱因斯坦相对论的确立，而对与黑体辐射相关命题的理解，以及对下面要讨论的其他命题的理解，都有赖于量子理论的创立。
迈克尔逊-莫雷实验
迈克尔逊-莫雷实验涉及光速和光传播的方式。阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）和爱德华·莫雷（1838—1923）进行了大量有关这些命题的实验，最重要的几个发生于19世纪80年代末期。
德沙内尔所著的《自然哲学》
在“科学”这个单词成为标准之前，“自然哲学”就用来指代我们所说的科学。顺带提一下，德沙内尔的书出版于迈克尔逊-莫雷实验之前，后来，这个实验给书中牛顿科学体系内关于光传播的观点带来了大量问题。
跟声音一样，光被认为是来源于震动的；但是，跟声音一样，它也不需要空气或其他有形物质的存在来使其震动从源头传播到周边。……似乎需要假设存在一种远比普通物质更为稀薄的介质……【这种介质】可以用远远超过声速的速度来传播震动。……这种假设存在的介质被称为“以太”。（德沙内尔，1885, p. 947）
迈克尔逊-莫雷实验的目的是找出更多直接证据来证明以太的存在。
然而，与大家所预期的相反，两道光总是在相同时间点回到光源处。这个结果非常出人意料，在这种情况下，应该反复进行这个实验，不断验证。事实也正是如此。但是每次实验结果都相同，也就是两道光总是同时回到光源处。
黑体辐射
“黑体”是物理学里的一个技术术语，指的是一个理想化的物体，可以吸收所有指向它的电磁辐射。举个例子，光是电磁辐射的一种形式，所以，如果我们向一个黑体投射光线，黑体将吸收所有光线，因而表现出黑暗的性质（因此才被称为“黑体”）
然而，实际观察到的辐射模式与根据牛顿科学体系预言的辐射模式却有显著差异。简单来说，情形是这样的：当仅观察波长较长的辐射时，所观察到的辐射模式与预言的模式十分相近。但是，到了短波时，观察到的辐射模式则与预言模式大相径庭。（顺带提一下，这些有问题的短波位于电磁波谱的紫外线一端，因此这个问题有时被称为“紫外灾难”。）
其他问题
在20世纪开始的时候，物理学家意识到某些元素受热后发出的光都有出人意料的模式。
受热元素所发出光线具有特定波长模式，以及这些光仅由特定波长的光线组成
根据牛顿科学体系的观点，元素发出的光应该是由大量连续波长的光线组成，而不是仅由几种离散波长的光线组成。因此，我们又遇到了一个关于牛顿科学体系的不证实证据，尽管在当时，这看起来同样是相对不重要的问题，然而，这个问题后来也被证明只能靠量子理论来解决。
阴极射线实际上是一个电子束
现在人们认为X射线是一种电磁辐射，与可见光相似，但波长更短。
放射性也是在这一时期被发现的，相关研究中包括玛丽·居里（1867—1935）和皮埃尔·居里（1859—1906）的研究和重要发现。（玛丽·居里是第一位获得诺贝尔科学领域奖项的女性，同时也是第一位两次获得诺贝尔奖的人。）同样，放射性元素的性质也被证明令人困惑。
结语
1700～1900年间，出现了大量科学研究成果，它们都融入了17世纪的科学家们所提出的架构体系，其中最值得注意的就是牛顿提出的科学体系。新研究成果的融入，使这些架构体系看起来前景无限。所有内容似乎都完美地拼合在一起，结果就是得到了牛顿体系的宇宙观，它看起来几乎可以解释一切，或至少人们希望如此。