四十不惑系列之（二十一）哇偶，科~學(xué)~

牛頓經(jīng)典力學(xué)三定律的確立，標(biāo)志著文藝復(fù)興的結(jié)束和科學(xué)時(shí)代的來臨。

經(jīng)典力學(xué)三定律：

1. 牛頓第一定律（慣性定律）：除非受到外力作用，否則靜止的物體會(huì)保持靜止，運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。

2. 牛頓第二定律：一個(gè)物體所受的合外力等于它的質(zhì)量乘以它的加速度。用公式表示為 F=ma。這是經(jīng)典力學(xué)的核心方程，它將力、質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來。

3. 牛頓第三定律（作用與反作用定律）：當(dāng)一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加力時(shí)，第二個(gè)物體也會(huì)對(duì)第一個(gè)物體施加一個(gè)大小相等、方向相反的力。

人們對(duì)“牛頓”多崇敬呢？英國詩人蒲柏給牛頓的墓志銘是這樣的寫的：

“自然和自然的規(guī)律在黑暗中藏身。上帝說：‘要有牛頓！’于是萬物有了光。”

我們來看看經(jīng)典力學(xué)定律背后的故事。

1 自然科學(xué)的理論

什么是定律？在科學(xué)領(lǐng)域，定律（Law）是經(jīng)過大量觀察、實(shí)驗(yàn)和重復(fù)驗(yàn)證后，被普遍接受的、對(duì)自然現(xiàn)象基本規(guī)律的概括和描述。它通常以簡潔的語言或數(shù)學(xué)公式表達(dá)，用來解釋和預(yù)測特定條件下的現(xiàn)象。

這解釋了最早的科學(xué)理論的來源是，基于對(duì)客觀世界的理性觀察，通過實(shí)驗(yàn)確定的自然現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，并在經(jīng)過廣泛的重復(fù)的驗(yàn)證后被普遍接受的概括和描述。

關(guān)鍵詞提取：觀察自然現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)尋找內(nèi)在規(guī)律，科學(xué)語言的概括和描述，通過驗(yàn)證被普遍接受。

基本上定律這個(gè)詞只在自然科學(xué)中出現(xiàn)。量子力學(xué)到現(xiàn)在為止還沒有被稱之為定律的理論出現(xiàn)。薛定諤方程i??t?
Ψ(r,t)=H^Ψ(r,t)是最接近定律的理論，但因其描述的是某種例子處于某種狀態(tài)的概率，本身描述的是一種不確定性而并沒有被定義為定律。

2 實(shí)驗(yàn)和觀察的科學(xué)工具

前文提到過，古希臘的科學(xué)長期的停滯是因?yàn)閷?duì)世界的觀察，受限于人體感官器官的功能限制。

那么科學(xué)革命是如何突破這種限制的呢？科學(xué)家將前人的發(fā)現(xiàn)用于制作專門的工具來拓展人的感知能力和范圍，通過更深入、更全面的觀察來發(fā)現(xiàn)自然的規(guī)律。

在這個(gè)層面，伽利略的貢獻(xiàn)比牛頓要大得多。伽利略不僅僅改進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡，還改進(jìn)了鐘表，他很可能還發(fā)明了濕度計(jì)。他的學(xué)生托里拆利發(fā)明了氣壓計(jì)，蓋里克發(fā)明了抽氣機(jī)。可以說是伽利略拓展了科學(xué)的發(fā)展才導(dǎo)致了科學(xué)的降臨。有證據(jù)表明，伽利略先于牛頓發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典力學(xué)三定律的前兩條。

這些工具不僅僅用于拓展人類的感官，讓感知更深入，更廣泛的同時(shí)更精確。而精確的觀察工具為規(guī)律的科學(xué)描述提供了另一個(gè)重要的充要條件“量化”。這個(gè)沖要條件似乎是由科學(xué)的描述語言和最重要的研究工具“數(shù)學(xué)”天生就隱含的要求。

開普勒第三定律的數(shù)學(xué)公式表示為：

·T 代表行星的公轉(zhuǎn)周期（繞太陽一周所需的時(shí)間）。

·a 代表行星橢圓軌道半長軸的長度（可以理解為平均距離）。

引入常數(shù)k之后公式就轉(zhuǎn)化為：

牛頓將開普勒第三定律與經(jīng)典力學(xué)第二和第三定律相結(jié)合推導(dǎo)出后世普遍使用的開普勒第三定律公式和開普勒第三定律中的比例常數(shù)：

4 廣泛，重復(fù)的驗(yàn)證

廣泛的重復(fù)的驗(yàn)證是科學(xué)理論被普遍認(rèn)可的唯一途徑。俗話說：人教人教不會(huì)，事教人一次就會(huì)。真真切切的多次重復(fù)依然相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比任何語言和重復(fù)千遍的謊言更有說服力。

5 科學(xué)理論的潛力和作用

我們編造一個(gè)故事來說明這一點(diǎn)。

在一個(gè)陡峭的山壁上修建一座廟宇，這個(gè)需求是有真實(shí)來源的。在我的家鄉(xiāng)人們想要為“一人得道雞犬升天”的民間傳說修建一個(gè)廟宇。

民間傳說是這樣的：漢高祖的孫子劉安是一名地方官吏。因?yàn)闄?quán)力斗爭漢武帝劉徹派軍隊(duì)追殺劉安。劉安攜家?guī)Э谔舆M(jìn)深山。在陡峭的山崖下，追殺劉安的士兵看到劉安一家人在云層之上漸行漸遠(yuǎn)。當(dāng)士兵爬上山頂時(shí)，不但沒有找到劉安，連他帶上上的家畜的影子都沒有發(fā)現(xiàn)。

陡峭的山壁上修建廟宇的困難之處在于有限的站立空間內(nèi)將修筑房頂?shù)臋M梁抬到足夠的高度。于是人們請(qǐng)來一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的木工師傅。木工師傅提出一種方法，利用杠桿原理制造一個(gè)簡單的起重機(jī)，將橫木抬到房頂?shù)母叨取：芸炱鹬貦C(jī)就修好了。起重機(jī)確實(shí)好用，第一根衡量很快就安放好了。看著穩(wěn)穩(wěn)放在柱子上的衡量，人們?cè)儐柪夏窘尺@是怎么做到的。老木匠只是神秘的微笑，并不向眾人說明他是從京城來的負(fù)責(zé)修建城郭的官員那里學(xué)來的。

好景不長，這個(gè)簡單的起重機(jī)在架設(shè)第三根衡量的時(shí)候。吊臂斷了，砸傷了幾個(gè)修建廟宇的工人，同時(shí)也砸壞了已經(jīng)立起來的柱子。老木匠大驚，眼珠子一轉(zhuǎn)，聲稱廟宇的建設(shè)打擾了劉安仙人的清靜而不被仙人所容。

正在受傷的工匠翻滾哀嚎，其他工匠不知所措的跪拜以求仙人的赦免時(shí)。一個(gè)混賬從天而降，摸著滿頭的黃毛懵逼的看著一群跪拜的人。這是一個(gè)不知霍霍了誰家閨女而受到天罰被扔到這里的現(xiàn)代人。

黃毛詢問了事情的經(jīng)過之后，一腳將老木匠提到在地。口中罵罵咧咧的說：什么神仙的詛咒，杠桿原理都不懂，瞎指揮。杠桿原理除了之外還有。你這么細(xì)的吊臂能不斷才怪。更換了吊臂后的起重機(jī)很快就修好了廟宇。

黃毛是比老木匠的經(jīng)驗(yàn)更豐富嗎？不，黃毛一天木匠也沒做過。那為什么黃毛能改進(jìn)起重機(jī)完成預(yù)期的目標(biāo)？這是因?yàn)辄S毛所掌握的科學(xué)理論是被驗(yàn)證有效的，具有預(yù)示未知和未來結(jié)果的能力。

老木匠的經(jīng)驗(yàn)蘊(yùn)含世界的規(guī)律，但并不具有普遍適用性和對(duì)未知的預(yù)示。所以沒有經(jīng)過提煉和歸納的經(jīng)驗(yàn)并不適用于所有的情況和場景。但是經(jīng)過科學(xué)方法，特別是數(shù)學(xué)計(jì)算和量化后的科學(xué)理論發(fā)現(xiàn)的是自然現(xiàn)象中更廣泛的，更適用的內(nèi)涵規(guī)律。應(yīng)用科學(xué)理論可以有效的對(duì)為發(fā)生的事情結(jié)果給出更可靠，更有效的預(yù)言和設(shè)計(jì)。

在科學(xué)誕生的這一時(shí)期，有些戲劇性的巧合被神秘主義者津津樂道，也被人們認(rèn)為是命運(yùn)的安排。最著名的就是，伽利略出生的那天是米開朗基羅離開人世的日子。而在圣誕節(jié)誕生牛頓的同年，伽利略也離開了人世。這似乎象征著：一個(gè)巨人的隕落，標(biāo)志著一個(gè)舊時(shí)代的終結(jié)；同時(shí)也將誕生另一位巨人，預(yù)示著新時(shí)代的開啟。