牛頓的科學(xué)學(xué)習(xí)方法

FUJIANAGRICULTUREANDFORESTRYUNIVERSITY課堂討論專題論文專題題目：牛頓在科學(xué)方法上的特點(diǎn)與貢獻(xiàn)指導(dǎo)老師：方文熙學(xué)院：福建農(nóng)林大學(xué)東方學(xué)院_專業(yè)（方向）年級(jí)：金融學(xué)（國際方向）（2）班學(xué)號(hào)：071913032學(xué)生姓名：林世明2008年05月23日牛頓在科學(xué)方法上的特點(diǎn)與貢獻(xiàn)【牛頓的科學(xué)研究方法】【牛頓在科學(xué)方面給世界人們帶來的貢獻(xiàn)牛頓是有史以來最偉大，最有影響力的科學(xué)家。他于1642年圣誕節(jié)那天誕生在英格蘭的伍爾托斯普。牛頓定律及其世界體系的建立，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界過程中的一次飛躍。美國科學(xué)史家Kuhn把它稱為科學(xué)革命。如果日心說是第一次科學(xué)革命，牛頓力學(xué)就是第二次科學(xué)革命?？茖W(xué)革命是技術(shù)革命的先導(dǎo)，在牛頓的科學(xué)革命之后大約一百年，出現(xiàn)了18世紀(jì)末19世紀(jì)初的工業(yè)革命或產(chǎn)業(yè)革命?！兑弧放ｎD的科學(xué)研究方法：牛頓牛頓在科學(xué)上的巨大成就連同他的樸素的唯物主義哲學(xué)觀點(diǎn)和一套初具規(guī)模的物理學(xué)方法論體系，給物理學(xué)及整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展，給18世紀(jì)的工業(yè)革命、社會(huì)經(jīng)濟(jì)變革及機(jī)械唯物論思潮的發(fā)展以巨大影響。頓在科學(xué)方法論上的貢獻(xiàn)正如他在物理學(xué)特別是泳裝品牌力學(xué)中的貢獻(xiàn)一樣，不只是創(chuàng)立了某一種或兩種新方法，而是形成了一套研究事物的方法論體系，提出了幾條方法論原理。在牛頓《原理》一書中集中體現(xiàn)了以下幾種科學(xué)方法：4驗(yàn)一一理論一一應(yīng)用的方法。牛頓在《原理》序言中說“哲學(xué)的全部任務(wù)看來就在于從各種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象來研究各種自然之力，而后用這些方去論證其他的現(xiàn)象?！笨茖W(xué)史家I.B.Cohen正確地指出，牛頓“主要是將實(shí)際世界與其簡化數(shù)學(xué)表示反復(fù)加以比較”。牛頓是從事實(shí)驗(yàn)和歸納實(shí)際材料的巨匠，也是將其理論應(yīng)用于天體、流體、引力等實(shí)際問題的能手。4②分析一一綜合方法。分析是從整體到部分（如微分、原子觀點(diǎn)），綜合是從部分到整體（如積分，也包括天與地的綜合、三條運(yùn)動(dòng)定律的建立等）。牛頓在《原理》中說過：“在自然科學(xué)里，應(yīng)該像在數(shù)學(xué)里一樣，在研究困難的事物時(shí)，總是應(yīng)當(dāng)先用分析的方法，然后才用綜合的方法……。一般地說，從結(jié)果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直論證到最普遍的原因?yàn)橹?，這就是分析的方法;而綜合的方法則假定原因已找到，并且已經(jīng)把它們定為原理，再用這些原理去解釋由它們發(fā)生的現(xiàn)象，泳裝品牌并證明這些解釋的正確性”。歸納——演繹方法。上述分析一綜合法與歸納一演繹法是相互結(jié)合的。牛頓從觀察和實(shí)驗(yàn)出發(fā)?！坝脷w納法去從中作出普通的結(jié)論”，即得到概念和規(guī)律，然后用演繹法推演出種種結(jié)論，再通過實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn)、解釋和預(yù)測，這些預(yù)言的大部分都在后來得到證實(shí)。當(dāng)時(shí)牛頓表述的定律他稱為公理，即表明由歸納法得出的普遍結(jié)論，又可用演繹法去推演出其他結(jié)論。物理——數(shù)學(xué)方法。牛頓將物理學(xué)范圍中的概念和定律都“盡量用數(shù)學(xué)演出”。愛因斯坦說：“牛頓才第一個(gè)成功地找到了一個(gè)用公式清楚表述的基礎(chǔ)，從這個(gè)基礎(chǔ)出發(fā)他用數(shù)學(xué)的思維，邏輯地、定量地演繹出范圍很廣的現(xiàn)象并且同經(jīng)驗(yàn)相符合”，“只有微分定律的形式才能完全滿足近代物理學(xué)家對(duì)因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一”。牛頓把他的書稱為《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》正好說明這一點(diǎn)。牛頓在《原理》中提出了力學(xué)的三大定律和萬有引力定律，把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和太陽系內(nèi)的行星的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一在相同的物理定律之中，從而完成了人類文明史上第一次自然科學(xué)的大綜合。它不僅標(biāo)志了16,17世紀(jì)科學(xué)革命的頂點(diǎn)，也是人類文明、進(jìn)步的劃時(shí)代標(biāo)志。它不僅總結(jié)和發(fā)展了牛頓之前物理學(xué)的幾乎全部重要成果，而且也是后來所有科學(xué)著作和科學(xué)方法的楷模。牛頓的科學(xué)思想和科學(xué)方法對(duì)他以后三百年來自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。牛頓的方法論原理集中表述在《原理》第三篇“哲學(xué)中的推理法則”中的四條法則中，此處不再轉(zhuǎn)引。概括起來，可以稱之為簡單性原理（法則1），因果性原理（法則2），普遍性原理（法則3），否證法原理（法則4,無反例證明者即成立）。有人還主張把牛頓在下一段話的思想稱之為結(jié)構(gòu)性原理：“自然哲學(xué)的目的在于發(fā)現(xiàn)自然界的結(jié)構(gòu)的作用，并且盡可能把它們歸結(jié)為一些普遍的法規(guī)和一般的定律——用觀察和實(shí)驗(yàn)來建立這些法則，從而導(dǎo)出事物的原因和結(jié)果”。牛頓的科學(xué)觀是因果決定論的科學(xué)觀。他認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)的原因就是萬有引力，行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是由萬有引力定律決定的。他根據(jù)萬有引力定律成功地解釋了行星、衛(wèi)星和彗星的運(yùn)動(dòng)，直至最微小的細(xì)節(jié)，同樣也解釋了潮汐和地球的進(jìn)動(dòng)。在牛頓力學(xué)中只要知道質(zhì)點(diǎn)在初始時(shí)刻的位移和速度，根據(jù)牛頓定律就可以預(yù)言其后時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況，這是典型的因果描寫。但是，在牛頓以前往往并不用因果論來解釋自然現(xiàn)象，而用目的論來解釋自然現(xiàn)象，即按照某種目的或結(jié)果來解釋運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，而不是用力的原因作解釋。牛頓采用因果性的解釋在物理學(xué)的發(fā)展中是重要的一步。愛因斯坦指出：“在牛頓以前還沒有實(shí)際的科學(xué)成果來支持那種認(rèn)為物理因果關(guān)系有完整鏈條的信念?！迸ｎD建立了物理因果性的完整體系，從而揭示了物理世界的深刻特征。在決定論科學(xué)觀的基礎(chǔ)上，牛頓確立了他的物理框架，所謂物理框架就是對(duì)物理現(xiàn)象解釋的一種標(biāo)準(zhǔn)。牛頓框架的核心是力和力所決定的因果性，認(rèn)為找到了力的規(guī)律就是找到了對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋。然而，在牛頓以前并不使用力的框架，而是“和諧性”的框架。在哥白尼一開普勒時(shí)期，他們追求的是和諧性，即尋找運(yùn)動(dòng)的和諧，認(rèn)為找到了和諧就找到了解釋，這種思想在這一時(shí)期發(fā)展到了頂峰。哥白尼之所以懷疑托勒密體系，主要是他認(rèn)為托勒密體系很不和諧，在托勒密體系中行星有時(shí)逆行。如果將中心從地球移到太陽，則行星的運(yùn)動(dòng)更加和諧。正如哥白尼說的顯示了“令人欣賞的對(duì)稱性”和“清晰的和諧性”。到了牛頓一代，不再采用和諧性框架，不再認(rèn)為尋找“和諧”就是尋找對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象原因的解釋，牛頓認(rèn)為找到了力才是找到了對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋。以后的物理學(xué)家主要依據(jù)力的框架進(jìn)行工作。愛因斯坦指出：“直到19世紀(jì)末，它一直是理論物理學(xué)領(lǐng)域中每個(gè)工作者的綱領(lǐng)?！薄斑@個(gè)物理學(xué)框架在將近二百年中給予科學(xué)以穩(wěn)定性和思想指導(dǎo)?！毖赜门ｎD的框架發(fā)展到頂峰的是麥克斯韋，麥克斯韋堅(jiān)持牛頓的力的框架，他建立了電磁學(xué)的力學(xué)模型，企圖用以太中的力來解釋電磁現(xiàn)象，發(fā)展電磁理論，后來，他不再采用力學(xué)模型，而是用電磁場的概念來分析問題，這反映出框架

的變化。(/)牛頓在科學(xué)研究中堅(jiān)持以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，他認(rèn)為在沒有從觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)引力之原因時(shí)，決不杜撰假設(shè)。牛頓的“不杜撰假設(shè)”具有方法論的意義，這種方法論與他同時(shí)代的大多數(shù)人所遵循的方法迥然不同。牛頓的同時(shí)代人都追隨笛卡兒探索自然現(xiàn)象的原因，構(gòu)筑引力的機(jī)制。而牛頓則不然，他所關(guān)心的不是引力“為什么”會(huì)起作用，而是“如何”在起作用。他的目的是尋求引力所遵從的規(guī)律，提出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述，證明行星系統(tǒng)如何依賴于引力定律。但是，牛頓的認(rèn)識(shí)路線也不同于受經(jīng)驗(yàn)主義影響很深的胡克的認(rèn)識(shí)路線。胡克強(qiáng)調(diào)從實(shí)驗(yàn)上去探求引力定律，忽視數(shù)學(xué)推理的必要性。他的表述停留在定性認(rèn)識(shí)上，缺乏定量的成分。他沒有認(rèn)識(shí)到當(dāng)時(shí)更需要的是數(shù)學(xué)推理，而不是實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榈淖兓?/)《二》牛頓在科學(xué)方面給世界人們帶來的貢獻(xiàn)：恩格斯曾對(duì)牛頓做了高度的評(píng)價(jià)：“牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進(jìn)行了光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項(xiàng)式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認(rèn)識(shí)了力的本性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)?！?/p>

力學(xué)方面：牛頓在伽利略（意大利天文學(xué)家、力學(xué)家、哲學(xué)家，1564?1642）等人工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，總結(jié)出了物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三個(gè)定律，即慣性定律、力和加速度定律、作用力和反作用力定律。在開普勒（德國天文學(xué)家，1571?1630）等人研究的成果上，他用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出了萬有引力定律。牛頓把地球上物體的力學(xué)和天體力學(xué)統(tǒng)一到一個(gè)基本的力學(xué)體系中，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)理論體系。這個(gè)理論正確地反映了宏觀物體低速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了自然科學(xué)的第一次大統(tǒng)一。這是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的一次飛躍。(/)光學(xué)方面:牛頓用三棱鏡分析太陽光，發(fā)現(xiàn)白光是由不同顏色（即不同波長）的光混合而成的，不同波長的光有不同的折射率。牛一次飛躍。(/)天文學(xué)方面：牛頓制造了反射望遠(yuǎn)鏡，用此初步考察了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他還用萬有引力定律說明了潮汐現(xiàn)象，指出潮汐的大小不但同月球的位相有關(guān)，而且同太陽的方位有關(guān)。他預(yù)言地球不是正球體。熱學(xué)方面的貢獻(xiàn)：牛頓確定了冷卻定律，即當(dāng)物體表面與周圍有溫差時(shí)，單位時(shí)間

內(nèi)從單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。數(shù)學(xué)方面：牛頓在前人工作的基礎(chǔ)上，提出“流數(shù)法”，建立了二項(xiàng)式定理，并和萊布尼茨（德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、哲學(xué)家，1646?1716）幾乎同時(shí)創(chuàng)立微積分學(xué)，為數(shù)學(xué)的發(fā)展開辟了一個(gè)新紀(jì)元。(新紀(jì)元。(/)在牛頓的全部科學(xué)貢獻(xiàn)中，數(shù)學(xué)成就占有突出的地位。他數(shù)學(xué)生涯中的第一項(xiàng)創(chuàng)造性成果就是發(fā)現(xiàn)了二項(xiàng)式定理。據(jù)牛頓本人回憶，他是在1664年和1665年間的冬天，在研讀沃利斯博士的《無窮算術(shù)》時(shí)，試圖修改他的求圓面積的級(jí)數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)這一定理的。笛卡爾的解析幾何把描述運(yùn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系和幾何曲線相對(duì)應(yīng)。牛頓在老師巴羅的指導(dǎo)下，在鉆研笛卡爾的解析幾何的基礎(chǔ)上，找到了新的出路?？梢园讶我鈺r(shí)刻的速度看是在微小的時(shí)間范圍里的速度的平均值，這就是一個(gè)微小的路程和時(shí)間間隔的比值，當(dāng)這個(gè)微小的時(shí)間間隔縮小到無窮小的時(shí)候，就是這一點(diǎn)的準(zhǔn)確值。這就是微分的概念。求微分相當(dāng)于求時(shí)間和路程關(guān)系得在某點(diǎn)的切線斜率。一個(gè)變速的運(yùn)動(dòng)物體在一定時(shí)間范圍里走過的路程，可以看作是在微小時(shí)間間隔里所走路程的和，這就是積分的概念。求積分相當(dāng)于求時(shí)間和速度關(guān)系的曲線下面的面積。牛頓從這些基本概念出發(fā)，建立了微積分。微積分的創(chuàng)立是牛頓最卓越的數(shù)學(xué)成就。牛頓為解決運(yùn)動(dòng)問題，才創(chuàng)立這種和物理概念直接聯(lián)系的數(shù)學(xué)理論的，牛頓稱之為"流數(shù)術(shù)"。它所處理的一些具體問題，如切線問題、求積問題、瞬時(shí)速度問題以及函數(shù)的極大和極小值問題等，在牛頓前已經(jīng)得到人們的研究了。但牛頓超越了前人，他站在了更高的角度，對(duì)以往分散的努力加以綜合，將自古希臘以來求解無限小問題的各種技巧統(tǒng)一為兩類普通的算法——微分和積分，并確立了這兩類運(yùn)算的互逆關(guān)系，從而完成了微積分發(fā)明中最關(guān)鍵的一步，為近代科學(xué)發(fā)展提供了最有效的工具，開辟了數(shù)學(xué)上的一個(gè)新紀(jì)元。牛頓的代數(shù)講義經(jīng)整理后出版，定名為《普遍算術(shù)》。他主要討論了代數(shù)基礎(chǔ)及其（通過解方程）在解決各類問題中的應(yīng)用。書中陳述了代數(shù)基本概念與基本運(yùn)算，用大量實(shí)例說明了如何將各類問題化為代數(shù)方程，同時(shí)對(duì)方程的根及其性質(zhì)進(jìn)行了深入探討，引出了方程論方面的豐碩成果，如，他得出了方程的根與其判別式之間的關(guān)系，指出可以利用方程系數(shù)確定方程根之冪的和數(shù)，即“牛頓冪和公式”。牛頓對(duì)解析幾何與綜合幾何都有貢獻(xiàn)。他在1736年出版的《解析幾何》中引入了曲率中心，給出密切線圓（或稱曲線圓）概念，提出曲率公式及計(jì)算曲線的曲率方法。并將自己的許多研究成果總結(jié)成專論《三次曲線枚舉》，于1704年發(fā)表。此外，他的數(shù)學(xué)工作還涉及數(shù)值分析、概率論和初等數(shù)論等眾多領(lǐng)域。牛頓在自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)作了奠基有貢獻(xiàn)。他繼承了英國唯物主義的始祖培根重視歸納法有傳統(tǒng)，主張科學(xué)研究要通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，然后運(yùn)用歸納法總結(jié)為定律，再用數(shù)學(xué)推演建立理論體系?！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書正是這樣寫成的，這無疑是一種重要的科學(xué)方法，對(duì)后來的科學(xué)發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。牛頓的哲學(xué)思想基木上屬于自發(fā)的唯物主義，由于他否定