牛頓像，作者：內勒（Godfrey Kneller，1646-1723）

為什么恰好在17世紀下半葉的英國發(fā)生了一次改變人類文明進程的革命性事件？

第二次科學革命為何爆發(fā)，戰(zhàn)爭與科學的糾纏又對人類產生了怎樣的影響？

在科學家的共同努力下人類是如何探索復雜性和混沌理論的？

借助在時空中回望和探索宇宙開端的模樣，人類是如何解答關于宇宙的終極問題的？

劍橋大學博士苗千以上述問題為契機，采訪了劍橋大學科學史家帕特里夏·法拉、薩頓獎得主約翰·海爾布倫、倫敦皇家學會邁克爾·法拉第獎獲得者理查德·埃利斯等頂尖科學家、科學史家，深刻地揭示了科學的飛躍和進步是如何改變人類的思想面貌和歷史進程的。近日，訪談集《改變人類進程的科學理論》由商務印書館出版。

哥倫比亞大學博士、國家天文臺研究員陳學雷這樣評價這本書：

苗千博士在這本書中回顧了牛頓力學、相對論與量子力學、復雜性理論以及現(xiàn)代宇宙學等科學理論曲折的發(fā)展歷程，以生動的敘事串聯(lián)起艱深的科學原理，輔以鮮為人知的歷史細節(jié)，并通過與多位科學家、科學史家的對話探討其中的關鍵之處，感受理論如何以思想之力撬動現(xiàn)實，讓讀者在理解科學本質的同時，更能體悟突破認知邊界的智慧與勇氣。

現(xiàn)代物理學包含很多假設，牛頓的方法是否已經(jīng)過時了？

牛頓最大的科學遺產是什么？

人們對牛頓最大的誤解是什么？

今天為大家搶先分享苗千與英國科學史學會前任主席、劍橋大學科學史專家帕特里夏·法拉（Patricia Fara）的訪談對話，一起了解牛頓和他帶來的科學革命。

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牛頓不是科學家

而是自然哲學家

來源 | 《改變人類進程的科學理論》

科學不是在一夜之間改變的

牛頓的巨著《原理》雖已不是科學家的必讀書籍，但他的力學理論依然是中學的必修課程。我們回顧這場以牛頓和他的著作為核心的科學革命，也是重新見證人類認識自我，乃至第一次認識宇宙的整個過程。

人類可能再也不會有牛頓時代那種認為自己已經(jīng)理解宇宙全部奧秘的青澀自信了，卻也對自身的理性有了更加成熟和樂觀的認識。

牛頓并非完人，更不是科學史上的圣人。除了他在自然哲學領域的偉大貢獻之外，人們經(jīng)常提到他性格上的諸多缺陷。他在老年時有一段自述：

“我不知道自己在世人眼中是什么樣子，但在我自己的感覺里，我似乎一直是個在海邊玩耍的小男孩，時不時因找到一枚光滑的鵝卵石或漂亮的貝殼而自得其樂，卻對面前那真理的浩瀚海洋一無所知。”

這段話透露出了真誠和謙卑。其實，這段話也完全可以作為人類自身的寫照—我們所面對的，不僅是無窮無盡的宇宙，還有無窮無盡的可能。

牛頓用三棱鏡將白光分解為光譜的示意圖（?視覺中國）

英國科學史學會前任主席、劍橋大學科學史專家帕特里夏·法拉（Patricia Fara）主要研究18 世紀的歐洲自然哲學史。針對牛頓在科學上的貢獻、17 世紀以英國為中心的科學革命，以及當時的時代背景等問題，法拉接受了我的專訪。

帕特里夏·法拉

01

牛頓是一位自然哲學家，

而不是科學家

苗千：“自然哲學”（natural philosophy）和“科學”（science）這兩個詞究竟有什么區(qū)別？

法拉：我們可以從“科學”這個詞談起。“科學”來源于拉丁語，意思是“知識”。在17、18 世紀，這個詞意味著那種可以從書本中學到的、已經(jīng)被整理出來的系統(tǒng)性知識。這是一種學術性知識，你可以學到歷史的科學、語言的科學，等等。但是，很重要的一點是，“科學家”（scientist）這個詞是在19 世紀才被正式發(fā)明出來的，所以，我認為，說牛頓是一位“科學家”肯定是錯誤的，他是一位“自然哲學家”（natural philosopher）。在科學家和自然哲學家，以及物理學家和自然哲學家之間有很多區(qū)別。比如，科學家可以進入大學，學習科學知識，然后在其中發(fā)展自己的事業(yè)，以此為生。但是，這在牛頓的時代是不可能的。在當時，你可以在大學里學習數(shù)學，但是不可能在大學里學習科學。對于牛頓以及他同時代的自然哲學家來說，在他們的研究中，宗教是處于中心地位的。他們研究科學是為了尋找上帝創(chuàng)造世界的證據(jù)——雖然現(xiàn)在有些科學家也信仰宗教，但宗教和他們的科學研究并無關系。而對于牛頓來說，宗教是處于中心地位的。還有很重要的一點是，從希臘時代開始，研究自然哲學的目的就是尋找“原因”（cause）。上帝被認為是“第一因”（first cause），人們還需要尋找其他的原因。所以說，引力就像是某種“原因”。在當時也有另一群數(shù)學家，他們并不是在尋找“原因”，而是在尋找一種“解釋”，尋找數(shù)學上的一種描述。他們在乎的是能夠利用數(shù)學來描述一種現(xiàn)象，所以，牛頓的著作才叫作《自然哲學的數(shù)學原理》，因為他所做的一件事就包括把數(shù)學和自然哲學結合在一起，這在之前是分開的兩件事。

劍橋大學三一學院門前有一棵從牛頓故鄉(xiāng)的蘋果園移來的蘋果樹（?視覺中國）

苗千：你會如何向讀者介紹牛頓？可以說他是科學史上最偉大的天才嗎？

法拉：我不會說牛頓是這個世界上曾經(jīng)生活過的最偉大的科學家，而會說他是一個得到了如此名譽的人。人們確實把他看作一位偉大的天才，但實際上這是所謂的“名人文化”（celebrity culture）中的一部分。我個人并不認為他是一個偉大的天才。他非常聰明，非常有天賦，但其他很多人也是如此。社會中確實有這樣一種趨勢，會說某個人有一些非常不同尋常的地方，然后，稱他為天才。對我來說，這就像是把他從蕓蕓眾生之中排除掉，變成宗教中的圣人一樣。有一位學者說牛頓是通過他的智慧成為天才的，超越了其他所有人。我并不同意這樣的觀點，但他確實擁有這樣的名聲。

在皇家學會展示的由牛頓制作的第一架反射望遠鏡的復制品（?視覺中國）

苗千：牛頓說他站在了很多巨人的肩膀上，這些巨人都包括哪些人呢？

法拉：首先，“站在巨人的肩膀上”這句話并不是牛頓發(fā)明的。第一個說這句話的人是一位12 世紀的法國修道士。在很多教堂的窗戶上都寫著這句話，這是一個很著名的表達方式。

其次，牛頓是在給羅伯特·胡克的一封信里提到了這句話。胡克是牛頓在科學研究上的敵人，而且，在當時他還指控牛頓抄襲自己的想法。牛頓和胡克之間相互厭惡，所以牛頓給胡克寫信解釋：“我并沒有抄襲你的想法。”而且，他寫道：“如果我真的需要抄襲別人的想法，我會站在巨人的肩膀上（而不是站在你的肩膀上）。”這就讓這場爭論顯得更加難堪了，因為胡克在生理上屬于殘疾人。他個子非常矮小，并且脊柱彎曲，從16 歲就開始駝背，等到成年時身體幾乎與地面平行了。所以，牛頓說“我站在巨人的肩膀上”，實際上是一種對胡克身有殘疾的很過分的攻擊。這在當時是一個非常復雜的情況，但有趣的是，這句話又變得盡人皆知。牛頓可以非常好客、非常迷人，但有時也會非常有報復心，甚至令人厭惡。現(xiàn)在真的難以說清牛頓究竟是個什么樣的人，因為我們現(xiàn)在只有一些對他感興趣的人留下的回憶錄。人們要么把他描述得非常美好，要么把他寫得非常糟糕。

苗千：對于那些和牛頓幾乎同時代的人，比如萊布尼茨和胡克，宗教在他們的研究中也處于中心地位嗎？

法拉：牛頓曾經(jīng)和萊布尼茨就誰首先發(fā)明了微積分有過爭論，他們在“上帝在宇宙中的角色”方面也有著非常大的分歧。牛頓認為，上帝的存在是“內在的”（immanent），也就是說，上帝無所不在，也可以對宇宙的發(fā)展進行干預。萊布尼茨則認為這種想法毫無道理。他有一個著名的表述：牛頓和他的追隨者們創(chuàng)造了一個如同蹩腳的制表匠一樣的上帝，需要不斷干預他創(chuàng)造的宇宙。對于萊布尼茨來說，上帝創(chuàng)造了宇宙之后，就讓宇宙自己運轉了。關于上帝對宇宙的作用，這是兩種非常不同的觀點。實際上，兩個人在18 世紀進行的這些辯論，不僅是關于自然哲學的，也是關于神學和物理學的。兩人之間的巨大分歧還涉及“超距作用”。牛頓認為存在超距作用，比如說，太陽與地球之間的引力可以通過真空傳播。而對于很多人來說，這是不可接受的。因為當時人們認為“物質”（matter）和“精神”（spirit）之間有著明顯的分別，物質存在于世上，而精神則屬于神。如果你賦予物質以精神，就等于行使了神的權利。在當時，關于引力的本質有著大量的討論。現(xiàn)在我們認為能量可以通過真空傳播，但在18 世紀，人們是無法接受這樣的思想的。正因如此，牛頓才提出了另外一個模型，提出在我們周圍存在著不可見、不可感知的“以太”。以太是由極小極小的相互排斥的粒子構成的，就像聲音通過空氣傳播一樣，引力通過以太來傳播。一直到19 世紀，人們才普遍接受了以太的存在。直到1905 年，愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論，以太模型才被拋棄。

02

《原理》的重要性何時開始顯現(xiàn)

苗千：牛頓一開始似乎并不是很積極地寫一部論述自己的力學研究的著作，如果沒有埃德蒙·哈雷的督促和幫助，這本書甚至可能不會出現(xiàn)。但隨后，牛頓似乎對“引力定律的發(fā)現(xiàn)者”和“微積分的發(fā)明人”這樣的稱號又格外敏感。

法拉：這本書源于哈雷、胡克以及另外一個人關于行星運行軌道的爭論，后來他們去劍橋找牛頓尋求幫助。牛頓告訴他們，這個問題他早已解決。牛頓沒有在自己的舊筆記中找到記錄，于是花了兩周時間寫了一篇論文，講述了物體之間的引力與它們距離的平方成反比的定理，并且，這會導致行星沿著橢圓形的軌道運行。于是，哈雷鼓勵牛頓把他的研究結果全部發(fā)表出來，并出錢幫助他出版了這部書。哈雷幾乎算是把紙放在牛頓的筆下讓他寫出來的。

關于引力定律的發(fā)現(xiàn)并沒有太大的爭論，但關于微積分的發(fā)明，牛頓和萊布尼茨曾經(jīng)有過長時間的爭論。牛頓和萊布尼茨看起來是在同一時間進行研究的，他們還曾經(jīng)通過信。諷刺的是，現(xiàn)在我們所使用的微積分符號是萊布尼茨發(fā)明的；更諷刺的是，牛頓實際上并不愿意使用微積分，他認為人們應該使用幾何學方法，因為他認為這是古希臘人使用的方法，而在古希臘時代之后一切都開始走下坡路了。當時在英格蘭幾乎沒有人使用微積分，但在歐洲大陸已經(jīng)有人——比如歐拉——開始使用微積分了。隨著微積分的發(fā)展，到了18 世紀末，大多數(shù)人都開始使用微積分了。牛頓和胡克、萊布尼茨、約翰·弗蘭斯蒂德（John Flamsteed）這三個主要人物都有過多年的爭論，可以說，他是一個非常尖酸刻薄的人，非常在意科學發(fā)現(xiàn)以及各種名譽。

苗千：《自然哲學的數(shù)學原理》最開始是用拉丁文寫的，其中還有非常艱深的數(shù)學。那么，它是面向哪些讀者的呢？

法拉：在這部書出版的最初幾年里，只有極少的讀者讀過這本書。牛頓說他有意把書寫得艱深，這樣他就不用不斷去向別人解釋書中的內容了。至于這部書的大眾化，以及后來人們在課本中學到的內容，都是由牛頓的追隨者們完成的。也就是說，從出版這部書到人們理解這部書有一個漫長的過程。牛頓在1687 年完成了這部書，但它在很長時間里并沒有什么反響，只有一些大學里的數(shù)學家對其進行了研究。荷蘭萊頓大學的一位數(shù)學家設計了一系列實驗對牛頓的力學理論進行驗證，之后他用拉丁文發(fā)表了這些實驗。1729 年，有人把這部書翻譯成英文，其重要性才逐漸顯現(xiàn)出來。1749 年，夏特萊侯爵夫人（émilie du Chatelet）完成了這部書的法文翻譯。此外，她還介紹了笛卡爾和萊布尼茨的思想，并且加上了很多注釋。在法國，直到18 世紀下半葉人們才認識到這部書的重要意義。當然，人們在接受這部書的過程中還伴隨著關于神學和哲學的辯論。

苗千：牛頓的宗教觀是否影響了他在自然哲學方面的研究？

法拉：就像我們會把宗教、哲學和歷史區(qū)別對待一樣，他對宗教、自然哲學，包括煉金術也都是加以區(qū)分的。

苗千：對于當時的劍橋學者來說，癡迷于煉金術是一件很常見的事情嗎？

法拉：這在當時也并不常見，所以牛頓必須非常小心。我想，對此的一種解釋是，牛頓可能發(fā)現(xiàn)周圍的一切都在以一種奇妙的方式發(fā)生轉變：橡果可以長成一棵大樹，把生雞蛋加熱就會變成固態(tài)……關鍵之處在于如何理解這種變化并且掌握它。煉金術的思路就是把鉛轉變成金，一個人的靈魂也會從黑暗轉變?yōu)楣饷鳌磺卸际顷P于轉變的。在當時，化學和宗教也是緊密聯(lián)系在一起的。

03

牛頓最大的科學遺產是什么？

苗千：牛頓曾說“我不做假設”，這是他對于笛卡爾主義者對他的引力理論的批評所做的回應嗎？

法拉：這只是他的回應的一部分。你可以讀一下他在1704年發(fā)表的《光學》，那也是一種英國經(jīng)驗主義對法國理性主義的回應。法國理性主義的理念是從一些最基本的原則出發(fā)，通過邏輯思辨就能得到知識；而英國經(jīng)驗主義的理念是從來源于實驗的數(shù)據(jù)出發(fā)，以此建立你的理論。當時英法之間有很大的敵意——英法兩國在18 世紀還發(fā)生了戰(zhàn)爭，在自然哲學研究領域，英法之間也存在著競爭關系。光學領域也是如此。當時，在法國有很多人批評牛頓的光學理論，但牛頓并沒有提供關于他做光學實驗的細節(jié)。比如，他通過三棱鏡把來自太陽的白光分解為光譜，這個實驗在技術上的難度很大，人們需要精心地設計實驗，并且要用某種玻璃來制造三棱鏡。牛頓并沒有解釋這些細節(jié)問題，所以當時很多法國人認為他的光學理論是錯誤的。

苗千：現(xiàn)代物理學包含很多假設，牛頓的方法是否已經(jīng)過時了？

法拉：牛頓說“我不做假設”，這句話的背景是非常復雜的。就像我剛才說的，其主要目的是反擊來自法國的批評。另外，我想牛頓所說的“假設”和我們現(xiàn)在所談論的“假設”意義并不一樣。現(xiàn)在很多科學家都是建立一種假設，然后通過實驗去證實或者否定這種假設。我認為牛頓所謂的不做假設，指的是他不帶任何成見地去看待這個世界，對任何可能性都表示接受；同時，他也不帶任何預設地工作，這才是他所說的“不做假設”的意思。

苗千：牛頓最大的科學遺產是什么？

法拉：我想牛頓最大的科學遺產就是任何事物都可以被量化，可以通過數(shù)學來處理這一理念。我們可以看看現(xiàn)在人類對于經(jīng)濟學的研究，實際上它和物理學的研究方法是非常相似的，所以這個理念對人類造成了巨大影響。

苗千：人們對牛頓最大的誤解是什么？

法拉：我想，是人們認為牛頓在一夜之間就改變了科學，以為他只不過是坐在一棵蘋果樹下，然后整個世界就都被改變了。事實并不是這樣的，人類花了五十到一百年的時間才完成了科學革命，而且，我們現(xiàn)在所說的牛頓力學與牛頓最初呈現(xiàn)的牛頓力學是有很大不同的。他的版本中存在著上帝，而我們理解的牛頓力學是確定性的，并沒有上帝的存在——這是由拉普拉斯在18 世紀才完成的。

圖片均來自《改變人類進程的科學理論》書中配圖