求：牛顿 伽利略将数学方法引入科学的革命性意义？

比任何人都先提倡新的实验科学技术的科学家，就是伽利略。伽利略的科学纲领像开普勒的纲领一样，确实是富有革命性的，而且，它还包含了有可能会潜在地影响所有科学的方法和结果，从这一点来讲，它有着更为重要的意义。与开普勒不同，伽利略的著作广为流传（并被译成了别的语言），而且，他的著作对他那个时代的科学家和科学思想产生了巨大的影响。这种影响甚至随着对他进行的著名的审讯和定罪而扩大了。

　　似利略做出了大量发现，不过，他的革命活动主要在以下这四个独特的领域著称于世，即望远镜天文学，运动原理和运动规律，数学与经验的关系的模式，以及实验科学或实验法科学。（有人可能会十分恰当地举出一些例子来说明，伽利略在另一个领域也很著名，这第五个领域就是科学哲学，然而，伽利略在这方面颇具革命特征的思想，都包含在实验科学和数学与经验的关系方面了。〕

　　许多证据都可以证明伽利略在运动学领域进行了富有革命性的工作。而且，17世纪中叶那些物理学著作的编、撰者们——克里斯蒂安·惠更斯，约翰·沃利斯，罗伯特·胡克，伊萨克·牛顿——都承认并使用了伽利略的那些定律和原理。至少在两个世纪中，许多科学史家和科学哲学家都在为伽利略革命而欢呼。此外，长期以来，物理学家和其他领域的科学家们一直认为伽利略是位革命英雄，甚至夸大他的作用，以致于把他说成是现代科学和科学方法或实验方法的创始人，是牛顿前两个运动定律的发现者。简而言之，伽利略似乎轻而易举地通过了鉴别是否已经引起的一场科学革命的所有检验。

　　伽利略首次公开展示他的富有革命性的科学是在161O年，当时，他发表了用望远镜探索天空所取得的最初一部分成果。在本书第1章中我曾谈到过伽利略对天空的看法的转变过程，即从个人的观察经验到得出理智的结论的转变过程。他用类推原理和物理光学说明，月球表面也像地球一样，峭壁林立，起伏不平。他发现，地球使月球生辉发亮。他看到木星系统有四个卫星，金星有位相变化。他的望远镜不仅展示了有关太阳、地球以及行星这些以前已为人知的天体的一些新的消息，而且在可视的范围内向人们展现出了用肉眼从未看到过的大量的恒星（和卫星）。

　　伽利略的发现，以及其他人的发现，首次向所有人说明了天空是什么样。金星的位相，如果与行星的表现尺寸联系起来，就能证明金星轨道所环绕的是太阳而不是地球，并由此证明托勒密是错的。所有这些发现都是与哥白尼的这一命题相一致的：地球只不过是另一个行星；也就是说，所有的发现表明，地球更像是个行星而不像是与行星不同的东西。伽利略因此立即证明，他业已说明了哥白尼体系的正确性（尽管事实是，他的发现与第谷·布拉赫的体系也是十分相容的，而在第谷·布拉赫的体系中，地球仍被看作是位于中心，其他行星环绕着太阳，太阳则围绕着地球循环运动）。

　　这些发现使观测天文学发生了革命性转变，并且从根本上使哥白尼天文学讨论的层次发生了变化。在1610年以前，哥白尼体系可能看起来是一种思想实验，一种假设的计算系统，对那些否认地球看上去像是一颗行星（即我们认为是闪耀着极为灿烂的光芒的星球）的人来讲，它是某种在哲学上荒诞不经的东西。在1610年革命发生并产生了成果后，科学家能够（并且确实）证明，地球与其他行星实在相似，而且理应有同样的运动。哥白尼非常正确地指出，地球只不过是“另一颗行星”。要想否认这种新的在经验上得到了修正的哥白尼学说，只有拒绝用望远镜去观察，或者断言，通过望远镜所看到的肯定是一种光学假象或是望远镜的透镜所产生的一种畸变，而不是行星的真面目。一些非常明智的哲学家都采取了这一态度，这一事实表明，在当时，以经验证据为基础来认识大自然是一种多么激进多么富有创新性之举。

　　伽利略在其中引起革命性变化的第二个领域就是运动学。这一课题一直被认为是自然哲学的中心；所以，在其《两种新科学》（1638）第三天对话的开场白中，伽利略夸耀说，他正在引进“一门有关一个极为古老课题的崭新的学科”（伽利略1674，147）。也许，许多有关运动的新定律和新原理都应归功于伽利略。他发现了摆的等时性——当一个自由摆动的摆沿弧线运动所经过的弧的长度越来越短时，它的运动速度也会减慢，但它完成每次摆动的全程所需要的时间却（总是）保持不变。他通过激动人心的实验证明，在空气中，重量不同的物体下降的速度几乎是相同的，而并不（像以前亚里士多德以及今天未受过物理学教育的大部分人仍然认为的那样提与物体的重量成比例的。他发现，自由降落是匀加速运动的一种情况，在这种情况下，运动速度随着时间的持续而增加，运动的距离与时间的平方成正比。他提出了矢量速度的独立性原理，并采用了矢量速度组合（合成）法，他运用这一原理来解决抛射体的轨道问题：他发现，这种运动的路线是一条抛物线。因此，他指出，当大炮的炮简与地平线成45 。倾角时，大炮的射程最远。

　　在对抛射体的抛物路线所作的分析中，伽利略勾画出了惯性运动原理形成初期的情况。一系列相继得到了改造的概念导致了牛顿1687年的惯性定律，显然，其中第一个概念就是伽利略提出来的。不过必须要记住的是，伽利略主要是从运动学角度来分析运动的。也就是说，尽管伽利略的讨论有一些或包含着一些力的作用问题，但他既没有尝试去找出引起（或导致）运动的力，也不曾试图去发现作用力与运动之间严格的数学关系。

　　伽利略的第三个贡献是在数学领域。现代科学，尤其是物理学，其特征就是用数学来表述其最高原理和定律。到了17世纪，科学的这一特征开始显示出了重要意义，而且，这种特征的重要性在牛顿的《自然哲学的数学原理》（即《原理》）出版时到达了第一个高峰。从伽利略在《两种新科学》第三天对“自然加速运动”的讨论里，我们可以看到伽利略方法论具有革命性的一面。伽利略在提出这一话题时解释说，假设任何一种运动并从数学上说明其本质，这种做法（就像以前经常做的那样）是完全合理的。不过，他愿遵循另一种方针，亦即“找出并阐明与大自然所进行的那种运动［加速运动烬可能完全一致的定义。”在考虑“在某一高度静止不同的”石头是怎样下落之后，他得出结论说，“新增值的速度”的连续获得，是由“最简单和最明显的规律导致的”（伽利略1974，153-154），这就是说，这种增值总是以同样的比率持续进行的。因此，（a）在下落的每一连续相等的特定距离内，或（b）在所消逝的每一连续相等的时间间隔内，速度的增加肯定总是相等的。伽利略出于逻辑上的理由对等距规则不予考虑，转而着手阐述等时规则的各种数学推论，其中有这样一个结论：在匀加速运动中，“物体在任何时间内所通过的距离都与各自所用的时间成倍比”（也就是说，它们各自都与那些时间的平方成正比）。伽利略随后对“这是否就是大自然在她的下落的物体上施加的加速作用”提出了疑问。

　　答案是通过一项实验找到的，这一实验程序“在把数学证明应用于物理学推论的那些学科中是非常有用和非常必要的”（伽利略1974，169）。实验也许看起来是相当容易的，但实验设计和对实验结果的解释，需要对现代科学的基本原理有高水平的理解（参见下文）。要正确地评价伽利略程序具有何等的革命性和创新性，我们应当把它与中世纪的数学家一哲学家们的活动加以比较和对照。在12、13和14世纪，数学家一哲学家们一直在积极探讨运动问题（参见第5章｝，他们的数学发展处于一种抽象的水平。在这里，运动问题属于一般的范畴，这一范畴包含了从“潜在性”到“实在件”（亚里土多德的定义）的任何一种可以量化的变化，这里的“潜在性”和“实在性”包罗万象，从爱、仁慈到（从一处向另一处的）地点的变化。所以，伽利略要根据（并举例说明）自然界中实际出现的运动来阐述有关运动的数学定律，这的确是一个大胆的举动。以前同样也没有人发展到用实验检验来证明物理学定律——而这里正是伽利略为科学做出重要贡献的第四个领域。