宇宙体系的颠覆

    哥白尼、第谷和开普勒

    “太阳荣居中央。”

    ——哥白尼（Nicolaus Copermcus，1473—1543）

    对于一个学者来说，15、16世纪之交是激动人心的年代。探险家和冒险家正在涉足已知和未知世界，并带回各种传奇般的故事。艺术家、作家和哲学家活跃异常。这是一个巨人辈出的时代，他们中有达·芬奇（Leonardo da vinci，1452—1519）和米开朗其罗（Michelangelo，1475—1564）。学者们在街上和客店里议论着古典时代的辉煌，他们刚刚摆脱中世纪僵化的哲学，开始以激动的眼光迎接未来。

    新世界就在地平线上，新的知识领域就在前方召唤。世界仿佛刚从沉睡中醒来，晨曦初露，正如某些科学哲学家所说，范式似乎正在转换。也就是说，人们所掌握的相关事实和理论体系，以前看来是如此的合理可靠，现在却显得像沙丘一样不稳定。

    这就是哥白尼于1491年面对的一片忙乱的世界，其时正值他开始在波兰克拉科大学求学。就在哥伦布起航的前一年，哥白尼也开始自已的航程，驰向的是有待发现的新的知识领域，他全身心投入这样的航程，如同一位船长全身心勘探未知海域那样着迷。

    哥白尼和一场革命的诞生

    哥白尼（他的父母给他取名为Niklas Koppernigk）于1473年2月19日出生于托伦城，现在是波兰中北部的一个商业中心，他的父亲是来自克拉科的一位商人，专做铜的批发生意［他们家庭的姓也许就是取自铜（copper）］，他的母亲华森罗德（Barbara Waczenrode）来自当地有名望的德国家族。哥白尼是四个孩子中最小的一个，在他10岁的时候，父母双亡，哥白尼36岁的舅舅华森罗德（Lucas Waczenrode）成为这些孤儿的监护人。对于年幼的哥白尼来说，父母早逝确是一场沉重的悲剧。由于舅舅成为监护人，导致他的命运发生巨大转机。很难预料，如果他的双亲健在，哥白尼的生活会作怎样的选择。按当时的习俗，他也许会继承父业而进入商贸行业。但是在舅舅的监护下，他却面临完全不同的机会之门。

    华森罗德是一位曾分别在克拉科、莱比锡和布拉格求过学的学者，以优等成绩从博洛尼亚大学获取了宗教法规专业的博士学位，1489年，就在他姐夫去世几年后，他得到一项任命，是到波罗的海一个小公国，叫爱姆兰（Ermland）的地方去当主教。华森罗德懂得学习的重要性，并有足够的经费和社会声望来支持姐姐的孩子们，他鼓励哥白尼和他的哥哥安德勒斯（Andreas）进入克拉科大学。在哥白尼22岁时，舅舅为他谋得了在弗劳恩堡（Frauenburg）大教堂当教士的终生职业。这个职位薪水丰厚。尽管他有义务去就职，不过该职位并不要求他连续在职，于是在超过12年的时间里，他多次离职，进行自己的学术研究。就在那段日子里，他把自己的姓名Niklas Koppernigk拉丁化为Nicolaus Copernicus，这是当时学者们常有的作法，借以表达他们对古典时代以及志同道合的同事间友情的敬意。

    哥白尼是一个具有充沛创造力的年轻人，在文艺复兴的鼎盛时期，他完全有机会融入其中。他迅速适应了大学生活，贪婪地购买书籍（这是印刷术发明以来才具有的一种崭新机会），参加数学和天文学的讲座。他涉足来自意大利的人文主义思想，从中吸取力量以便与克拉科流行的更为僵化的经院哲学教义相抗衡。由于受到意大利那种生机勃勃的学术气氛的感召，哥白尼于1496年来到意大利的博洛尼亚大学，然后又到帕多瓦和费拉拉求学。在意大利，他更深地融入了人文主义者的世界，在这个世界里，学者们从一个大学转到另一个大学，针对哲学、艺术和生活写下精彩的长信。这些信件往往像小册子一样在学者之间争相阅读，年轻的哥白尼就是其中一位，他在智力领域里流连忘返，在活跃的人文主义氛围中贪婪地吸取知识。他学习教会法规，从事他最初的爱好——天文学和数学以及希腊文、医学、哲学和罗马法律。在博洛尼亚，他有机会和诺瓦腊（DomenicoMaria da Novara，1454—1504）一起研究，诺瓦腊是当时最伟大的天文学家之一。这段时光为他以后能在科学革命中扮演伟大的角色奠定了基础。

    尽管哥白尼学习教会法规和医学，不过当初他在克拉科大学最初爱上的却是天文学。他阅读了该领域所能找到的全部书籍，利用每一个机会去学习当时所用到的观测方法。在博洛尼亚，在导师诺瓦腊的指导下，他首次进行天文学观测记录。

    作为一位有眼光的读者和思想家，当哥白尼意识到托勒密体系（地心说）中存在诸多不相协调之处时，他迅速占据了天文学研究的制高点。当时已有一些天文学家指出，托勒密体系中有太多的预言与实际观测不相符。误差常常达到数小时甚至数天。许多人开始怀疑，是不是这一复杂而笨拙的天球与本轮体系在什么地方出了错。

    再有，当时正在南欧复兴的柏拉图主义强调数学、简单性和完美性，诺瓦腊就是这一运动的弄潮儿。一个崇尚柏拉图的简单性和数学美的学者在托勒密那笨拙而复杂的体系中绝不可能找到和谐或优美。哥白尼显然很早就在开始考虑另一个更简单的宇宙结构：日心体系，太阳处于地球和行星的中心。

    当然，他并不是第一个有此想法的人。有好几位古希腊人都提出过类似思想，其中包括毕达哥拉斯和阿里斯塔克斯。但是，托勒密复杂的地心体系事实上已经被采纳和灌输了几乎1 400年。托勒密体系也与基督教神学吻合得很好，在后者看来，人类就是创造过程的中心，是按照上帝形象而得到的产物。地球作为人类的家园，当之无愧享有这样的优越地位。当我们仰望夜空并且注视天体在头顶的运行路径时，直觉似乎在提示我们，没错，就是这么回事。

    1503年，哥白尼完成了他的教会法规博士论文，回到弗劳恩堡，继续履行那里的行政职务。但是刚刚安顿好，舅舅在海尔斯堡生病，召他前往当其私人医生。三年后哥白尼重新定居于海尔斯堡，从1506年至1512年与他的舅舅生活在一起，直到这位主教去世。也许就在这段时间里，他完成了关于日心说的最初草稿。

    1514年，在返回弗劳恩堡之后，他写下了新体系的粗略大纲，并把这份大纲谨慎地拿给朋友们传阅。他把这项工作结集成书，即《要释》（Commentarious），后来更为详尽的工作就是在此基础上展开，那就是《天体运行论》（亦译为《天球运行论》）（De revolutionibus orbium coelesti—um），他余生的大部分时间都在做这一工作。

    哥白尼的房间在弗劳恩堡大教堂的塔楼里，从这里，可以看到波罗的海上空。他在房顶安装了一个小型观测台，配以少数几件当时的标准天文学仪器（那时望远镜还没有发明），偶尔会爬到塔上去进行观测。

    尽管哥白尼被认为是当时一位重要的天文学家，不过他主要还是依赖别人的观察事实，其中包括托勒密的观测结果。他把时间更多的用于精确计算，钻研书本。他仔细地比较了托勒密《天文学大成》几个不同的版本，找出誊抄或翻译中可能出现的错误，并在许多个夜晚冥思苦想。就像他所羡慕的希腊人一样，比起观测来，他更信任的是推理的力量。

    他从托勒密那里继承来的问题就是如何解释行星的奇怪行为。太阳、月亮和众恒星看来是每24小时在头顶循环一圈，似乎很容易预测，行星则不然。有时，正如希腊人观察到的那样，这些“漫游者”似乎在返回做逆行运动。托勒密对这个问题的解释是：每个行星都在围绕一个看不见的中心运转（小圆），这个中心又围绕地球运转（大圆）。想象一下，你正沿着一个大圆跑步，不时又改变轨道绕着一个小圆跑上几步，随后再回到大圆。这一基本概念，托勒密称之为本轮，可以大体上调和观测结果与亚里士多德早期理论之间的不相协调。亚里士多德认为，所有天体都在同心球壳里围绕地球旋转，球壳一个套着一个。但是，更多更细致的观测表明，托勒密体系似乎越来越经不起观测事实的检验。有些天文学家不得不为已经够复杂的托勒密体系添上更多的球壳和本轮。也许是渴望找到一个更为简单、在数学上更为优美的解释体系，哥白尼在后来写道，“这样一种体系似乎既不足够纯粹，又不能在心智上带给人足够的愉悦”。

    伟大的中世纪学者，奥卡姆的威廉，尽管不是柏拉图主义者，不过针对复杂理论，他曾发出这样的警告：“若无必要，勿增实体。”今天许多科学家赞同这一思想，称之为“奥卡姆剃刀”，这就是说，当两个理论同时符合观测事实时，最少假设的理论也许最接近真理。当时，科学家相信自然定律是简单的（即使自然本身可能是复杂的），他们倾向于选择简洁而不是复杂凌乱的理论。

    哥白尼面临的就是一个凌乱的理论，他需要的是更简洁的理论。

    哥白尼问道，如果重新拟订托勒密的方案，使众行星围绕太阳而不是地球旋转，这样对所有的观测和计算会带来什么影响呢？他决定试试。这一决定要求以完全不同和革命性的方式来看待宇宙。

    正如后来他在《天体运行论》中所写：“我开始考虑地球的运动……尽管这一想法似乎很荒谬。”不过他认为，作为一个理性的人，他应该有这样的自由，就像希腊人那样，尝试以各种可能的解释来解决这个问题，包括地球在动，而不是太阳在动的思想。尽管有少数希腊哲学家有过同样的思想，但他们并没有详细展开或者试图与实际观测或计算进行对照。正是哥白尼不仅首次考虑这一思想，而且试图计算，如果行星体系取围绕太阳而不是地球的圆形轨道，结果会是怎样。这是一项漫长而困难的工作。但是他终于相信，这一新体系是正确的。行星轨道的中心是太阳而不是地球。

    那么，为什么它们看起来像是围绕地球在旋转呢？他说，地球绕自己的轴每24小时旋转一圈，这就造成了天空似乎在头顶转动的景象。他相信，比起固定的恒星天与地球的距离，太阳距地球的距离几乎可以忽略不计（他认为，恒星天位于空间的外沿，正好在最远那颗看得见的行星之外）。太阳的周年视运动是由于地球绕太阳旋转的结果（而不是相反）。他说，只有月亮是围绕地球旋转。火星、木星和土星（当时已知的三颗地外行星）那奇特而神秘的逆行运动是由于这样的事实，它们也像地球一样环绕太阳运动，不过离得更远一些。以更小的轨道环绕太阳运行的地球，有时会超过这些轨道更大的地外行星，于是它们看起来就像是在天空中做退行运动。

    在哥白尼看来，只要你敢于打破这一概念——地球必须是宇宙的中心，于是，一切都是那么的显而易见，美丽又精致。但是，传统概念已在上百年的时间里至高无上，它不仅在宗教和世俗思想里根深蒂固，而且在每个人的“常识”里牢不可破：抬头望天，就会看到太阳在“运动”，而地球在我们的足下显然静止不动。正如他后来所写，他害怕：“有些人……会马上对我怒吼，把我和我的意见轰下讲台”，他还进一步解释说：

    “我犹豫了很长时间，究竟要不要发表我为说明地球运动所写的文章，或者宁可仿效毕达哥拉斯学派的先例，把哲学奥秘只口授给亲戚朋友……由于新奇和我的理论的推理明显违反常理，我可以预料会遭到嘲笑，我几乎被迫把整个已完成的工作放在一边。”

    1539年，一位年轻的德国路德派的数学教授来到弗劳恩堡，求访著名的天文学家。他的拉丁化名字叫雷梯库斯［Rheticus，1514—1574，出生时名为乔治·约阿希姆·冯·拉赫（Georg Joaehim von Lauchen）］，他早就非常佩服哥白尼，很有兴趣听到有关日心说的正式表达，因为这一思想早在《要释》完成之前，已在私下流传多年。尽管哥白尼不怎么愿意，但这位年轻人最后还是说服他公开出版。因此，哥白尼体系的最初著作是一份提纲，由雷梯库斯在1540年撰写。许多人认为，哥白尼曾在“九年内几乎四次”克扣隐瞒自己的思想，正如他自己所说，因为他害怕天主教会的惩罚。不过他预料到，即便雷梯库斯的冒险举动会招来官方的大声抗议，但他本人必定会得到赦免，因为教皇和红衣主教都鼓励他出版完整的手稿。（后来的人就没有那么幸运，因为哥白尼正好生活在天主教会相对宽容的末期，此时教会似乎很少意识到在科学和基督教义之间会有冲突。）

    雷梯库斯是一位大胆、热心和勤奋的人，他负责监督出版工作。但是印刷的最后阶段是由纽伦堡的一位路德教会的神学家奥西安德尔（Andreas Osiander，1498—1552）负责，出于不明原因，在没有征得哥白尼同意的情况下，他擅自加上一篇没有署名的序。此举也许是希望讨好路德教会的创始人路德（Martin Luther，1483—1546）。路德已经公开宣布反对哥白尼，宣称“这个白痴要颠倒整个天文学，但是圣经告诉我们，约书亚（Joshua）命令站住不动的是太阳，而不是地球”。奥西安德尔的序言指出，哥白尼体系纯粹是一种假设，一种假想的方法，是为了帮助天文学家预言行星的位置，并不是想用它来表示实在的宇宙。尽管迟迟才付诸出版，但谨慎的哥白尼也许决不会同意这种避开真理的做法。但是据说，第～批样本从出版商那里运到的当天，正值哥白尼去世，我们也许永远不会确切知道，他是否看到了这篇有争议的序。

    第谷：恒星的观测者

    1543年，哥白尼体系以其简单性、规律性和协调性受到欢迎，它作出了更好的天文学预言，至少在当时。但是实际上在当时那也就是它的全部了。除了在这些方面稍稍见长，托勒密地心说或哥白尼的日心说同样有效。两种理论都能解释为什么行星有时看上去逆行，正如希腊人爱说的，都足以“拯救现象”。没有证据也没有观测事实能够支持其中的一方更有说服力，它们都只不过是假说而已。

    哥白尼体系使人产生满足感，但是仅仅凭借这种满足感还不能判断它就是真的。在科学上，优美性和合理性不同于实验证据。证据只能来自观测或实验证明了的东西；然后还要观测、再观测，如此重复，最后，看结果如何。在16世纪，如果你希望找到有关宇宙运作的真相，你就必须抬头望天，看月亮，看行星，看众恒星——必须长期而仔细地观看。

    在望远镜发明以前最伟大的天文观测家是一位具有传奇色彩的怪人，他的名字叫第谷（TychoBrahe，1546—1601），出生于哥白尼死后第三年。他是丹麦贵族的儿子，丹麦名字是Tyge，后来拉丁化为Tycho。他是一位神童，13岁就进了哥本哈根大学，起初打算学政治，但在1560年，也就是14岁时，由于亲眼看到日食，他突然改变了主意。从那时起，第谷就以前所未有的热忱、精确和细心地记录，走上了天空观察者的人生道路。

    第谷大腹便便，坐在高高的观察台上，形象不佳，且脾气暴躁。18岁时，由于和另一位数学家在一个晦涩的数学问题上发生争执，最终发展为决斗。决斗中，第谷的鼻子被对方的剑削掉一块，后来，第谷用一块合金材料替代上去（这是一个流传很久的传说，1901年第谷的墓被人打开，从他的遗骸证实了这个传说）。他傲慢而自豪，据说每当进行观测时，都要穿上贵族服装。他懂得享受，酒窖里的酒总是满满的，拥有储存充分的地下酒窖；还雇用一大群仆人，其中包括一名侏儒，为他服务，讨他欢心。据说他拥有自己的私人牢房，每当他的仆人和农奴违反规则时，就被关押在那里接受惩罚。

    第谷的养父因抢救丹麦国王弗雷德里克二世而患肺炎去世，出于感激，国王把哥本哈根附近海岸的一个小岛封给第谷。国王还全权委托他建造当年最高级的天文台。

    由于他敏锐的观察力和对细节的高度注意，再加上他那精心制作、昂贵奢华的精密仪器（许多是他自己设计的），第谷得到的数据，精度要高于所有人。他以极端的精确和专心致志投入观测，无数个小时，无数个夜晚，详细观测众恒星的位置，记录它们出现的时间，列表比较众行星的位置。

    就在他的天文观测台完工后，他敏锐地注意到了夜空中出现的两大奇观。1572年，第谷认出一颗“新星”（有时叫做“第谷星”，它实际上是一颗爆炸后形成的垂暮的恒星，我们现在称之为超新星），这是自从喜帕恰斯时代以来看到的第三颗新星。1006年和1054年被日本和中国的天文学家观察到的其他新星，欧洲科学界由于处于封闭状态而不得知。亚里士多德认为月上世界是完美而不变的，对于那些固着于亚里士多德思想的人来说，夜空中的这一星光实在耀眼得令人难以接受。

    1577年，有一颗彗星出现，这是给天文学家和迷信的天空观测者带来不安的又一个奇观。如今，最新的理论假设，彗星起源于名为奥尔特云的区域，这个区域远在太阳系之外。它们穿过太阳系，绕着太阳疾驰一圈，随后又沿着原路飞离而去。尽管彗星以前也出现过，但亚里士多德却把它（还有流星）解释为是发生在地球与月亮之间的大气层事件。许多人把彗星的出现看成是灾难临近的可怕警告（有些人至今还是如此）。第谷用卓越的仪器进行精确的测量，从而无可辩驳地证明，这一彗星与地球没有关系，而是沿着远离月亮的上层轨道运行。第谷还观测到，彗星的轨道是椭圆形的，这就再次打击了关于天空完美性的说法，因为据亚里士多德的说法，只有圆才是完美的。同时亚里士多德的另一个理论也受到威胁：如果天空是由层层套叠的水晶球壳组成，彗星的轨道又怎能像第谷观测到的那样穿越这些球壳呢？即便是提出新理论的哥白尼，也给传统的固体球壳留有余地。第谷挑战性地写道：“现在对我来说十分清楚，天空不存在固体的球壳。”到16世纪末，许多向来被认为是理所当然的东西突然间有了疑问，因为人人都能见到这些奇观，一位怪异、谨慎且脾气暴躁，还带着金属鼻子的观测者不仅见到了这些奇观，还进行了测量。

    但是第谷仍然不相信哥白尼提出的地球绕太阳旋转的说法。他同意哥自尼的只是火星与其他行星绕太阳旋转，但对于地球，他的理由是，如果地球在运动，我们应该能够感觉到。这在当时并不是没有道理的假设。如果人骑在马背上越过草地，他一定会感到风从身边吹过；如果人坐在车厢里，他应该感到摇晃和车轮的滚动。他知道真空中的运动会是什么样子（当时没有人相信真空能够存在），或是连续匀速连方向也不改变的运动会是什么样子？（当我们乘坐在以每小时500英里的速度平稳疾驰的飞机中时，我们就接近于后一种运动的体验。但是这种体验在第谷时代是不可能有的。）所以，第谷作为一位非常出色的观测家而不是理论家，提出了他自己的折中体系——把托勒密体系与哥白尼体系综合在一起——写进了1577年的一本关于彗星的书中，这本书于1583年出版。第谷采纳了行星绕太阳旋转的思想，但是他建议太阳本身又围绕地球旋转。这样第谷既保留了传统的地心宇宙，又利用了哥白尼有用的思想，即太阳处于行星体系其余部分的中心。

    但是，第谷的好运快要到头了，至少暂时如此。1581年，他的资助人弗雷德里克二世逝世，继承王位的克里斯钦四世却对这位暴躁的天文学家没有弗雷德里克二世那种感激和羡慕之情。1597年，这位国王收回了第谷的小岛及天文台，并且向第谷说再见。于是，第谷只好前往德国，求助于德国皇帝鲁道夫二世。这位德国皇帝邀请他在布拉格定居，给他帝国数学家的头衔，其实这就相当于荣誉占星预言家。当时正处于战火纷飞的年代，国家与国家之间，不同教派之间打得不可开交，人人都卷入其中，新教徒与天主教徒互相开战。一个外来的天文学家几乎没有什么可选择的机会，于是第谷欣然从命，因为他知道在业余时间还是有可能继续进行观测的。但是他这时已经是50开外的人了，他开始物色一名助手来帮他分析众多没有发表的数据。

    1599年，他发现了开普勒（Johannes Kepler，1571—1630）。

    开普勒和椭圆轨道

    或者，更准确地说，是开普勒发现了第谷。当开普勒遇到第谷时，这位年轻人已是一位准天文学家和占星术家，薪水不稳定，婚姻糟糕，大学伙伴们还把他当做笑柄。但是他此刻已经写了一本书，于1596年出版，在书中，他试图把柏拉图关于固体天球的思想与哥白尼体系调和在一起。这本书的神秘性多于科学性，让许多天文学家感到更加神秘莫测，而不是受到启发，但是开普勒精通数学，这一点吸引了第谷。

    但是，这两个人相处并不融洽。开普勒觉得当他向导师求教时，第谷有所隐瞒。“第谷没有给我机会来分享他的实际知识，除了就餐时的谈话，今天讲讲远地点，明天讲讲别的行星的交点。”开普勒多次威胁要离开。

    最后，第谷完全屈服了。他说，把火星的资料拿去，分析这些观测结果吧。开普勒竟夸下海口，说他会在8天之内得到答案。他不知道在夜空中容易看到的火星运动，已经完整精确地记录在案；他也不知道这些运动与已有预言远远不相吻合。这个项目让开普勒做了不是8天，而是8年。当完成这项工作时，他才发现，错误不仅出在哥白尼和托勒密的体系中，第谷的体系也有错误。

    但是，第谷并没有能活着看到开普勒艰辛工作的成果。1601年，一生富有传奇色彩而又固执己见的第谷由于膀胱破裂去世（据说，他在皇家宴会上喝了太多的啤酒，感到自己不便离开，以至无法解手）。他临终时恳求说：“不要让我徒然死去。”开普勒应第谷的请求，继承第谷当了帝国数学家。

    开普勒有一次说起他导师丰富的资料积累：“第谷富甲天下，但是像天下大多数富人那样，他不知道如何恰当使用这些财富。”开普勒现在负责第谷的数据库，他知道如何正确地使用它。

    与第谷不同，开普勒相信哥白尼的思想是正确的，他着手在第谷丰富的资料中发现太阳系一般轮廓的证据，就从火星遇到的问题人手。观测表明，行星，特别是火星，以不同的速率运行，有时慢，有时快，当越是靠近太阳时速度也越快。开普勒用了6年时间，尝试用各种假说来解释这一奇怪现象。每试一种假说都要伴以复杂的计算。当然，他没有计算机来为他处理数据，甚至也没有袖珍计算器或计算尺，因此，处理这些问题需要花费大量时间，需要专心致志，更需要专门技术。最后，他勉强得到这样的结论：行星的轨道不可能是圆的。

    1609年，开普勒在一本名为《新天文学》（Astronomia Nova）的书中发表了自己的成果，他提出了后来被称做开普勒行星运动三大定律中的前两个定律。对于关心这类问题的人来说，这本书的出版就像是一场地震。开普勒的观点完全和他自己的柏拉图主义倾向以及基督教神学相反，认为行星不是沿着亚里士多德和托勒密体系中神秘完美的圆形轨道运行，而是沿着椭圆轨道，一种不那么完美的扁圆轨道运行。不像正圆，椭圆有两个中心，即焦点，开普勒说，太阳位于其中的一个焦点。（这就是开普勒第一定律的要旨。）仅仅这一思想就足以引起红衣主教长老会压制该书的出版，事实正是如此。

    开普勒在第二定律里提出一个数学公式，来描述行星沿太阳运行时的速率变化。总之，当行星围绕太阳旋转时，从太阳到行星之间的连线，在同样的时间间隔内，扫过同样的面积，无论行星运行在轨道的哪一点上。结果行星越是靠近太阳，连线越短，行星也就走得越快，这样才能扫过同样的面积。

    与此同时，在1604年，即在不到40年内，开普勒看到了第二颗新星，这颗星被称为“开普勒星”。这一事件震惊了欧洲的知识界，它与文艺复兴和宗教改革所带来的影响相汇合，激起一股风起云涌般的新知识浪潮和质疑之风气。一群追随伊壁鸠鲁传统的哲学家走得更远，他们甚至提出，也许是有一大堆原子偶然聚合在一起，形成了新星。但是强调和谐与“天球音乐”的柏拉图主义，在人文主义者的心里仍然占据主导地位。开普勒作为一个虔诚的宗教徒，他反对宇宙被偶然性所统治这样的暗示。他喜欢把这一说法与他妻子晚餐时给他准备的色拉相比较：

    “看起来”，我大声说道：“如果盘子、生菜叶、盐粒、水滴、醋和油以及鸡蛋片，在空气里到处飞舞，永不停歇，也许最后偶然聚到一起，正好组成一盘色拉。”我妻子说：“是的，但不会像我做的这样精致漂亮。”

    开普勒仍然受柏拉图主义的影响，现在他开始着手确定，行星距太阳的距离与行星绕行一圈所需时间之间的关系，他确信一定存在这一关系。他成功了。1619年，他在《世界的和谐》（HarmonicesMundi）一书里发表了第三定律。他说，任一行星围绕太阳旋转的周期的平方，与其轨道半长径的立方成正比。这个公式适合于他所记录的每一次观测。开普勒为此心满意足，他把这一定律看成是宇宙最终的和谐与完美的有力证据。

    后来发现，开普勒的行星运动定律同样适合于开普勒不知道也从未想到过的天体。当伽利略后来通过望远镜第一个观测到木星的四颗卫星时，观察表明，它们按照同样的原理围绕行星旋转。许多年以后，当聚星体系被发现时，人们发现它们也遵守同样的定律。

    开普勒三大定律还预示了科学中的重要变化。不像希腊人和之后的许多人，开普勒并不企图解释行星为什么运动，只是说明行星如何运动。他利用数学和观测数据去讨论行星运动，正如科学作家格雷戈里（Bruce Gregory）所写：“开普勒远远不只是描述了行星运动；他发明了一种对待天体运动的方式，这种方式至今仍有价值。”

    对于行星运动的机制，开普勒不仅试图给出科学的解释，而且还对吉尔伯特（WilliamGilbert，1541—1603）发表于1600年的《论磁》一书极感兴趣。开普勒的工作表明，他猜想太阳是以磁的方式对行星施加某种物理控制，从而使行星作旋转运动。

    三人组台的遗产

    到头来，这三个人——哥白尼、第谷和开普勒——掀起了一场真正的革命从而使人们换一种方式来看世界。他们从事科学纯粹出于热爱（他们中没人以此为生；现代职业科学家的时代还未到来）。还要记住的是，这三位科学家中的每一位，尽管各有不足或怪癖，但都是在前一位的基础上才谈得上作出自己的贡献，从丽带动了科学上重要的进步。这一点正是理解科学及其运作机制的关键。

    哥自尼显然信奉亚里士多德水晶球壳和恒星悬挂在外层球壳上的思想。我们今天知道，他并不曾想到地球大气之外的空间是无限的，即使最近的恒星也在4．5光年之外。尽管如此——这在科学上是常有的事——他还是为观察事实与理论的不合而烦恼。结果，他开始质疑理论，想到：也许我们是从错误的观点看待整个事物。如果是太阳，而不是地球处于中心，事情会怎样呢？然后，他借助计算，看看这一理论是否有效。它也许并不完全有效，但却比以前任何想法都更有效，于是他给后来者提供了更好的依据。

    第谷坚定地相信自己的妥协方案亦即地球依然位于中心，但是他错了。他收集了庞大的观测数据来证明他是对的。数据并没有证明他的观点。但是即使他的理论是错的，他也作了仔细而诚实的观测，而这些观测有助于引出比他自己更好的关于宇宙的新设想。这是科学上重要的一点：你的假说错了多少都没有关系，只要你愿意检验它，并允许别人也来检验，重复地进行检验。重要的是这一过程：假设、检验、分析结果，并根据这些结果得出新的结论。第谷是一位伟大的数据收集者，是肉眼观察时代最精确和细心的天文学家。在这方面，他为人类知识的总和作出了无法估量的贡献。

    开普勒最初认为，行星轨道必定是圆的。他是一位神秘主义者，一位柏拉图主义者，他的直觉告诉他，太阳系的这一观点一定是正确的。他也错了。他很长时期都没有放弃对圆轨道的设想——直到他试过能想到的各种方案。人们很难摆脱一个已有的假说，但最终他做到了，并提出了一个思想，后来证明它非常漂亮，那就是椭圆。所以，基于哥白尼与第谷的贡献，开普勒得以解决一个宇宙之谜，并且为17世纪的后人创造了条件，而即将到来的就是科学革命全面展开的激动人心的岁月。

    一门“广阔而又最优秀的科学”

    伽利略和方法的开端

    在科学问题上，一千个权威也抵不上一个人的谦卑的推理。

    ——伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）

    伽利略是科学革命时代巨人之一。尽管哥白尼、第谷和开普勒已带来开创性的工作，但传统依然顽强地阻挠人们接受新的宇宙观。“许多年以前，我就成了哥白尼主张的皈依者。”意大利科学家伽利略1597年在给开普勒的信中这样写道。他已彻底信服了，他发现运用哥白尼理论可以解释托勒密体系留下的许多“无法说明的”现象。但是伽利略在同一封信中承认，他长期以来不敢公开发表自己观点，害怕世人会嘲笑他，就像嘲笑哥白尼那样。“如果像您那样，我就应当敢于提出自己的观点”，伽利略向开普勒透露说，“但是我不像您，我却是退缩了。”

    从上述伽利略给开普勒的信中，人们容易想象，伽利略是一位胆怯犹豫的人，对自己的观测没有自信，不愿意让自己的思想和观念经受风险。事实上，这封信与其说是这位伟大科学家本人的写照，还不如说是对他时代背景的更好写照。伽利略年轻时是一位易怒、矮壮、有着一头红发的男人，他的思想风格和工作成就在科学史上俨然是一座丰碑。他对运动和力学提出了重要见解，在天文学方面作出了突破性的贡献。最重要的是，他为科学研究带来了前所未有的方法。在生命的最后20年，他深深地卷入一场伟大的争议之中，这就是哥白尼和托勒密体系之争。

    “请振作起来，伽利略”，开普勒在回信中写道，“公开亮相。如果我没有搞错，欧洲只有少数杰出数学家与我们见解不同。真理的力量是多么强大啊。”对于经常处于低落状态、更为年轻的开普勒来说，这是一次罕见的乐观情绪的进发。但遗憾的是，他还是低估了当时保守思想家的顽固，这些人抓住传统思想不放。

    伽利略1564年2月15日出生于意大利的比萨，同年莎士比亚在英国出生，米开朗其罗去世前三天伽利略出生。与他们两人一样，对于当时正在欧洲发生的文艺复兴运动，伽利略是一位真正的参与者。他喜欢音乐和艺术，爱好文学和诗歌，会弹鲁特琴，并且用画笔和水彩颜料来展示他在天文学上的发现。他也是一位优秀的作家，能够以清晰动人的文笔表达自己，具有讽刺意味的是，这却为他招来了更多的非议之声。若是文笔晦涩，读者就会更少，对于传统思想的威胁也就更少。无论他亮出多少有利于自己观点的证据，但由于笔中带刺，那些被刺痛的人很难不注意到这样的声音。

    暴躁的伽利略也是一位老于世故的人。尽管他从未结婚，不过他和他的情妇马琳娜·甘巴（Marina Gamba）生有三个孩子——一男两女。他是一个信心十足、感情丰富的人，钟爱孩子，当后来马琳娜终于和他人结婚离去时，他把孩子留下了，自己抚养他们长大（对于他这样的单身汉，家务事可不是一件容易的事）。晚年，他就住在阿尔赛特里的圣玛梯奥修道院附近，女儿维吉尼亚（Virginia）和利维娅（Livia）也在那里居住。维吉尼亚以修女玛利亚-舍勒斯特署名，与父亲写下一系列家庭信件。这些信件不久前被人发现并被译成英文发表，透露了这位伟大科学家性格中谦逊和人性的一面。

    伽利略还是孩提时，随家庭迁移到佛罗伦萨，这里是文艺复兴的中心。他在这里生活到1581年，他从周围环境中吸取了丰富的艺术和哲学养料，这些养料就此成为他生活中的一部分。17岁时他离家来到比萨大学学习医学，这是他父亲，一位贫困潦倒的数学家为他选定的职业。（在当时，医生的潜在收入要高于数学家30倍。）

    在比萨时，据说，有一天，年轻的伽利略正坐在大教堂里，他注意到天花板下美丽的吊灯在随风摆动。此时的伽利略，更愿意观察并且沉思自然奥秘，而不是通过宗教的方式进行哲学思辨，他不由得全神贯注地观察起吊灯的摆动。他用脉搏度量摆动的时间，并且注意到，在他观测的时间里，在一定的脉搏跳动次数间，吊灯也总是摆动相同的次数。随着时间的流逝，摆弧有所变短，但是摆动的一个来回总保持同样的时间。后来，伽利略在家里进一步研究这个问题。为了验证他的观察，他设计了一套简单的实验。他挂上不同重量的摆锤，使其摆幅分成大、中、小三种，再用脉搏来计时（这是他所能用的最好测量手段）。在给定的时间间隔里，摆动的次数不变，除非改变摆弦长度。

    伽利略已经发现了运动和动力学中某些基本的东西。但是更为重要的是他的方法：他不只是通过逻辑推理，像古希腊和他的大多数同时代人——当时的科学家或者“自然哲学家”那样，而是通过测量时间和距离，并把数学引入物理学中，然后他用实验检验和证明他的观点。

    还有，任何人都可以重复伽利略的实验，并且得到同样的结果，这是新“科学方法”中的另一个关键原则。尽管别人，包括培根（Francis Bacon）和吉尔伯特也曾倡导这一方法，但伽利略才是倡导可重复和可检验性的第一人。他成了17世纪科学主流中的先锋，其主打思想就是自然定律是数学化的，因此，科学家运用的方法也应该是数学的。

    在这一点上，科学史家认为，伽利略比任何前人都更为接近阿基米德。在伽利略之前许多个世纪，即公元前3世纪，阿基米德通过仔细观察杠杆的工作原理和物体如何漂浮起来，然后把他看到的内容抽象成数学公式，这是远远领先于时代的工作。

    事实上，伽利略对数学是如此之热爱，以至于最终他成功地改变了职业，尽管与他父亲的愿望相反。但是意志坚强的伽利略并不总是容易相处，因为经常向古代权威进行挑战，比萨大学的许多教授已经与他疏远。在那时，要求一名优秀学者做到的无非是逐字背诵古代著作，并且不假思索地运用这些已被普遍接受的思想。从当时的学风看来，“独立思考”徒劳无益，是对时间的白白糟蹋，因为古人早已说清了一切。所以，尽管伽利略曾经给当时的大数学家里希（Ostilio Ricci，1540—1603）留下了印象，并且有一短期跟随他学习的机会，却没有获得所需的学习成绩，因此不能在比萨继续学习，于是伽利略没有得到学位就离开了大学，1586年回到佛罗伦萨的家中。

    若是对于一位决心和才智都不够格的人来说，故事到此也就结束了，希望和职业随之都化为泡影。但是，伽利略继续学习数学，同年发表一份简短的小册子，介绍他发明的一种流体静力学秤，可用于测量流体压强。部分是由于这一努力的结果，部分也是通过他父亲的周旋，他吸引了几位有影响的贵族的注意，其中一位是蒙梯（Marquis Guidobaldo delMonte），由于他的牵线搭桥，伽利略于1589年得到了第一个学术职位，回到比萨大学当初级数学教师。当然，那里没人会忘记他以前的名声——离他声名狼藉的学生时代只不过三年——而伽利略仍一如既往地坦率直言和自信十足，从不在意要去迎合他的同事们。与此同时，父亲在1591年去世，把赡养母亲和照顾6个兄弟姐妹的经济负担留给了年轻的伽利略。为期三年的合同很快就要到期，他有充分理由相信到时校方不会续签。但是他的朋友蒙梯再次出面，1592年，威尼斯共和国著名的帕多瓦大学给伽利略提供了数学教席，他的薪金增至原先的三倍。

    在帕多瓦，向来自视清高的伽利略似乎找准了自己的定位。他在“大礼堂”演讲，众多学生以及从欧洲各地来的年轻贵族代表慕名而来，其中包括瑞典皇储阿道弗斯（GustavusAdolphus）。他讲授数学原理的实际应用，诸如如何建造桥梁，规划港口，为城市和建筑物设防，建造大炮，等等。而且作为一名出手不凡的教师，伽利略的讲课风格毫无枯燥乏味之感，相反，他的论述严谨仔细且还常常伴以生动的演示。他向学生展示活生生的事物，而不只是仅仅研究古代文献，试图通过字里行间的比较，从其他思想家头脑里搜寻自然真理。他在班上说明，如果他对着一支口琴吹口哨，口琴就会模仿他的音调：这就是共振。他说明，如果在山上开枪，通过记录开枪时间以及听到枪声时间之间的间隔，就能测得声音的传播速度。他把动物的骨骼拿到课堂上，说明强有力的支撑物不一定非得是实心的，这才有了空心支撑物的问世，这一构造大大降低了建筑成本。他告诉学生要去寻找自然的真理，向他们演示如何利用自己的眼睛、心灵、数学和实验，而不是仅仅利用古代权威手稿去寻找真理。

    发现运动定律

    伽利略一生最出色的也许是这三件工作：一场物理演示，从比萨斜塔往下扔两个重量不同的物体，比较它们的下落速率；发明望远镜；因忠于哥白尼学说而备受折磨。上述三大业绩，有些纯粹是传统，有些则部分出于虚构，但它们都含有那么一点真实的成分。

    首先是关于炮弹、枪弹和比萨斜塔的故事。亚里士多德认为，更重的物体“自然”会比更轻的物体下落得快。这一思想对于当时和以后许多世纪的大多数思想家来说，完全是一件明显的事。毕竟，任何人都能够观察到，比如，一根羽毛下落总是比一块石头慢得多。故事这样说，伽利略拿了一枚炮弹和一枚枪弹（形状与炮弹相似，但是较小较轻），登上比萨斜塔的塔顶，让它们同时下落并记录它们落地的时间。当两弹同时落地时，伽利略就证明了，不同重量的两个物体没有以不同的速率下落。精彩的故事不一定是真实的，它首次见于伽利略的一位学生维维安尼（VincenzoViviani，1622—1703）所写的一本伽利略传略中，他显然有些夸大，而伽利略本人从来没有写过这一实验。

    但是，他确实提出过，物体以几乎相同的速率下落，而与它们的相对重量无关。使得石头的下落速率和羽毛有所不同的，不是它们的重量，而是空气阻力。

    伽利略确曾写过一系列亲自做过的小球沿斜面（或斜坡）下滚的实验。他决定采用这些斜坡是因为他没法测量像炮弹自由下落那么快的速率和加速度。为了测量时间，他用上了水钟，这是用水滴测量时间的系统，就像沙漏利用沙粒那样。斜坡上刻有光滑的凹槽，以便让小球保持直线运动，并使小球下滚的速率足够缓慢，即使用他的水钟，也可以精确测量小球滚下的时间。虽然小球是在斜面上运动，但他认识到，它们运动的规律与自由下落基本上是相同的。

    当小球沿斜坡下滚时，它们似乎是按预期的方式在加速，每经过一秒增加同样的速率。例如，如果小球在第1秒内走1米，下1秒走3米，再下1秒走5米。因此在2秒内总共走了4米，3秒内总共走了9米。不论他做多少遍实验，结果大多是一样的。速度的增加总是一样，亦即加速度保持不变。伽利略由此总结出一条运动定律：“在自然运动中物体走过的距离与时间的平方成正比。”今天我们把伽利略的这一发现叫做匀加速定律。它陈述道，如果排除空气阻力的影响，加速度不变。

    纵观伽利略的一生，围绕运动和力学他探讨了许多问题。早在1590年，伽利略就写了一本书名叫《重物的运动》（Demotu gravium）。其中他运用了300年前布里丹（Jean Buridan，约1295—1358）提出的某些思想，更正亚里士多德对于运动的基本思想。许多世纪以来，学者们努力去澄清箭为什么会飞行这一问题，而亚里士多德的理论对于抛物运动却是含糊其辞。亚里士多德相信，每个物体都要回到其自然位置。但是箭或石头在抛出后还会沿水平方向运动。由于亚里士多德坚持运动需要获得直接推动力，他只能得出结论，这一切缘自空气。当物体运动时，空气被挤至两侧，随后它们又迅速聚集在物体后部，从而为运动提供了冲力或推动力。奥卡姆的威廉的弟子布里丹，向亚里士多德这一论点提出挑战。他认为，物体自身具有的原动力足以维持运动的继续，从而无须借助空气运动。他还认为，适用于地面的情形同样也适用于天体，于是他把这一运动观推至天空，从而认为，天球一旦被上帝推动，就无须天使的帮助，自己就可以保持运动，但这一思想与许多中世纪学者的信念恰恰相悖。

    伽利略部分地吸取了布里丹的思想，提出新的冲力理论：如果没有阻力，剧烈运动会保持恒定的速度（速率和方向都在内）。或者，说得更简洁些，在真空中（那里没有大气造成的阻力），一旦物体投入运动，它就会按照同样的速率或方向继续运动。

    伽利略后期终于抛弃了许多亚里士多德的思想，但是他从未真正放弃亚里士多德关于物体运动是响应它们内在的“愿望”或天然趋势的思想，例如，岩石落到地面是由于“需要”返回它的自然状态。伽利略已经是如此的具有反叛和独立精神，但他还是没有看出，物体的运动纯粹与它们的惯性质量和施加的力有关。那要靠牛顿后来的工作。

    就在研究运动性质的同时，伽利略还提出地球表面的物体不受地球运动影响的思想（用以捍卫哥白尼的日心说）。但即便是伽利略也有他的盲点，他宣称潮汐现象证明了哥白尼关于地球在运动而非静止的思想是正确的，可见伽利略的论点有时也自相矛盾。

    望远镜：眼见为实

    说到伽利略与望远镜的发明，其实他并不是发明者。大约在1609年，他听说佛兰德斯伽利略的望远镜之一。（Flanders）有一位眼镜制造商发明了一种器具，是一根装有透镜的管子，通过它可以观看到还在海上的船只上的细节，甚至看到爬在帆缆上的水手。根据传闻，伽利略推断它应该是如何设计，并且自己动手做了一套。即便他不是第一位制造望远镜的人，但他无疑是第一位想到用它对天空作系统观察的人，而不只是用来辨认海上船只和战争中观察军队的动向。他把望远镜对准月亮、恒星（包括银河系）与众行星。他所看到的一切在17世纪的欧洲引起了巨大的轰动。

    他发现，月亮并不像亚里士多德以来大多数天文学家和哲学家所假设的那样，是光滑和完美的球体。他根据自己的观察写道：“我确信，月亮的表面并不像大多数哲学家所想的那样，是完全光滑、没有高低不平、完美的球体……月亮上的坑坑洼洼……之大，似乎在大小和规模上都超过了地球表面的崎岖不平。”事实上，他看到了月亮上有高山和暗色的区域，他称之为“月海”（这个名称现在还在用着，尽管我们现在知道，月亮上实际不存在水）。

    后来的一个晚上，使他十分惊奇的是，当他盯住木星时，他发现靠近这颗行星有三颗，后来又发现一颗，一共四颗未知的星体，他称之为“新星”。以前从未有人看到过它们。现在人们称之为木星的“伽利略卫星”，以示对伽利略的尊敬，它们都是围绕木星运转的巨型卫星，取名为：木卫一——爱莪（Io）、木卫二——欧罗巴（Europa）、木卫三——盖尼米得（Ganymede）和木卫四——卡利斯托（Callisto）。但是，它们都太小，用肉眼是看不见的；这是人们第一次凭借足够的放大仪器看见它们。

    木星卫星的发现对于哥白尼的日心说有特殊的意义。许多反驳者攻击哥白尼体系时说，如果地球不是在宇宙的中心，那么，为什么只有地球才有月亮围绕着它旋转呢？现在伽利略找到了另一个行星，它不只有一个，而是有四个卫星！

    许多其他的发现接踵而来。伽利略把望远镜转向金星，发现这颗行星也和月亮一样，具有相位——会经历盈亏过程。由此他得出结论，金星也和月亮一样，不是自己发光，而是反射太阳的光。对金星的新发现看来也符合哥白尼的革命思想，以及开普勒所作的修改。看起来，伽利略的望远镜已经使哥白尼的“古怪思想”变得越来越可能了。

    1610年，伽利略把他的观察发表在一本名为《星际使者》（Sidereus nuncius）的小册子里。结果他赢得了巨大的名声和成功。他成了美第奇宫廷科西莫二世（CosimoⅡde’Medici，1590—1621）托斯卡纳（Tuscany）大公爵的“哲学家和首席数学家”。他被选进科学家的骨干团体——林琴学院（Accademia dei Lincei，也可译为山猫学院，名字取自视觉最锐利的动物山猫）。当然，伽利略也招来了不少同辈人的忌妒。

    同年7月，伽利略把望远镜转向土星。在此他发现了另一件让人惊奇的事：他发现在土星那黄色球体两侧，看上去像是有突出物或把手样的东西。他秘密写信给他的资助人、势力强大的美第奇家族成员：

    “我发现了另一个非常奇怪的景观，应该让殿下知晓……但是，请保守秘密，直到我的工作发表……土星不是单一的星体，而是由三颗星组成，它们彼此紧密接触，从不变换位置，并且沿着黄带道排成一列，中间那个比边上两个大三倍，它们的位置呈如下形式：o○o。”

    然后，他用代码组成字谜，以表示他作出发现的日期。这是一条经重新排列后没有意义的拉丁文短句（smais mr milmep oet ale umibunen ugttauir as）。但是，它是如此简短以至不可能给人留下把柄，据说迄今为止还有其他不为人知的发现。今天，科学家仍然为一项发现能否得到认可而烦恼，不过定期出版的同行评议（peer review）期刊，为某项发现的公开发表提供了正式渠道。第一个提交研究结果的论文，并且通过其他内行科学家评审（同行评议）的研究者，在大多数情况下，就获得了出版许可。伽利略当时没有这样的制度安排。所以，字谜就提供了发现的日期和这一事实，只要把字母重新排列，就可以表明某项发现确曾已被做出。在使发现公之于众之前，伽利略还要再多想想，他看见的究竟是什么。

    他所看到的一直使他迷惑。事实上，有时土星看起来像是“三联体”行星。这令人困惑，但是在他的望远镜里图像实在是太模糊了，难以看得更清楚。最后，他又以字谜形式公布答案：Altissimum planetam tergeminum observavi，意思是“我观察到了最高的行星（即土星）的三联组合”。（当时土星是人们知道的最远的行星，所以是“最高的”）。

    使伽利略更为惊奇的是，两年后的1612年，把手，或者三联体似乎又消失了。正是他首次观察到这一光学赝像，这是由于地球刚好与土星光环处于同一平面上，所以地球上的观察者只能看到光环的边缘。由于光环很薄，用他的望远镜不可能看到。

    在1655年以前，没有人能够作出更好的解释。这一年，荷兰的物理学家和天文学家惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695）运用更大的、经过改良的望远镜，看到了伽利略没有能够看到的东西。惠更斯起初也用密码写下这一发现。一旦确证，他随即公布消息。他认识到，土星周边弥漫着“一个薄薄的扁平的环，环与土星没有实质性接触。”

    辩论与妥协：审讯

    在当时情况下，伽利略的发现和著作不可避免地会被视为是对宗教的冒犯而招来批评。更糟的是，由于他写作的通俗风格，不但会使读者转向哥白尼体系，而且会使他们以一种崭新且棘手的方式对自然进行思考。1616年罗马宗教法庭宣告，把太阳看成是宇宙的中心，或者我们今天所谓的日心说，是一种异端思想。当然，在伽利略的时代，人们相信宇宙就是我们所谓的太阳系。宗教法庭动用它那巨大权力，特别禁止伽利略讲授哥白尼理论或者在写作中为其辩护。

    奇怪的是，当几年后教会找人重新编写哥白尼的著作，使它能更好地符合当时的神学理论时，伽利略志愿接受这项任务，他也许是考虑到他那高超的论据可以把事情说清楚，也可能是相信教会正在采取更开放的立场。

    1632年，他出版了《关于两大世界体系的对话》（Dialogo sopra i due Massimi Sistemidel Mondo）。书中采取三个人辩论的形式，其中一人是为哥白尼辩护，另一人则为亚里士多德说话，名叫辛普里丘（Simplicio）。伽利略申明他给出的是一场公正与平等的论战。但是这位亚里士多德的发言人为伽利略真正想说的意思提供了清晰的线索，与此同时，关于哥白尼思想的辩护论据，则显得更有条理，更加流畅。教会当局被激怒了。由于新教正在一旁密切关注事态进展，天主教会不能袖手旁观，好像它正在放弃传统。更重要的是，教会不能甘于示弱。

    在70岁时，伽利略被传召到罗马，他被控告为异端，因为他相信“太阳在世界的中心，并且处于不动位置，而地球不在中心”。教会看穿他是在打擦边球，以回避1619年教会的指令。就谁才正确道出世界的真正机制这一问题，大多数伽利略的反对者甚至拒绝通过伽利略的望远镜观看，也不愿听取他的论证。他通过观察而进行论证的方法是一种新尝试，而对方却相信他们已经掌握了真理。如果伽利略的望远镜确实显示了某种东西，那么这必定就是望远镜本身的不足所致，他们为什么要为此而浪费时间？伽利略已经是够有勇气了，他坚持自己的信念，不过他还是要尽力抓住好运，当然，他从未表现出圆滑世故一面。

    在罗马，伽利略以异端罪被判入狱。最后在圣玛利亚苏普拉·密涅瓦（Santa Maria SopraMinerva）教堂里，由于害怕酷刑，他以著名的公开认罪的形式表示妥协：“我不再坚持并且已经不再坚持哥白尼的这一主张，既然我已接到命令，我必须放弃它。”

    据说，当这位风烛残年的科学家刚刚离开现场，就听到他依然在倔强地喃喃低语：“不管怎样，地球确实在动！”但是，尽管伽利略顽强无比，不过他也知道谁在掌握局面。强大的教会赢得了这场战斗。伽利略也许有时会鲁莽，却决不傻。当时他怎样想，我们永远不会知道，但是在这种情况下，他不可能说出这类话。这一传说只不过是对他的人格以及在历史上的丰功伟绩的一种赞美罢了，显然毫无事实依据。

    尽管伽利略实际上从未被关进监狱，他的巨著还是被取缔了，他的余生被软禁在阿尔舍特里（Arcetri），在那里他影响了哲学家霍布斯（Thomas Hobbes，1588—1679）的思想轨迹，年轻的诗人弥尔顿（John Milton，1608—1674）以及其他人拜访了他。尽管教会为此不快，但他还是在世界史上为自己留下了英名，他知道这一点。正如他说的，他“已经开启了巨大而又优秀的科学之门，而我的工作只是一个开端，比我更出色的人将会探索其最遥远的角落”。

    爱因斯坦曾经写道：“纯粹的逻辑思维不能使我们得到有关经验世界的任何知识；所有真实的知识都是从经验开始，又归结于经验……正是由于伽利略看清了这一点，特别是因为他将此引入科学界，他成了近代物理学之父——实际上，也是整个近代科学之父。”

    伽利略死于1642年1月8日。1992年，罗马教皇约翰·保罗二世作出了一个极不寻常的姿态，他以天主教教会的名义承认伽利略受到冤枉。《纽约时报》的头栏评论说：“350年后梵蒂冈说伽利略是正确的：地球在动。”

    伽利略去世之际，科学革命的火炬传到了另一代。其中有一位年轻人接过了火炬，从而成为那个时代最热忱和最有才华的科学家之一，他就是化学家和物理学家波义耳（RobertBoyle，1627—1691）。

    波义耳、化学和波义耳定律

    波义耳是每个学生都知道的科学家，他发现了以他名字命名的定律——尽管波义耳自己却总是把“波义耳定律”归于他的一名学生唐尼（Richard Townley．？—1711）。无论如何，波义耳作为当时一名先驱科学家的名声要远远超出他的这一命题：容器中一定量气体的体积与其压强成反比。毫无疑问，他的最大贡献是把化学确立为一门纯粹科学：致力于探讨自然界的基本过程，而不只是为了实用目的，为了制取产物而采用的一系列配方以及方法。它也决不仅限于炼金术士的这一努力，要把贱金属转化成黄金，于是充满希望地投入，却以一无所获而告终。

    化学的开端

    化学的最初转变开始于16世纪，这时化学开始从传统工艺——陶瓷上釉、制作合金、为普通金属镀上银和金（冶金学）以及生产染料——中脱离出来。古人的实用工艺和炼金术活动，对早期认识物质的结构、组成和特性，它们是怎样与其他物质相互作用，以及它们的转变，也就是说，对了解物质的化学过程，有过巨大的贡献。慢慢地，实践者开始褪去炼金术这一神秘色彩（尽管许多人，包括波义耳和牛顿，还继续从事炼金术活动）。化学作为科学开始崭露头角。大约与此同时，古代研制药物的方法也开始演变为一门科学，它立足于观察药物带来的相互作用及其治疗效果，这就有了药理化学。随着化学缓慢地以科学的面貌出现，好几位科学家对其知识的稳步增长作出了贡献。帕拉塞尔苏斯（Paracelsus，约1493—1541）和其他人对药理学的贡献将在本编第八章讨论。与此同时，化学的其他领域也开始引起人们注意。

    在对化学知识的积累作出贡献的科学家中有德国医生阿格里科拉（Georgius Agricola，1494—1555），他探讨如何用化学药物治疗疾病，但是他更著名的工作却是对矿物学和冶金学的研究。他写过一本书，被认为是应用化学方面的首部著作，书名叫《论金属》（De re metallica）（1556年出版），其中探讨了采矿和冶金中涉及的各种实际过程。

    比利时的佛兰芒族医生和炼金术师赫尔蒙特（Jan Baptista van Helmont，约1579—1644）发明gas（气体）这个词，源于chaos（混沌），他还成功地离析出好几种气体。他应用定量方法，通过使物质燃烧、发酵以及其他过程，对气体进行研究，并分析由此产生的蒸气。他还主张物质在化学反应的过程中不生不灭。

    然而，赫尔蒙特具有浓郁的神秘主义色彩。他致力于寻找哲人石，据说它是炼金魔法术的关键。此外，他还声称，有这么一种“武器药膏”，若是某人受伤，只需把这种药膏涂于致伤的武器上，就可治愈这一伤口，这一说法引来诸多非议。为此，1625年西班牙的宗教裁判所谴责他是异教，赫尔蒙特的余生从此遭到软禁。伽利略也有类似的命运。因此，赫尔蒙特的大部分著作在其死后才出版，他也才为世人所知。

    大多数化学史家承认，直到18世纪，化学中的真正革命才达到高潮。也许部分原因在于，有如此之多的化学家陷于炼金术这一神秘主义氛围中，致力于寻找能够点石成金的哲人石以及所谓的长生不老药。然而，还有一个理由，就是化学家试图了解的物质过于复杂。什么是人体化学？人体是由哪些成分构成？行星呢？动物呢？是什么使金属熔化？制造玻璃的化学原理是什么？酸是什么？醋呢？酒呢？这些基本问题不容易回答，特别是在当时的设备之下。

    还存在许多其他绊脚石。在讨论化学问题时没有共同语言，没有我们现在所用的归类术语，如有机物和无机物，气液固三态，酸碱盐的分类。17世纪初还没意识到气体的存在。更糟的是，当时有些过于偏激的理论，不仅没有条理，相互矛盾，而且不符合新兴物理学和天文学中的世界观。难怪自然哲学家、物理学家、天文学家以及其他科学家都视化学为伪科学，是神秘过时的东西。

    科克郡的天才

    波义耳是科克郡第一任伯爵理查德·波义耳（Richard Boyle，1566—1643）大家庭中出生的第7个儿子和第14个孩子。年轻的波义耳有许多优势条件，他的家庭很富有，而且是贵族，他又是一个神童，家里给他请了私人教师，并且让他出国受教育，这个机会给他提供了广阔的视野，使他比同代人更少地受亚里士多德的传统束缚。波义耳14岁时伽利略去世，当时他正在意大利研读这位大科学家的著作。他也受到笛卡儿（Rene Descartes，1596—1650）的很大影响，笛卡儿当时已经被公认为最有影响力的哲学家之一，也是一位很有名望的科学家和理论家。

    波义耳于1644年回到不列颠群岛，并决定留在英格兰，因为在他的家乡爱尔兰，新教徒和天主教徒之间冲突不断。1643年他父亲去世，分得的遗产可以让他独立生活，并把一生投入科学。在已经成为牛津科学界的一员之后。他又参加他们的聚会，这一活动被非正式地叫做“无形学院”，聚集在一起深入研究新的实验方法。这正是英国哲学家培根（Francis Bacon）和伽利略新近提倡的方法，波义耳已经有所掌握。1654年波义耳迁居到牛津，1660年，该团体的成员组织了后来成为世界上最早、最受尊敬的科学社团——伦敦皇家学会。

    关于真空实验

    波义耳听说德国物理学家盖里克（Otto yon Guericke，1602—1686）在1650年建造了第一台空气泵，目的是探讨真空（不包含物质的空间）是否存在。关于这个问题，亚里士多德没有经过试验，就断然回答“不”。盖里克的空气泵类似抽水泵，它的各个部件相当紧凑以至足够密封。盖里克把容器中的气体抽空，成功地证明了真空的可能性。亚里士多德说过，声音在真空中无法传播，而盖里克证明，在他所创造的真空里，人们确实听不到钟声（正如亚里士多德所想），尽管如此，声音可以在液体、固体和空气中传播。通过进一步实验，盖里克证明动物无法在真空容器中生活，蜡烛不能在其中燃烧（当时对气体还知之甚少——氧气甚至还没有被发现）。在一场引人注目的演示中，他还证明，即便50个人同时猛拉一根拴在活塞上的绳索，都无法克服空气压力使得活塞进入真空状态。

    波义耳把化学科学带到近代。1657年，波义耳开始听说这些实验，并且得到胡克的帮助，胡克心灵手巧，善于制作各种器具装备。他们两人设计了比盖里克更好的空气泵。这次实验成功之后，人们常常把空气泵产生的真空叫做“波义耳真空”。

    当时化学家和物理学家面临的重要挑战之一，是设计能够进行精确定量测试的仪器。波义耳还发明了温度计，那是一种真空并且完全封闭的装置。他也是第一位证明伽利略关于自由落体定律为正确的人：在真空中，不同重量的物体以同样的速率下落。如果没有空气阻力，羽毛不会浮在空气中，它将和比它重得多的铅块以同样的速率下落。在另一个有趣的实验中，波义耳还证明，钟的滴答声在真空中是听不到的，但是电的吸力可以穿过真空并在另一侧产生效应。

    根据这些真空实验，波义耳开始研究气体的性质。

    认识气休

    很难想象，今天甚至连小孩子都知道的许多概念，17世纪那些一流化学家却不知道。1662年，波义耳表示，他可以压缩空气。他还发现，如果施加于气体的压力增加一倍，它的体积就会减少一半。用更为简洁和完整的话来表述，就是如果气体保持恒定的温度，则其体积与压强成反比。实验步骤如下：在一个17英尺长、一端封口的J型管内压入空气，另一开口端灌入水银以防空气逃逸。然后，增加汞的数量，使压强加倍，则空气的体积减为一半。再增加汞的数量，使压强增加为三倍，则空气的体积减为三分之一。如果减小压强，空气将成比例地膨胀。这一原理被称为波义耳定律。波义耳则诗意般地称之为“空气的弹性”。

    波义耳的结论是：除非空气是由微粒或粒子组成，否则不可能以这种方式被压缩，因为在微粒中间才有空隙存在。因此，当压强增加时，这些微粒可以靠得更近些。波义耳的同事们重复他的实验，对这些结果留下了深刻的印象。自从希腊哲学家德谟克利特和希罗（Hero，公元60年左右）的时代以来，原子的概念首次有了长足的进展。正是德谟克利特最先提出原子观；希罗是古希腊的工程师，他在大约公元62年写道，空气一定是由原子组成，因为它是可压缩的。

    波义耳在气体方面的工作为接近他的目标铺平了道路：把化学确立为一门基于机械论之上的、理性的理论科学。他发现的重要概念为理解物质的本性，尤其是气体，打下了扎实的基础，它们在18世纪结出了丰硕的果实。

    化学的搭建：方法与元素

    以今天的标准来看，波义耳不是一个彻底的近代化学家。他热心于炼金术并且相信金子可以从其他金属转化而来。通信证据表明，他和牛顿秘密（所有的炼金术都是如此）分享他们相信能最终实现炼金术目标的配方和物质。不过，他坚持的某些基本原则，却有助于把化学建成一门科学。

    在他那本出版于1661年的《怀疑的化学家》（The Sceptical Chymist）一书中，他怀疑希腊人的这一说法，亦即元素（一种基本的、不可分的物质）能够直觉地认识到。波义耳强调说，元素只能通过实验才能提炼出来。波义耳并未抛弃传统的元素观，只是他认为这些元素应该通过实验得到，从而为接下来的三个世纪里诸多元素的发现创造了条件，这些元素都是古人、他的同代人，甚至他本人连做梦都未曾想到过的。

    他提出，元素实际上是一种物质实体，只有通过实验才能确认。如果实验证明一种物质不能进一步分解，那么这就证明该物质就是元素。他还看到这一特性：几种元素可以组合在一起，形成其他物质——但是由此形成的化合物往往可以再分解，重新得到原来的元素。对于化学来说这是重要和决定性的一步，它因此而有资格与物理学及天文学平起平坐。这一功绩甚至远胜于波义耳定律，它是波义耳对化学和科学的最大贡献。

    波义耳坚持把实验作为主要证据，这对当时的科学家产生了巨大的影响。波义耳决意要让化学引起自然哲学家的注意，因此他成功地使那些自以为是严肃科学家的人们相信，化学值得研究并且加以关注。至于下一步进展则不得不等待另一位有洞察力的化学家——拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier，1743—1794），他在下一个世纪兴起一场化学革命。

    与此同时，物理学的革命也远未完成。伽利略打开了许多大门，并且为此打下基础。随后，不利的周遭环境迫使一位尚未确立人生志向的学院研究者不得不度过一段额外的长假，结果这却成为有史以来最为重要（也许是这样）的一段科学生涯的开端。这个研究者的名字就是牛顿。

    牛顿、运动定律和“牛顿革命”

    如果我看得更远，那是因为我站在巨人肩上的缘故。

    ——牛顿（Isaac Newton，1642—1727）

    伽利略的去世标志着一个时代的结束。在意大利，伽利略已经为强有力的新“科学方法”奠定了基础。但是即便在伽利略的时代，确切地说是到他逝世为止，意大利的伟大文艺复兴运动已经开始接近尾声。到了17世纪中叶，意大利已经不再为科学家提供最好的训练基地了。

    在欧洲其他地方，新的政治结构采取了或多或少的统一政策，正在代替旧的封建社会，由单一民族组成的国家。但是，在意大利，旧的城邦仍然互相间持有敌意，似乎看不到团结起来形成统一力量的迹象。与此同时，到了15世纪末，航海家发现了一条绕过非洲好望角，通往东方的海上贸易通道，可以代替穿过中东的陆上通道，而意大利多年来曾经垄断了这条陆上通道。1661年，英国人得到了印度的孟买，结果英国与印度的贸易大幅增加。具有讽刺意味的是，1492年，正是意大利人哥伦布（ChristopherColumbus，约1451—1506）为欧洲人发现了大西洋彼岸的新世界，哥伦布当然不是以意大利的名义而出航，因为没有足够财富作支撑的、各个城邦相互独立的意大利是没有兴趣送他出航的。到了17世纪中叶，英国、法国、荷兰因此而财运亨通。当时意大利和希腊已经不再是西方世界的中心了。所以，扩张的精神在英国等国正在为科学的新进展提供更好的土壤。

    再有，罗马天主教会对于宗教改革的强烈抵制在英、法等国收效甚微。1534年英国建立了独立的英格兰教会，由英国国王，而不是教皇担任首脑。17世纪40年代发生了一系列内战，也叫做清教徒革命，思想自由的事业因此更是得到大大的推进。即使英国在1660年回到了君主政体，政治和宗教领域观念上的冲突仍然引起了思想动荡，从而鼓励了独立思想和新观念的出现。

    伟大的综台者

    这就是牛顿于1642年12月25日出生后来到的世界，［他的生日是按当时英国采用的罗马儒略历（即公历）计算的］这个世界充满了政治骚乱和宗教冲突。然而，他的家乡却是一个相对平静的农场，位于林肯郡的伍尔索普乡村，林肯郡是英国东部以农业为主的郡。由于早产，他是如此瘦小，以至母亲如此形容，他可以装在一个量杯中。牛顿的童年非常孤独——父亲在他出生前去世，三岁时母亲改嫁，把他交给了祖母，他的童年大部分是和祖母一起度过。作为一个孩子，他常以制作一些小玩意来自娱自乐，诸如里面点着蜡烛的风筝，在天空中闪闪发光，还有水钟和日晷。有段时期他与一位药剂师搭伙，在那里他迷上了炼金术。他不乏好奇心，但在学校里还看不出什么苗头，至少在发生这起事件之前班上有一个小恶棍，偶尔成绩居于班上的前列，有一天牛顿和他发生了冲突。出于好强和荣誉感，牛顿突然开始发奋学习。

    牛顿的母亲总是认为她的儿子应该接管农场事务，因为这时她的第二个丈夫也已去世。但是当牛顿离开学校承担农务时，显然他没有这方面的才干，相反，一有机会他总是与书为伴。多亏他的叔叔，一位剑桥三一学院的成员，把他送到剑桥大学。牛顿于1661年入学，1665年毕业。即使在23岁的年纪，他仍没有显示出特殊才华。毫无迹象表明他会成为科学革命的巨匠，从哥白尼、开普勒和伽利略以及其他人的思想中脱颖而出。也没有迹象表明他会在理论物理学和动力学方面作出伟大贡献。同样他也未表露出会在光学和数学领域取得巨大成功。

    但是在1665年，一场鼠疫——大瘟疫——袭击伦敦，这座城实际上成了死城。剑桥也难以幸免，于是，牛顿离开大学回到相对安全的林肯郡农场，在那里，他利用18个月的长假，开始整理一些思想。在这段时期里，他奠定了微积分的基础，这是一种数学计算方法，它的发明使得科学家能够应付复杂的方程式。也就在此期间，他注意到了一个苹果落到地面（尽管不像传说的落在他头上）。（历史学家对此事的真伪提出质疑——但是有人辩护说，至少可以说明，看来牛顿的思考是建立在观察之上的。）这件事使他若有所思，也许把苹果拉下地面的力跟维持月亮沿轨道运行的力是同一个力？这一观念代表了与亚里士多德传统的决裂，亚里士多德坚持说，地上和天上运行的是两套完全不同的定律。而牛顿开始看到，苹果与月亮遵循同样的自然定律，只有一套普遍的定律，而不是两套。

    牛顿在物理学中的地位只有20世纪的天才爱因斯坦才能向其挑战。在牛顿被迫闲居乡间时，他还做了一系列涉及光的精彩实验。当时，每个人都假设白光是因为缺乏颜色。为了试验这一点，他把一块棱镜放在一个用厚帘子遮住的暗室前面，让它刚好位于暗室的开口处，以便阳光穿过它投射到屏上。光线分解成如彩虹般的颜色一——红、橙、黄、绿、蓝和紫。这些颜色是从哪里来的？是棱镜产生的吗？牛顿猜测它们是光线本身的成分，所以他把折射光，也就是彩虹“光谱”以相反方向穿过另一个棱镜。各种颜色重新合并，在屏上出现了清晰的白光点。

    1667年牛顿回到剑桥，1669年成为那里的数学教授。回到剑桥时，他刚好25岁，对牛顿来说，一生的主攻方向已经确定，但是他现在已经不再离群索居。他生活在这样一个伟大的时代，科学受到广泛关注，到处都充满挑战、交流和争论，他卷入其中，也许身不由己。1672年，牛顿被选为皇家学会会员，他在这里报告了有关光的实验和光学理论。尽管话语不多，但他还是看到了荣誉以及公开交流的价值所在。

    然而对于牛顿来说，与皇家学会打交道并不事事顺利。皇家学会的实验主管胡克也做过某些类似的实验——尽管不如牛顿那样透彻明确，于是，他马上提出反驳。1665年，胡克曾在他的著作《显微术》（Micrographia）中公布过光的波动理论，把光的传播比作水波。他还提出过一个颜色理论，用以解释薄膜的颜色和通过薄云母片观察到的光。但是他的观察只局限于两种颜色，红和蓝，而他的解释也不甚充分。尽管如此，他还是感到牛顿踏进了他的领地，于是一场终生的怨仇开始了。

    孤独的童年在牛顿的一生留下了深深的烙印，他一辈子不结婚，经常陷入轻微的妄想、具有动辄抗争的性格。因此，他在许多情况中都不能与其他科学家或同事密切合作。然而，正如他自己首先承认的那样，在其他人工作的基础上，他使那些似乎有效却又充满矛盾的方法和理论得到整合、澄清和综合。

    比牛顿早出生约100年的牛顿的同胞培根（Francis Bacon）以及法国哲学家笛卡儿的科学方法是一个很好的范例。1620年培根提出现在所谓的归纳（a posteriori）推理法。和伽利略一样，他相信科学思想必须建立在第一手观察和实验的基础上。再有，关于普遍真理的结论应该基于特定的观察事例而推出。他认为，演绎（a priori）推理法，一种希腊人深深迷恋的“空谈”哲学，已经在相当长的时期内使思想家误入歧途。培根的思想得到了支持，因为这些思想很好地符合英国的宗教状况。英国的宗教看重个人的宗教体验，而不是教条。这些思想也与下一世纪的工业革命相当合拍，这场革命强化了英国日益增长的经济实力。

    与此同时，比培根年轻35岁的笛卡儿在法国却以不同方式提出了对立观点，他在1637年出版了《方法谈》（Discours sur La méthode）。他信奉演绎推理，其中先验推理是关键步骤，其推理过程是从一般到特殊。

    对于笛卡儿来说，关键问题是人们是怎样获得知识的。例如，我怎么知道我存在？在《方法谈》中，他的结论是“我思故我在”（Cogito ergo sum）。他提出机械论宇宙的思想，认为是上帝创造了宇宙，但宇宙的运行却是根据最初确立的法则。（他差一点就提出了这样的思想：宇宙一旦投入运行，上帝就不再干预；这一思想是后来在启蒙运动时期提出的）他认为，宇宙是由两种类型的物质组成——一种是创生出来的，或叫“广延”；另一种是灵魂——能思想的存在（人类）才拥有它——这样的二元论成了笛卡儿哲学的重要部分。笛卡儿对17世纪的欧洲有巨大影响，尽管他似乎以某种方式回到了旧希腊的老路上。

    但是，笛卡儿也是第一位试图用数学方法来描述宇宙总貌的人，他至少有一项重要贡献，就是发明了解析几何学，这才有可能对付那些从前未曾碰到过的复杂计算。在微积分引入数学宝库之前，这是希腊古典时期以来，在科学的定量工具方面最伟大的突破。

    牛顿接受了上述两大遗产，他拿来培根、伽利略和吉尔伯特的实验主义和归纳方法，使之与笛卡儿的定量方法相结合，打造出新的、甚至更强大的方法，这就是运用数学工具表达并且构建实验结果。

    笛卡儿还试图解释开普勒引入的问题，行星为什么以椭圆轨道运动？这是当时最大的奥秘。然而奇怪的是，他对此的态度与其说是数学的，不如说是描述性的。笛卡儿和亚里士多德学派一样，主张不存在真空之类的东西，是巨大的流体或以太旋涡带着行星围绕太阳旋转。他还进一步提出：尽管上帝为运动建立了基本定律，但新的恒星、太阳系和行星还是可以从运动着的旋涡，这一物理宇宙永恒的运动中形成。笛卡儿的机械论宇宙观对当时的欧洲思潮产生过强烈影响，并为后来18世纪的启蒙运动打下了基础。但是他又从他的“空谈”哲学里发展了关于以太和旋涡的思想：它们纯粹是一种描述性的理论，缺乏定量证明。

    行星按椭圆轨道运行的问题吸引了17世纪最优秀学者的关注，其中包括荷兰的惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695），有人认为他是17世纪后半叶，仅次于牛顿的最伟大的科学家。他第一个定量估计使一个物体做旋转运动所需的力。皇家学会三个会员——胡克、雷恩和哈雷——据此考虑行星围绕太阳旋转的情况。他们提出一个公式，可以从数学上解释围绕太阳的圆形轨道：如果太阳对行星的吸引力与距离的平方成反比，行星将以圆作为轨道。换句话说，如果火星离太阳的距离是水星的两倍，则太阳对火星的吸引力是它对水星的四分之一。如果更远的行星离太阳是四倍距离，吸引力将只有十六分之一。但是仍旧没有人能够解决椭圆的奥秘。

    哈雷在22岁时成为皇家学会会员，1684年在剑桥遇到了牛顿。于是他向牛顿提出椭圆轨道的问题。早在1665—1666年，牛顿在18个月的长假中，在家乡农场里就已经得到了与胡克、雷恩和哈雷相同的数学公式，即“平方反比”定律。考虑到苹果和月亮都受地球吸引力的影响，他估计，这种力应该随着与地心距离的平方关系而减少。但是当要着手进行证明时，他需要知道，相比于苹果，月球离地心有多远，但他没有正确的数据，只好止步不前了。因此他从未发表这一工作。但是现在，他有了地球半径的修改数据可供依据，再加上有了更为成熟高明的数学技巧。结果就是牛顿最伟大的著作《自然哲学之数学原理》（Philosophiae naturalis principia mathematica），简称《原理》，诞生了，他写这本书用了18个月。

    但是，这一工作成为胡克和牛顿之间另一场争论的焦点，胡克指出，他在很久以前给牛顿的一封信中提出过平方反比定律。皇家学会收回了对出版这一著作的承诺，但是哈雷插手进来，提供出版所需的钱，暂时调和了胡克和牛顿之间的争执。哈雷还亲自校对排版。1687年第一版面世，共三卷，只印了2 500本。

    运动三大定律

    沿着哥白尼、开普勒和伽利略的脚步，牛顿在《原理》中描述了一种用数学表达的世界观。在第一册中，他考察了支配运动的定律，根据这一基本概念总结了伽利略的许多工作。

    伽利略已经认识到，力改变物体的运动，如果不受力，运动中的物体就会沿着直线一直运动下去。所以一开始，在著名的牛顿第一运动定律，也叫做惯性定律中，牛顿总结了伽利略早已说过的：静止中的物体倾向于保持静止，运动中的物体倾向于以恒定的速率沿着直线不断运动。

    在第二定律中牛顿提出，作用在物体上的力越大，物体的加速度就越大。但是质量越大，反抗越是加速。

    最后，牛顿在他的第三定律中提到，每一个作用力都有相等的反作用力。或者说，一个物体对另一个物体施力，则第二个物体对第一个物体施同样大小而方向相反的力。发射火箭就是牛顿第三定律生效的一个好例子。火箭对喷出气流产生一股向下的推力，依据牛顿第三定律喷出气流会产生反向力。如果喷出气流的向上推力超过了火箭的重量，火箭就从发射架升起，进入大气。

    牛顿第一个区分了物体的质量与重量，这两个词至今还有许多人在日常语言中互换使用，但是它们在物理学中的意义有重要的不同。物体的质量是指它对加速的反抗，或者，换一种方式来说，物体的质量就是它的惯性的多少；而物体的重量则是它和另一物体（如地球）之间引力的多少。下述例子可以说明这两个概念有什么不同，比如，宇航员的重量（宇航员的身体与地球之间的引力大小）在太空可以忽略。但是宇航员的质量（对加速的反抗），不管他是否站在地球上，都保持不变。牛顿重视语言的精确性，以及他使用数学这一普遍的语言，是对科学发展的重要贡献。科学发展到他这一时代已经足够复杂，因此比以往更需要清晰的区分。

    牛顿利用《原理》第一册中的三个定律作为基础，计算地球与月亮之间的引力。他得出结论：引力正比于两个物体的质量，反比于它们中心之距离的平方。更重要的是，他认为，这一引力定律适用于整个宇宙。他还证明，他的公式能够解释所有开普勒定律。

    在《原理》的第二册，牛顿讨论了笛卡儿的观点，亦即宇宙充满流体，行星和恒星的运动受旋涡支配。对宇宙的这种解释似乎回答了许多问题，因而得到了许多支持者，特别是在欧洲大陆。但是牛顿发现，当他把定量方法运用于这一理论时，它就不再有效。他用数学方法探讨流体如何运动这一问题，从而证明旋涡的运动不能“拯救现象”。实际观察到的行星运动与旋涡理论不符。由此，笛卡儿的体系终究无效。

    牛顿《原理》的第三册，也就是最后一册，立足于前两册的基础上，写得非常有趣。如果他提出的定律和结论都是正确的话，牛顿认为，他就应该能够不仅解释科学家已经观察到的事实，而且还能对尚未观察到的现象作出预测。于是，他提出了一些让人极为惊奇的预测。

    例如，牛顿证明地球不同部分的引力合在一起，使它形成球体。但是，由于它沿着自己的轴旋转，这一额外的力将会影响到球体的形状，从而在赤道处有所突出。已知地球的大小、质量和旋转的速率，他就预言了突出的大小。牛顿在一生中作过许多努力以验证这一预言，但由于地图制作者计算有误差，好像他是错了。但是实际上，他的预言不仅没错，而且精确到百分之一。

    另一个著名的预言中，牛顿主张彗星并不像看起来那么神秘——它们也以椭圆轨道围绕太阳运行，但是相比于其他行星，它们的轨道更为扁平，也要更长，于是，它们甚至会跑到太阳系的边缘之外。

    这一观点激发了哈雷的兴趣，他在1682年曾经观察过一颗以他的名字命名的彗星，并认识到它们大约每隔75—76年出现一次的模式，他猜想这是由于同一颗彗星每隔一定时间重复出现的缘故。基于这一前提和牛顿的计算，哈雷预言哈雷彗星将会在76年后，即1758年回归。当然，他投有活着看到——牛顿也没有看到。但是哈雷彗星确实回归了，正如它一如既往的表现，最近的一次是在1986年。下一次将在2061年。

    牛顿用光做实验，证明太阳光经过棱镜可以分裂成为它的各种成分，或者各种颜色。许多人认为《原理》是一部空前的最伟大的科学著作。它依据两个世纪以来物理学积累的伟大成就，运用科学革命中出现的新的定量化工具，解决了支配宇宙总体规划的巨大问题。最后，牛顿还使我们的宇宙观一举突破古希腊人那种卓越却是有限的见解，从而进入更为精致以及有用的境界。牛顿并不是所有事情都对。例如，他认为应该存在“绝对运动”，后来爱因斯坦用他的相对论证明那是错的。但是牛顿的推理极其严谨并且相当深刻。他把人类对宇宙的认识向前推进了巨大的一步。

    光的本性

    牛顿早期的光学实验导致他思考光的本性，这是当时另一个令人着迷的问题。惠更斯和胡克都主张，光和声音一样，都以波的形式运动，牛顿却看出其中存在的某些问题（又一次与胡克唱反调）。声音可以绕过拐角被听到，但如果没有镜子帮助，人就无法绕过拐角看东西，光一般是不能绕过拐角的，除非它被表面反射。所以牛顿同意德漠克利特的想法，认为光是以一束粒子（他称之为“微粒”）的形式从光源发射出来。这一理论并不能解释所有的事实，但是牛顿战胜了当时大多数的反对意见，从而使18世纪的科学家在没有借助于波动理论的情况下取得进展。然而，19世纪的实验科学家发现用波动理论可以更好地解释他们的结果，于是他们认为牛顿在这个问题上犯了错误。但是现在的理论认为，光具有波粒二象性——这就解释了为什么要花这么多时间才能成功地确定光的本性。

    牛顿在1704年出版了《光学》（Opticks）一书，总结了他对光的工作，之所以发表得这样晚，也许是他明智地要等到对手胡克去世。这次他用的是英文，而不是像《原理》那样用拉丁文。

    牛顿：时代的英雄

    哈雷曾经问牛顿，他为什么能够作出这么多发现？牛顿回答，关键在于他从不依赖灵感或运气来给他提供洞察力。他依赖的是全神贯注，对难住他的问题作不懈的思考，决不放松——利用每一个可能机会，从每一个角度进行探索——直到最终有了答案。

    他解决问题的名声是如此之大，以至于他即便匿名提供答案，也能被人一眼认出。有一次一位瑞士科学家提出一系列问题公开竞猜，牛顿用了一天时间就解决了，并且匿名递交上去。兴奋的挑战者认为，只有牛顿，不会是别人：“我认得狮子的爪子。”有一次莱布尼兹设计了一个复杂的问题，专门为了难住牛顿，但是牛顿用了一个下午就把这道难题解决了。

    牛顿常常吵架，又很小气，这确实是真的——和胡克吵架；和惠更斯吵架；和莱布尼兹吵架，为的是谁先发明了微积分（他们两人几乎同时独立完成）；和弗拉姆斯提德吵架，为了谁有权使用皇家天文学家丰富的天文观测记录。他私下里鼓励他的朋友参与争论，给他们提供“炮弹”，在一旁煽风点火，而很少自己出面进行自我辩护。牛顿的崇拜者常常不满地看到，牛顿的伟大被这些卑下的争吵所玷污，在他们看来，既然一个人已经功成名就，他就应当处处都表现得像一个超人那样。但也许正是牛顿那种自我主义，既迫使他卷入如此之多直言不讳的争论之中，又驱使他全神贯注作出如此之多的成果，以至今天的我们依然受益匪浅。无论如何，牛顿是人，不是神。仅仅这一事实就应该鼓励我们达到他那样的高度。

    1689年牛顿成为国会议员，1696年成为造币厂的总监，并且制定一系列改革措施。3年后，他辞去剑桥的职务，成为造币厂总管。1703年牛顿被选为皇家学会会长，这个职务一直保留到去世。1705年，他被安妮皇后封为爵士。

    牛顿爵士1727年3月20日在伦敦逝世，被当做英雄厚葬在威斯敏斯特大教堂。声名远扬的法国哲学家伏尔泰（Voltaive，1694—1778）当时正访问英国，对此他表示极大的惊奇，这里竟以大多数国家只用来对待国王的礼仪来对待一位数学家。他把对牛顿的热情带回到了法国，在情人查特勒特（Emilie du Chgtelet，1706—1749）的帮助下，传播牛顿的著作，查特勒特曾经把牛顿的《原理》译成法文。

    在20世纪的爱因斯坦之前，没有人能够成功地解决牛顿物理学留下的许多问题。在牛顿《光学》重出的一个版本的前言里，爱因斯坦写道：

    “对于他，自然界是一本打开的书，一本他读起来毫不费力的书。他用使经验材料变得井然有序的概念，仿佛就是从经验本身，从那些精致的实验中自动涌现出来的那样，他摆弄那些实验，就像摆弄玩具，并且还以无比的细致入微描述了这些实验。他集实验家、理论家、工匠尤其是讲解能手于一身。我们眼前的他，坚强，有信心，而又孤独：创造的乐趣和细致精密体现在每一个词句和每一幅插图之中。”

    毫无疑问，牛顿爵士是有史以来最伟大的科学家之一。

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