牛頓物理學的興起
伊薩克·牛頓於1642年聖誕日出生在林肯郡烏斯索普的一個小莊園裏。因為過於早產，他成活的可能性極小；他的媽媽漢娜說，他簡直可以放進一個一誇脫的罐子裏。可是在他以84歲之高齡去世時，大街上舉行了遊行盛典，舉辦了露天表演，詩人為他寫詩，雕刻家為他雕像，讚揚他的生平。伏爾泰（Voltaire）曾寫道，“他像一個國王那樣被安葬了，一個為其臣民做過大好事的國王”。
牛頓了解運動的意義，從行星繞日的軌道到箭矢射中目標的徑跡，他都搞通了。在大瘟疫盛行的時日，他發展了包括時間在內的，對宇宙的第一個主要的數學描述，其中融合了哥白尼（Copernicus）、開普勒（Kepler）的天文學思想和伽裏略（Galileo）的新運動理論。許多人把1666年稱為他的奇跡年，正是因為他在這一年中在數學、光學和天體力學各方麵邁出了巨大步伐。其實1665年也同樣是奇跡年。在他五十年後的一篇記述中，牛頓描述他自己的成就時寫道：“所有這些都是在1665--1666大瘟疫的兩年間取得的。因為那些日子我正年輕力壯，富於創造，以後就再也沒有像那時那樣專心致誌於數學和哲學了。”
毫無疑問，牛頓對於數學和物理學的貢獻是無與倫比的，它們開辟了一條分析物理世界的全新途徑。他通過主宰天空和地球的定律而揭示了自然界的統一性。他一生的成就，被古體詩大詩人坡普（AlexanderPope），在西敏斯特大教堂著名的牛頓墓誌銘上，簡潔地概括為：
大自然
和它的規律深藏在黑夜裏。
上帝說，
讓牛頓出世吧！
於是一切就都在光明之中。
1686年4月28日牛頓將《數學原理》的第一冊提交給皇家學會，這是物理科學的轉折點。有些人認為《原理》一書是有史以來最偉大的科學著作，是科學文獻皇冠上的一顆寶石。另一些人把它比作高聳於周圍一群搖搖欲墜的臨時建築之上的一座大廈。牛頓也認為這書是自己所有著作中最高的成就。在其書第三冊的開始他自豪地寫道：“我現在就來說明世界體係的框架。”
時間在這個首次對運動的科學描述中肯定地出現，就像最早的鍾表利用運動把時間的流逝轉換為容易測量的量，例如鍾擺在空間的擺動一樣。在他的《原理》中，牛頓提出了運動的三個定律，這三個定律改寫了關於運動的科學。他證明了地球上和天空中的物體都是被同一種力--引力--所支配，即使行星保持在一個軌道上，而像蘋果這樣的物體卻落向地麵。這樣，他也同時解決了人類自太初以來一直大惑不解的一個問題--;行星在太空的運動--這也正是守時和航海的關鍵問題。
為了把天空作為一個精確的時鍾或曆表，不僅需要有關太陽和恒星運動的信息，而且也需要有一套把這些資料編製成理論的方法。牛頓推導出天體運動的數學表達式，其精度是前所未有的。說起來也很妙，雖然牛頓對於天空的迷戀根源於神學，他的思想卻成為人類斬斷這種聯係的鐵砧。恰恰正是天體的運動、它們的軌道和重複的循環，最終導致了人們把理解的重心從魔法、巫術和諸神轉移到科學和數學原理上去。正如羅素（BertrandRussell）寫道的：“幾乎所有現代世界與古代世紀之間的區別，都得歸功於在十七世紀取得最輝煌成就的科學。”
時間的概念由人類對天文學的追求而出現的這一過程，鮮明地表現了科學思想的進化。古代的民族為了預期何時洪水發生，為了知道冬季的開始和第一個春日的到來，認識到了標誌時間流逝的重要性。我們今天用時鍾的指針在24小時的周期中掃過鍾麵來量度時間，而他們靠的是太陽的升起下落、月亮的周月運動或者載運眾星的夜空從地平線的一方到另一方的轉動。因此幾乎所有的文化之中都有天文學的脈絡，也就不足為奇了。
生命是圍繞著維持生命所需要的能量而構成的，這種能量從太陽源源不斷地流向地球。這座天鍾的節奏對地球上的生命是如此之基本和重要，以至於幾乎每一個活著的生物身上都反映著這種節奏（我們將在第七章和附錄中再回到這個話題）。能量頃注到地球上的每一個角落，從太陽自東方升起之時一直到夕陽西下。這是一個由於地球繞著自己的軸轉動而引起的視運動，它可以用來守時--牛頓據說就能根據影子的位置來指出一天中的時間。
太陽的第二個視運動提供給我們一個季節變化的時間單位--年--它大約等於365.25天。因為地球繞日的軌道周期並不正好等於整的天數，所以每四年要多加一天，也就是閏年，來防止誤差的積累。太陽在天空中位置的季節性變化以及季節本身的出現，是由於地球在空間中的取向：它的自轉軸相對於它繞日的橢圓軌道平麵是傾斜的。婆羅洲的部落利用觀測太陽高度的變化來觀察季節的更迭。在英國索爾茲伯裏平原上矗立著一座巨石群，這是一座巨石堆砌而成的廟宇，古人用其石柱相對於太陽的列向而測定季節。另外還有一些天體時鍾也曾被使用過。其中在古代計時中最重要的要算是月亮的周期了，每相隔大約29.5天，新月就在西方傍晚天空出現一次--這一運動周期近似等於我們的一個月。天上的星座也同樣關聯著季節的循環，有些星宿在夏季主宰著夜空，而另一些卻在冬季出現。
天文學在人類曆史上的起源要早於其它自然科學，它起源於史前時代，但最初記錄沒有被保留下來。在最古的文明中，占卜或占星術被用來解釋恒星和太陽的運動：例如中美洲的阿芝特克族就相信太陽必須由血和一顆跳動著的人心來滋養，否則就會消失。在那些黑暗的日子裏，科學與宗教之間沒有衝突：教士、術士或沙曼（shaman）總是多疑善防地守護著關於季節和曆法的知識。這些知識被當做是人世間神績的標記，教士們因此在社會中擁有崇高的地位，因為他們能夠預言未來，並取得了某些成功。天文學意味著淩駕於他人之上的權力。天文學通過季節指示人們，何時應當耕種，何時應當收獲或者遷移牧群。宗教和祭祀活動同樣也必須在特定的時節舉行，例如與月相相合的日子或冬夏至日。天文學也幫助指引行路人。難怪聖經中跟著一顆星而走到伯利恒的三個人被認為是智者。
曆法的興起使人類的活動能更精確地與季節配合，因而更加協調。曆法中所使用的三種周期日，月，年--都是基於對人類生活具有最大的影響的天文周期。最早的曆法依賴於月亮，因為它不僅有升起下落，還在一個月的周期中改變著位相，從而便於描述季節。後來的曆法發展是根據太陽的周年循環。古代埃及人所使用的曆法，被認為是古代最先進的太陽曆之一。尼羅河的泛濫是古埃及人一年中最大的事件，而預言這一事件的關鍵是天文學，因為這一事件恰好與天空中最亮的星--天狼星（Sirius）--黎明前在東方地平線上出現相偶合。這一事件對古埃及人是如此重要，以至於他們把天狼星的升起稱之為“一年的開啟”，他們的曆法就是圍繞這一事件而編製的。
許多古代曆法中使用基於新月之間大約30天平均周期的12個月，這樣的一年太短，需要延長。最初的埃及曆法是就用12個月，每月30天，這樣一年就隻有360天。後來在每年的末尾加上了五天來使得“太陰月”與基於太陽的季節保持協調，從而和“一年的開啟”步調一致。
把從日出到日出的一天劃分為24小時的辦法出自埃及人。他們用一個小時的間隔來標記從東方地平線升起的恒星或者星群，這樣恒星橫越天空的運動也就是12個小時。因而就有了12個小時的夜晚，後來很可能是為了對稱性的緣故，也就出來個12個小時的白天。白晝的時間他們用水鍾來測量，水從一個石製容器的孔中不斷滴出而記錄時間的流逝；他們還用日暑和影鍾，利用陰影掃過鍾麵來顯示時刻。但這樣顯示的是“不均勻時刻”，它們並不均等而且隨著季節變化。在日本，這種“不均勻時刻”直到十九世紀還在用，而且機械鍾還要調得與之相應。在歐洲，從十四世紀城市采用了機械鍾後，一天就被劃分為均等的24小時了。
我們現用的曆法是由古羅馬人使用過的曆法而衍生來的。古羅馬人用的是太陰月，為了補足太陽年，他們不時地插入一個閏月。到了凱撒（JuliusCaesar）時代，這種處理辦法已混亂到冬天的月份落到了秋季的地步。這個置閏法被某些教皇和某些有權決定閏月的官員濫用過，這一班人為了政治上的原因用此延長公職任期或提前進行選舉。到了公元前47年，這個曆法和太陽年之間已脫節達三個月之多。次年，在希臘天文學家索西傑尼斯（Sosigenes）的指導下，凱撒不僅加了一個慣常的23天，而且還插入了兩個追加月，使得那年的天數總共有445天。這一年後來被稱為“混亂年”。從那以後，十二個月的每一個月便具有現在的天數。
可是，一年365.25天的儒略曆，每年還是要長出11分14秒。隨著世紀的推移，曆書上季節日期不斷前移，凱撒時代發生在3月25日的春分到了1582年已移到3月11日。那一年，教皇格裏高利十三世（GregoryⅩⅢ）頒布了一種新的更精密的曆法，同時把10月4日後麵的一天指定為10月15日。然而新教徒不情願接受天主教的這項革新。在英國直到1752年才用格裏曆來取代儒略曆。隨後一個跚跚來遲的11天的改正還引發了倫敦和布裏斯托街頭的騷亂，而使一些人喪生。工人們要求那幾天的工資；很多人認為他們失去了自身生命的一部分。這一件事也影響到牛頓的出生日，這一日子按現代的格裏曆應是1643年1月4日。希臘正教直到1924年才采用格裏曆，但還有一些定期集市和地區性節日仍然沿用儒略曆。穆斯林們用一種月亮曆，因此他們神聖的齋月每格裏年都得提前。
星期並不是根據天空的運動。正如倫敦社會研究所所長楊（MichaelYoung）所指出，“太陽並沒有成為唯一的主人。人類可以創造他們自己的周期，並不是必須依賴現成的東西。沒有其它任何生物，能表現出對於天文學如此強的獨立性。沒有其它任何生物有星期。”星期的出現，很可能是因為社會對一個小於月而大於天的時間單位感到需要。如果人們洗衣、作禮拜和度假能有規律，社會活動就會進行得更加平穩。古代哥倫比亞人常用為期三天的星期。古希臘人喜歡十天一周而某些原始部落卻偏愛一星期隻有四天。七天一周源出於巴比倫人，後來影響到猶太人（雖然前者是以“惡日”而不是以“安息日”來結束一周，當天為了討好諸神而施行各種禁忌--這也許是對星期天活動諸多限製的起源）。七天一星期廣得人心，許多想改變它的企圖都沒有成功過。法國人在大革命後曾試圖把它變為十進製，然而他們的十天一周終被拿破倫廢棄了。在1929年蘇聯人曾嚐試引用五天一星期，並在1932年把它延長到六天，可是到了1940年還是回到了七天一星期。
正如星期不理會天文學一樣，現代守時技術也不理會天文學。現代科學的發展，使時間量到越來越小的間隔。像星期一樣，小時被分成分和秒也起源於最早的科學天文學家巴比倫人，當他們在大約公元前1800年完成他們的星表時，所有的計算都是以60進製進行的。但是隻是到了工業革命以後，由於火車時刻表和其它一些詳盡的工作程序表的需要，“分”才日益變得像今天這樣重要。這種把時間不斷越分越小的趨向，是和科學的發展需要處理極端快速的過程聯係著的。例如，一個激光脈衝可以被用來捕捉類似原子在一個衰變中的分子裏運動這類事件，這種事件持續的時間隻有幾十個億億分之一秒。
希臘人，古代天文學和科學
就牛頓的工作而言，最重要的天文學遺產來自古希臘人。古希臘人不僅像其他古代文明一樣，收集了他們周圍世界的信息，而且他們也試圖用理性來了解宇宙的運作，而不求助於神、巫術和迷信。
為了解釋天空的奧秘，牛頓不僅需要他的力學，而且需要一個天空的實際模型。生活在埃菲索斯附近邁勒圖斯的塔裏斯（Thales，大約公元前625�547）常被稱為是最早的哲學家。他相信世間隻有一種基本物質水，而且認為地球是在球形的宇宙中的水上漂浮著。這種對稱的宇宙模型以後還要不斷出現。下一個有影響的見解是公元前六世紀畢達哥拉斯（Pythagoras，大約生於公元前560年）提出的，他是一個饒有情趣的古典嬉皮士組織即畢達哥拉斯學派的領導人。他們不喝酒，不穿毛皮製品並且食素。他們相信靈魂可以離開軀體。同時他們對於數學持有強烈的信念，他們摯愛對稱，並認為“數字是實在的精髓”。根據他們對聲學和行星軌道運行時間的數學知識，他們認為天空具有音樂的韻律，即所謂的天球音樂。這種觀察事物的方法給予了天文學的發展深遠的影響。甚至於牛頓也被說成是十七世紀的畢達哥拉斯，“他把一生貢獻給對宇宙和諧的研究”。
這種圓周運動的對稱性，例如一個轉動的輪子所表現的，是古代宇宙模型的中樞。這種圓周模式影響了人類工具的發展50萬年，現在它開始影響做為思維工具的理論模型。圓是最完美的曲線，因此它也成為描述行星如何繞著地球運轉的、美學上最具吸引力的模型。也由於這種對於圓周對稱性的喜好，古代人認為天空和地球必須是圓的。
公元前400年左右是古希臘思想史的黃金時代；那時柏拉圖（Plato，公元前428�347）的思想地位最高。像畢達哥拉斯一樣，柏拉圖也賦予數學極重大的意義。遺憾的是，他的知識論的基礎是，我們觀察到的世界並不像實際的世界。他認為，一個完美的宇宙模型，主要是要顯示神的盡善盡美，而不是要描寫我們的觀察。他的模型很多與畢達哥拉斯有關（可是與菲洛勞斯（Philolaos）無關他是畢達哥拉斯的門徒之一，認為地球像其它行星一樣也在作軌道運動）。對柏拉圖而言，實際世界的觀測和實驗與知識的探討無關：真實的實在隻能用頭腦去深思而得。在他的宇宙學大作《狄瑪尤斯》中，宇宙是一個井然有序的世界，地球位於中心，其它的天體在不同半徑的球麵上運動。無疑地，盡管柏拉圖有對數學的癖好，或者正是因為如此，他對實驗方法的不喜歡嚴重地阻礙了科學的發展。
公元前384年亞裏士多德（Aristotle）的誕生帶來了希臘科學的新紀元。作為柏拉圖的學生，他也認為地球處於宇宙的中心，其它的行星在不同的球麵上運動，而恒星鑲嵌在最外麵的球麵上。與前人相比，亞裏士多德賦予觀測的地位要高得多，這為現代的科學工作奠定了基礎。他提倡觀測與理論之間的相互影響，觀測顯示世界的運行方式，而理論解釋其原因。但是從我們後人的觀點來看，亞裏士多德使科學的發展倒退得比柏拉圖還遠。這位西方哲學之父寧可用目的論的鏈條來解釋世界，而不用因果關係。宇宙目的論（Teleology）探求的是宇宙現象的目的。如果要我們解釋座頭鯨的存在，我們會援引達爾文的進化論，一種因果論證，而宇宙目的論卻把這歸因為仁慈的造物主（上帝）對人類的恩賜。也許宇宙目的論的最著名的例子就是“設計論”了，它被許多宇宙目的論者作為上帝存在的證據--的是帕雷（WilliamPaley）1802年寫的《自然界的宇宙目的論》一文。在這篇論文裏，帕雷滿懷激情地爭辯道，生命組織是如此之複雜，因而它必須要有一個設計者上帝。
今天這種論證方式已被看作是本末倒置的科學的神聖化。達爾文進化論的現代鼓吹者道金斯（RichardDawkins），在他的的《盲人鍾表匠》一書中，先把帕雷的方法論優美地表述出來，然後說它是一文不值。然而令人玩味的是，這一設計論在今天，又被一些天文學家和宇宙學家以一種所謂人擇原理（TheAnthropicPrinciple）的極端形式重新提了出來，關於這個原理我們將在第三章中再遇到。簡言之，人擇原理認為宇宙之所以是我們所看到的這樣，是因為如果宇宙不是這樣的話，我們也就不會存在，也沒有人會來觀測宇宙了。
薩摩斯地方的阿裏斯塔克斯（AristarchosofSamos，一般認為生活於公元前310--230年）第一個提出太陽中心說，他的天體模式與現代的觀念是相一致的。他堅持地球是圍繞一個固定的太陽作圓周運動，而不是位於宇宙的中心。但是他的思想由於缺乏經驗根據，在亞裏士多德派的影響之下，被打入冷宮達將近兩千年之久。此後，阿奎那斯（ThomasAquinas）研究了阿拉伯人保存的亞裏士多德派手稿，由於他的支持，亞裏士多德的模式得到了天主教會的珍愛，因為這一模式把人類放在宇宙的中心地位。十五世紀中葉科學大革命開始，並一直進行到十六世紀末。在這個時期，神的幹預這一觀念逐漸衰落，科學的宇宙思想代之而起。正如在牛頓出生那年去世的伽裏略所說：“聖經所指出的是通往天堂之路，而不是天空自己走的路”。
科學大革命
科學大革命代表了幾方麵思潮的同時繁榮，這些思潮可以上溯到古希臘時數學作為一門獨立學科的年代。一些早期的天體模式，例如阿裏斯塔克斯的模式，包含有地球繞日運行這種“現代”觀念的胚芽。然而由於亞裏士多德觀念的影響，直到波蘭教士哥白尼（Copernicus，1473--1543）的時代，沒有重要的知識界人物認真看待這個觀念。哥白尼生活於文藝複興時期，那時候出現了透視法的數學概念，給予藝術一個新的維度。同樣地，哥白尼也改變了透視宇宙的方法，從太陽的角度而不是從地球的角度去想像它，從而解釋了行星複雜的運行軌跡。
按照哥白尼的觀點，太陽處於靜止，而地球卻被拋到空中。如他的1543年出版的《天體運行論》一書中所述，他把太陽置於行星體係的中心。一個世紀以後，所有能被接受的天體模式，都以太陽替代了地球，作為行星運動的中心。1729年去世的布萊克默爵士（SirRichardBlackmore）曾寫道：
哥白尼正確地判決了古老的體係，
創造了更完美的世界模式；
他叫太陽靜止，
而令地球繞著它的真極運轉。
然而，在一段很長的時間裏，哥白尼的宇宙模型並沒有被普遍接受。當時流行的觀點是根據對聖經的字麵解釋，說人類占有中心地位。甚至在講述新世界體係的《天體運行論》發表以前，路德（Luther）在1539年就曾抱怨過：“這個傻瓜想把整個天文科學顛倒過來；但是神聖的聖經告訴我們說（約書亞記第十章第十三節），約書亞是命令太陽而不是命令地球停下來”。奇怪的是，直到布魯諾（GiordanoBruno，1548--1600）作為一個新學說的熱烈鼓吹者，積極地傳播它以前，羅馬天主教廷並沒有對哥白尼的新學說橫加擯棄。其後哥白尼的思想被搞得與布魯諾所倡導的與其說是科學不如說是巫術的那一套，混淆在一起。布魯諾被天主教宗教法庭監禁，最後被燒死在火刑柱上，隨之哥白尼的理論也就成了羅馬天主教廷的攻擊目標。這之後主要的貢獻出自開普勒（Kepler，1571--1630）和伽裏略（1564--1642），這些貢獻的結果是：出現了一個結合時間的數學框架。伏爾泰寫道：“開普勒之前，所有的人都是瞎子。開普勒有一隻眼睛，牛頓有兩隻。”開普勒在他的導師，最偉大的肉眼觀測天文學家--第穀（TychoBrahe，1546--1601）--去世前一年移居到布拉格。第穀臨死前在床上囑咐開普勒去編製一個行星運動表，以支持第穀本人的理論（與哥白尼的相反），即地球仍舊牢牢地位於所有天體的中心，月亮和太陽在環繞它的軌道上運行，盡管他也承認行星可能是繞著太陽轉動。
開普勒的工作表明第穀和哥白尼都不對。在他的《新天文學》一書中，他擯棄了源於古希臘人的傳統觀念，明確地顯示了火星不僅繞著太陽運轉，而且它的運動速度老在變，軌道還是一個橢圓。這一來，行星運動再沒有神一般的完美性--亞裏士多德偽科學的棺木上又釘上了一根釘子。開普勒用三個定律闡明了行星的運動：在第一個定律裏他描述了軌道的橢圓形狀；第二個定律說明了行星的軌道速度如何變化；第三個定律給出了軌道大小和軌道周期之間的關係。但是在他關於世界運行的觀念中仍然有著神學的烙印和神秘的色彩。例如在他的《宇宙的和諧》一書中，他把行星的最大和最小的速度聯係於音樂的和聲--新想起畢達哥拉斯的“天體音樂”。
現在我們來談現代科學研究方法的鼻祖--伽裏略。伽裏略是一個音樂家兼音樂史家的兒子，與莎士比亞同年，即1564年出生於意大利。伽裏略對現代動力學科學的貢獻，我們不可能低估。他係統地闡述了“加速度”的概念，而牛頓的第二定律就是建立在這一概念上的。“速度”的概念，作為量度一個物體的位置隨著時間變化快慢的量，當時已經是家喻戶曉。可是加速度內含更多的時間成份：一個運動物體的加速度需要我們找到在固定的時間間隔內，速度在方向或大小上的變化。伽裏略強調，一個運動物體隻有在受到某種力的作用時才會發生速度的改變，才會有加速度。任何一個曾試圖端著一滿杯咖啡在一列行進的火車的通道中行走的人，都會親身體驗到力和速度改變之間的關係。