四十不惑系列之（二十一）哇偶，科~學~

牛頓經典力學三定律的確立，標志著文藝復興的結束和科學時代的來臨。

經典力學三定律：

1. 牛頓第一定律（慣性定律）：除非受到外力作用，否則靜止的物體會保持靜止，運動的物體會保持勻速直線運動。

2. 牛頓第二定律：一個物體所受的合外力等于它的質量乘以它的加速度。用公式表示為 F=ma。這是經典力學的核心方程，它將力、質量和運動聯系起來。

3. 牛頓第三定律（作用與反作用定律）：當一個物體對另一個物體施加力時，第二個物體也會對第一個物體施加一個大小相等、方向相反的力。

人們對“牛頓”多崇敬呢？英國詩人蒲柏給牛頓的墓志銘是這樣的寫的：

“自然和自然的規律在黑暗中藏身。上帝說：‘要有牛頓！’于是萬物有了光。”

我們來看看經典力學定律背后的故事。

1 自然科學的理論

什么是定律？在科學領域，定律（Law）是經過大量觀察、實驗和重復驗證后，被普遍接受的、對自然現象基本規律的概括和描述。它通常以簡潔的語言或數學公式表達，用來解釋和預測特定條件下的現象。

這解釋了最早的科學理論的來源是，基于對客觀世界的理性觀察，通過實驗確定的自然現象的內在規律，并在經過廣泛的重復的驗證后被普遍接受的概括和描述。

關鍵詞提取：觀察自然現象，實驗尋找內在規律，科學語言的概括和描述，通過驗證被普遍接受。

基本上定律這個詞只在自然科學中出現。量子力學到現在為止還沒有被稱之為定律的理論出現。薛定諤方程i??t?
Ψ(r,t)=H^Ψ(r,t)是最接近定律的理論，但因其描述的是某種例子處于某種狀態的概率，本身描述的是一種不確定性而并沒有被定義為定律。

2 實驗和觀察的科學工具

前文提到過，古希臘的科學長期的停滯是因為對世界的觀察，受限于人體感官器官的功能限制。

那么科學革命是如何突破這種限制的呢？科學家將前人的發現用于制作專門的工具來拓展人的感知能力和范圍，通過更深入、更全面的觀察來發現自然的規律。

在這個層面，伽利略的貢獻比牛頓要大得多。伽利略不僅僅改進了望遠鏡，還改進了鐘表，他很可能還發明了濕度計。他的學生托里拆利發明了氣壓計，蓋里克發明了抽氣機。可以說是伽利略拓展了科學的發展才導致了科學的降臨。有證據表明，伽利略先于牛頓發現了經典力學三定律的前兩條。

這些工具不僅僅用于拓展人類的感官，讓感知更深入，更廣泛的同時更精確。而精確的觀察工具為規律的科學描述提供了另一個重要的充要條件“量化”。這個沖要條件似乎是由科學的描述語言和最重要的研究工具“數學”天生就隱含的要求。

開普勒第三定律的數學公式表示為：

·T 代表行星的公轉周期（繞太陽一周所需的時間）。

·a 代表行星橢圓軌道半長軸的長度（可以理解為平均距離）。

引入常數k之后公式就轉化為：

牛頓將開普勒第三定律與經典力學第二和第三定律相結合推導出后世普遍使用的開普勒第三定律公式和開普勒第三定律中的比例常數：

4 廣泛，重復的驗證

廣泛的重復的驗證是科學理論被普遍認可的唯一途徑。俗話說：人教人教不會，事教人一次就會。真真切切的多次重復依然相同的實驗結果比任何語言和重復千遍的謊言更有說服力。

5 科學理論的潛力和作用

我們編造一個故事來說明這一點。

在一個陡峭的山壁上修建一座廟宇，這個需求是有真實來源的。在我的家鄉人們想要為“一人得道雞犬升天”的民間傳說修建一個廟宇。

民間傳說是這樣的：漢高祖的孫子劉安是一名地方官吏。因為權力斗爭漢武帝劉徹派軍隊追殺劉安。劉安攜家帶口逃進深山。在陡峭的山崖下，追殺劉安的士兵看到劉安一家人在云層之上漸行漸遠。當士兵爬上山頂時，不但沒有找到劉安，連他帶上上的家畜的影子都沒有發現。

陡峭的山壁上修建廟宇的困難之處在于有限的站立空間內將修筑房頂的橫梁抬到足夠的高度。于是人們請來一個經驗豐富的木工師傅。木工師傅提出一種方法，利用杠桿原理制造一個簡單的起重機，將橫木抬到房頂的高度。很快起重機就修好了。起重機確實好用，第一根衡量很快就安放好了。看著穩穩放在柱子上的衡量，人們詢問老木匠這是怎么做到的。老木匠只是神秘的微笑，并不向眾人說明他是從京城來的負責修建城郭的官員那里學來的。

好景不長，這個簡單的起重機在架設第三根衡量的時候。吊臂斷了，砸傷了幾個修建廟宇的工人，同時也砸壞了已經立起來的柱子。老木匠大驚，眼珠子一轉，聲稱廟宇的建設打擾了劉安仙人的清靜而不被仙人所容。

正在受傷的工匠翻滾哀嚎，其他工匠不知所措的跪拜以求仙人的赦免時。一個混賬從天而降，摸著滿頭的黃毛懵逼的看著一群跪拜的人。這是一個不知霍霍了誰家閨女而受到天罰被扔到這里的現代人。

黃毛詢問了事情的經過之后，一腳將老木匠提到在地。口中罵罵咧咧的說：什么神仙的詛咒，杠桿原理都不懂，瞎指揮。杠桿原理除了之外還有。你這么細的吊臂能不斷才怪。更換了吊臂后的起重機很快就修好了廟宇。

黃毛是比老木匠的經驗更豐富嗎？不，黃毛一天木匠也沒做過。那為什么黃毛能改進起重機完成預期的目標？這是因為黃毛所掌握的科學理論是被驗證有效的，具有預示未知和未來結果的能力。

老木匠的經驗蘊含世界的規律，但并不具有普遍適用性和對未知的預示。所以沒有經過提煉和歸納的經驗并不適用于所有的情況和場景。但是經過科學方法，特別是數學計算和量化后的科學理論發現的是自然現象中更廣泛的，更適用的內涵規律。應用科學理論可以有效的對為發生的事情結果給出更可靠，更有效的預言和設計。

在科學誕生的這一時期，有些戲劇性的巧合被神秘主義者津津樂道，也被人們認為是命運的安排。最著名的就是，伽利略出生的那天是米開朗基羅離開人世的日子。而在圣誕節誕生牛頓的同年，伽利略也離開了人世。這似乎象征著：一個巨人的隕落，標志著一個舊時代的終結；同時也將誕生另一位巨人，預示著新時代的開啟。