牛顿像，作者：内勒（Godfrey Kneller，1646-1723）

为什么恰好在17世纪下半叶的英国发生了一次改变人类文明进程的革命性事件？

第二次科学革命为何爆发，战争与科学的纠缠又对人类产生了怎样的影响？

在科学家的共同努力下人类是如何探索复杂性和混沌理论的？

借助在时空中回望和探索宇宙开端的模样，人类是如何解答关于宇宙的终极问题的？

剑桥大学博士苗千以上述问题为契机，采访了剑桥大学科学史家帕特里夏·法拉、萨顿奖得主约翰·海尔布伦、伦敦皇家学会迈克尔·法拉第奖获得者理查德·埃利斯等顶尖科学家、科学史家，深刻地揭示了科学的飞跃和进步是如何改变人类的思想面貌和历史进程的。近日，访谈集《改变人类进程的科学理论》由商务印书馆出版。

哥伦比亚大学博士、国家天文台研究员陈学雷这样评价这本书：

苗千博士在这本书中回顾了牛顿力学、相对论与量子力学、复杂性理论以及现代宇宙学等科学理论曲折的发展历程，以生动的叙事串联起艰深的科学原理，辅以鲜为人知的历史细节，并通过与多位科学家、科学史家的对话探讨其中的关键之处，感受理论如何以思想之力撬动现实，让读者在理解科学本质的同时，更能体悟突破认知边界的智慧与勇气。

现代物理学包含很多假设，牛顿的方法是否已经过时了？

牛顿最大的科学遗产是什么？

人们对牛顿最大的误解是什么？

今天为大家抢先分享苗千与英国科学史学会前任主席、剑桥大学科学史专家帕特里夏·法拉（Patricia Fara）的访谈对话，一起了解牛顿和他带来的科学革命。

即可购买

牛顿不是科学家

而是自然哲学家

来源 | 《改变人类进程的科学理论》

科学不是在一夜之间改变的

牛顿的巨著《原理》虽已不是科学家的必读书籍，但他的力学理论依然是中学的必修课程。我们回顾这场以牛顿和他的著作为核心的科学革命，也是重新见证人类认识自我，乃至第一次认识宇宙的整个过程。

人类可能再也不会有牛顿时代那种认为自己已经理解宇宙全部奥秘的青涩自信了，却也对自身的理性有了更加成熟和乐观的认识。

牛顿并非完人，更不是科学史上的圣人。除了他在自然哲学领域的伟大贡献之外，人们经常提到他性格上的诸多缺陷。他在老年时有一段自述：

“我不知道自己在世人眼中是什么样子，但在我自己的感觉里，我似乎一直是个在海边玩耍的小男孩，时不时因找到一枚光滑的鹅卵石或漂亮的贝壳而自得其乐，却对面前那真理的浩瀚海洋一无所知。”

这段话透露出了真诚和谦卑。其实，这段话也完全可以作为人类自身的写照—我们所面对的，不仅是无穷无尽的宇宙，还有无穷无尽的可能。

牛顿用三棱镜将白光分解为光谱的示意图（©视觉中国）

英国科学史学会前任主席、剑桥大学科学史专家帕特里夏·法拉（Patricia Fara）主要研究18 世纪的欧洲自然哲学史。针对牛顿在科学上的贡献、17 世纪以英国为中心的科学革命，以及当时的时代背景等问题，法拉接受了我的专访。

帕特里夏·法拉

01

牛顿是一位自然哲学家，

而不是科学家

苗千：“自然哲学”（natural philosophy）和“科学”（science）这两个词究竟有什么区别？

法拉：我们可以从“科学”这个词谈起。“科学”来源于拉丁语，意思是“知识”。在17、18 世纪，这个词意味着那种可以从书本中学到的、已经被整理出来的系统性知识。这是一种学术性知识，你可以学到历史的科学、语言的科学，等等。但是，很重要的一点是，“科学家”（scientist）这个词是在19 世纪才被正式发明出来的，所以，我认为，说牛顿是一位“科学家”肯定是错误的，他是一位“自然哲学家”（natural philosopher）。在科学家和自然哲学家，以及物理学家和自然哲学家之间有很多区别。比如，科学家可以进入大学，学习科学知识，然后在其中发展自己的事业，以此为生。但是，这在牛顿的时代是不可能的。在当时，你可以在大学里学习数学，但是不可能在大学里学习科学。对于牛顿以及他同时代的自然哲学家来说，在他们的研究中，宗教是处于中心地位的。他们研究科学是为了寻找上帝创造世界的证据——虽然现在有些科学家也信仰宗教，但宗教和他们的科学研究并无关系。而对于牛顿来说，宗教是处于中心地位的。还有很重要的一点是，从希腊时代开始，研究自然哲学的目的就是寻找“原因”（cause）。上帝被认为是“第一因”（first cause），人们还需要寻找其他的原因。所以说，引力就像是某种“原因”。在当时也有另一群数学家，他们并不是在寻找“原因”，而是在寻找一种“解释”，寻找数学上的一种描述。他们在乎的是能够利用数学来描述一种现象，所以，牛顿的著作才叫作《自然哲学的数学原理》，因为他所做的一件事就包括把数学和自然哲学结合在一起，这在之前是分开的两件事。

剑桥大学三一学院门前有一棵从牛顿故乡的苹果园移来的苹果树（©视觉中国）

苗千：你会如何向读者介绍牛顿？可以说他是科学史上最伟大的天才吗？

法拉：我不会说牛顿是这个世界上曾经生活过的最伟大的科学家，而会说他是一个得到了如此名誉的人。人们确实把他看作一位伟大的天才，但实际上这是所谓的“名人文化”（celebrity culture）中的一部分。我个人并不认为他是一个伟大的天才。他非常聪明，非常有天赋，但其他很多人也是如此。社会中确实有这样一种趋势，会说某个人有一些非常不同寻常的地方，然后，称他为天才。对我来说，这就像是把他从芸芸众生之中排除掉，变成宗教中的圣人一样。有一位学者说牛顿是通过他的智慧成为天才的，超越了其他所有人。我并不同意这样的观点，但他确实拥有这样的名声。

在皇家学会展示的由牛顿制作的第一架反射望远镜的复制品（©视觉中国）

苗千：牛顿说他站在了很多巨人的肩膀上，这些巨人都包括哪些人呢？

法拉：首先，“站在巨人的肩膀上”这句话并不是牛顿发明的。第一个说这句话的人是一位12 世纪的法国修道士。在很多教堂的窗户上都写着这句话，这是一个很著名的表达方式。

其次，牛顿是在给罗伯特·胡克的一封信里提到了这句话。胡克是牛顿在科学研究上的敌人，而且，在当时他还指控牛顿抄袭自己的想法。牛顿和胡克之间相互厌恶，所以牛顿给胡克写信解释：“我并没有抄袭你的想法。”而且，他写道：“如果我真的需要抄袭别人的想法，我会站在巨人的肩膀上（而不是站在你的肩膀上）。”这就让这场争论显得更加难堪了，因为胡克在生理上属于残疾人。他个子非常矮小，并且脊柱弯曲，从16 岁就开始驼背，等到成年时身体几乎与地面平行了。所以，牛顿说“我站在巨人的肩膀上”，实际上是一种对胡克身有残疾的很过分的攻击。这在当时是一个非常复杂的情况，但有趣的是，这句话又变得尽人皆知。牛顿可以非常好客、非常迷人，但有时也会非常有报复心，甚至令人厌恶。现在真的难以说清牛顿究竟是个什么样的人，因为我们现在只有一些对他感兴趣的人留下的回忆录。人们要么把他描述得非常美好，要么把他写得非常糟糕。

苗千：对于那些和牛顿几乎同时代的人，比如莱布尼茨和胡克，宗教在他们的研究中也处于中心地位吗？

法拉：牛顿曾经和莱布尼茨就谁首先发明了微积分有过争论，他们在“上帝在宇宙中的角色”方面也有着非常大的分歧。牛顿认为，上帝的存在是“内在的”（immanent），也就是说，上帝无所不在，也可以对宇宙的发展进行干预。莱布尼茨则认为这种想法毫无道理。他有一个著名的表述：牛顿和他的追随者们创造了一个如同蹩脚的制表匠一样的上帝，需要不断干预他创造的宇宙。对于莱布尼茨来说，上帝创造了宇宙之后，就让宇宙自己运转了。关于上帝对宇宙的作用，这是两种非常不同的观点。实际上，两个人在18 世纪进行的这些辩论，不仅是关于自然哲学的，也是关于神学和物理学的。两人之间的巨大分歧还涉及“超距作用”。牛顿认为存在超距作用，比如说，太阳与地球之间的引力可以通过真空传播。而对于很多人来说，这是不可接受的。因为当时人们认为“物质”（matter）和“精神”（spirit）之间有着明显的分别，物质存在于世上，而精神则属于神。如果你赋予物质以精神，就等于行使了神的权利。在当时，关于引力的本质有着大量的讨论。现在我们认为能量可以通过真空传播，但在18 世纪，人们是无法接受这样的思想的。正因如此，牛顿才提出了另外一个模型，提出在我们周围存在着不可见、不可感知的“以太”。以太是由极小极小的相互排斥的粒子构成的，就像声音通过空气传播一样，引力通过以太来传播。一直到19 世纪，人们才普遍接受了以太的存在。直到1905 年，爱因斯坦发表了狭义相对论，以太模型才被抛弃。

02

《原理》的重要性何时开始显现

苗千：牛顿一开始似乎并不是很积极地写一部论述自己的力学研究的著作，如果没有埃德蒙·哈雷的督促和帮助，这本书甚至可能不会出现。但随后，牛顿似乎对“引力定律的发现者”和“微积分的发明人”这样的称号又格外敏感。

法拉：这本书源于哈雷、胡克以及另外一个人关于行星运行轨道的争论，后来他们去剑桥找牛顿寻求帮助。牛顿告诉他们，这个问题他早已解决。牛顿没有在自己的旧笔记中找到记录，于是花了两周时间写了一篇论文，讲述了物体之间的引力与它们距离的平方成反比的定理，并且，这会导致行星沿着椭圆形的轨道运行。于是，哈雷鼓励牛顿把他的研究结果全部发表出来，并出钱帮助他出版了这部书。哈雷几乎算是把纸放在牛顿的笔下让他写出来的。

关于引力定律的发现并没有太大的争论，但关于微积分的发明，牛顿和莱布尼茨曾经有过长时间的争论。牛顿和莱布尼茨看起来是在同一时间进行研究的，他们还曾经通过信。讽刺的是，现在我们所使用的微积分符号是莱布尼茨发明的；更讽刺的是，牛顿实际上并不愿意使用微积分，他认为人们应该使用几何学方法，因为他认为这是古希腊人使用的方法，而在古希腊时代之后一切都开始走下坡路了。当时在英格兰几乎没有人使用微积分，但在欧洲大陆已经有人——比如欧拉——开始使用微积分了。随着微积分的发展，到了18 世纪末，大多数人都开始使用微积分了。牛顿和胡克、莱布尼茨、约翰·弗兰斯蒂德（John Flamsteed）这三个主要人物都有过多年的争论，可以说，他是一个非常尖酸刻薄的人，非常在意科学发现以及各种名誉。

苗千：《自然哲学的数学原理》最开始是用拉丁文写的，其中还有非常艰深的数学。那么，它是面向哪些读者的呢？

法拉：在这部书出版的最初几年里，只有极少的读者读过这本书。牛顿说他有意把书写得艰深，这样他就不用不断去向别人解释书中的内容了。至于这部书的大众化，以及后来人们在课本中学到的内容，都是由牛顿的追随者们完成的。也就是说，从出版这部书到人们理解这部书有一个漫长的过程。牛顿在1687 年完成了这部书，但它在很长时间里并没有什么反响，只有一些大学里的数学家对其进行了研究。荷兰莱顿大学的一位数学家设计了一系列实验对牛顿的力学理论进行验证，之后他用拉丁文发表了这些实验。1729 年，有人把这部书翻译成英文，其重要性才逐渐显现出来。1749 年，夏特莱侯爵夫人（Émilie du Châtelet）完成了这部书的法文翻译。此外，她还介绍了笛卡尔和莱布尼茨的思想，并且加上了很多注释。在法国，直到18 世纪下半叶人们才认识到这部书的重要意义。当然，人们在接受这部书的过程中还伴随着关于神学和哲学的辩论。

苗千：牛顿的宗教观是否影响了他在自然哲学方面的研究？

法拉：就像我们会把宗教、哲学和历史区别对待一样，他对宗教、自然哲学，包括炼金术也都是加以区分的。

苗千：对于当时的剑桥学者来说，痴迷于炼金术是一件很常见的事情吗？

法拉：这在当时也并不常见，所以牛顿必须非常小心。我想，对此的一种解释是，牛顿可能发现周围的一切都在以一种奇妙的方式发生转变：橡果可以长成一棵大树，把生鸡蛋加热就会变成固态……关键之处在于如何理解这种变化并且掌握它。炼金术的思路就是把铅转变成金，一个人的灵魂也会从黑暗转变为光明—一切都是关于转变的。在当时，化学和宗教也是紧密联系在一起的。

03

牛顿最大的科学遗产是什么？

苗千：牛顿曾说“我不做假设”，这是他对于笛卡尔主义者对他的引力理论的批评所做的回应吗？

法拉：这只是他的回应的一部分。你可以读一下他在1704年发表的《光学》，那也是一种英国经验主义对法国理性主义的回应。法国理性主义的理念是从一些最基本的原则出发，通过逻辑思辨就能得到知识；而英国经验主义的理念是从来源于实验的数据出发，以此建立你的理论。当时英法之间有很大的敌意——英法两国在18 世纪还发生了战争，在自然哲学研究领域，英法之间也存在着竞争关系。光学领域也是如此。当时，在法国有很多人批评牛顿的光学理论，但牛顿并没有提供关于他做光学实验的细节。比如，他通过三棱镜把来自太阳的白光分解为光谱，这个实验在技术上的难度很大，人们需要精心地设计实验，并且要用某种玻璃来制造三棱镜。牛顿并没有解释这些细节问题，所以当时很多法国人认为他的光学理论是错误的。

苗千：现代物理学包含很多假设，牛顿的方法是否已经过时了？

法拉：牛顿说“我不做假设”，这句话的背景是非常复杂的。就像我刚才说的，其主要目的是反击来自法国的批评。另外，我想牛顿所说的“假设”和我们现在所谈论的“假设”意义并不一样。现在很多科学家都是建立一种假设，然后通过实验去证实或者否定这种假设。我认为牛顿所谓的不做假设，指的是他不带任何成见地去看待这个世界，对任何可能性都表示接受；同时，他也不带任何预设地工作，这才是他所说的“不做假设”的意思。

苗千：牛顿最大的科学遗产是什么？

法拉：我想牛顿最大的科学遗产就是任何事物都可以被量化，可以通过数学来处理这一理念。我们可以看看现在人类对于经济学的研究，实际上它和物理学的研究方法是非常相似的，所以这个理念对人类造成了巨大影响。

苗千：人们对牛顿最大的误解是什么？

法拉：我想，是人们认为牛顿在一夜之间就改变了科学，以为他只不过是坐在一棵苹果树下，然后整个世界就都被改变了。事实并不是这样的，人类花了五十到一百年的时间才完成了科学革命，而且，我们现在所说的牛顿力学与牛顿最初呈现的牛顿力学是有很大不同的。他的版本中存在着上帝，而我们理解的牛顿力学是确定性的，并没有上帝的存在——这是由拉普拉斯在18 世纪才完成的。

图片均来自《改变人类进程的科学理论》书中配图