【原】科学导论

近代科学始于哥白尼时期，诞生于伽利略和牛顿。伽利略第一次引进了数学-实验的科学思想，而这种思想是科学的核心。牛顿是对科学思想最全面的诠释者，他的书《自然哲学的数学原理》是科学的典范之作。后来麦克斯韦的《电磁学通论》和爱因斯坦的《相对论》都是仿效牛顿的，也属于牛顿开创的经典力学体系范畴。

我们在初高中主要学习的物理内容大部分都属于经典力学，甚至大学的知识至少50%都属于经典力学范畴。

我们每个人的大脑要嘛停留在亚里士多德世界观当中，要嘛停留在牛顿世界观当中。虽然21世纪的量子论已经超越了经典力学体系，但是没有一个科学家真的懂量子力学带给我们的新的思想观念。

这个世界目前主要还是牛顿世界观为主的。即使如此，真正懂得牛顿世界观的人又有多少呢？大家或多或少都学过理化生，但是你真的就懂科学了吗？我们不禁问科学是什么呢？科学的思想是什么？那些物理学家是怎么思考问题的？这是我今天要和大家分享的内容。

科学是什么呢？科学就是我们对自然事物的描述、分析、和解释。这些自然事物和现象包括我们学过的物理、化学、和生物中的内容。

例如一个苹果从树上落下，这是一个很平常的自然现象。我们首先会对这种现象进行描述，例如苹果是以某个速度竖直从树上落在了地上；然后我们会对这种现象进行分析，例如苹果为什么落到地上而不是天空？苹果的速度是怎么产生最后又去哪呢？最后我们会给所有的分析一个解释或者一个结论，例如苹果掉到地上而不是天空可能因为受到一个把苹果拉到地上的力等等。

科学的思想是什么？科学的思想就是求真。首先就是实事求是地将事物描述出来，不管这种现象有多么反常；其次就是将它用数学的形式表示出来，分析要通过数理逻辑进行，严格推算。不得不在这里插一句，数学和实验是不一样的工具，但是核心还是数学。

物理学家是如何思考问题的？这部分可能最有意义，这是最能体验科学思维的地方。物理学家思考一个问题，和学生解一道作业题都是一样的思维过程。

首先我们会有一些基本的认识，这种认识是通过概念表示的。还会有一些我们根本的看法，这在科学上叫做原理。其次我们可以做一些判断，这涉及到逻辑分析。然后我们会借助数学知识做严格的逻辑推理，就是三段论那样的过程。最后我们会得到一个结果，这个结果对于科学家就是定理，对于学生就是解题的答案。

大家到此已经知道了很多，最后想为大家讲一部分牛顿力学的东西，也让大家明白牛顿世界观。牛顿最重要的理论就是牛顿三定律和万有引力理论，这也是每个人在学校要学的东西。

牛顿第一定律告诉我们这个世界本来的样子是什么样的——在不受力的情况下，所有的东西只有两种状态——静止或者匀速直线运动。但是为什么我们看到的世界不是世界原本的样子，因为我们的现实世界充满了各种力。牛顿因而发现了第二定律——力与物体运动状态之间的关系，这种关系是通过质量联系起来的。牛顿第三定律是揭示了力的本质是什么——力=相互作用。我们还知道力是矢量，可以分解与合成。运动状态与力一一对应，所以运动也可以分解与合成。

如果你已经深刻掌握了上面的知识，你又该怎么去应用呢？想想你是怎么去做一道物理习题的。

首先第一步：你要确定你的研究对象。不管是做数学推理或者做实验，明确研究对象都是非常重要的。

第二步：你要进行受力分析。受力一定要全面，方向不要弄错。然后进行力的分解。一般是十字分解，其实这是对力进行数学处理。

第三步：分析运动状态。如果不受力或者合外力为零，就是平衡条件。如果受力或者合外力不为零，那么需要考虑使用牛顿第二定律。

当然第二步和第三步可以反过来。加速度将静力学和运动学联系了起来。我们可以通过运动求力，也可以通过力求运动。

万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。这可能是牛顿最伟大的贡献，在科学史上具有划时代的意义。不知道牛顿的灵感来自于哪里？据说借鉴了胡可的弹性定律和开普勒第三定律。即使牛顿受到很多其他物理学家的启发，但是万有引力定律都是一种划时代的创举。有了万有引力定律就有了动力学，把上帝彻底赶出了科学的领域。

我们知道科学的三个功能是——描述、预言、解释——即是什么样的、会怎么样、为什么这样。描述是最简单和基础的，预言和解释相对比较难，但是最难的是解释。我们总问为什么，其实就是探寻事物的因，这是非常难的。有了牛顿的万有引力定律就可以解释力的来源，解释这个世界的本质。

牛顿的万有引力定律是说：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比。万有引力定律是针对一切物体的，有质量的物体就行。

根据万有引力定律，我们知道质量越大的东西产生的引力越大，两个物体之间的距离越小所产生的引力越大。然而我们日常生活中的大多数物体之间的万有引力太小了，小到我们察觉不到的地步。但是像地球、月球、太阳这样的天体产生的万有引力就很大。我们能很强烈地感觉到地球的重力，这就是引力的一个分力；大海之所以有潮起潮落现象，就是因为月球产生的万有引力；我们的地球绕着太阳转，也是因为万有引力，太阳和地球之间的万有引力。

牛顿力学或者牛顿世界观成为了人类思想史上最辉煌的典范之一，它启迪了后来的科学家。重大的转折来自于20世纪的爱因斯坦相对论。爱因斯坦重新思考并重新评估了牛顿的体系，发现了牛顿体系存在的很多错误，例如绝对时间和空间不存在，时间的同时性不是绝对性的等等。爱因斯坦基于两条基本的物理原理，建立起了新的相对论力学，彻底地重新改写了牛顿力学。

爱因斯坦的广义相对论是对万有引力的重新改写，到此可以说整个经典力学终于完善了。这是闪耀人类思想史的伟大举动，是一次人类思想的大终结。但是爱因斯坦的相对论本质上是对牛顿力学的完善，并不是根本的颠覆，这和后来诞生的量子力学有根本的不同。

至于量子力学，费曼说过这样的一句话：我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。关于量子力学的部分我今天不会涉及，其实在大学本科也涉及的不多。关于对量子力学的有关理解还有赖于大家以后的努力。