牛顿力学的传播与发展：科学通史回顾

在18世纪初，天主教地区的大学主要还在讲亚里士多德的自然哲学，而在新教地区，笛卡尔的机械论哲学普遍取代了亚里士多德主义，但仍然是一种思辨的、描述性的、追问原因的自然哲学风格，而没有引入数学和实验。直到18世纪末，牛顿的以数学分析为主的经典力学才在大多数地方取代了亚里士多德和笛卡尔的自然哲学。

大众似乎比大学更早接受牛顿。法国启蒙运动的代表人物伏尔泰于1726年流落英国，在1727年见证了牛顿的葬礼，并大为感动，认为英国人正是因为尊重学者、崇尚知识，才能使国家如此欣欣向荣，相对比一看，当时的法国简直是一团糟，显得陈旧腐朽。所以他1729年回国出版《哲学通信》，讲述他在英国的见闻，同时抨击法国的种种现状。后来他在1738年写作《牛顿的哲学原理》一书介绍牛顿思想，作为他抨击法国教会的一部分，而法国人笛卡尔的哲学被认为是与教会传统绑在一起的保守思想。

图13.3.1　艾米丽（夏特莱侯爵夫人）

伏尔泰的情妇，夏特莱侯爵夫人（公元1706年—1749年，图13.3.1）在牛顿思想的传播方面也非常重要，她是一个文武双全、才貌双全的传奇女性，一生风流不羁，特别是和伏尔泰有很多故事。夏特莱夫人除了帮助伏尔泰理解牛顿理论，最后还用法文翻译了牛顿的《自然哲学的数学原理》（在她死后的1756年出版，图13.3.2）。

在18世纪，女性在科学活动中扮演了一定角色。当然像夏特莱夫人这样的女学者毕竟还是非常罕见的，但一般女性至少扮演着科学的听众角色。比如在法国，沙龙是许多学者之间的交流场所，所谓沙龙就是大客厅，社交活动往往由女主人主持，绅士们在女士的主持下高谈阔论^[6]。

图13.3.2　夏特莱夫人翻译的《自然哲学的数学原理》一书中的插画，天上的是牛顿，在桌前写字的是伏尔泰，她自己则化身为缪斯女神

法国学者丰特涅尔（公元1657年—1757年）写了一本宣传笛卡尔机械论哲学的畅销著作《关于世界多样性的谈话》，在1686年出了第一版，此后一直到1742年一直在修订。这部对话是在他和一位侯爵夫人之间进行的，使用讲究的宫廷语言，把自然界描绘为一出精妙的戏剧。^[7]自然知识成为贵族男女之间调侃和消遣的一种方式。

意大利人阿尔加洛蒂（公元1712年—1762年）专门写了一部《写给女士的牛顿学说》（1737年），这本书风靡欧洲，很快被翻译成法语、英语、德语、荷兰语等。英国人也写作了许多类似的小册子，比如1761年出版的《适用于年轻绅士和小姐的牛顿的哲学体系》，直接面向儿童，用日常事物演示牛顿力学，例如用蜡烛和壁球来说明日食月食现象。这本书在18世纪的英国就发行了3.5万册。^[8](www.xing528.com)

可以说在18世纪后半叶，牛顿学说在欧洲上流社会已经是“妇孺皆知”了。在这方面，牛顿的胜出未必是依靠他在数学体系和精确性方面的优势，在很大程度上也许是因为代表英国和新科学的牛顿，比起代表法国传统的笛卡尔而言，更适合做偶像人物。

图13.3.3　笛卡尔的涡旋宇宙模型，试图用微粒的机械运动来解释引力的超距传递

说起牛顿与笛卡尔之争，不得不提到法国科学院在1735年到1745年之间组织的一次大规模的考察活动。根据万有引力学说，牛顿认为，地球应该不是一个完美的球体，因为自转的关系，赤道地区应该鼓出来一些。而笛卡尔学派根据笛卡尔的涡旋宇宙模型，认为赤道地区应该是被挤进去一些才对。我们知道笛卡尔不承认诸如万有引力这样的超距作用，只承认物质微粒的碰撞，他用以太粒子的涡旋来解释天体的运动和地心引力，认为地心引力其实是以太粒子从外向内挤压而导致的。笛卡尔本人似乎没有明确说明地球的形状，但他的追随者认为地球的形状应该是柠檬型的而不是洋葱型的，两极相对鼓出来一些。

牛顿派和笛卡尔派争执不下，法国科学院干脆组织了一次科考活动，派了两支探险队，一支到北极圈附近的卡普兰，一支到南美洲赤道附近的秘鲁。考察的结果是牛顿胜出了。虽然对这一结果并非没有争议，但总之是牛顿理论获得了有力的支持。

当然牛顿的学说也在不断被人改进。首先是宇宙演化思想的出现。在牛顿那里，宇宙依靠上帝的不断维持，是永恒存在的。但哈雷在1718年报告了三颗恒星自古以来发生了位置变化，动摇了宇宙永恒的观念。

到1755年，康德率先提出了星云假说，他认为行星环绕恒星旋转，而众多恒星聚集成银河系，宇宙从一盘散沙逐渐形成秩序，从无序到有序演化。康德的星云假说在18世纪末被拉普拉斯发展。

拉普拉斯写成《天体力学》（1799—1805年出版），全篇用微积分的语言讨论行星的运动，讨论了摄动理论并给出了三体问题的特殊解。

这时候，经过伯努利、达朗贝尔、欧拉等几代数学家的努力，牛顿理论被分析化了，其标志为拉格朗日于1788年出版的《分析力学》。分析力学从更普遍性的原理代替牛顿定律；以能量和功等标量函数代替力和动量等几何矢量；引入广义坐标，化欧氏几何问题为纯代数问题。