呂仕儒

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009）

大英百科全書把信念定義為是一種接受或者同意某一主張的心理態(tài)度，而無需用什么去保證這一主張的真實(shí)性?？茖W(xué)活動(dòng)離不開科學(xué)家持有的信念的影響，因?yàn)槿耸强茖W(xué)活動(dòng)過程中的主體。作為認(rèn)識(shí)主體的科學(xué)家所進(jìn)行的任何科學(xué)活動(dòng)都是在科學(xué)信念的引領(lǐng)下進(jìn)行的[1]。

1 伽利略的成就及其遺憾

伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）作為近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的奠基人之一，在科學(xué)上為人類作出過巨大貢獻(xiàn)。

伽利略最重要的科學(xué)成就是在運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域，他在《兩門新科學(xué)的對(duì)話》中說：“我的目的，是提出一門新科學(xué)來處理一個(gè)很古老的課題。在自然界中，最老的課題莫過于運(yùn)動(dòng)。盡管哲學(xué)家們對(duì)此寫出了卷帙浩繁、內(nèi)容龐雜的著作，我卻發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的某些性質(zhì)仍是值得探討的?！盵2]對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究是從批評(píng)亞里士多德開始的，而批評(píng)亞里士多德又是從自由落體運(yùn)動(dòng)問題開始的。其實(shí)早在公元前就有人對(duì)亞里士多德有關(guān)自由落體運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤觀點(diǎn)提出質(zhì)疑和反對(duì)，譬如伊壁鳩魯。之后還有意大利的數(shù)學(xué)家以及荷蘭的科學(xué)家等人都于不同的時(shí)期，從不同的角度提出過反對(duì)意見。伽利略則是巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)指出了亞里士多德的邏輯矛盾。后來又通過斜面實(shí)驗(yàn)更精確地揭示了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。并且通過進(jìn)一步的理性推理，還發(fā)現(xiàn)了慣性原理。

伽利略之所以特別重視自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，這也和他的科學(xué)信念分不開，認(rèn)為認(rèn)識(shí)到自由落體運(yùn)動(dòng)是弄清楚自然界各種運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。他說：“這是第一次為新的方法打開了大門，這種將帶來大量奇妙成果的新方法，在未來的年代里會(huì)博得許多人的重視?！盵2]自由落體問題在伽利略力學(xué)中的地位，就像火星研究在開普勒天文學(xué)中的地位一樣。正是以此為突破口，從根本上動(dòng)搖了亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)。慣性定律指出靜止?fàn)顟B(tài)與勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有某些共同之處，伽利略就是以此為突破口提出了相對(duì)性原理。相對(duì)性原理揭示了靜止?fàn)顟B(tài)與勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的等價(jià)性。對(duì)一個(gè)觀察者來說是靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)于另一個(gè)觀察者來說可以看作是勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣就提出了參考系的變換問題，伽利略變換就解決了這個(gè)問題。

伽利略由于確立了科學(xué)的自由落體定律、慣性定律與相對(duì)性原理，指出力是產(chǎn)生加速度的原因，為經(jīng)典力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

而在天文學(xué)方面，伽利略首次用望遠(yuǎn)鏡觀察天體，作出了一系列重大發(fā)現(xiàn)；其次用他的力學(xué)思想與天文學(xué)中的新發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步捍衛(wèi)和豐富了哥白尼學(xué)說。伽利略在天文學(xué)方面的貢獻(xiàn)無疑是卓越的，但是同他的力學(xué)相比，提出的新思想就不是很多。其實(shí)，以他擁有的力學(xué)知識(shí)，是完全可以來揭示出天體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)原因的，可伽利略卻沒有這樣去做，為什么？這就涉及到科學(xué)信念問題，因?yàn)橘だ哉J(rèn)為還不到探討運(yùn)動(dòng)規(guī)律背后的力學(xué)原因的時(shí)候。他說：“目前還不是恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候去研究物體在自然運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生加速度的原因。關(guān)于這個(gè)問題，哲學(xué)家們提出各種不同的意見，有些人解釋為由于地心的吸引，另一些人則認(rèn)為是由于物體各部分相互排斥的結(jié)果，還有一些人歸因于四周介質(zhì)的某種應(yīng)力，認(rèn)為緊靠在落體后面的應(yīng)力驅(qū)使它從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置。所有這些及其他的一些奇妙的幻想都應(yīng)該一一檢驗(yàn)。但是實(shí)際上并不值得這樣做。在現(xiàn)階段，我們的作者的目的只是考查和論證加速度運(yùn)動(dòng)的某些性質(zhì)，而不管產(chǎn)生這種加速度的原因是什么?！盵2]如果當(dāng)時(shí)伽利略把目標(biāo)定的再遠(yuǎn)一點(diǎn)，按著吉爾伯特的思路繼續(xù)探索下去，是很有可能進(jìn)一步揭示出天體運(yùn)動(dòng)背后的力學(xué)原因的。史料表明伽利略當(dāng)時(shí)是了解吉爾伯特關(guān)于磁的學(xué)說的，而且他也完全贊同吉爾伯特的關(guān)于地球是一個(gè)大磁體的觀點(diǎn)。從這一點(diǎn)來看，對(duì)于伽利略來說確實(shí)有點(diǎn)遺憾，但是，這絲毫不會(huì)動(dòng)搖其作為“近代力學(xué)之父”和近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)奠基人的地位。

2 開普勒的探求歷程

約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler，1571-1630）作為哥白尼學(xué)說的擁護(hù)者，對(duì)哥白尼大加贊賞，他稱哥白尼是才華橫溢的“自由思想家”；同時(shí)，他又不滿足于哥白尼學(xué)說達(dá)到的水平，認(rèn)為哥白尼還沒有充分揭示出宇宙的數(shù)的和諧性，決心沿著畢達(dá)哥拉斯早已確立的科學(xué)美學(xué)準(zhǔn)則這一方向作進(jìn)一步努力，去充分揭示宇宙隱藏在現(xiàn)象背后的數(shù)的和諧性。

開普勒首先思索的是為什么宇宙只有當(dāng)時(shí)所知道的六個(gè)行星時(shí)，想到了畢達(dá)哥拉斯學(xué)派所發(fā)現(xiàn)的五個(gè)正多面體。認(rèn)為這兩者之間一定有某種數(shù)的和諧性。經(jīng)過絞盡腦汁的思考和計(jì)算，終于提出了一個(gè)用五個(gè)正多面體與六個(gè)行星運(yùn)行軌道所在的球面相互套疊在一起的模型。

1596年開普勒出版了他的第一部著作《宇宙的神秘》，公布了這個(gè)模型。后來發(fā)現(xiàn)這僅是人為杜撰出來的藝術(shù)品，并沒有真正反映出宇宙的數(shù)的和諧性。首次探索的失敗，并沒有動(dòng)搖他追求宇宙數(shù)的和諧性的信念。而從另一方面看，開普勒這次的努力也并不是完全沒有收獲，正是由于第谷看了《宇宙的神秘》，才發(fā)現(xiàn)了開普勒的才華，并邀請(qǐng)開普勒到自己身邊工作?？茖W(xué)史上把1600年第谷與開普勒在布拉格的會(huì)見，稱為是科學(xué)史上的一件大事，意味著經(jīng)驗(yàn)觀察與數(shù)學(xué)理論在天文學(xué)上的結(jié)合。

在整理第谷的觀測材料時(shí)，開普勒發(fā)現(xiàn)托勒密的地心說理論、哥白尼的日心說理論以及第谷的折中理論都不能與第谷的觀測數(shù)據(jù)相吻合?；趯?duì)第谷工作的了解，開普勒認(rèn)為問題一定出現(xiàn)在理論方面，第谷的觀測數(shù)據(jù)不會(huì)錯(cuò)，決心一探究竟，企圖去揭開行星運(yùn)動(dòng)之謎。

開普勒第二次探索的關(guān)鍵任務(wù)首先就是確定火星的位置，用他的活叫征服戰(zhàn)神馬爾斯的戰(zhàn)斗。一開始他把火星的軌道設(shè)想為一個(gè)偏心圓，可幾十次的驗(yàn)算都不理想。理論的計(jì)算與第谷的觀測資料總是不吻合。最好的結(jié)果是8 弧分的誤差。其實(shí)8弧分的誤差已經(jīng)很小了，如果開普勒就此滿足了，那也就不會(huì)有行星三定律的發(fā)現(xiàn)了。開普勒的可貴之處就在于對(duì)他的老師觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有堅(jiān)定的信念。開普勒說：“上天給我們一位像第谷這樣精通的觀測者，應(yīng)該感謝神靈的這個(gè)恩賜。一經(jīng)認(rèn)識(shí)到這是我們使用的假說上的錯(cuò)誤，便應(yīng)竭盡全力去發(fā)現(xiàn)天體運(yùn)動(dòng)的真正規(guī)律，這8弧分是不容許忽略的，它使我走上改革整個(gè)天文學(xué)的道路?！盵2]開普勒從不回避矛盾，而是勇于面對(duì)現(xiàn)實(shí)。以他對(duì)第谷工作的了解，他認(rèn)為第谷觀測的誤差不會(huì)超過2 弧分，所以開普勒認(rèn)為這8 弧分的誤差只能是由于理論的不正確造成的。

最后，他終于對(duì)一貫堅(jiān)守的勻速和正圓軌道這兩個(gè)傳統(tǒng)觀念產(chǎn)生了懷疑。大膽地假設(shè)火星運(yùn)行的速度是變化的，越接近太陽，速度就越快。其軌道呈橢圓形。

1609年開普勒出版了《新天文學(xué)》一書，公布了行星運(yùn)動(dòng)的前兩個(gè)定律。有了這兩個(gè)定律，計(jì)算各個(gè)行星的準(zhǔn)確位置的問題就解決了。征服戰(zhàn)神馬爾斯的戰(zhàn)斗可以說取得了勝利。開普勒高興地說：“敵人到底被我關(guān)在運(yùn)行表的監(jiān)牢里了。”但是開普勒并沒有就此止步，他提醒自己說：“你以為你什么都知道了嗎？不，你想錯(cuò)了！還有許多事情，盡管你這么倔強(qiáng)，也是不容易知道的?！盵2]開普勒想既然不同行星的運(yùn)轉(zhuǎn)速度同它們離中心點(diǎn)的距離有關(guān)，即較遠(yuǎn)的行星有較長的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。而且第二定律也說明，即使是同一個(gè)行星，同太陽的距離不同，運(yùn)轉(zhuǎn)的速度也不同。也就是說不論是同一個(gè)軌道還是不同的軌道，行星的速度總是同到太陽的距離有關(guān)，離得越近，運(yùn)轉(zhuǎn)得越快。這說明行星速度或者運(yùn)行周期，同行星到太陽的距離一定有某種數(shù)的和諧性存在。那么這種和諧性是什么呢？這就是開普勒進(jìn)一步考慮的問題。

當(dāng)時(shí)，人們還不知道行星與太陽之間的實(shí)際距離，只知道各個(gè)行星距離的比例。而各行星的公轉(zhuǎn)周期T是已知的。這些從表面上看上去好像是偶爾撿來的、毫無聯(lián)系的數(shù)據(jù)擺在開普勒的面前，要想找到它們之間的聯(lián)系，其難度可想而知。如果內(nèi)心沒有堅(jiān)定的信念支撐，是沒有勇氣去面對(duì)的。開普勒這位對(duì)畢達(dá)哥拉斯建立起來的科學(xué)美學(xué)總則深信不疑的科學(xué)家，堅(jiān)信這些雜亂當(dāng)中一定有某種統(tǒng)一的、和諧的規(guī)律存在。為此，對(duì)這些數(shù)據(jù)不斷地進(jìn)行各種計(jì)算，去試、去碰、去找。最終開普勒用了九年的時(shí)間得出了一個(gè)結(jié)論：T2=R3，即行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方和行星軌道長半徑的立方成正比。這就是開普勒行星第三定律。1619年開普勒出版了《宇宙和諧論》一書，公布了他的第三次探索的成果。開普勒三定律是行星運(yùn)行的基本定律。人們稱贊開普勒是“宇宙的立法者”。

開普勒對(duì)哥白尼學(xué)說的最大貢獻(xiàn)就是拋棄了勻速和正圓兩個(gè)傳統(tǒng)概念，修正了哥白尼“日心說”體系，使之更加精確和完善，是天文學(xué)研究過程中的一次重大突破，為牛頓萬有引力定律的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

從自身的條件出發(fā)，開普勒不適合從事天文學(xué)研究，先天不足，后天多病，而且眼睛又不好?？墒鞘聦?shí)上開普勒不僅成了一個(gè)天文學(xué)家，而且可以說還是一位在近代天文學(xué)史上同哥白尼、伽利略以及牛頓齊名的科學(xué)家。那么開普勒成功的奧秘在哪兒呢？因素很多，譬如他的敢于探索勇于創(chuàng)新的精神、豐富的想象力、高度的理論概括能力等等。但是，最重要的應(yīng)該歸功于開普勒建立在尊重科學(xué)事實(shí)基礎(chǔ)上的堅(jiān)定的科學(xué)信念。如果沒有深厚的畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的科學(xué)美學(xué)信念，就不會(huì)有一而再再而三的努力探索；如果沒有對(duì)第谷觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的堅(jiān)定信念，同樣不會(huì)有敢于突破傳統(tǒng)勻速與正圓軌道概念的勇氣和精神，那么開普勒也就不會(huì)成功。

3 結(jié)語

關(guān)于科學(xué)信念在科學(xué)研究當(dāng)中的重要性，科學(xué)與哲學(xué)家們發(fā)表過許多言論。愛因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)說：“相信世界在本質(zhì)上是有秩序的和可認(rèn)識(shí)的這一信念，是一切科學(xué)工作的基礎(chǔ)?！薄耙遣幌嘈盼覀兊睦碚摌?gòu)造能夠掌握實(shí)在，要是不相信我們世界的內(nèi)在和諧，那就不可能有科學(xué)。這種信念是，并且永遠(yuǎn)是一切科學(xué)創(chuàng)造的根本動(dòng)力?！盵3]英國哲學(xué)家懷特海(A·N.White2head)在論述現(xiàn)代科學(xué)的起源時(shí)也明確指出：“如果我們沒有一種本能的信念,相信事物之中存在著一定的秩序,尤其是相信自然界中存在著秩序,那末,現(xiàn)代科學(xué)就不可能存在?！盵4]這些從伽利略和開普勒在科學(xué)研究當(dāng)中的表現(xiàn)已經(jīng)深刻地認(rèn)識(shí)到了。由此可見，要想在科學(xué)研究當(dāng)中有所成就，就必須先樹立起正確而堅(jiān)定的科學(xué)信念。