32 科学的确立
我们已经知道在公元前610年至公元前322年之间，是人类哲学思想的鼎盛时期，那个时代涌现出诸多著名的善于思辨的哲学家（当然也有科学家）。在近300年的时段里，如此众多的思想者接连诞生，为之前几千年或几万年所没有（有，也无从可考）。但至少到现在，哲学家如此密集地出现在历史的某个时期，这是唯一的一次。因此构成了人类不可复制的认知现象。哲学家把人们能想到的问题都想到了。但哲学家本身为什么会那样密集地出现，似乎无人提及。在前面本人已从认知规律出发，谈到了哲学应运而生的内在原因。人类从远古走来，对自然存在的认知首先是从生产斗争中获得的，因此生产知识与技术的产生要先于哲学和社会类学科（它们都是直接的经验或长期观测后的结果，也是人类提高智商的动力）。继而向深层的自然内部去探索等同于物理、化学级别的相关规律（它们是未知的存在），当时还不具备相对应的条件或方法，这时候哲学（理性的臆想）恰好可以解决这个问题。至少在不可观察的情况下，哲学可以给出一个解释。
哲学家并不是面面俱到的圣人。在认知问题上，一些观念会影响到他的判断。考察与实验的认知方式其实在哲学家辈出的时代已有人在践行，而且不乏成果。甚至到了阿基米德哪里，运用数学表达客观规律，已有非同凡响的成功实例。那些思想大家们却视而不见，或者不了解或者不重视。他们虽然也做一些实验来寻求发现，但潜意识里更热衷理性的思辨。当时有一种自负倾向的学术思潮，把理性的成果视为更高级别的认知。这似乎格外让人不能理解。人类的感官是人类在进化中从动物界沿用下来的，大脑与外界建立联系的通道。是自然优化的必不可少的合理的存在。但在相当一部分哲学家那里，竟被认为是不可靠的。甚至弄瞎自己的眼睛，以表达理性至上的理念。是哲学家的虚荣心还是智者的清高？当时，一些哲学家确实是不愿意去做实验性探索的。也许自然科学还不足以像社会科学那样对哲学家产生澎湃的激励作用，因此也就忽视了实验在认知中的意义。以至于在做自然科学的学问时，也采用做社会科学或哲学探讨时所用的方法。
科学的产生与宗教有很深的渊源，与社会状况、社会需求也密切相关。如果这些放在一边，科学的确立之直接的来源，应该说来自数学方法及实验与考察。人们彻底明确这一点的年代是哥白尼革命时期。它像一道闪电，照亮了1000余年后的文化天空。
此前，“地心说”在中世纪的欧洲一直居于统治地位。古希腊时代哲学家阿里斯塔克斯提出地球在运动的主张，没有人予以重视。没有人去研究阿里斯塔克斯为什么会有这样的主张。即使亚里士多德也没有思考这个问题。他确信地球是宇宙的中心，没有求证它是否成立。这一点不能不说是受到了传统观念的影响，即使是思想的大家也不例外。由于“地心说”的提出与基督教《圣经》中关于天堂、人间、地狱的说法刚好互相吻合，处于统治地位的教廷便竭力支持“地心说”，被教会奉为和《圣经》一样的经典，一样的不容置疑。亚里士多德与教会不谋而合，“地心说”自然根基巩固。
【1】 日心说，人类思想的伟大突破
此后的几百年里，“地心说”模型的漏洞越来越明显。为了弥补显露的不足，后续者便在这个模式上累加了许多轨道，使模型不堪重负，运行变得越来越庞大和复杂。到了文艺复兴运动时期，人们发现托勒密所提出的均轮和本轮的数目竟多达八十个左右，几乎理不出头绪了。人们期待着能有一种科学的天体模型取代地心说。
哥白尼想改进这种情况。在长达近20年的时间里，哥白尼不辞辛劳日夜测量行星的位置，以期能有新的发现。但测量结果似乎不足以改进什么。哥白尼产生了怀疑：难道星体真的是绕着地球在运行吗？他用了一年时间，在不同的时间、不同的地点从地球上观察行星，发现每一个行星的情况都不相同，这使他意识到地球不可能位于星星轨道的中心。研究20年的观测，哥白尼发现唯独太阳的周年变化不明显。这意味着地球和太阳的距离始终没有改变。如果地球不是宇宙的中心，那么宇宙的中心就是太阳。他立刻想到如果把太阳放在宇宙的中心位置，那么地球就该绕着太阳运行。按照这一思路建构的模型，使宇宙结构变得简单而清晰起来。原来历经1000多年，人们认为地球是静止不动的中心，是错误的。1515年，哥白尼开始写作《天体运行论》一书。为了躲过教会的惩罚，哥白尼在世时没有公开他的发现。1543年，这一发现才公诸天下。他在书中科学地阐明了天体运行的现象，正确地论述了地球绕其轴心运转、月亮绕地球运转、地球和其他所有行星都绕太阳运转的事实。此书激发了人们的认知热情，驱使一些其他天文学家对行星运动作更为准确的观察，其中丹麦的天文学家泰寿·勃莱荷最为著名。开普勒就是根据泰寿积累的观察资料，最终推导出了星体运行的正确规律。这是一个前所未闻的开创新纪元的学说，他令均轮和本轮堆砌的貌似科学的“地心说”崩塌了。不容置疑，哥白尼的学说是人类对宇宙认识的革命，它使人们的整个世界观都发生了重大变化。
“日心说”作为人类认知的大事件，之所以成为现代科学的开端，至少它有三个方面值得人们关注。一是正确的认知观念的建立；二是“基点知识”这一概念的形成。三是准确的观察资料，应视为知识的原始形态，是认知的要件。
（1）正确的认知观念的建立
哲学家可以在思维世界里走的很远，但他不一定具有正确的或运用了正确的认知观。人的感官就是用来认识世界的（这也是物竞天择的结果。），偏偏有人就不信任这种人与自然的交互方式，但至少到目前这是不可改变方式。正确的认知观念实际上就是人们每一知识点的确立（可确信的），都要建立在观察和验证的基础之上，而非权威的说辞或没有出处的习惯说法。哥白尼近20年的天文观测，就可以视为是人与自然的一种交互，它回到了认知的本有状态，这是才是知识的正确始点。现在理解它很容易，但在人类的某些时期，因为自身观念的影响，对此的认知是不清晰的。而实验科学在哥白尼之后会有一个迅猛的发展，与认知回归本有状态不无关系。
（2）“基点知识”概念问题
人们系统的知识，是由一个一个的知识节点构成的。反映到人们思维当中，就是一个一个词构成的概念和概念之间的联系。在这些联系之间，有时是平行的关系，有时是晋级的关系，有时是制约的关系。如果诸多的节点都与某一个节点有关，我们就可以把它视为“基点知识”。哥白尼的贡献，本质上是改变了一个“基点知识”。将之前的“地心说”，改为“日心说”，实际上就是“基点知识”的改变。“地心说”最后垮塌了，源于“基点知识”的错误。而基点的错误，就是该知识点没有得到在观察和验证基础之上的“确立”。那么多认可“地心说”的科学家、哲学家，他们确实使用的是假设的“基点知识”。前面我们提到，古希腊时代哲学家阿里斯塔克斯提出地球在运动的主张，没有人予以重视，没有人去研究阿里斯塔克斯为什么会有这样的主张。这不能不说是正确的认知观念未能践行的遗憾。
（3）认知要件：准确的观察资料
如果说“基点知识”更多的取决于多种情况的判断，那么准确可靠的观察资料则是必不可少的。哥白尼近20年的天文观测为他提供了这个要件。“基点知识”的确认是重要的，而在此之前，是否掌握准确的观察资料也同等重要。它构成存在的本源，即存在转入理性思考时的状态，对观察后的思考（包括数学的）意义重大。
这就是哥白尼在哲学上给人的启迪。
正是哥白尼（1473-1543）上述这般非同寻常的贡献，无论在何时，只要提到“日心说”人们会联想到这位科学家。其实，哥白尼的生平是多彩的，他的才能不仅仅只限于天文学。作为波兰人，哥白尼毕生都信奉天主教。早期就对法律、天文学、数学、神学和医学有研究，且通晓希腊文。还是杰出的经济学家，写过《货币的一般理论》一书。他是近代第一个提出劣币淘汰良币理论的经济学家。其医术高明，被人们誉为“神医”。对数学颇有研究，他的巨著《天体运行论》附录里，发表过他的球面三角论文。虽然在天文学的计算方面，也有不足，但他计算出地球绕太阳公转一周是365天6小时9分40秒，这个结果是相当精确的，仅比当代天文学家用最精准的原子钟测定的值多出30秒！这一点确实令人叹服。1519年，条顿骑士团来犯，埃尔门兰德地区的僧侣全给吓跑了，而他却勇敢的组织和领导奥尔兹丁城的人民经过五天五夜的激战，打退了敌人的进攻。表现了他的英雄气概和组织指挥才能。
为什么《天体运行论》被今人视为现代科学的开端？因为缺乏求证的“地心说”蒙蔽了人们近2000年，而来自不懈的观测和数学计算让人们知道了宇宙的真相。这让人们意识到真正了解世界可以用哥白尼式的“认证方法”。内中的启迪作用是划时代的。不但“地心说”倒塌了，宗教的御用哲学也受到冲击-----经院哲学也因此而崩塌。
【2】 实验概念的觉醒
弗朗西斯。培根（1561-1625），哥白尼身后的同时代人，英国文艺复兴时期最重要的散文家、英国唯物主义哲学家，实验科学的创始人，近代归纳法的创始人。他是把当时的科学研究的观念理论化，正式引入认识论的第一人。此前人们普遍以信仰代替感觉，不要问为什么，那是上帝的事情，你只要信仰就行了。因此人最缺少的就是独立的思考。天使博士阿奎在300年前，把神学分为启示神学和认识神学，有独立思考的隐意，算是一种进步。弗朗西斯。培根则明确指出信仰和认识是两件事，把认识世界从宗教那里分开来。在此之前的科学认识是一种不自觉的认识活动。培根认为人们可以更多地借助观察、实验，经验材料进行科学研究。并推出归纳逻辑方法用于观察基础上的理性研究。有理由相信当代科学逻辑，就是在培根的归纳逻辑的启迪下发展起来的。直至今天，自然科学重视观察、实验，分析综合的传统，是与培根所开创的传统分不开的。所以马克思、恩格斯称培根是“整个实验科学的真正始祖”，并总结说：“科学是实验的科学，科学的方法就在于用理性的方法去整理感性材料，归纳、分析、比较、观察和实验是理性方法和重要条件。” 伏尔泰也认为培根是提出“实验哲学”的第一人。并说在培根的《新工具》之前，人们根本不知道什么叫“实验哲学”，不知道应通过实验认识世界现象。从这个意义上说，我们也可以把培根看成是“启蒙运动”的先驱和“宗教改革”的推动者。英国的皇家学会就是受培根《新工具》“理想国”的启发，在17世纪成立的。可见他对意识形态的影响。
培根65岁那一年（1626年）的3月底，他正在研究冷热理论及其实际应用问题。当路过一片雪地时，他突然想作一次实验，他宰了一只鸡，把雪填进鸡肚，以便观察冷冻在防腐上的作用。但由于他身体孱弱，经受不住风寒的侵袭，支气管炎复发，病情恶化，于1626年4月9日清晨病逝。
培根死后，亨利·沃登爵士为他题写了墓志铭：圣阿尔本子爵。如用更煊赫的头衔应称之为“科学之光”、“法律之舌”（做过律师）。
霍勒：“培根的书比任何其他的书更能让人修身养性，他是上帝派来的天才人物之一，他教会我们如何获得成功，如何造就伟大。他让人们相信一点，天才不是拜上天所赐，而是靠着勤奋得来的，劳动能够创造一切奇迹。”
科学革命的另一位先驱紧跟其后，他是意大利人，著名数学家、物理学家、天文学家。是近代实验科学的奠基人之一。他的名字叫伽利略(1564-1642)。如果说培根指明了科学研究的方法，伽利略就是证明科学研究方法使用效果的科学艺术大师。他设计的许多实验都甚称经典。
伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，因此被誉为“近代力学之父”、“现代科学之父”。其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。
伽利略摒弃神学的宇宙观，认为世界是一个有秩序的服从简单规律的整体，与上帝没什么关系。要了解大自然，就必须进行系统的实验定量观测，找出它的精确的自行存在的数量关系。指出经验是知识的唯一源泉，主张用实验—数学方法研究自然规律，反对经院哲学的神秘思辨。他深信自然之书是用数学语言写的，只有能归结为数量特征的形状、大小和速度才是物体的客观性质。他是利用望远镜观察天体取得大量成果的第一人。
用数学方法结合实验手段研究物理问题，可以追溯到公元前3世纪的阿基米德，也许是技术条件，也许是还没有认识到实验方法是科学研究的要件，因此那一时期的科研没有形成规模上的普及。加上认知观念的不同，也进一步遏制了实验科学的萌生。或许正是因为如此，伽利略才这样说过：“我要请求这些聪明细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区别。要知道，做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的。”很显然，伽利略已经非常清楚自己的科学研究与神学认知观念的区别。因此，伽利略能够成为科学大师也就不令人奇怪了。
有人这样来归纳伽利略的数学-实验法：
分三个步骤：
①先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；
②再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；
③然后通过实验来证实这种数量关系。
伽利略对落体匀加速运动规律的研究便是最好的说明。
人们公认从伽利略、牛顿开始的实验科学，是近代自然科学的开始。
如果说在哥白尼之前，科学还像低矮的丛林缺少参天的树木，那么，哥白尼的“日心说”则为人类种下了第一棵知识之树。伽利略的科研成果是辉煌的，如在力学方面，他是第一个把实验引进力学的科学家。
请看他在力学上取得的累累硕果：
他发现了摆的等时性定律，根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述伽利略还对物体在斜面上的运动，抛射体的运动等作过实验和观察。在这些研究基础上他提出了加速度的概念及其数学表达式。他曾非正式地提出惯性定律和物体在外力作用下运动的规律，提出运动相对性原理（现称伽利略相对性）相对性原理是为答复对哥白尼体系的责难而提出的，但原理的意义远不止于此，它第一次提出惯性参考系（惯性系）的概念，被爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。这些为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。伽利略还提出过合力定律，抛射体运动规律。在经典力学的建立上伽利略可以说是牛顿的先驱。伽利略对摆的运动作过长期的观察和研究。在后来的研究中指出单摆的周期和摆长度的平方根成反比。这一规律为后来计时机构（摆钟）的设计提供了根据。1641年，已失明的他，让儿子为他绘制了摆钟设计图。除此之外，他对工程力学也有深入的研究。
因此，我们把他的力学之树较之哥白尼，称它为第二棵参天大树也不为过。在天文学方面，伽利略是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。观察到土星光环、太阳黑子、月球山岭、金星和水星的盈亏现象、木星的卫星和金星的周相等现象，从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，证伪了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。但是日心说是宗教的忌讳，伽利略的因此交上厄运。
1613年，哥白尼的《天体运行论》被宗教法庭列为禁书，伽利略也受到警告，要他放弃哥白尼学说。1632年伽利略不顾教会的阻挠，所著《两大世界体系的对话》出版，令教会十分恼怒。宗教法庭把伽利略传到法庭，并宣判他有罪，并责令他忏悔，放弃自己证明了的学说，禁止《对话》流传。1633年被判处终生监禁。
比起伽利略，教会就太落伍了。两者完全在相互隔绝的两个世界。在科学研究方面，伽利略跨越时代，已经开辟了实验科学的新世界，意味着近代自然科学的开始。而教会还停留在经院哲学几百年前的腐朽没落的场景里。
无论在动力学、梁的弯曲或者是天文学的研究中，伽利略十分重视观察和实验的作用。他又善于在观测结果的基础上提出假设，运用数学工具进行演绎推理，看是否符合于实验或观察结果。如在自由落体的实验中，他让水滴相继地从同处下落，每两滴时间间隔相同。他观察到任何时刻相继两滴间的距离成等差级数。他运用数学中的抛物线性质，得出下落距离和时间成平方关系。证明他对理论推导也很严谨。
实验和观测要精确，就离不开测量仪器。伽利略没有现成的可以利用，因此他还成了发明家，除了望远镜，他还研究制造了有流体静力秤、比例规、温度计、摆式脉搏计等。
伽利略一生坚持与教会的经院哲学作斗争，主张用具体的实验来认识自然规律，认为实验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对迷信盲从。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对现代哲学具有重要的意义。从此开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。伽利略的科学发现，不仅在物理学史上而且在整个科学史上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法。
伽利略主要著作有《星际使者》《关于太阳黑子的书信》《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》《关于两门新科学的谈话和数学证明》和《试验者》。
当代提起伽利略必提及牛顿。两位科学家都属于科学上的巅峰人物。其实在两者之间，还有数位科学家我们应该知道，其中之一就是笛卡尔（1596-1650）。他也是一个多领域建树自己标杆的探索者。首先他是一名数学家，他对现代数学的发展做出了重要的贡献，因将几何坐标体系公式化而被认为是解析几何之父。他创立了著名的平面直角坐标系和“解析几何学”。把相互对立着的“数” 与“形”统一了起来，使几何曲线与代数方程相结合。为后来牛顿、莱布尼兹发现微积分，为一大批数学家的新发现开辟了道路。他更是一名哲学家，与英国弗兰西斯·培根一同开启了近代西方哲学的“认识论”转向。——“我思故我在”成为世界的经典。
笛卡尔在《方法 论》中归纳出了一套严谨治学的方法。直到近今天仍然是实验科学值得借鉴的方法。此法分四步骤：
1，永远不接受任何自己不清楚的真理，只要没有经过自己切身体会的问题，不管有什么权威的结论，都可以怀疑。
2. 可以将要研究的复杂问题，尽量分解为多个比较简单的小问题，一个一个地分开解决。
3. 将这些小问题从简单到复杂排列，先从容易解决的问题着手。
4. 将所有问题解决后，再综合起来检验，看是否完全，是否将问题彻底解决了。
有人评价这个方法，认为他是从“逻辑学”、“几何”等学科归纳出来的最具认知特征的规律。
此方法的第1条，实际上在强调“正确的认知观念的建立”这样一个问题。也涉及到“基点知识”这样一个概念。对“不清楚的真理”持怀疑态度，确认它是可信的，是可以视为知识链条中的一个节点的，才有可能保证下一环节的正确。因为认知的要件就是：获得准确的观察资料，并在这一基础上获得正确的结论。
此方法的第2条、第3条，在强调知识的阶梯性或网络性的规律，对于陌生的事物，人们不可能一下子就能全面掌握。因此只能一阶一阶或一点一点地耐心细致地加以认知。反映到认知规律上也就是“由浅入深”、“由简到繁”。看起来简单，但尊重这一规律则很难。这就意味着做学问往往要从基础性工作做起，要能耐得住寂寞。也许耗费了一个人毕生的精力，你不一定会到达成功的顶点。
此方法的第4条，是讲理论构建的问题。你的《实验论文》怎么写，有没有新发现，你要按照第4条完成这一步骤，将知识系统化。
笛卡尔声称是虔诚的罗马天主教徒，自称“沉思”的目的是为了维护基督教信仰。但是在他自己的时代，笛卡尔被指控宣扬秘密的自然神论和无神论信仰。与他同时代的布莱兹·帕斯卡说，“我不能原谅笛卡尔；他在其全部的哲学之中都想能撇开上帝。然而他又不能不要上帝来轻轻碰一下，以便使世界运动起来；除此之外，他就再也用不着上帝了。”在这一点上，笛卡尔与牛顿走到了一起。
【3】 伟大天才的失误
牛顿（1643-1727）被视为有史以来最伟大的天才。他把地球上物体力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中，创立了经典力学理论体系。实现了自然科学的第一次大统一。这是人类对自然界认识的一次飞跃。现代人对他的了解始于万有引力定律。最传奇的说法是苹果落地引发了牛顿的思考，最后发现了“万有引力”。其实考虑这个问题他用了22年。1679年，R·胡克在写给他的信中提出，引力应与距离平方成反比，地球高处抛体的轨道为椭圆，假设地球有缝，抛体将回到原处，而不是像牛顿所设想的轨道是趋向地心的螺旋线。牛顿没有回信，但采用了胡克的见解。万有引力涉及三个定律，被称为三大运动定律。第一定律的内容伽利略曾提出过，后来R.笛卡儿作过形式上的改进，伽利略也曾非正式地提到第二定律的内容。第三定律的内容则是牛顿在总结C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的结果之后得出的。1684年，牛顿思考引力及其对行星轨道的作用、在研究了开普勒的行星运动定律及等早期见解后，将成果发表在出版的《物体在轨道中之运动》一书中。这三个非常简单的物体运动定律，为力学奠定了坚实的基础，并对其他学科的发展产生了巨大影响。1687年7月他的《自然哲学的数学原理》出版，将前一书中的内容晋升为并定义了万有引力定律。并用数学方法导出了万有引力公式。该书中，他还基于波义耳定律提出了首个分析测定空气中音速的方法。
牛顿对那些暂时无法解释的自然现象归结为上帝的安排，提出一切行星都是在某种外来的“第一推动力”作用下才开始运动的说法。在这一点上与笛卡尔保持了一致。牛顿活了80岁，但他40年用于科学研究，另外40年他一直伺奉着神学（他用100多万单词的神学手稿表达了他对上帝的虔诚），并引用许多“科学现象”来证明上帝的存在。甚至在研究地球有多少岁时，他居然用《圣经》推算出6000年。
牛顿对数学有超凡的解析力，虽然他在计算地球年龄时加法不太好，但在高深的数学领域，只要不用神学，他就会显露傲人的锋芒。据说瑞士数学家J.伯努利曾征求最速降落曲线的解答，这是变分法的最初始问题，半年内全欧数学家无人能应答。1697年的一天，牛顿偶然听说此事，当天晚上一举解出，并匿名刊登在《哲学学报》上。伯努利惊异地说：“从这锋利的爪中我认出了雄狮”。可见牛顿在无需上帝的第一次推动时，超级大脑的强大。
牛顿最擅长的是数学。但在科学方法的创造与运用上也有相当的建树。在科学方法 论上形成了一套研究事物的方法 论体系，在他的《原理》一书中体现为多种方法。其中主要的方法是：
①实验——理论——应用的方法。牛顿在《原理》序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些方法 论证其他的现象。”
他对光学的研究就是该方法的经典应用。1666年，他用三棱镜研究日光，发现棱镜可以将白光发散为彩色光谱，而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。由此得出结论：白光是由不同颜色（即不同波长）的光混合而成的，揭示了光色的秘密。牛顿还曾把一个磨得很精、曲率半径较大的凸透镜的凸面，压在一个十分光洁的平面玻璃上，让白光照射下来，可看到中心的接触点是一个暗点，周围则是明暗相间的同心圆圈。这就是“牛顿环”。根据类似的实验，他创立了光的“微粒说”理论，从一个侧面解释了光的运动性质。他还通过分离出单色的光束，并将其照射到不同的物体上的实验，注意到无论是反射、散射或发射，色光都会保持同样的颜色。此项工作让他意识到任何折光式望远镜都会受到光散射成不同颜色的影响，因此发明了可以克服这一问题的反射式望远镜。他自己打磨镜片，使用牛顿环来检验镜片的光学品质，制造出了优于折光式望远镜的仪器。1671年，他在皇家学会上成功展示了自己的反射式望远镜。
在1675年的著作《解释光属性的解说》中，牛顿假定了以太的存在，认为粒子间力的传递是透过以太进行的。不过牛顿在炼金术那里得到灵感，认为粒子相吸互斥的神秘力量更能体现光的性质，替换了先前假设以太存在的看法。这为他发展出他的引力理论打下了基础。
1704年，牛顿著成《光学》，进一步阐述光是由非常微小的微粒组成的，而普通物质是由较粗微粒组成，并猜想“难道物质和光不能互相转变吗？进而他还使用玻璃球制造了原始形式的摩擦静电发电机。
牛顿同时又认为光还具有波的性质，以解释光的衍射现象。即“牛顿环”现象。当时的科学家胡克认为光是一种波，胡克在《光学》阅读报告中写道：“自我所从事的实验和观测，甚至从他（牛顿）的实验中，我完全可以证明光是一种脉冲。”这使牛顿与其产生了分歧。
而其后世的物理学家们则更加偏爱以纯粹的光波来解释衍射现象。而且现代的量子力学、光子以及波粒二象性的思想与牛顿对光的理解已相去甚远。
以上可知牛顿在光学的研究中，实验构成了发现的前提，而深入的研究则导致了理论的产生，当有了理论（正确的判断或数学上的描述）应用也就蕴含其中了。应用的意义在于进一步验证理论的正确，也表达了精神变物质这样一种“能量”的转换（如反射式望远镜）。
②分析——综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。牛顿在《原理》中说过：“在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法……。一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性”。
③归纳——演绎方法。上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论。
人们在运用“实验—理论—应用”的方法时，实验的用途在哪里？理论的含义又指的什么？实验的用途在于获得未知（如光的分解现象等），理论的含义实际是提供一种诠释（如光的波粒二象性，反射定律）。这需要大脑的抽象。这个过程与古代哲学家相似：这个过程是在大脑内完成的。是理性的过程（脑的电化学过程）。从这个意义上说，我们与古希腊的思辨哲学并不相悖。当认知要件：准确的观察资料完备时，理性思辨还是必要的。无论是“分析—综合法”，还是“归纳—演绎法”，都是理性思辨的过程。是实验后的理论阶段。牛顿有句名言：“如果我看得更远一点的话，是因为我站在巨人的肩膀上。”因为牛顿的众多科学发现，其实都是与诸多科学家合作的结果。尽管在这一点上也许是不被认知的。当你通过文字或语言获得准确的观察资料和与其相关的构想时，认知要件就具备了---这意味着实验过程不再重要，你可以直接进入理论阶段。因为实验过程肯定已经发生并有可能被反复验证。这是分析和归纳的前期工作，作为科学的前奏曲，它已等待某探索者后续主旋律了。当然，你是否真的能站在巨人的肩膀上看到高处的风景，洞察力还是必要的。此外，这个过程也有可能反复推演，使你重新回到实验中去解决疑问。爱因斯坦一生没有做过任何实验，他的实验都是在大脑中完成的。因为科学实验基本上是由他人完成，他只做了中间环节，即理论工作。在这一点上智商达到290的牛顿，在实验科学中比任何人都有更清晰的认识。
④物理——数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。牛顿把他的书称为《自然哲学的数学原理》正好说明这一点。
牛顿的成功，其实是数学的成功。他绝对是一个数学天才。他在数学领域的贡献是卓越的。一个科学家发现了万有引力，就已经是成功的了，如果不但发现了万有引力，而且还用数学公式表达出来，这就不是一般的成功了。而牛顿之所以“牛”，是他为了表达万有引力这一星体的运动规律，居然同时发明了“微积分”，创立了数学的一个分支。这样的科研成果，确实是令人叹服。他在建立“力学”体系的同时所建立的“数学”体系同样辉煌。从此开创了高等数学的时代。即使今天，他的名望仍然高不可攀。2005年，英国皇家学会进行了一场名为“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。
以上概括起来，牛顿科学方法 论涉及到四个法则：（法则1）简单性原理，（法则2）因果性原理，（法则3）普遍性原理，（法则4）否证法原理（无反例证明者即成立）。有人还主张把牛顿下面的一段话称之为一个原理，即结构性原理：“自然哲学的目的在于发现自然界的结构的作用，并且尽可能把它们归结为一些普遍的法规和一般的定律——用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果”。
牛顿在科学上的成就，人们更愿意相信起源于不同以往的哲学思想和科学方法。抛开牛顿天才的认知力，他的科学成就的取得的确受益于此。这一点与古希腊、古罗马的哲学家大不相同。有学者认为古代的探索者是凭着对自然现象的观察和思考总结出论断的，例如泰勒斯：万物的根源是水；德谟克利特、卢克莱修：万物由原子构成，即原子论。其方法是凭天才的臆测、思维与辩论，称之为思辨哲学。到了中世，经院哲学统治着欧洲，科学、哲学沦为神学的奴婢。思辨哲学也无从谈起了。直到15、16世纪，哥白尼、G.布鲁诺、伽利略等人不畏入狱、火刑等迫害，向教会争取自主权利，不再做侍奉上帝的附庸，才打开了科学独立之门。方法上对自然现象着重于观察、测量和实验。从而开创了实验科学的历史。伽利略的实验工作是实验物理学的开端，牛顿深受其影响（从小就喜欢用瓶瓶罐罐做实验）。随后牛顿使物理学形成一个光辉体系，同时也使科学实验方法闯入了哲学思想的殿堂。
牛顿研究精力充沛，一生中他还干了一件更令人称奇的事：他花费在炼金术上的时间似乎不比其他的研究要少，从他留下的50多万英文单词的炼金术手稿可知，这些工作也是相当投入的。
有人这样提及牛顿的炼金术：
他像研究数学物理那样去研究化学，而可以供他参考自学的书只有炼金术著作，所以他不得不选择炼金术。其实试图把化学从炼金术中分离出来的就是牛顿，因为他曾经写过一本名叫《化学》的书，后来在那次大火中被烧毁了，所以他对化学的贡献我们一无所知。留下的只是他学习过程中的一些手稿，一些没有经过分离的炼金术资料。
如果我们以今天的眼光来审视炼金术，我们应当承认它至少带来了一些有用的技术和工具。并且炼金术可能或多或少地激发了牛顿的灵感，有助于他在科学领域中的探索和发现。
牛顿科学以外的生活似乎很简单：
“牛顿小学就读于乡村学校，后来被送到了格兰瑟姆的国王中学，并成为了该校最出色的学生。那时，他寄宿在当地的药剂师威廉·克拉克家中，并在19岁前往剑桥大学求学前，与药剂师的继女安妮·斯托勒订婚。之后因为牛顿专注于他的研究而使得爱情冷却，斯托勒小姐嫁给了别人。据说牛顿对这次的恋情保有一段美好的回忆，但此后便再也没有其他的罗曼史，牛顿也终生未娶。”
斯托勒小姐晚年受访时仅表示牛顿当年寄宿时对她只不过是“怀有情愫”的程度而已。
牛顿所取得的成就，使他在1703年成为皇家学会会长，并任职24年之久。1696年，他还出任过皇家铸币厂的主管官员，并做得很好。牛顿为此当上了太平绅士。
1727年3月31日（格兰历），伟大的艾萨克·牛顿逝世。他是人类历史上第一个获得国葬的自然科学家。
【4】 化学是实验的最好证明
另一个与“炼金术”有关的科学家当属英国的波义耳（）他与牛顿为同时代人，比牛顿大两岁。波义耳在科学研究上的兴趣是多方面的。他曾研究过气体物理学、气象学、热学、光学、电磁学、无机化学、分析化学、化学、工艺、物质结构理论以及哲学、神学。其中成就突出的主要是化学。波义耳对伽利略推崇至极。伽利略科研活动对他产生了巨大影响。极大限度地激发了他的科研灵感。在实验设计方面，他的创想力不次于同时代的那一批科学家。他最大的贡献是将化学从炼金术中分离出来，使化学成为了一门真正的科学。化学的诞生比物理迟来了许多。如果把物理比喻为科学的一个轮子的话，科学的独轮车孤独地前行了大约两千年。化学到了波义耳这里，波义耳做了牛顿也想做的事，即将化学独立成为了像物理那样的一门科学。从此，为科学装上了另一只奔腾的轮子。科学因此萌生的更多的关联与通融，让科学的裂变成为可能。
波义耳在他的《怀疑派化学家》书中，宣告了化学的独立。他在书中写道：“化学到目前为止，还是认为只在制造医药和工业品方面具有价值。但是，我们所学的化学，绝不是医学或药学的婢女，也不应甘当工艺和冶金的奴仆，化学本身作为自然科学中的一个独立部分，是探索宇宙奥秘的一个方面。化学，必须是为真理而追求真理的化学”因此化学史家都把1661年作为近代化学的始元年，誉称“波义耳把化学确立为科学”。
历史上的化学为什么姗姗来迟？
第一，化学不能像物理那样用数学破解其中的规律，其实验方式也不同于物理学那样直观。化学实验需要更多的物质条件。有人认为玻璃器皿的大量出现，都有可能是化学成立的要件。持这一观点的人认为否则的话，许多的化学实验根本做不了。
第二，炼金术的误导。哲学家认为物质间是可以相互转换的。这就让“点石成金”成了化学家的渴望。现在我们知道“点石成金”意味着由一个元素转换成另一个元素（核聚变或核裂变）。已远远超出了化学的范畴。只有在太阳那样的条件下才有可能实现。因此，炼金术就像地心说，在一开始就错了。但在原始条件下，炼金术似乎是人们研究化学的较为唯一的践行的理由。否则，人们真不清楚折腾那些瓶瓶罐罐到底有什么用。在这一点上，化学家永远不会像物理学家那样目的明确。
第三，与炼金术类似，历史传承下来的另一个与化学有关的是配制药物。当时的医生都是自己配制药物，因此必须亲自动手做与药物有关的实验，无意中这部分人涉足到化学领域里。遗憾的是，让医生意识到他们所涉及到的是一门叫“化学”的伟大科学，在认知规律上，还缺乏充足的理性条件。
历史到了波义耳这儿为什么发现化学是独立的一门科学？惯例的说法是到了那个时代，即使不是波义耳也会有人代替波义耳出现。我本人更愿意说之所以是波义耳竖起了化学这杆大旗，是因为在同等条件下，波义耳更具有敏锐的直觉。是因为他与伽利略一样将实验方法推向了前人未有的高度，是因为他的科研思路走在了正确的道路上（如果他一味痴迷于炼丹或炼金术则很难有如此建树）。同时拥有以上几点，在当时的化学家中也许是不多见的。
关于他的科研思路，网上有这样的介绍：
为了确定科学的化学，波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念：元素。最早提出元素这一概念的是古希腊一位著名的唯心主义哲学家柏拉图，他用元素来表示当时认为是万物之源的四种基本要素：火、水、气、土。这一学说曾在两千年里被许多人视为真理。后来医药化学家们提出的硫、汞、盐的三要素理论也风靡一时。波义耳通过一系列实验，对这些传统的元素观产生了怀疑。他指出：这些传统的元素，实际未必就是真正的元素。许多物质，比如黄金就不含这些“元素”，也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反，这些元素中的盐却可被分解。那么，什么是元素? 波义耳认为：只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金，虽然可以同其它金属一起制成合金，或溶解于王水之中而隐蔽起来，但是仍可设法恢复其原形，重新得到黄金。水银也是如此。
至于自然界元素的数目，波义耳认为：作为万物之源的元素，将不会是亚里士多德的“四种”也不会是医药化学家所说的三种，而一定会有许多种。这是认识上一个了不起的突破，使化学第一次明确了自己的研究对象。
从上述介绍中可以得知，波义耳已有了化合物的概念，并完全摒弃了“炼金术”的想法。“只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。”更重要的是他为化学确定了层面上的界限。笛卡尔在《方法 论》中归纳出的一套严谨治学的方法在波义耳这里也有很好的体现。笛卡尔的“永远不接受任何自己不清楚的真理，只要没有经过自己切身体会的问题，不管有什么权威的结论，都可以怀疑。”波义耳对元素观念的思考，体现了对已有结论要探寻到最底层的那一块，属于基于自然基石的认知原则。
在《怀疑派化学家》一书中，在明确地阐述上述两个观点的同时，波义耳还强调了实验方法和对自然界的观察是科学思维的基础，提出了化学发展的科学途径。波义耳深刻地领会了培根重视科学实验的思想，他反复强调：“化学，为了完成其光荣而又庄严的使命，必须抛弃古代传统的思辨方法，而象物理学那样，立足于严密的实验基础之上。”波义耳正是这样身体力行的。波义耳把这些新观点新思想带进化学，解决了当时化学在理论上所面临的一系列问题，为化学的健康发展扫平了道路。如果 把伽利略的《对话》作为经典物理学的开始，那么波义耳的《怀疑派化学家》可以作为近代化学的开始。
除元素之外，波义耳把人们对原子的认识也向前推进了一大步。他通过实验，间接证明了原子的存在。当容器内的气体被挤压时，气体体积会变小，当撤销压力，气体的体积会恢复原状。波义耳认为气体像固体一样是由原子构成的。只是在气体中，原子距离较远，互不连接，所以它们能够被挤压得更密集些，这时体积就会变小。早在公元前440年，德谟克里特就提出原子的存在，在随后的两千年里人们一直争论这个问题。通过实验，波义耳使科学界相信原子确实是存在的。1662年波义耳根据实验结果提出了有关气体的定律：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。”称之为波义耳定律。这是人类历史上最早被发现的“定律”之一。
波义耳：“人之所以能效力于世界，莫过于勤在实验上下功夫。”他还说：“要想做好实验，就要敏于观察。”在波义耳众多的科研成果中，还有几项不能磨灭的化学成就。这几项成就都是实验中敏锐观察的结果。
（1）发现石蕊试纸。波义耳女友去世后，他在实验室里放了一盆女友最爱的紫罗兰花。在一次实验中，放在实验台上的紫罗兰，被意外溅上了浓盐酸。爱花的波义耳急忙把冒烟的紫罗兰用水冲洗了一下，然后重新放好。过了一会波义耳发现深紫色的紫罗兰变成了红色的。敏锐的直觉告诉他这里一定隐含着不被人知的化学秘密。促使他进行了许多花木与酸碱相互作用的实验。实验中发现大部分花草受酸或碱作用都能改变颜色，其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最为明显。它遇酸变成红色，遇碱变成蓝色。利用这一特点，波义耳用石蕊浸液把纸浸透，然后烤干，这就制成了实验中常用的酸碱试纸——石蕊试纸。无意中，他开创了化学检测的开端。
（2）发明书写墨水。在类似实验中，波义耳发现五倍子水浸液和铁盐在一起，会生成一种不生沉淀的黑色溶液。这种黑色溶液久不变色，于是他发明了一种制取黑墨水的方法，这种墨水几乎用了一个世纪。为此他开创了化学合成的应用。
（3）发现感光材料。在实验中，波义耳发现，从硝酸银中沉淀出来的白色物质，“如果暴露在空气中，就会变成黑色。这一发现，为后来人们把硝酸银、氯化银、溴化银用于照相术上，做了先导性工作。
（4）提取单质磷。晚年的波义耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面成果显著。他根据“磷的重要成分，乃是人身上的某种东西”的观点，变换各种实验方法，终于从动物尿中提取了磷。经研究发现：磷只在空气存在时才发光；磷在空气中燃烧形成白烟，这种白烟很快和水发生作用，形成的溶液呈酸性，这就是磷酸；把磷与强碱一起加热，会得到某种气体（磷化氢），这种气体与空气接触就燃烧起来，并形成缕缕白烟。波义耳的这些研究成果，确定了磷是独立存在的元素。为化学增添了新的物质成员。在这当时，都是了不起的发现。
波义耳为了便于从事科研工作，专门创造了自己的实验室，整日沉浸于实验之中。在他聘用的一些助手中，有些还是很有才华的学者。如虎克后来也成为一个著名的科学家，虎克发现了形变同应力成正比的固体弹性定律，制成了显微镜，开创了另一个科学的历史时刻：第一个观察到植物细胞。
波义耳使化学摆脱从属于炼金术或医药学的地位，发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。让我们记住他的名字：罗伯特.波义耳。
【5】 科学实验的光辉岁月
在牛顿之前除了波义耳，还有一位重要的科学家是惠更斯（1629-1695）。物理学先驱者，荷兰物理学家、天文学家、数学家。他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有不俗成就。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，并改进了计时器。在碰撞、钟摆、离心力和光的波动说、光学仪器等多方面作出了贡献。他设计制造的光学和天文仪器精巧超群，如磨制了透镜，改进了望远镜（用它发现了土星光环等）与显微镜，惠更斯目镜至今仍然采用，还有几一十米长的“空中望远镜”（无管、长焦距、可消色差）等。
在牛顿之后大约180年里，又不断涌现出诸多科学家。几乎都是攻城掠地，扩大科学疆土的功勋级人物。
罗蒙诺索夫（1711-1765）俄国百科全书式的科学家、语言学家、哲学家和诗人，被誉为俄国科学史上的彼得大帝。提出了“质量守恒定律”（物质不灭定律）的雏形。罗蒙诺索夫用实验的方法对盛极一时的燃素说加以驳斥，他的实验成果有效地支持了数十年后化学家拉瓦锡推翻燃素说，建立氧化学说。
安德烈·玛丽·安培（1775-1836）法国物理学家、化学家和数学家。他被麦克斯韦誉为“电学中的牛顿，是电动力学的创始人。1820年，奥斯特发现电流磁效应，安培闻讯后马上投身研究之中，几周内就提出了安培定则即右手螺旋定则。随后在几个月之内连续发表了3篇论文，并设计了9个著名的实验，总结了载流回路中电流元在电磁场中的运动规律，即安培定律。1827年安培将他的电磁现象的研究成果发表在《电动力学现象的数学理论》一书中，第一个把研究动电的理论称为“电动力学”。他还曾研究过概率论和积分偏微方程；他几乎与H戴维同时认识元素氯和碘，导出过阿伏伽德罗定律，论证过恒温下体积和压强之间的关系，还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系。大家熟悉的电流强度单位–安培，是为了纪念这位伟大的电学科学家而命名的。
汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（1777-1851）丹麦物理学家、化学家。1820年发现了电流的磁效应，他的重要论文在1920年整理出版，书名是《奥斯特科学论文》。奥斯特受康德哲学与谢林的自然哲学的影响，坚信自然力是可以相互转化的，长期探索电与磁之间的联系。撰写了《关于磁针上电冲突作用的实验》报告宣布了他的发现。这篇短短4页的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域──电磁学。
奥斯特坚信电、磁、光、热等现象相互存在内在的联系，尤其是富兰克林曾经发现莱顿瓶放电能使钢针磁化，更坚定了他的观点。当时，有些人做过实验，寻求电和磁的联系，结果都失败了。而奥斯特取得了成功。作为科学史上的重大发现，它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。之后一系列的新发现接连出现。两个月后安培发现了电流间的相互作用，阿拉果制成了第一个电磁铁，施魏格发明电流计等。安培曾写道：“奥斯特先生已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了。”奥斯特的发现揭开了物理学史上的一个新纪元。
他生平是一位热情洋溢重视科研和实验的教师，他说：“我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，所有的科学研究都是从实验开始的”。
迈克尔·法拉第（7年）英国人，静止的磁铁不会使附近的线路内产生电流。1831年法拉第发现当一块磁铁穿过一个闭合线路时线路内就会有电流产生，这个效应叫电磁感应，电流叫感应电流。一般认为法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。爱因斯坦在他的学习墙上放着法拉第的一张照片，并将其与牛顿和麦克斯韦放在一起。法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如下各方面：铁合金研究（）；氯和碳的化合物（1820）；电磁转动（1821）；气体液化（）；光学玻璃（）；苯的发明（1825）；电磁感应现象（1831）；不同来源的电的同一性（1832）；电化学分解（1832年起）；静电学，电介质（1835年起）；气体放电（1835年）；光、电和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；"射线振动思想"（1846年起）；重力和电（1849年起）；时间和磁性（1857年起）。他的亦师亦友的合作伙伴、著名化学家戴维临终前表示，他一生中最伟大的发现是发现了法拉第。法拉第先后作出了许多划时代的发现：电磁感应、电解定律、法拉第效应；他的“场”的观点，引发了物理学自牛顿以来的革命性进展；他被尊为历史上最杰出的实验大师；他的科学生涯长达半个世纪。1831年年底，他发明了一种电磁电流发生器，这就是最原始的直流电发电机。这是十九世纪最伟大的科学创造，它奠定了未来电力工业的基础，标志人类进入了电气时代。法拉第以前的科学家使用的是静电，利用储电装置收集静电，用的时候再放电，类似于原始的电池。
门捷列夫（）俄国第二位世界著名化学家，门捷列夫的重大贡献是发现了元素周期规律和制定元素周期表，使无序的无机化学变得有序起来。从十六世纪到十九世纪，各种新的元素层出不穷，当时人们只知道不同的元素有不同的个性，但是门捷列夫却从元素按原子量的递增排列中发现了元素的共性，这种共性是按照一种周期出现的。例如，已知卤素元素的氟、氯、溴、碘，都具有相似的被还原的性质；碱金属元素锂、钠、钾暴露在空气中时，都有很快被氧化的性质，因而它们只能以化合物的形式存在于自然界中。这三个有共性的元素存在这种规律：1，原子的最外层电子数为一。2，钠的原子量比锂多出八个单位，钾的原子量又比钠多出八个单位。氟、氯、溴、碘也存在同样规律。按照元素的共性和出现共性的周期规律，门捷列夫制定了元素周期表，使元素有了合理的分类。更令人惊讶的是，利用元素周期规律，门捷列夫居然能预见尚未被发现的元素的存在。它是二十年不懈努力的结果。他最后握着笔死在办公桌上。在几万人组成的送葬队伍的前面，十几个青年举着一面硕大的元素周期表。
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