互动科普

图 王绶琯

历史上影响最大、讨论最多的“宇宙定律”莫过于17世纪的“第谷－开普勒－牛顿三部曲”。事隔300余年，依然觉得有一些旧话值得一说。

认识自然，按深刻程度可以分为三个层次。第一是认识自然事物存在的表象，第二是认识其表象的经验规律，第三是认识其存在与发展的本质。历史上，对太阳系天体运行的研究，历经千载到了第谷，第一层次的认识达到了前所未有的精度，而开普勒三定律所体现的第二层次认识上的成就，直到现在都堪称登峰造极。但即便如此，这两个层次的认识还只是做到了“知其然而不知其所以然”，基本上只对一事一物（即，对于描述太阳系天体运行）有效。而如果要进入到认识的第三个层次，从表象深入到本质，做到“知其所以然”，则必须依靠物理学的基础研究（在当时，具体为力学的基础研究）。

在现代科学进入萌芽期的17世纪，对科学研究本身有了明确的界定，即：一是遵守形式逻辑体系，二是以系统的实验来验证因果关系。有的学者把这表达为“以数学为工具把实验结果搭建为科学模型，包括经验模型和理论模型”。当时为了搭建力学理论模型，牛顿巧妙地利用了“大自然在天文世界中无意间铺排的实验”。

力学是物理学的一个分支，当年是伽利略率先进行实验，研究物体的惯性、力和运动的关系。牛顿在伽利略工作的基础上把太阳系天体运动看成是大自然在太空中演示的一个力学实验─“二体问题”实验，使之成为他建立力学理论的依据。由于太空中的环境接近于真空，以及行星轨道周期如此之长，天体运动完全避免了地面上做实验时遭遇到的摩擦力干扰以及时钟精度不足的缺陷，因而由此得到的开普勒三定律具有很高的可信度，而“二体问题”的推导结果与之完美地相吻合，从而决定性地证实了理论的正确。

前面在讨论中我们采用了“科学模型”的概念。所谓模型，实质上是在具体条件下的一种“最佳拟合”。作为拟合，它容许不同的“佳选”并存，并随时等待更有真服力的实测来作出抉择。这体现了科学研究所固有的“宽容性”。拟合是用数学来表现的,因而能够作出推论以扩大认识，作出预测以接受验证。推论和预测，使科学认识在“模型”所代表的水平上接受新的挑战，由于科技进步不断带来的理论能力和实测条件的提高，任何时候所选的模型都会不断地面临着新的理论的挑战和实测的挑战。这是一种永无休止的挑战。而正是这种“永无休止”体现了科学研究的“进取性”。历史表明，在一门学科的发展中，大大小小的挑战激励了前进的力量，而每次“强挑战”的解决都会显著提高模型的权威性，而当遇到不能解决的“强挑战”时，则往往预示着学科的革命性进展。

牛顿之后，太阳系天体运动模型遭遇过两次“强挑战”。一次是1846年海王星的搜索，这次“强挑战”得到了解决，当时曾经被誉为科学的伟大胜利；另一次是1882年水星近日点进动超差值的确定，这是一次“不能解决的强挑战”，现在我们知道，它正预兆着引力理论的大变革。  

300多年过去了。回味当年，“三部曲”中“开普勒型”的工作难度实为天文学所特有。天文学的研究对象是“可望而不可即”的天体。观测所能得到的只是三维实体（和运动）在天球上的二维投影。所幸历史上从地心论到日心论的结构中都顶着很大的困难力图“建构出”三维形象，开普勒沿袭前人，才会得到以他的三定律为代表的“宇宙定律”，奏响了当年的“三部曲”。

300年间，“第谷型”的天文观测能力和“牛顿型”的物理理论进展均非往日所能想象，但是耐人寻味的是，其间两次天文学上的重大突破的“引导”都可以溯源于“开普勒型的宇宙定律”。第一次是“赫罗图”，第二次是“哈勃定律”。前者导致成功地把满天空互不关连的恒星的生命史，以及周期表上所有的化学元素的合成，一举纳入到同一个演化理论模型里；后者导致物理学上基本粒子研究前沿和天文学上宇宙极早期研究前沿的理论融合。这些成就，和300多年前的“三部曲”异曲同工，均得力于“大自然在天文世界中的实验”的妙用。

（本文发表于《科学世界》2012年第7期）