科学信念对科学研究的引领作用

吕仕儒

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西 大同 037009）

大英百科全书把信念定义为是一种接受或者同意某一主张的心理态度，而无需用什么去保证这一主张的真实性。科学活动离不开科学家持有的信念的影响，因为人是科学活动过程中的主体。作为认识主体的科学家所进行的任何科学活动都是在科学信念的引领下进行的[1]。

1 伽利略的成就及其遗憾

伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）作为近代实验科学的奠基人之一，在科学上为人类作出过巨大贡献。

伽利略最重要的科学成就是在运动学领域，他在《两门新科学的对话》中说：“我的目的，是提出一门新科学来处理一个很古老的课题。在自然界中，最老的课题莫过于运动。尽管哲学家们对此写出了卷帙浩繁、内容庞杂的著作，我却发现运动的某些性质仍是值得探讨的。”[2]对运动学的研究是从批评亚里士多德开始的，而批评亚里士多德又是从自由落体运动问题开始的。其实早在公元前就有人对亚里士多德有关自由落体运动的错误观点提出质疑和反对，譬如伊壁鸠鲁。之后还有意大利的数学家以及荷兰的科学家等人都于不同的时期，从不同的角度提出过反对意见。伽利略则是巧妙地设计了一个思想实验指出了亚里士多德的逻辑矛盾。后来又通过斜面实验更精确地揭示了自由落体运动的规律。并且通过进一步的理性推理，还发现了惯性原理。

伽利略之所以特别重视自由落体运动的研究，这也和他的科学信念分不开，认为认识到自由落体运动是弄清楚自然界各种运动的关键。他说：“这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重视。”[2]自由落体问题在伽利略力学中的地位，就像火星研究在开普勒天文学中的地位一样。正是以此为突破口，从根本上动摇了亚里士多德的运动学。惯性定律指出静止状态与匀速直线运动状态有某些共同之处，伽利略就是以此为突破口提出了相对性原理。相对性原理揭示了静止状态与匀速直线运动状态的等价性。对一个观察者来说是静止状态，对于另一个观察者来说可以看作是匀速直线运动状态，这样就提出了参考系的变换问题，伽利略变换就解决了这个问题。

伽利略由于确立了科学的自由落体定律、惯性定律与相对性原理，指出力是产生加速度的原因，为经典力学奠定了基础。

而在天文学方面，伽利略首次用望远镜观察天体，作出了一系列重大发现；其次用他的力学思想与天文学中的新发现进一步捍卫和丰富了哥白尼学说。伽利略在天文学方面的贡献无疑是卓越的，但是同他的力学相比，提出的新思想就不是很多。其实，以他拥有的力学知识，是完全可以来揭示出天体运动的力学原因的，可伽利略却没有这样去做，为什么？这就涉及到科学信念问题，因为伽利略认为还不到探讨运动规律背后的力学原因的时候。他说：“目前还不是恰当的时候去研究物体在自然运动中产生加速度的原因。关于这个问题，哲学家们提出各种不同的意见，有些人解释为由于地心的吸引，另一些人则认为是由于物体各部分相互排斥的结果，还有一些人归因于四周介质的某种应力，认为紧靠在落体后面的应力驱使它从一个位置移到另一个位置。所有这些及其他的一些奇妙的幻想都应该一一检验。但是实际上并不值得这样做。在现阶段，我们的作者的目的只是考查和论证加速度运动的某些性质，而不管产生这种加速度的原因是什么。”[2]如果当时伽利略把目标定的再远一点，按着吉尔伯特的思路继续探索下去，是很有可能进一步揭示出天体运动背后的力学原因的。史料表明伽利略当时是了解吉尔伯特关于磁的学说的，而且他也完全赞同吉尔伯特的关于地球是一个大磁体的观点。从这一点来看，对于伽利略来说确实有点遗憾，但是，这丝毫不会动摇其作为“近代力学之父”和近代实验科学奠基人的地位。

2 开普勒的探求历程

约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler，1571-1630）作为哥白尼学说的拥护者，对哥白尼大加赞赏，他称哥白尼是才华横溢的“自由思想家”；同时，他又不满足于哥白尼学说达到的水平，认为哥白尼还没有充分揭示出宇宙的数的和谐性，决心沿着毕达哥拉斯早已确立的科学美学准则这一方向作进一步努力，去充分揭示宇宙隐藏在现象背后的数的和谐性。

开普勒首先思索的是为什么宇宙只有当时所知道的六个行星时，想到了毕达哥拉斯学派所发现的五个正多面体。认为这两者之间一定有某种数的和谐性。经过绞尽脑汁的思考和计算，终于提出了一个用五个正多面体与六个行星运行轨道所在的球面相互套叠在一起的模型。

1596年开普勒出版了他的第一部著作《宇宙的神秘》，公布了这个模型。后来发现这仅是人为杜撰出来的艺术品，并没有真正反映出宇宙的数的和谐性。首次探索的失败，并没有动摇他追求宇宙数的和谐性的信念。而从另一方面看，开普勒这次的努力也并不是完全没有收获，正是由于第谷看了《宇宙的神秘》，才发现了开普勒的才华，并邀请开普勒到自己身边工作。科学史上把1600年第谷与开普勒在布拉格的会见，称为是科学史上的一件大事，意味着经验观察与数学理论在天文学上的结合。

在整理第谷的观测材料时，开普勒发现托勒密的地心说理论、哥白尼的日心说理论以及第谷的折中理论都不能与第谷的观测数据相吻合。基于对第谷工作的了解，开普勒认为问题一定出现在理论方面，第谷的观测数据不会错，决心一探究竟，企图去揭开行星运动之谜。

开普勒第二次探索的关键任务首先就是确定火星的位置，用他的活叫征服战神马尔斯的战斗。一开始他把火星的轨道设想为一个偏心圆，可几十次的验算都不理想。理论的计算与第谷的观测资料总是不吻合。最好的结果是8 弧分的误差。其实8弧分的误差已经很小了，如果开普勒就此满足了，那也就不会有行星三定律的发现了。开普勒的可贵之处就在于对他的老师观测数据的准确性具有坚定的信念。开普勒说：“上天给我们一位像第谷这样精通的观测者，应该感谢神灵的这个恩赐。一经认识到这是我们使用的假说上的错误，便应竭尽全力去发现天体运动的真正规律，这8弧分是不容许忽略的，它使我走上改革整个天文学的道路。”[2]开普勒从不回避矛盾，而是勇于面对现实。以他对第谷工作的了解，他认为第谷观测的误差不会超过2 弧分，所以开普勒认为这8 弧分的误差只能是由于理论的不正确造成的。

最后，他终于对一贯坚守的匀速和正圆轨道这两个传统观念产生了怀疑。大胆地假设火星运行的速度是变化的，越接近太阳，速度就越快。其轨道呈椭圆形。

1609年开普勒出版了《新天文学》一书，公布了行星运动的前两个定律。有了这两个定律，计算各个行星的准确位置的问题就解决了。征服战神马尔斯的战斗可以说取得了胜利。开普勒高兴地说：“敌人到底被我关在运行表的监牢里了。”但是开普勒并没有就此止步，他提醒自己说：“你以为你什么都知道了吗？不，你想错了！还有许多事情，尽管你这么倔强，也是不容易知道的。”[2]开普勒想既然不同行星的运转速度同它们离中心点的距离有关，即较远的行星有较长的运转周期。而且第二定律也说明，即使是同一个行星，同太阳的距离不同，运转的速度也不同。也就是说不论是同一个轨道还是不同的轨道，行星的速度总是同到太阳的距离有关，离得越近，运转得越快。这说明行星速度或者运行周期，同行星到太阳的距离一定有某种数的和谐性存在。那么这种和谐性是什么呢？这就是开普勒进一步考虑的问题。

当时，人们还不知道行星与太阳之间的实际距离，只知道各个行星距离的比例。而各行星的公转周期T是已知的。这些从表面上看上去好像是偶尔捡来的、毫无联系的数据摆在开普勒的面前，要想找到它们之间的联系，其难度可想而知。如果内心没有坚定的信念支撑，是没有勇气去面对的。开普勒这位对毕达哥拉斯建立起来的科学美学总则深信不疑的科学家，坚信这些杂乱当中一定有某种统一的、和谐的规律存在。为此，对这些数据不断地进行各种计算，去试、去碰、去找。最终开普勒用了九年的时间得出了一个结论：T2=R3，即行星绕太阳公转周期的平方和行星轨道长半径的立方成正比。这就是开普勒行星第三定律。1619年开普勒出版了《宇宙和谐论》一书，公布了他的第三次探索的成果。开普勒三定律是行星运行的基本定律。人们称赞开普勒是“宇宙的立法者”。

开普勒对哥白尼学说的最大贡献就是抛弃了匀速和正圆两个传统概念，修正了哥白尼“日心说”体系，使之更加精确和完善，是天文学研究过程中的一次重大突破，为牛顿万有引力定律的建立奠定了坚实的基础。

从自身的条件出发，开普勒不适合从事天文学研究，先天不足，后天多病，而且眼睛又不好。可是事实上开普勒不仅成了一个天文学家，而且可以说还是一位在近代天文学史上同哥白尼、伽利略以及牛顿齐名的科学家。那么开普勒成功的奥秘在哪儿呢？因素很多，譬如他的敢于探索勇于创新的精神、丰富的想象力、高度的理论概括能力等等。但是，最重要的应该归功于开普勒建立在尊重科学事实基础上的坚定的科学信念。如果没有深厚的毕达哥拉斯学派的科学美学信念，就不会有一而再再而三的努力探索；如果没有对第谷观测数据准确性的坚定信念，同样不会有敢于突破传统匀速与正圆轨道概念的勇气和精神，那么开普勒也就不会成功。

3 结语

关于科学信念在科学研究当中的重要性，科学与哲学家们发表过许多言论。爱因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)说：“相信世界在本质上是有秩序的和可认识的这一信念，是一切科学工作的基础。”“要是不相信我们的理论构造能够掌握实在，要是不相信我们世界的内在和谐，那就不可能有科学。这种信念是，并且永远是一切科学创造的根本动力。”[3]英国哲学家怀特海(A·N.White2head)在论述现代科学的起源时也明确指出：“如果我们没有一种本能的信念,相信事物之中存在着一定的秩序,尤其是相信自然界中存在着秩序,那末,现代科学就不可能存在。”[4]这些从伽利略和开普勒在科学研究当中的表现已经深刻地认识到了。由此可见，要想在科学研究当中有所成就，就必须先树立起正确而坚定的科学信念。