（科学技术哲学专业论文）伽利略科学方法论研究.pdfVIP

大连理工大学硕士学位论文 摘要 伽利略是近代科学的开创者，他的科学思想和科学方法，不仅具有科学进步的意义， 更对方法论领域作出不可磨灭的贡献。这主要表现在：他用观察和实验的方法寻找科学 定律，纠正了亚里士多德以来一直普遍采用的理性追求原因的方法，使近代科学研究方 法应用于力学研究；此外，他把数学方法与实验方法有机地结合起来，尤其是把理想实 验和真实实验结合起来，表现出科学是对人和自然的认识的思想。伽利略的科学思想在 人类思想史上完成了一次重大飞跃，他的科学精神促成了“哥白尼革命 的完成，他的 科学方法推动了科学认识的飞速发展。研究伽利略科学方法论的背景、内容及其贡献， 对现世有着重要的启发和指导意义。 本文旨在通过对以往研究工作的挖掘和分析，找出伽利略科学方法论的产生背景， 从不同角度层次剖析伽利略的科学方法，总结伽利略科学方法论的历史意义与现实意 义。论文共分为四个部分： 第一章：阐明研究背景和伽利略生平。 第二章：采用文献分析法找到伽利略科学方法论的产生背景，这包括自然哲学中的 数学以及与数学相分离的实验。 第三章：从三个角度分析伽利略科学方法论。首先，由伽利略实现了实验方法与数 学方法相结合，成就了精密科学的理想方法；其次，伽利略创造了理想实验，实现了物 理学的真正开端；最后，伽利略通过科学仪器的创新，为科学研究提供了有力保证。 第四章：在第三章的基础上，评述了伽利略科学方法论的影响，并从两个方面进行 了分析。首先，对自然科学的影响。伽利略的科学方法论对1 7 、1 8 世纪经典力学的形 成和发展及后来一大批物理学家、数学家产生了深远影响；其次，对哲学的影响。伽利 略建立的科学方法论，使科学与哲学分离。 关键词：伽利略；方法论；贡献 伽利略科学方法论研究 s t u d yo ng a l i l e o ss c i e n t i f i cm e m o d o l o g y a b s t r a c t a 心n l ef 0 吼d e ro fm o d e me x p e r i r n t a lp h y s i c s ， g a l i l e 0 sc o 硎b 砸0 nt 0m e d e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，a n o to i d yi m p o r t 趿t 吐l 仪m 即 1 s 龇l dt l l es p e c i a l 抽l v 既l t i o 玛b u ta l s o l l i s 印o c h m a l ( i i 培s c i 础f i ci d e 嬲觚ds c i 既岖1 6 i cm e m o d s a i i s t o n e sl a w ，w h i c ：hi sg e t t i n gt 1 1 e r e 笛0 nb ys e n s e ，w 嬲r 印l a c e d 谢t hg a l i l e o sm e 吐l o dt 1 1 a ti s 璐i 1 1 9 血e0 b s e r y 撕o n 蛆d e x p e r i m e n t ，a p p l y i n gm o d e ms c i e n t i j 6 i cm e t h o dt 0m e c h a i l i c s 他s e a “i h 1 l lp 删c u l a r ，h e o 唱a i l i c a l l yc o m b i i l e dm em a n l 锄a t i c a lm e t l 】【o d sw i 也e x p 咖e n t a lm e t h o d s ，觚dd a i m e dm a t s c i e n c ei st ：h eu n d e r 鼬眦d i n go fn a t u 【r ea n dh 眦觚g a l i l c 0 ss c i 训6 ct 1 1 i i l 玉【i n gc 0 i n p l e t e da m 句o rl e 印f 0 聊a r dt om eh u m 觚疵m d ，a n dl l i ss c i c i l t i 丘cs p i r i tp r o m o t e d 也ea c c 0 m p l i s h m t o f “c 0 p e m i c 峭r e v o l u t i o n ，a n dl l i ss c i e n t i 6 cm e m o db 0 0 s t e d 也er 印i dd e v e l o p m e n to f s c i e n t i 6 cc o 嘶t i o n r e s e 砌lo nm eb a c k 伊0 u n do fg a l i l e 0 ss c i e 而f i cm 甜1 0 d o l o g y ，c o n t e n t 觚di t sc o n t r i b 嘶0 n ，h 嬲髓i l l l p o r t a n t 鲥d i i 瑁s i 9 1 1 i 6 c 锄c e t h ep u i p o s eo fn l i sr e s e a r c h ，b y 也ee x c a v a t i o no fp r e 访o u sw o r k ，a n a l y z e sm e b a c k g r o u n do fg a l i l e 0 ss c i e i l 雠i cm e m o d o l o g ) ，a n dg a j i l e 0 ss c i 训丘cm e 廿1 0 d 舶md i 侬n t l e v e l ，锄d 汕衄e du p 吐璩h i s t o r i c a ls i 班j f i c a i l c eo fg a l i l e 0 ss c i c i l t i f i cm e t l l o d o l o g y 趾d p r a c t i c a ls i 鲥6 c 趴c e 1 1 1 em e s i si sm a d eu po f f o u rp 砒s ： c h a m 盯i ：t h er c s e a r c hb a c k g r o u i 】【d 雒dl i f eo fg a l i l e 0i si n _ h 。o d u c e d c h 印t 盯i i ：b 嬲e d0 nh t e r 狐玎e 趾a l y s i sm e m o d ，t l l eb a c k 伊0 u n do fg a l i l e 0s c i e n t i f i c m e t h o d o l o g yi sp r 镪e n t e d ，i i l c l u d i i 培m ep r e v i o u sm a t l l e m a t i c sa n ds e p a r a t ee x p 睨证n t s c h 印t 盱 i i i ：g a l l i l e 0s c i 饥t i f i cm e 岫d 0 1 0 9 yi si l l l l s n a t e d舶mt 1 1 r d i f f e r e m p e r s p e c 魉v e s f i r s y g a l i l e oc o m b i i l e de x p e r h n e n tm e m o d 觚dm a t l l e r l l a t i c sm e t h o d ，w h i 6 h i sm es a n s f a c 廿o nw a yo fe x a c ts c i e n c e ：s e c o n d l y ，g a l i l c 0a e a t o dm ei d e a le x p e i i m e i l t ， 础l i e v i n gt l l er e a lb e 西m l i n go fp h y s i c s ；a 1 1 df i n a l l y g a l i l e 0p r o v i d e das t r o n gg u a r a n t e e f 0 r t 1 1 es c i 酬矗cr 髓e a r c hb ys c ie i ! 呖j 6 i c 证s 慨e n t s 如咀o v a t i o n c h a p t e r ：b 嬲e d0 nm et l l i r dc h 印t t 1 1 ei i l l p a c to fg a l i l ss c i 铋t i 6 cm e m o d o l o g yi s 州e w c dw m c hi sd i v i d e di n 协押op 碰s t h e 觚tp a r ti sn l ei m p a c to fn a n l r a 】s c i 锄c c ，w 1 1 i c h i sm a tg a l i l e 0 ss c i 踟t i f i cm e 廿1 0 d o l o g yh 嬲ap r o f o u n di i l n u 髓c eo n 铂kf o 吼a t i o n 趾d d e v e l o p m 锄to fc l 勰s i c a lm e c h a l l i c s ， a l l dal a r g en 1 期曲i e ro f 飘l b s e q u tp h y r s i c i s t s ， m a 廿1 e m a ：t i c i 锄1 s 瓯i b s e q u e n t ；t l l es e c o n dp a r ti s 廿l ei i 】叩a c to fp h i l o s o p h y ，w k e hi s g a l i l e o e s 协b l i s h e dm es c i 饥t i j e i cm e 吐1 0 d 0 1 0 9 y ，s e p a r a 脏n gs c i e n c ea n dp 幢l o s o p l l l y 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：g a i i i e o ；m e t h o d o l o g y ；c o n t r i b u t j o n - i 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：叠里幽坠熊堕茎f 圣堡塑窒 作者签名：f 圭壅日期：型皇年l 月日 导师签名： 日期：二讧年年月乒日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 鱼里垒i ! 垒堡坚重! 圣丝塑垒 作者签名：i 主墓日籼：塑! 竺年l 月三日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1研究背景 文艺复兴是欧洲文化和思想发展的重要历史时期，在这场伟大的思想解放运动中， 意大利物理学家、力学家、天文学家、近代实验物理学的开拓者和奠基人伽利略是这个 时代当之无愧的巨人。他不但总结出重要的定理、发现特殊的规律、做出特别的发明， 而且他对科学发展的贡献更重要的在于他划时代的科学思想和科学方法。亚里士多德以 来一直普遍采用的是用理性追求原因，而伽利略用观察和实验探索定律的方法开创了力 学研究的新局面。把数学方法与实验方法结合起来，宗教问题与科学问题加以区分，主 张科学是对人和自然的认识的思想，对后世产生了广泛而深远的影响。伽利略的一生， 是求真、求实的一生，是不屈不挠地追求科学真理的一生。从哥白尼天文学革命开始， 经过培根、伽利略和笛卡尔的承前启后地发展，最后到牛顿体系的建立，他们所开创的 文化史上的新纪元通常被称为“科学革命 。【l 】 国外学者研究伽利略，从1 9 世纪下半叶开始，主要是围绕他的生活和工作情况。 较著名的有伽利略的私人生活( 1 8 7 0 ) 和伽利略帕多瓦时期研究生涯( 1 8 8 3 ) 等：马赫的力学史评( 1 8 8 3 ) 详细研究和评价了伽利略在物理学上的成就，代表了 伽利略研究中的经验主义倾向。在之后的伽利略研究中经验主义的传统一直起着重要作 用。马赫认为，伽利略所拥有的那些知识和思想是前所未有的，并且创立了动力学这门 崭新的学科。不仅如此，伽利略使研究的问题从“为什么 转变到“怎么样”，从而使 对原因的关注转为对现象的关注，由此推动了科学的进步。伽利略在实验中不预先设置 概念，而是完全依据对经验现象的观察和实验归纳而取得结论，这就是伽利略开创的 “经验 的科学研究方法，为近代经验科学的建立奠定了基础。 在1 9 世纪经验主义传统的基础上，2 0 世纪的伽利略研究显示出了多元化的倾向。 研究者们多方面的研究可以大致归为两类：第一类研究被称为“思想传统的研究 ，探 讨的是伽利略的思想渊源和思想发展的依据；第二类研究被称为“哲学的研究”，包括 伽利略与科学革命的关系，以及在科学革命中方法进步的意义。研究者通过史实与史料 的研究找到伽利略思想中形而上学的基础，并以此建立科学进步的方法论模式。这类研 究显然不同于一般科学哲学研究，只是在结论的得出上偏重于哲学性。这两点研究中有 许多问题是共同涉及的，如伽利略的一些具体研究工作、实验以及发现的手稿等，而且 随着研究的深入，使得研究者常常会涉及到这两个方面。 伽利略科学方法论研究 在后来的研究中发现，科学哲学界对伽利略科学方法论的定位有很大争议。像伽利 略这样具有极大复杂性和多面性的伟大科学家是前所未有的，由他推进的科学的快速发 展更促使后世掀起研究伽利略的热潮。关于伽利略所运用的科学研究方法，人们至少有 下列说法来总结他反归纳主义者、经验主义者、理性主义者、柏拉图主义者等，的 确令人眼花缭乱。这似乎意味着，几乎每个科学哲学学者都有可能从不同角度通过对伽 利略科学方法的研究得到他们想要的理论支持，从而找出他们观点上可靠的理论来源。 事实上，有些科学家也具备这样的特点。例如，牛顿被认为是归纳主义和实证主义的典 范，爱因斯坦被看作是假说演绎和解释主义的楷模。至于伽利略可以使几乎每一派哲学 家都能在他那里找到归宿和支持，这方面没有任何一个科学家能和伽利略相比拟。这既 成为伽利略的独一无二的特点，又成为他的一个问题。一方面，来自不同学者的不同观 点不仅是伽利略科学研究方法的独特之处，也是他著作的重要特点。而这恰恰是伽利略 区别于其他科学家的一个根本特征，因为对于其他任何一个科学家都不可能有如此多的 不同评价。同时，伽利略的这个问题从科学哲学的角度来看，是一种彼此矛盾的解释的 状态，这种表现的存在令人不安。这是由于，伽利略被有些人认为是一个“调和者 ， 又被有些人看作是一个折中主义者，还被有些人视为洛克经验主义哲学的先驱，更被有 些人看成孔德实证主义哲学的鼻祖。实际上，早有学者总结出，如果要把伽利略的科学 与任何一个哲学体系联系起来是一件轻而易举的事，因为几乎所有的哲学派别都能够在 伽利略的著作中找到自己的爱好与偏见。【2 】“瞎子摸象 的寓言恰如其分地类比了伽利 略研究中众说纷纭的情形。不可否认每一种评价都其合理性、都揭示了部分真理，但是 要从整体上全面地把握伽利略的科学方法和哲学思想就需要对各种不同观点进行整合 和判断，从而获得较为深刻的认识。然而分析得出伽利略的全部属性和价值，绝非一件 易事，而是一个极其困难的课题。 在浩如烟海的研究伽利略的文献中，英国著名学者德雷克的伽利略首先概括介 绍了伽利略研究中的各种重要观点，并对其科学思想做了一般性论述，最重要的贡献是 从全新的角度阐释了伽利略与哲学和神学的关系。这本小传的价值在于，德雷克研究了 所有关于伽利略的资料之后，得出了一个耐人寻味的结论：伽利略的本意并非要证明神 学的荒谬，而恰恰是为了维护神学的权威。现在关于这种观点，在国内外都有一部分文 献专门论述。 科学思想史研究的开创者，法国的柯瓦雷著有伽利略研究，已由北京大学科技 史与科技哲学丛书于2 0 0 7 年翻译成中文，并在2 0 0 8 年出版发行。这本书细致入微地描 述了一段由伽利略和笛卡尔等伟大的倡导者发起的物理学界的激动人心的思想战斗史。 大连理工大学硕士学位论文 此书在伽利略和笛卡尔之间进行了对比，两者将近代物理学最早和最一般的这两个定律 从普通物体的日常遮蔽中提炼出来- 将亚里士多德意义上的物理量几何化，即向柏拉 图的回归。此书显示了一种新的编史学方法论，这种方法论认为，科学的进步体现在概 念的进化上，它有着内在的和自主的发展逻辑。【3 1 费耶阿本德( p 砌f 删e n d ) 在反对方法：无政府主义知识论纲要中对伽利 略的评价是独树一帜的，并且也是发人深思的。费耶阿本德评价说，至少在当时人们是 这样认为的，伽利略的论证有很多方面的不足，首先其感觉经验的基础是不牢固的，其 次也并不能确定他所提到的实验都被完成，最后他的论证在逻辑上也不是完美无缺的， 而且也并非完全依靠理性进行说理，但他运用的辩论手法却是炉火纯青。因此，在伽利 略科学方法论中我们有理由相信包含着非理性的因素，这并不是夸大其辞，尽管不见得 尽如费耶阿本德所说的那样，但情况确实如此。就像伽利略在理论上取得了巨大成就并 不能证明他所用的方法论是无懈可击的一样，同理可知，虽然伽利略的成功是确定无疑 的，但是并不能得出他的成功全部来自于他运用的方法论中所包含的非理性因素，因此 只需要承认非理性因素是客观存在的即可。 菲诺基亚罗( f 劬c c h i a r 0 ) 较为全面地评价了伽利略的科学方法。他在伽利略和 推理的艺术中指出：迄今为止还没有人能完全解读出伽利略著作中所蕴涵的全部哲学 思想，但这并不妨碍各类科学哲学家对伽利略的实质性特点加以归纳和分界，与此同时 也没有人能把伽利略的哲学严格定义成某一种科学哲学并具备普遍性。若在特定的科学 理论框架之中，按照相对数量较少的一组系统化的基本原则去评判伽利略，那么得出的 结论将是：伽利略并非一个系统化的思想家。类似苏格拉底在伦理学中的地位，伽利略 不但是哲学家，还是一个非系统化的哲学家。 随着近年来国内翻译的伽利略的原著和国外学者的研究成果增多，国内也掀起了对 伽利略研究的热潮。其中张增一的科学与宗教：“伽利略案件剖析和伽利略与 罗马教会等文章，主要论述了在伽利略问题上科学与宗教之间的关系，以及当时伽利 略两次受审判的历史经过。黄华新的伽利略的科学思维方法论探析一文从伽利略求 真的科学精神出发，倡导“观察原理观察的逻辑程序和“实验数学相统一” 的科学模式，并把分解与组合、抽象与理想化作为基本的科学思维方法。 近期对伽利略的研究状况基本上都是在原先的研究基础上进行一些较深入的细微 课题的研究。一方面，研究伽利略问题的专著和各点学术论文是较多的。另一方面，在 观点上并没有太大的突破或转变，基本上还是在原来的研究基础上做各种修补工作，以 使在论据和结论方面更为准确和精致。同时，对各类手稿史料性的研究占相当大的比重， 伽利略科学方法论研究 从而使得研究风格显得比较谨慎、细致和扎实。可以说，现在对伽利略的研究进入了一 个相对稳定的时期。 作为一个富有独创精神的科学家，伽利略的方法论具有多面性和杂糅的特点，因此 对他评价的时候既不能把他归为专门的方法论家，也不能把他归为专门的哲学家。可以 说，伽利略之所以能够取得如此辉煌的成就，归因于他可以同时熟练地运用多种科学传 统和哲学传统。本文旨在通过对以往研究工作的挖掘和分析，首先要阐明伽利略科学方 法论的产生背景及当时的状况，其次从不同的角度和层次剖析伽利略的科学方法，最后 总结伽利略科学方法论的历史意义与现实意义。那么，在深入探究伽利略科学方法论之 前，为了更好的理解和反思伽利略所作出的一系列的科学成就和发明出的一套独特的科 学方法，我们有必要深入了解和熟悉伽利略的生活和工作情况。 1 2 伽利略生平 伽利略伽利莱( g a l i l e og a l i l e i ) 于1 5 6 4 年2 月1 5 日出生于意大利西部海岸的比 萨城。伽利略的父亲文森西奥伽利莱是意大利一位颇具创造力和雄辩才能的音乐家。 他著有音乐对话，在书中他反对惯常的诉诸权威。文森西奥熟知希腊数学家毕达哥 拉斯提出的定律，但是他还是结合理论与实践用许多方法为弦乐器调音，在实验中他的 大儿子伽利略帮助他观察并细心记录了琴弦的拉力与定调的关系。在伽利略2 4 岁时， 文森西奥总结他的儿子对科学研究的方法：“我认为一些人只是依赖权威的力量，而不 是通过探寻论据来支持他们的主张，这种做法是极其荒谬的。我希望能毫不奉承地自由 地去怀疑，自由地解答，这样才能使人真正去探寻真理。 【4 】 1 3 岁时，伽利略从比萨来到佛罗伦萨，开始了他的求学生涯，但只读了两年书就被 送到了佛罗伦萨以东2 0 英里远的瓦隆布罗萨修道院。在那里伽利略在传统科学、数学、 逻辑学、自然科学以及绘画和文学方面受到了良好的教育，并且很自然地受到了充分的 宗教教育。由于家庭非常需要伽利略帮忙挣钱养活他的弟弟妹妹，并且文森西奥非常了 解伽利略的天赋，加上他们有个很有名望的医生祖先，1 7 岁的伽利略开始在比萨学医。 然而，医学并没有激起青年伽利略的兴趣，精密科学更加吸引着他。幸运地是托斯卡纳 宫廷数学家里奇发现了伽利略在科学方面的天赋，便采取措施使伽利略能从学习医学转 为专攻数学和物理学。伽利略的第一个惊人发现是在1 5 8 1 年，当注意到比萨大教堂屋 顶上长链悬挂着的灯在来回摆动，并巧妙地用自己的脉搏测量，得出不管链的长短如何， 每次摆动的时间总是相等的结论。在后来的实验中，最大的问题是难于精确测出小的时 间间隔。他只得继续利用脉搏，或是滴漏的速度。在伽利略之后，惠更斯应用了伽利略 大连理工大学硕士学位论文 发现的摆原理来控制时钟，从而解决了伽利略本人未能解决的问题。伽利略2 1 岁离开 比萨大学，却没能如父亲所愿拿到医学学位证。事实上他当时的数学造诣颇深，在以后 的几年里通过数学收学生教学挣钱。受阿基米德定律的启发，伽利略发明了一个既可以 在空气中也可以在水中称物体的重量的天平，这个小天平也被称为静水力学天平，1 5 8 6 年，伽利略把他的发现在一本小册子中发表了出来，使他首次引起了学术界的注意。 1 5 8 9 年夏，2 5 岁的伽利略成功地被比萨大学聘为数学教员。数学在当时的比萨是 一门次要学科，只是为其它学科服务的，所以数学教员一职就显得微不足道了，尽管如 此他还是很高兴能回到学术氛围中来。在比萨大学的3 年教学生涯中，他不但给学生讲 授欧几里德的几何学，还有天文学、军事工程学( 指防御工事建造) 、地理学和力学。 研究物理现象时，他发现被奉为权威的亚里士多德的物理学中包含许多严重的错误。首 先，是关于自由落体的特性。当时，所有学者都信奉亚里士多德的信条，即下落速度与 落体质量成正比。然而，伽利略发现，决定物体下落速度的是物体的密度而不是其质量。 接着他用实验证明所有下落的物体，无论其质量多大，都以固定的比率加速。然后，通 过对加速度定律的研究，伽利略发现炮弹离开炮筒时的速度与它落地时的速度是一样 的。这样，伽利略便从射击中创造出了一门科学抛物线运动定律。为了能了解事物 的运动规律，伽利略通过对模型的观察来了解自然现象背后的原理，他的大部分发明都 是对力学研究的产物。他后期致力于天文学研究发明了许多光学仪器，像望远镜、显微 镜，还有望远镜头盔。伽利略不满足于被认为是一位有天赋的发明家或是精密仪器的制 造者，他真正的理想是做一名值得尊敬的哲学家或是科学家。 1 5 9 2 年他在威尼斯共和国的帕多瓦大学任数学教授，这使他迈出了通向理想之路的 第一步。帕多瓦自由、浓厚的学术环境培养了不少科学人才。伽利略在帕多瓦大学教了 1 8 年书，这段时间成了他攀登物理学高峰的黄金时代。在这期间，他以阿基米德原理为 基础，把早期的水压系统发展成为比较复杂的水泵，1 5 9 4 年他成为第一个获得专利的人。 1 5 9 5 年，基于哥白尼的推论来解释潮汐的涨落，伽利略发展出一套动力学理论，虽然最 终被证明是错误的，但这却是伽利略对天文学产生兴趣的起点。在与开普勒的通信中， 他承认早在1 5 9 7 年就相信哥白尼理论了，但最初并没有公开表达这一观点。1 5 9 9 年， 伽利略开始制造并出售他的另一项发明军用几何罗盘，被应用于测量计算、航海、 射击与日晷制造等方面。1 6 0 3 年，伽利略开始通过实验论证空气受热时膨胀。他一直希 望发明一个可以测量人体温度的仪器，但是在研究他命名的测温器时，一个难题一直困 扰着他，即气压的影响。后来，这位大师把注意力转移到另一个领域的研究。虽然1 8 世纪早期，提出通用比例的华伦海特与摄尔修斯的名字与温度计联系到了一起，但是通 常都认为伽利略才是温度计的真正发明者。1 6 0 9 年，伽利略把改进并制造出的望远镜指 伽利略科学方法论研究 向天空，使他发现了一大堆新事实。他发现太阳的表面有黑子，而月球表面是粗糙的， 并且上面有洼地和群山。他还发现星云和银河是由成千上万颗恒星形成。他观察到金星 完整的盈亏位相，而木星则有4 个卫星。这些发现证明了亚里士多德学派和托勒密体系 的错误。1 6 1 0 年3 月初，他发表了一本名为星际使者的小册子，使哥白尼学说深入 人心。 1 6 1 0 年6 月，伽利略走出了人生难以预料却又重大的一步。他离开威尼斯共和国安 全的政治环境，回到佛罗伦萨，成为“大公首席哲学家与数学家 。这个正式的宫廷头 衔具有重大意义，因为这个头衔承认了数学和最具名望的哲学之间的联系。1 6 1 1 年，伽 利略抵达罗马，受到隆重而热烈的欢迎，然而信奉亚里士多德的人一直想尽办法地展开 报复以致其于死地。1 6 1 2 年，发行的论浮体一书，用实验的方法反驳了亚里士多德 的错误论点。1 6 1 3 年，由林赛学会出版的太阳黑子书简，是伽利略首次也是唯一的 一次在公开出版的作品中明确支持新天文学。同年年底，身为科学家与天主教徒的伽利 略在给卡斯特里的信中，表达了在信仰和科学之间要划清界限，并说明如何合理地 解释圣经。他反对圣经来解释自然，他认为，圣经和自然是上帝赐给我的两本书，是用 两种不同的语言来呈现的，前者是信仰，而后者是物理学。1 6 1 6 年，对伽利略来说是关 键的一年。当年布鲁诺的法庭裁判官贝拉明主教郑重警告伽利略，不可坚持哥白尼学说 或为其辩护。伽利略接受了宗教裁判所的警告。1 6 2 3 年，伽利略的试金者给出了科 学推理的基本要点，与自然哲学家的诡辩逻辑形成了对比。 1 6 2 4 年到1 6 3 0 年，伽利略著作中最受关注关于托勒密和哥白尼两大世界体系的 对话完稿。这部看似小品文的科学巨著在经历了两次审查并获准出版后第5 个月又遭 到罗马法庭下令查禁，最后把这位年迈多病的老人送上了宗教法庭并判处终身监禁。可 以看出，关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话是伽利略所有著作中最具有革命 性和创新性的一部。1 6 3 3 年，伽利略被宗教法庭判处终身监禁，并在宗教法庭官员监视 下回到佛罗伦萨郊外的阿切特里，直到1 “2 年1 月8 日去世。在人生的最后8 年，伽 利略被禁的关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话和其他一些作品在意大利之外 的国家出版发行，并且在别人的帮助下完成了另一部伟大的著作关于两门新科学的对 话。书中讨论了许多课题，包括材料的强度、运动问题中撞击和比例的理论等，结尾 还接触到了运动的第一定律。 大连理工大学硕士学位论文 2 伽利略科学方法论的基础 伽利略科学方法论的形成不但要从他之前的科学发展过程中去寻根溯源，而且还要 加上他独特的个性以及时代的要求，才得以实现。首先，分析古希腊时期没有出现近代 意义上的科学的原因，主要是：学者传统和工匠传统的分离，缺乏理性精神和实验精神 的结合。其次，古希腊科学的基本特征是：一方面把经验常识作为科学起源和检验科学 理论的标准；另一方面处于上层地位的学者们崇尚理性思维，强调逻辑的严密性，同时 蔑视手工艺人和感性经验。最后，古希腊的“科学一研究是以思辨的形式来考察自然。 尽管如此，古希腊还是出现了诸如欧几里德和阿基米德这样具有近代科学气质的伟大学 者，伽利略进行的科学研究和使用的科学方法就很可能受到了他前辈们的影响。 2 1 自然哲学中的数学 在伽利略以前，古代的数学经历了较长时间的发展。希腊人最早对世界形成系统的 理性看法，并首创了用数学语言来把握自然规律。古希腊最发达的科学是数学，数学方 法论在古希腊得到了最充分的发展，在古希腊方法论中占据着主要地位。 毕达哥拉斯是有可靠历史记载的第二个希腊数学家，希腊早期的数学成就应归功于 他。毕达哥拉斯开创了数学方法论的先河，首先提出自然有规律性，可用数学去把握的 思想。在数学方面做出重要贡献的毕达哥拉斯学派是最早把数的抽象观念提高到了一个 突出地位，视数学为世界的本原。值得一提的是，毕达哥拉斯学派奠定了希腊数理天文 学的基础。他们第一次提出，地球是一个圆球，而且应该用几何学方法描述宇宙。在一 定程度上，可以说哥白尼革命是毕达哥拉斯思想的一个延续。毕达哥拉斯不但认为万物 皆数，还指出数之间是和谐的关系，就是世界的秩序，也即为规律。可以说，当一个知 识领域发展到了用数学工具去揭示和把握对象的量的规定和联系时，它才真正成为一门 科学。因此，毕达哥拉斯的方法论思想对于科学的兴起和发展产生了巨大的作用，而且 为后来的伽利略的数学方法论思想的出现打下了根基。 柏拉图本人虽然对数学知识贡献不大，但他极端重视数学，强调数学方法在认识自 然中的地位，为后来近代科学家们自觉寻求自然现象的内在数学定量关系做出了重大贡 献。由于受毕达哥拉斯学派影响较大，他接受和继承了毕达哥拉斯派的数学方法，并且 在本体论和认识论方面纠正了毕达哥拉斯提出的“数学和谐性假说。柏拉图并不是把 数学模型强加给自然现象，而是从自然现象中抽取出和谐的数学关系，即把他所主张的 “理念”与自然现象用数学的方法联系起来。这种“数学和谐性”就是柏拉图的数学理 性，也是数学主义的由来。柏拉图强调数学方法在认识自然过程中的地位，这对数学演 伽利略科学方法论研究 绎方法的建立和完善起了推动作用。在柏拉图的“可知世界 中，数学的必然性成了某 种定则，从而构成了宇宙图谱的实在根据。柏拉图与毕达哥拉斯一样都认为，神圣的天 体是在做一种完美的匀速圆周运动。但是根据观测到的现象，人们把事实上或静止不动、 或时而像东时而向西、或时而快时而慢的星称为行星。为了找出所遵循的运动方式，柏 拉图最得意的学生欧多克斯设计出了一套建立在毕达哥拉斯学派宇宙图景之上的天球 体系，成为希腊数理天文学的基本模式。虽然这种体系有很多错误，但这种做法完全被 后人继承。柏拉图还发展了毕达哥拉斯在数学中广泛应用定义的方法，他指出，科学就 是用数学概念的体系去把握的自然。显然，从毕达哥拉斯到柏拉图的数学方法论为科学 方法论奠定了基础，也为伽利略的科学方法论提供了借鉴的作用。 作为数学家，欧几里德在科学认识论和方法论思想方面，受到柏拉图和亚里士多德 两人影响，但主要是受亚里士多德影响。欧几里德的几何原本依然保留了亚里士多 德逻辑中显而易见的实在论，但欧几里德在运用亚里士多德的公理化方法整理并推理几 何学的时候，对其进行了改造。欧几里德在公理化方法上的功绩是伟大的，他的几何 原本构成了数学史上第一个演绎系统，对后世数学的发展起到了巨大的推动作用。可 见，此时的初等数学已有了相当大的发展。然而，仍被视作高级智力游戏的数学与自然 科学还是互相独立、互不联系的。虽然，初等数学确实也受到过其它自然科学( 尤其是 天文学) 发展的推动，但总体说来，初等数学偏重于定量分析，描述的基本上是相对静 止的自然现象，而其它自然科学偏重于定性分析，结果不仅使代数学和几何学相分离， 更造成数学和物理学的发展相脱节，而作为需要精确定量的自然科学，便无法准确地分 析物体的性质和运动。 阿基米德作为古希腊杰出的数学家与力学家。他的科学研究方法是继承和发扬了亚 里士多德提出的公理化方法，他的数学研究在欧几里德之后达到了他那个时代的顶点。 他从生产和生活的经验中抽象出基本原理，并通过演绎推理与逻辑证明得到科学结论， 然后再回到实践中检验。对于力学的研究，阿基米德认为力学的基础不在哲学而在生产 技术，并且第一个把严密的数学推理和技术实践结合起来进行静力学研究。他用数学方 法讨论了浮力和杠杆平衡原理。他和以他为代表的数学家开始，算术和代数成为了一门 独立的数学学科。 在经历了漫长又黑暗的中世纪，古代科学理论几乎没有得到发展。但中世纪之后， 具有近代科学思想的勒奈笛卡尔，以其对数学的偏爱，主张把欧几里德几何学作为标 准，并建立一种理性的演绎方法。这种方法要求，首先是凭借直觉确立若干条“不证自 明 的“公理，然后从这些“公理 出发，每一步都清楚明白地推演出其他许多命题 大连理工大学硕士学位论文 或定理，从而构成一个知识系统。笛卡尔正是根据他的唯理论的认识论，从普遍怀疑开 始。找到一个“我思，故我在 作为起点，然后运用理性的演绎法建立起他的理论体系。 【5 】笛卡尔正是从明确的理性直觉观念出发，通过演绎推导出了一系列自然知识的一般结 论。如，真空不可能存在、超距作用不存在、宇宙动量守衡原理，等等。于是，笛卡尔 深信，从确切的、不可置疑的原理出发，用类似数学的演绎方法进行推理，自然界的一 切确定性知识就可以演绎出来了。我们可以说，笛卡尔是近代哲学中的第一个具有理性 主义精神的学者，他完全不相信实验中获得的经验事实的正确性。显然，笛卡尔坚信数 学化的演绎推理，坚信欧式几何的公理化推导。然而，笛卡尔认为，有了数学演绎方法 足矣，实验最多是个点缀。他这种有失偏颇的观点把对自然界的数学演绎的观念推向了 极端。在数学筹划中，自我成为主体，物成为客体，自我严格创造的类比假说要比科学 实验的事实更为可靠。【6 】 但是到了近代，哥白尼运用数学对物体及其运动进行研究，才证明出托勒密天文学 体系的错误。哥白尼第一次将较为简单而又和谐的数学方法的观念引入到天文学研究 中，至此，柏拉图数学主义在近代科学研究中重新受到普遍重视和应用。之后，开普勒 运用几何学的知识和方法，勾画出天体结构及其运动的真实过程，从而证明了哥白尼天 文学体系的正确，并总结出行星三大定律。哥白尼和开普勒都认为，通过数学方法得出 定量的知识才称得上是确定的知识。在他们那里，数学的简单性与和谐性被看作是描述 物体及其运动的先验原则。【7 】 2 2 与数学相分离的实验 实验方法的萌芽出现于公元前7 、8 世纪，当时的学者主要是靠对自然现象和生产、 生活进行观察，以及做简单的实验，并直觉地、笼统地把握自然现象的一般特性。物理 学基本上还处于对现象的描述、经验的简单总结和思辨性的猜测阶段，实验的巨大作用 还没有被充分认识到。 古希腊的泰勒斯作过琥珀摩擦起电的实验。欧几里德用实验研究了光线的反射。后 期的阿基米德，注重实验技术并运用数学分析中的穷竭法求面积和体积，总结出杠杆原 理和浮力定理，奠定了静力学的基础，这时才使得实验方法接近于近代科学研究的方法。 科学史家丹皮尔认为：“他的工作比任何别的希腊人的工作都更具有把数学和实验研究 结合起来的真正现代精神。在结合的时候，只解决一定的有限的问题，提出假说只是为 了求得它们逻辑推论，这种推论最初是用演绎方法求得的，然后又用观察或实验方法加 以检验。埘8 】虽然在阿基米德那里已经显露出近代科学实验的倾向，但后来的古代学者们 并没把这种实验的方法传承下去。 伽利略科学方法论研究 经验在古希腊科学中占据次要地位，是和当时知识水平低和观察条件差相关联的。 而且，当时包括亚里士多德在内的自然哲学家都倾向于唯理主义的认识论。严格说来， 古希腊没有真正意义上的实验方法论，只是产生了观察是感性知识来源的思想以及提出 了萌芽状态的科学归纳法( 归纳法属于广义上的实验方法) 。 到了1 3 世纪，欧洲曾出现过一个短时期的实验风气，其代表人物是罗吉尔培根。 他提倡用实验方法去研究自然科学，同时也很重视数学方法。他高出于整个中世纪欧洲 其他哲学家的是，他认为，应当依靠“实验来弄懂自然科学一。他说，有一种科学比其 他科学都完善，要证明其他科学就需要它，那便是实验科学。他清楚地了解到只有实验 方法才能给科学以确定性，这在心理态度转变上具有革命性意义。罗吉尔培根倡导的 实验的科学研究方法在阿基米德那里已有萌芽，但到了他这时才被当作标准和原则提了 出来，并成为近代科学研究方法及其基本思想的前奏。【9 】由于提出了实验方法论，罗吉 尔培根在西方科学方法论史乃至整个科学史上占有重要的地位。科学史家丹皮尔评价 道，他的精神接近之前的阿拉伯人或他以后的文艺复兴时代的科学家的唯一人物。【1 0 】 所以，我们可以说，“如果说古希腊科学离近代科学己是一步之差，那么中世纪后期就 己到了科学的边缘。古希腊科学的理论优势加上中世纪科学思想的先入为主，造就了近 代科学诞生的温床，同时为近代科学研究方法的最终形成提供了丰富的养分。【1 1 】 1 4 世纪，英国哲学家威廉奥卡姆用实验否定了亚里士多德的“一切运动都有推动 者的说法，指出“物体已经开始运动就永远运动一。法国哲学家让布里丹则通过实 验阐明了物体下落时有加速现象。显然，中世纪后期就已经提出了实验方法论，在强调 实验的同时揭露出错误认识的根源。尤其是他们认为的实验和数学相结合的思想，更是 成为了伽利略科学方法论的先驱。 在文艺复兴时期，实验作为探索科学的方法，认识自然的手段，开始得到人们的重 视和运用。达芬奇指出：“科学如果不是从实验中产生，并以一种清晰实验结束，便 是毫无用处的、充满荒谬的，因为实验乃是确定性之母。，【1 2 】达芬奇不仅懂得实验在 科学方法上的重要性，而且身体力行地从事各种实验，并取得许多成功。 到了1 6 世纪，吉尔伯特在探索磁的性质时，曾作过许多实验。可惜的是，吉尔伯 特并没有用他的假说来指导进一步的实验，并没提出理论，更没有打算进一步做些实验 来证实他的理论。 综上所述，虽然近代实验方法传承于中世纪晚期由罗吉尔培根首次提出的“实验 科学”的思想，但是这两个时期的实验方法还是有很多的不同。从方法论的要求来看， 中世纪的实验方法只是一个萌芽，这主要体现在它对实验方法本身没有进行什么描述或 大连理工大学硕士学位论文 提出什么要求。从历史的角度来分析，以罗吉尔培根为代表的中世纪的实验方法论强 调实验，用以揭露错误认识的根源，并且赞同实验和数学方法并行不悖。丹皮尔评价他： “清晰了解只有实验才能给科学以确定性。这是心里态度上的一次革命性的改变 。【1 3 】 由此可以认为，中世纪晚期的罗吉尔培根的实验科学是实验方法论上划时代的标志。 同时，我们可以清楚地了解到，在这段从古希腊时代开始经由中世纪步入1 6 世纪 的发展历程中，尽管作为科学发展基础的数学以及作为科学理论验证手段的实验在不断 发展进步，并且达到了一定高度，但是这两者依然保持着相对独立的关系，对于两者在 科学研究中的指导意义的相关认识也还处于较为朴素的阶段。实验方法与数学方法究竟 应该如何同时被导入到科学研究理论框架之中? 时代在呼唤着一位兼具古典科学的集 大成者与现代科学的奠基者于一身的人物，而应运而生的正是开创了全新科学方法论的 伽利略。 伽利略科学方法论研究 3 伽利略科学方法论 3 1实验与数学结合：精密科学的理想方法 当阿基米德用观察与几何学中的演绎方法相结合的手段研究力学和流体静力学时， 是第一次给这两门学科奠定了坚实可靠的基础。他的工作具有把实验和数学结合起来的 真正现代精神。在结合的时候，只解决一定的有限的问题，即首先提出假说，接着用演 绎方法求得逻辑推论，最后用观察或实验的方法加以检验。可以说，阿基米德是古代世 界的第一位也是最伟大的一位的近代型物理学家。 虽然阿基米德实现了实验和数学相结合的研究方法，但是并没有超出自然哲学的范 畴。罗吉尔培根也十分注重实验方法和数学方法的同时运用，但是并没有将这种方法 应用于实践中。而是伽利略把实验和数学理论思维紧密地结合起来，并给予物理定律以 实验和逻辑的双重证明。 3 1 1 数学：自然观到方法论的转变 在数学从自然观转变到强调方法论过程中，伽利略起到了重要作用。他既重视数学 方法的应用，又抛弃了数学先验论的神秘观点。伽利略认为数学是科学认识、定量研究 的工具，即数学不仅是计算工具，还是逻辑分析的工具。 例如，落体定律并不是伽利略从斜面实验中直接归纳总结出的。在开始对自由落体 运动进行研究时，伽利略假定该运动是最简单的变速运动，即匀加速运动。他解释说： “在自然加速运动的研究中，自然界就像在所有各种不同的过程中一样亲手指引我们， 按照他自己的习俗，运用最一般、最简单和最容易的手段 。在随后的定义匀加速 运动时，他摸索了不止一次。他起初假设了下落过程中物体的速度和下落距离成正比， 证明这种结论是错误的之后，伽利略于是进行了第二个假设，用速度的增量v 和用去 时间t 成比例来定义匀加速运动，即如果一个物体从静止状态开始运动，并在相等的 时间间隔内获得相同的速度增量，则称该物体运动是匀加速运动，这一假说经过验证后， 致使自由落体运动规律的发现。 伽利略的另外一项成就在于用数学方法对塔塔格里亚由经验而得出的抛射体运动 轨迹理论作了科学的解释和证明。伽利略对抛射体的运动进行了充分研究，并在关于 两门新科学的对话第四天的谈话中进行了证明：伽利略发现，如果把抛射体以某一水 平初速度抛出，可以把抛射体的运动进行分解，一个是水平方向上初速度不为零的匀速 直线运动；另一个是竖直方向上加速度恒定的自由落体运动。匀速直线运动通过的距离 大连理工大学硕士学位论文 与时间成正比；匀加速自由落体运动通过的距离与时间的平方成正比。伽利略指出，物 体的合成运动是一个曲线运动，其轨迹与阿波罗尼乌斯抛物线相一致。若是斜抛，其运 动轨迹则是一条过最高点