博雅沙龙|石兢：走进“原理”和走出“原理”——牛顿《自然哲学的数学原理》读书札记

2021年4月1日下午2点半，由石兢教授带来的《自然哲学的数学原理》读书札记交流活动在教五第211教室拉开帷幕。本次活动由武汉大学通识教育中心副主任、土木建筑工程学院彭华教授担任主持人，武汉大学通识教育中心常务副主任、物理科学与技术学院桑建平教授作总结。牛顿的《原理》作为人类科学发展史上最伟大的著作之一，其内容丰富而广博、深刻而富有洞见，让一代又一代物理学者为之赞叹。石兢教授在阅读文本后，以“走进《原理》”和“走出《原理》”为两个重要维度，与在座的师生分享了他的读书心得。

石兢教授首先介绍了自己在阅读《原理》时萦绕于脑海的几个问题，并以此为出发点，从背景、目的、几何工具、主题、结构和内容等多个角度切入，寻觅贯穿《原理》的核心及其后世影响。

在介绍《原理》的背景时，石兢教授追溯历史，阐释了在17世纪中期以前诸物理学巨匠为物理学做出的诸多贡献。石兢教授将牛顿以前各类对机械运动的认识和积累归类为三个重要的背景：其一是亚里士多德、伽利略、笛卡尔、惠更斯等人对运动现象的不同解释与实验；其二是人类认识太阳系运动进程的发展；其三是前人对光的性质的多种认识。

“对于相同的自然现象，必须尽可能寻求相同的原因”，牛顿站在物理前辈的肩膀上，综合种种观点，以找出普适的规律为己任，著成《自然哲学的数学原理》这一集大成之作。在书中，牛顿试图以更少的定律描述更多乃至所有目前已知的现象，并用同一种理论描述两种表面看起来并无关联的现象，正如牛顿自己所言：“我的这部著作论述哲学的数学原理，哲学的全部任务在于，由运动现象去研究力，再由这些由力去推演其他运动现象。”

接下来，石兢教授从概念与定义出发，向在座的师生详尽阐述了牛顿三大定律的核心内容及其伟大意义。他认为牛顿的伟大之处正在于其在问题面前不但“知其然”，更知其“所以然”，揭示出了运动原理背后的科学范式。牛顿“原理”运用了欧几里得“几何原理”的科学范式，其区别于现当代物理学的代数性表达，主要以文字与几何为工具，更为直观地表达了作者的观点，适应于当时的时代环境。在定义与概念上，牛顿以时间、空间、运动为基本的概念，将m、p、惯性、F视作四个基本的物理量，并以“三大定律”关联不同的物理量，将其视作运动基本的公理和定律。

走进“三大定律”和“万有引力”，我们方能更为深入地体会到牛顿的伟大之处。在石教授看来，研究状态、研究物体的运动和变化正是物理学的“任督二脉”。落实在具体工作上，为解释一般机械运动的规律，牛顿找到了运动的三大定律，而对于一般物质间的一类相互作用力，牛顿则提出万有引力加以解决。

在对时间、空间、运动三个基本概念进行阐发后，石教授开始讲述牛顿的三大定律，第一定律以“惯性”为核心，将定义上升到定理的层次，本质上是借伽利略的大船实验说明了在多数参照系中存在一个参照系使得各运动平等。提到第二定理，牛顿将其建立在第一定理之上，说明了“运动的改变正比于力，变化的方向沿外力作用的直线”；而第三定理则提出动量守恒的定律，刻画了惯性系间的平权。石教授接下来讲述了自己对牛顿三大定律关系的理解：牛顿第一定律并非第二定律的前提；第三定律也并非第二定律的特殊形式，贯穿三个定律的统一内涵是同一的、不矛盾的、自恰的。

在简要说明了《原理》的各章主要内容后，石兢教授把重心放在了走出“原理”后概念的拓展与后世的意义上。在他看来，牛顿的“原理”恰恰给了我们一个握在掌中的探索工具，让我们在宇宙的彼端感受到无数意想不到的美好。对后世而言，牛顿的惯性质量概念的拓展将诸多与运动、能量、惯性平权的内容赋予狭义相对论；而爱因斯坦则从牛顿的万有引力中找到了通向广义相对论的“门”，将惯性质量与引力质量相连。直至后世，牛顿所刻画的参考系仍然是讨论电磁理论的适用参考系、弱与强等效原理及其验证依然依凭于此。

在交流的最后，石教授认为物理学是质朴而浪漫的。牛顿作为其集大成者综合了三种不同认识世界方式，可见其伟大与地位之不可撼动。

在短短的2小时中，石兢教授丰富的内容与深刻的见解给在座的师生带来了一场精彩纷呈的知识盛宴。“道法自然，久藏玄冥，天降牛顿，万物生明”，面对这本“人类文明第一书”，石兢教授带领师生“走进“了解又”走出”回望，让参与这次活动的师生收获颇丰。