1687年，艾薩克·牛頓通過出版《自然哲學之數學原理》（以下也簡稱《原理》）這本宇宙物理學法則的科學經典改變了曆史。自古以來，自然界運動的規則性早已為人所共知，近代如伽利略、開普勒和第谷·布拉赫這些文藝複興巨匠，則通過細緻的實驗觀察對這些知識進行了梳理和定量化。但牛頓則超越了這種對規則性的觀察，确認了它們的數學關系。這些關系不僅簡單有效而且可以解釋許多過去看似無關的行為。牛頓運動定律被證明是如此值得信賴，以至于一個觀察如果與它不一緻，那麼這種不一緻性會很快成為該觀察為誤觀察的靠得住的判據。它們在工程學、化學和貿易中找到了重要應用，并最終成為整個技術世界的邏輯基礎。難怪亞曆山大·蒲柏的著名悼詞今天讀來仍讓人潸然淚下：

自然與自然的法則隐藏在冥冥暗夜中；

牛頓《原理》的最大影響不是來自其對行星軌道和潮汐的解釋，盡管這很完美，而是通過這些事實說明了時鐘宇宙的合法性——一種明天的、後天的乃至日後每一天的事情都唯一地通過一組簡單法則取決于今天的狀态的思想。牛頓的計算與行星的實驗觀察結果之間的令人驚異的定量一緻性無疑令人确信，他的定律可以正确地說明天體。天國的神秘面紗被揭開了。這些定律的簡明性、合理性和與伽利略對地面物體運動觀察的一緻性暗示着它們有着更一般的應用一一它們是時鐘工作的原理。這一點一再為後續的觀察所證實。在4個世紀的實驗觀察中，隻有在原子尺度上的實驗與牛頓定律相悖，現在我們知道，在這種小尺度上起作用的是量子法則。

經過數不盡的富于創造力的頭腦的精心檢驗和探索，牛頓定律的高度精确性已深入人心。細算起來，這些檢驗可分成若幹類。一類是對天體運動的細緻觀察。牛頓定律不隻是詳盡解釋了行星軌道運動的形狀和曆史，

宇宙精确運行的材料證據可謂堆積如山。在回答生命的秘密這個問題上我們必須另辟蹊徑找出這種觀念的漏洞。

在17世紀，當現今意義上的物理學剛剛誕生的時候，這種物質決定論的道德難題甚至要比今天更難處理。1633年，伽利略因違反1616年頒布的禁止傳播哥白尼的宇宙論而被意大利宗教裁判所監禁。

他被發現有“持異端邪說的重大嫌疑”，這個判決雖較事實上持異端邪說為輕，但仍須公開宣布放棄對地球繞日運行的信仰。像許多偉大的科學家一樣，伽利略具有反叛的性格。他曾因堅持自己的通過實踐來求知而不是僅僅通過苦思冥想來求知的為學之道而中途退出了大學。他的學術生涯異常成功。我們今天之所以知道伽利略，主要是因為他發明了天文望遠鏡以及由此做出的其他發現，像太陽黑子和木星的衛星等，其實他影響更深遠的貢獻是清楚地闡明了亞裡士多德的那種自由散漫的科學研究方法的基本局限性，他提倡數學嚴謹性。

他在1623年寫的《試金者》（The Assa yer）一書中寫道：自然之書“是用數學語言寫就的”。不幸的是，伽利略在這本書中着力論述的确定論觀點沒有給上帝的幹預留下任何餘地，更有甚者，它還隐含着這樣的概念：上帝的事情可以為人類所理解和掌握。1625年，有人向宗教裁判所秘密告發他，說他的《試金者》對基督教神學是個威脅，尤其是對聖餐變體論教義極為不利。有意思的

是，這本書還是伽利略乘他的好朋友卡丁諾·巴伯裡尼（Cardinal Maffeo Barberini）1623年榮升教皇烏爾班八世之際敬獻給他的。

這種指控到了1632年終于達到頂峰，這一年伽利略出版了他的偉大著作《關于兩大世界體系的對話》，這本書對托勒密宇宙學說給予了精彩而毀滅性的科學打擊。鑒于它的論證是如此清晰而又富于說服力，是一種比加爾文和路德二者加起來還要大的威脅，于是教皇下令禁止出版此書，監禁伽利略。他被判有罪，并被軟禁于佛羅倫薩城外一所小村莊阿瑟特裡（Arcetri）的家中，直到8年後去世。

如果沒有伽利略，牛頓的工作簡直不可想象。

牛頓理論裡幾乎所有的基本物理概念——以及這些使概念得以成立的實驗——最初都源自伽利略。正是伽利略第一個認識到物體不需要外部因素來使之運動，而這卻正是亞裡士多德學說所主張的。在沒有外界因素情形下，物體将保持勻速直線運動，直到外界施加了某種作用。伽利略還第一次提出了速度是矢量的概念，矢量是一種既有大小又有方向的量。他還提出了慣性概念，這是物體的一種反抗運動狀态變化的屬性。他第一個将這種改變運動狀态的因素确認為力，一種使速度發生變化的原因，由此，自現在始兩秒後的速度應為現在的速度加上由力的大小确定的一個小增量。

無論怎麼說，艾薩克·牛頓畢竟被公認為近代物理學的主要奠基者，因為他發現

了将所有這些概念整合到一個完美自洽的數學體系的方法。他誕生于1642年的聖誕節，這一年伽利略剛好去世。像伽利略一樣，牛頓也具有不輕信權威的反叛性格。在他的劍橋讀書筆記的邊頁上，他用拉丁文寫道：“Amicus Plato, amicus Aristoteles；magis amica Veritas.”（與柏拉圖為友，與亞裡士多德為友，但更與真理為友。）一如當時的年輕人，他也對天文學着迷，對伽利略和開普勒的書更是手不釋卷。我們總是把牛頓取得的巨大成就歸因于那場流行于英國的大瘟疫。為了躲避瘟疫，他于1665～1667年間回到了家鄉林肯郡。據估計，他正是在那段時間裡，發明了無窮小演算，

而這正是解釋開普勒行星軌道運動定律所需的關鍵性突破。開普勒行星軌道定律說的是：所有行星的軌道均呈同一平面内的不同的橢圓形狀，太陽在這些橢圓的一個焦點上；每個行星在其自身軌道上作加速或減速運動，以保證在相同時間内掃過的橢圓面積相等；行星的軌道大小與其運行周期存在嚴格的數學關系。牛頓利用這種演算符号，便可以非常簡潔地将伽利略運動法則寫成精确的方程，解這個方程即得到物體在力的作用下的運動的描述。

也正是借助這種數學技巧和另一項假定——引力按一定方式随距離增加而減弱——他得以證明開普勒定律實際上可以從伽利略法則推演出來，從而證明行星運動不是一種獨立的現象。而這反過來又使他從開普勒定律所依據的天文觀察資料的極端精确性論證了伽利略法則的有效性。伽利略完全錯過了這一點，他忽視了開普勒定律，這個定律在他生前就已經發現，但他卻認為整個宇宙引力的概念屬于非人間所能理解的“隐秘性質”。命運的安排就這麼奇怪，伽利略将他的信仰者領到了希望之鄉，但他自己卻不進去。

普适的物理定律就像是冰山，看上去不變的隻是露出水面的很小的一部分。這兩者從現象上說有共性，但物理定律作為一種思想，其内容則要寬泛得多。我常去遠東，在那裡我喜歡用佛教中的小乘教與大乘教來類比。在小乘教中，教徒們謹守着曆史上某些學者的保守教義，而在大乘教，或“大容器”中，教徒們不僅考慮這些教義而且考慮這些教義推演出的所有結論。普适不變的事物就是那種每次作用都産生相同結果的事情。物理學定律是兩個測量量之間時時維系着相同結果的一種關系。具體到牛頓運動定律，這種關系就是不同時刻兩個量之間所滿足的一種不變的關系。因此如果我們現在測得了兩個事物間的某種關系，那麼以後無需再行測量就可以知道兩者間的這種關系（假定它們不受幹擾的話），因為它們的值是确定了的。在讨論定律時，我們談的是方程而不是具體值，但核心概念是一樣的。關鍵是精确性。就像普通的精确測量一樣，我們内心傾向于将定律分成起源于微觀的和起源于集體的，并用“基本的”一詞來描述它們。我們發現，當實驗事實相差無幾的時候，這兩種類别之間的差異也變得可以忽略了。

多年來，随着牛頓定律一系列奇迹般的成功，它們已被外推到比最初應用領域

大得多的領域中。新的做法是，先假定牛頓定律在這種無法直接檢驗的場合下是正确的，并據此假設來計算各種物理性質，然後再将其與實驗結果進行比較。例如，氣體動力學就假定氣體是由具有短程斥力的原子組成的，這種斥力使得氣體分子間發生如台球那樣的相互碰撞。于是人們發現，這種神秘的氣體分子有一種強烈的通過碰撞變得混亂的趨勢——打過台球的人一定都有這種體會。這種趨勢被稱為混沌原理，

它是天氣難以預測的根源。充分混亂之後的台球狀态就可以十分逼真地模拟稀薄氣體的行為，随着氣體密度的增加，我們就得到正确的理想氣體定律。因此，當我們說動力學理論“解釋了”理想氣體定律的時候，我們的意思是它說明了該定律的起源。但這種推理有明顯的邏輯缺陷，即人們用來檢驗假設的行為本身可能就是一種普适的集體現象。在此情形下，測量肯定對微觀假設（即氣體分子以單原子狀态存在）不敏感，因此根本不可能對其檢驗。這是對邏輯三段論的誤用：上帝是仁愛的，仁愛之心是盲目的，查爾斯是瞎子，因此查爾斯是上帝。不幸的是，這種論證正是上述這些理論的思路。正如已經證明的，牛頓定律在原子尺度上是錯的。

在20世紀早期，人們發現，原子、分子和亞原子粒子必須用量子力學法則來描述，這種法則與牛頓定律有天壤之别，以至于科學家們一時找不到合适的詞來描述

它們。在諸如原子大小趨近于零、固體熱容在絕對零度附近接近無窮大（實際當然不會）等情形下，牛頓定律的預言都不可能正确。一束氦原子射到原子尺度上無缺陷的固體表面不會發生如牛頓理論預言的那樣的全方位的反彈，而是會像光入射那樣衍射成強弱相間的帶狀。原子根本就不是台球，而是波，它們的組成恰如水波在适當條件下形成浪湧。

因此，這就可以說牛頓傳奇般的定律是突現性的，就是說，它們不是基本的，而是量子化物質聚集成宏觀流體和固體——一種集體性組織現象的結果。它們是作為第一定律被發現的，它們帶來了技術時代，它們和我們知道的物理學中任何事情一樣是一種真實的存在——但當我們深入到極小尺度上考察時它們就失效了。奇怪的是，許多物理學家不承認這一點。到今天，仍有人組織大會來讨論牛頓定律作為量子力學的“近似性”問題，認為系統隻要是大的，牛頓定律就有效——盡管找不到合适的近似。牛頓定律在宏觀極限下突現的要求在早年的量子力學裡被稱為對應原理，并被視作量子測量意義的一種限定。今天仍可見到的關于這種量子不确定論的著名的病态邏輯（至少部分是錯誤的）概念正是這種處理的淩亂的結果。但對應原理在數學上仍無法證明。