1.牛顿力学科学统一性思想溯源

物理学是研究物质最基本的机构和运动规律的科学，其最终目的是：找到物质运动、变化与相互作用的内在联系，以最少的假设，通过分析、推理解释所有相关实验结果，预言新的实验现象.早在文化灿烂的古希腊时期，原始唯物论者就把纷繁复杂的大千世界的统一看成是顺理成章的.泰勒斯（活跃于公元前580年左右）认为世界是由水组成的，道尔顿(1766-1844)的科学原子论把原子作为构成世界的基本粒子，奥斯特瓦尔德(1853-1932)把能作为物理世界的统一本原.统一思想不仅是哲学的基本思想，而且也是物理学的基本思想.

1.1古希腊时代的统一性思想

古希腊时代自然哲学家们把自然现象的无限多样性的统一看作是顺理成章的，并且在特定的物质和物质范畴中探索着这种统一.泰勒斯经过研究发现，这种特定物质具有水的特质.他的学生和追随者又通过分析和验证逐渐把这种基本物质的性质表述的更加精确，并使这种物质兼具统一性和不灭性.人们后来又假定了许多种基本物质组成世界的本源，这些物质的混合和分离就会形成不同的物质，从而引起自然界的绚丽多彩的变化.到了留基伯和德谟克利特时期，他们认为这种物质是不可分割的原子.在他们看来物质和自然界的万物的区别不是由于其内在性质，而只是在于组成它们的原子的多少、形状、位置和运动的不同，所以他们用原子学说来解释各种各样的自然现象.毕达哥拉斯学派的学者在研究琴弦的振动时发现，只有当两根弦的长度互相成简单的有理数比例时，就会发出和谐的声音.他们从中得到启发：既然在音乐的和谐中数的结构是它的本质核心，那么我们周围自然界中一定也存在着这种内在的和谐，那门就可以从数学核心中找到自然界的本源.因此毕达哥拉斯学派提出了统一的数量说，并对这种统一作数的解释.

1.2哥白尼的统一性思想

哥白尼时代的统一性思想第一次取得了丰硕的成果.在那个年代，在当时观察所要求的精确度范围，托勒密的地心说虽然解释事实是非常成功的，但是在几何学观点上其弱点是均轮和本轮的繁复性，使得编制历表的所依托的理论非常繁琐，这种客观情势使人们关注天文学理论的变革.哥白尼深受毕达哥拉斯学说影响，所以在他看来宇宙应当符合数学的和谐性，而且这种和谐性越简单以数学研究看来就越好，也越接近于自然.他说“⋯在这极美丽的庙堂中，谁能把这个火炬放在更好的地位，使它的光明同时照到各个体系呢?有人把太阳叫做宇宙的灯，有人称作宇宙的心，更有人称作宇宙的统治者，都没有什么不适当.⋯⋯这样我们就发现在这样有秩序的安排下，宇宙里有一种奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的谐和关系.这样的情形是用别的方法达不到的."所以哥白尼用太阳取代地球位为宇宙的中心，所有的行星包括地球均以太阳为中心转动，这一伟大的变革使得各大行星运动获得了统一性，哥白尼的日心说体系是的行星运行具有了确定性和统一性.

1.3开普勒的统一性思想

哥白尼体系执着的坚持希腊古典的正圆运动观念，这使它不得不继续沿用本轮、均轮组合法，以获得与观测现象的相符.开普勒对数学的爱好、对自然界效的和谐的神秘感受，始终支配着他对天空奥秘的探索活动.正是哥白尼体系那令人赞叹的数学的和谐和美使他直觉到它就是真实的宇宙图景.但是当他着手研究弟谷所遗留下来的天文观测资料时，他发现如果按照哥白尼体系里天体运动是匀速的和遵循正圆轨道的，则不能准确得到弟谷所测算的结果，于是1618年开普勒出版《哥白尼天文学概论》，将他已经发现的火星运动二大定律推广到了太阳系的所有行星，而且同时公布开普勒第三定律将所有行星的运动与太阳紧密地联系在一起，彻底清除托勒密和哥白尼体系中运用的一大堆本轮和均轮，确立了太阳系的概念，实现了开普勒定律对所有行星运动的统一，完成科学史上一大伟业.自17世纪的伽利略开始，物理学家的职责就在于用公式来解释自然的力量，寻找能够描述自然力量在时空中支配物质方式的数学语言.科学发展的最终目的就是要建立一个单一的科学理论体系来描述整个宇宙的物质存在与运动变化.

1.4牛顿的统一性思想

吴国盛说过：“只是在最近我们才刚刚开始意识到在近代科学的先驱者们当中一种十分奇怪的历史主义的重要性，这种历史主义使他们如此深地陷入到赫尔墨斯传统之中，以致于他们把他们的科学想象为对古代真理的一种重新发现，以前这些真理曾经被那些有天赋的、纯朴的哲学的创立者们所清楚地领悟.因此牛顿认为，诸如像阿那克萨哥拉和卢克莱修这样的古人，不仅知道原子，而且认为它们具有惯性；此外，首先是埃及人，而后是毕达哥拉斯学派，他们除了讲授过哥白尼体系之外，还懂得在《原理》的数学科学中的万有引力原理及其应用.”爱因斯坦说过：“至今还没有可能用一个同样无所不包的统一概念，来代替牛顿的关于宇宙的统一概念.而要是没有牛顿的明晰的体系，我们到现在为止所取得的收获就会成为不可能.”物理学史上的第一次大综合：牛顿万有引力定律.17世纪牛顿“站在巨人们的肩膀上”，把地面上物体的运动（伽利略）和天体运动（开普勒）统一起来，揭示了天上地下一切物体的普遍运动规律，建立了经典力学体系.恩格斯对牛顿给予这样的评价:“牛顿由于发现了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学.

力的概念诞生至今已有2000多年的历史，尽管现在人们都知道力是物体间的相互作用，是物体运动状态发生变化的原因，但人们仍然无法进一步弄清力究竟是一种什么样的作用，力的产生是一种什么样的具体原因.力的概念仍然难以被人理解、物理意义不确切、其本质也没有被揭示出来.

著名物理学家牛顿在开普勒和伽利略的研究基础上，创立了的运动三定律把大至辽阔宇宙中的恒星，小至微小粒子的物质的运动统一了起来.对于苹果落地与行星运转这两类极不相同的现象，也找出了支配它们的共同的力——万有引力，并且对开普勒定律中行星按照椭圆轨道运行给出了合理的解释.牛顿还把在月球方面所得的结果推广到其它行星的运动上去，使得整个太阳系的错综复杂的运动就统一到一个理论中了，从而建立起一个包括天体运动、潮汐涨落和堤上物体运动在内的自然现象做出统一解释的经典力学体系，在人类认识史上构造出第一个系统而又统一的科学图景.

单值决定论是以经典力学中的动力学规律为基础，认为世界上大到恒星，小至沙粒的一切物质，只要给出精确的初始条件，就可以根据物理中的既有规律单一的测算出它在之前和之后的状态.正如拉普拉斯所描述到：“如果有一种智慧能了解在一定时刻支配着自然界的所有的力，了解组成它的实体各自的位置，如果它还伟大到足以分析所有这些事物，它就能用一个单独的公式概括出宇宙万物的运动，从最大的天体到最小的原子，都毫无例外，而且对于未来，就像对于过去那样，都能一目了然”.对于牛顿来说，“自然界是一本打开的书，一本他读起来毫不费力的书”.牛顿用具有思辨特征的概念(质点、绝对时空等)和微分定律，揭示了自然界的完整的因果性链条，成功地把“天上的力学”和“地上的力学”统一起来，构造了一个逻辑完备的理论体系，从中能够逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象，并且能同经验相符合.必须把那些从各种现象中运用一般归纳法导出的命题看作是完全正确的.

在《自然哲学的数学原理》的序言中，牛顿明确地提出了他的科学纲领：“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其它现象……，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其它现象.”

物理定律来源于人们对简单性与和谐性的追求，而物理定律的应用却是对复杂性的追求.大多数物理学家认为物理定律日臻完善，而人类却已进入复杂性研究的黄金时代.由于牛顿的引力论和力学，促使拉普拉斯提出下述观点：“一种智慧存在，在任一给定时刻如能知道所有的自然力和构成宇宙的所有物质的瞬间位置，而且能分析所有的有关数据，则能用公式描述世上最大物体和最微小原子的运动.对其而言，没有东西是不可确定的，历史和未来在其眼前展现.”

伽利略-牛顿力学的基本定律（称为惯性定律）可以表述如下：一物体在离其他物足够远时，一直保持静止状态或保持匀速直线运动状态.这个定律不仅谈到了物体的运动，而且指出了不违反力学原理的、可在力学描述中加以应用的参考物体或坐标系.相对于人眼可见的恒星那样的物体，惯性定律无疑是在相当高的近似程度上能够成立的.现在如果我们使用一个与地球牢固地连接在一起的坐标系，那么，相对于这一坐标系，每一颗恒星在一个天文日当中都要描画一个具有莫大的半径的圆，这个结果与惯性定律的陈述是相反的.因此，如果我们要遵循这个定律，我们就只能参照恒星在其中不作圆周运动的坐标系来考察物体的运动.若一坐标系的运动状态使惯性定律对于该坐标系而言是成立的，该坐标系即称为“伽利略坐标系”.伽利略-牛顿力学诸定律只有对于伽利略坐标系来说才能认为是有效的.