現代科學從什麼時候開始的，人類對宇宙的認知有多少？
現代科學從什麼時候開始的，人類對宇宙的認知有多少?一般人認為現代科學的開端是工業革命，但是我們忽略了一個重點，為什麼會發生工業革命?可能是人類對自然有了一定的了解後，就需要開始掌控大自然。所以，現代科學應該從人類認真觀測宇宙開始。
牛頓和愛因斯坦是物理學史上的兩個豐碑。物理學終究不同於數學。在數學中，歐幾里得可以根據5條公理建立歐幾里得幾何。數學家們將其中的平行共設作些許改變，又建立了雙曲幾何或球面幾何。物理理論的建立卻需要以實驗觀察為基礎。實驗觀察都是在一定的坐標系，或者說一定的「參考系」下面進行的。參考系變化時，觀察到的物理規律會變化嗎?哪些會變化?哪些不會變化?牛頓和愛因斯坦都是在這些問題上思考和做文章，才發展出各種物理理論。
回顧物理學史，科學家為了科學而戰鬥甚至獻身的例子有不少。哥白尼在垂危之際才敢於發表和承認他的日心說理論;伽利略晚年時也因為堅持科學而受到羅馬天主教會的迫害，被教會關押過;最令人驚心動魄的莫過於布魯諾為了反對地心說而被教會活活燒死的事實。這幾位物理學家所堅持和捍衛的是什麼?從物理的角度看，實質上也都與物理觀察所依賴的參考系有關。
人類有了文化、會思考之後，便認定自己所在的世界——地球，應該是宇宙的中心。這似乎是順理成章、理所當然的。這種以人為本的原始觀念，也與當時粗略的天文觀測結果相符合。
太陽、星星和月亮等，每天周而復始地東升西落，很容易使人得出「一切都圍著地球這個宇宙中心而旋轉」的結論。當然，人們對天象的這點直觀認識還建立不了科學。地心說是在公元2世紀時被希臘著名天文學家托勒密(Claudius Ptolemacus)根據觀察資料而建立和完善的數學物理模型。換言之，從物理的角度看，地心說認為地球是一個堅實、穩定、絕對靜止的參考系。
中國古時候對宇宙也有類似的認知。以東漢天文學家張衡為代表的「渾天說」所描述的「渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居於天內」便是一個地球居於世界中心的「雞蛋宇宙」圖景。追溯歷史，幾乎在每一項科學理論的發展過程中，中國人都能找出古人的某種說法，或這樣說過或那樣說過，或表達清晰或表達模糊。總之，往往是在遠遠早於西方有所發現的時候，中國就有某某古人預測或發現了某個科學理論(之萌芽)。
正如有些人說的：易經中蘊含了二進位，烏龜背上馱著現代數學;更有甚者要將佛教與現代物理扯上關係;還有人斷言：算命卜卦的法則裡面，也包含了很大的科學道理。筆者並不想與持這些觀點的人辯論，但實在不希望看到「科學」這個名字被隨意使用。事實上，中國古代也的確有過幾位傑出的科學家。但令人深思的是，西方古人的原始想法，往往能發展成某種學說，並由後人繼續研究而終成正果，進而使科學成為西方文化中的一部分。但科學卻並不是中國文化的一部分，反之，某些「博大精深」中充斥著大量不科學、偽科學、反科學的成分。
這種風氣延續至今，在「信仰自由」等外衣的掩蓋下，似乎還有過之而無不及。其實，與其對我們祖先的智慧津津樂道，不如致力於學習和宣傳真正的科學，摒棄偽科學，讓科學的思想、理念和方法真正融入到中國文化中。
托勒密的地心說統治歐洲達1000多年之久，直到16世紀初波蘭天文學家哥白尼(Nicolaus Copernicus)提出日心說為止。
哥白尼將宇宙的中心從地球移到了太陽。並非他故意要與教廷的宗教思想作對，而是從物理學的角度出發得到的科學結論。因為地心說解釋不了越來越精確的天文觀測結果。舉一個最簡單的例子，比如說，最初的地心說認為所有的星球都以地球為中心，按照「正圓」轉圈。那麼，每顆行星在圓周運動的過程中，與地球的距離應該是一個常數。這樣的話，從地球上看起來的每顆行星應該總保持相同的亮度。但這點顯然不符合觀測到的事實，大多數星星的亮度都是不斷變化的。因此，托勒密修改了地心說理論，修改後的主要架構認為行星以偏心點為圓心繞本輪和均輪兩個正圓轉動。如圖1-1-1所示，每個行星除了繞地球的「均輪」大圈運動之外，還有自己的「本輪」小圈運動。
但隨著天文觀測資料越來越多，測量越來越精確，加在地心說模型上的本輪和均輪也越來越多，宇宙的托勒密圖景變得非常複雜。再則，地心說也解釋不了某些行星在運行中突然「倒行逆轉」的現象。
樹欲靜而風不止，哥白尼並非要反對宗教，但宗教卻容不下他的科學。經過長期(近40年)的觀測、研究和計算，哥白尼發展了日心說。但迫於教會的壓力，他對自己的研究成果陷於猶豫和彷徨中，直到生命垂危之際，才終於發表了他的理論。
在數學上，牛頓天才地創建了他所需要的數學：微積分。利用這個有力的工具，牛頓在伽利略、哥白尼等人學說的基礎上得到了牛頓三定律以及萬有引力定律。在牛頓之前，伽利略、開普勒和哥白尼等人的學說還僅限於一些孤立的、局部適用的物理概念，而牛頓的運動定律將天體運動與人們日常生活中常見物體運動用一個統一的物理規律來描述，創立了邏輯上完整的具有因果性的經典力學體系。
牛頓力學的精髓是什麼?它可以只用一個簡單的數學公式來描述：F=ma 這個簡單公式背後的含義是慣性和力之間的關係。慣性與力是牛頓力學的兩個最基本的概念，慣性是物體內在的根本屬性，與質量m有關，外力F通過慣性起作用，克服慣性而產生加速度a。
牛頓經典力學還有一個重要的結論，它描述了一個決定論的世界圖景。因為有了運動規律之後，便有了運動的微分方程，根據最初微分方程的理論，人們利用運動物體的坐標及速度的初始值以及運動方程，就可以確定地知道該物體的未來和過去。也就是說，利用牛頓的經典力學體系，不僅僅能解釋已有的一些實驗事實和天文觀測現象，還能夠預言未來將要發生的物理現象和物理事實。比如，天文學家根據萬有引力定律，預言、發現，並最後證實海王星和冥王星的存在，就是對牛頓力學的一個有力佐證。
人類從古代就開始觀測夜空中的星星。太陽系中的大多數行星，都是先通過肉眼或望遠鏡看到，然後根據觀測數據，計算出它們的運動軌道而證實的。在1781年發現的天王星是當時太陽系的第7顆行星。但是，當天體學家計算天王星的軌道時，發現理論算出的軌道與觀測資料相差很遠，不相符合。是什麼原因造成計算值和觀測值的差異呢?牛頓引力定律不正確?觀測的誤差?排除了這些想法之後，大多數人認同有人提出的「未知行星」假說，認為存在一顆比天王星還更遠的，太陽系的新行星，它的引力作用使天王星的軌道發生攝動。
後來，英國的亞當斯和法國的勒威耶進行了大量的計算，分別獨立地預測了新行星的軌道和質量。亞當斯向劍橋天文台和格林尼治天文台報告了他的結果，預言在天空某處將有可能觀測到一顆新的行星。後來果然在偏離預言位置不到1°的地方發現了這顆行星，它被命名為海王星。1930年，24歲的美國天文愛好者湯博發現了後來被「開除」出大行星行列的冥王星，此是後話。
愛因斯坦曾經將海王星發現的故事比喻為推理偵探小說破案抓罪犯的過程。的確是這樣，這種方法後來成為物理和天文學界常用的方法。
牛頓力學是普適的，不論對地面上我們周圍物體的運動，還是天體的運動都能應用。牛頓力學的巨大成功使物理學家們歡呼雀躍，以為物理學的宏偉大廈已經大功告成，後人的工作只是裝潢修飾、補補貼貼就可以了。決定論者更是甚囂塵上，以為世界及宇宙中一切事物的未來，都可以根據現在的數值而決定了，拉普拉斯妖便是其中最著名的例子。
在牛頓建立的微積分及經典力學的基礎上，物理學家提出的「最小作用量原理」，是一個令人神往、震撼的自然原理。據說著名物理學家費曼在讀高中時，聽到這個原理後就被其深深吸引，並且影響了他在物理中的研究方向。費曼用路徑積分的方法來詮釋量子理論，就是最小作用量原理在量子力學中的一種表述。
最小作用量原理最早由法國數學家、物理學家皮埃爾·莫佩爾蒂(Pierre Maupertuis，1698—1759)第一次提出。這個原理說的是，物理規律總是使得某種被稱為「作用量」的物理量取極值。物理學家是從光線傳播的費馬原理認識最小作用量原理的。比如說，圖1-1-2(a)中的光線入射到空氣和水交界處時發生折射，是使得光線沿著時間花費最少的路徑傳播，與圖1-1-2(b)中的救援者需要比較他跑步的速度和游泳的速度，以選擇能最快到達溺水者地點的最佳路線所考慮的情況一樣。在圖1-1-2(c)中，描述的是上拋小球的軌跡是一條虛線所示的拋物線，而不是那條彎彎曲曲的點線，其原因也是遵循的最小作用量原理而成的運動軌跡。
如果大自然這個「上帝」在建造世界時真有什麼「計劃藍圖」的話，這個最小作用量原理應該夠資格算上一個。實際上，不僅僅是牛頓力學，也不僅僅是物理學，人們發現在許多別的學科中也遵循作用量為極值的原理。令人不解的是，一條光線怎麼會「知道」哪條路線才是極值(最快)的路線呢?大自然的匠心獨具令人不得不稱奇不已。自然界好像是個異常精明的設計師，它總是通過最簡單、最經濟的方法來構建世界。這個原理便被稱為最小作用量原理。
拉格朗日和哈密頓等人創建的分析力學，便是從最小作用量原理出發建立起來的。它們是與牛頓力學等價的力學體系，可以從中推導出牛頓運動定律。哈密頓和拉格朗日的工作充分體現出了物理之美、數學之美，正如哈密頓自己所言：「使力學成為科學的詩篇」。
牛頓對科學的貢獻是巨大的，這位上帝派來的使者，為人類點亮了科學殿堂的第一盞明燈。人類社會從此走向光明。
1927年，愛因斯坦在紀念牛頓逝世200周年時讚揚說：「在他以前和以後都還沒有人能像他那樣決定著西方的思想、研究和實踐的方向。」
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