物理知識(shí)系列講座（2）從自然哲學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)

序言

古希臘人把對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和理解籠統(tǒng)地包含在一門學(xué)問中

即自然哲學(xué)，它是自然科學(xué)的總結(jié)。直至牛頓時(shí)代，物理學(xué)與哲學(xué)仍

然屬同一學(xué)科。牛頓把當(dāng)時(shí)的物理學(xué)叫做自然哲學(xué)，他所著的關(guān)于物

理學(xué)的名著就稱為《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。自然科學(xué)分化為物理學(xué)、

化學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)等（數(shù)學(xué)僅是一種工具）只是

近三百年多年的事。從17世紀(jì)牛頓力學(xué)的建立到19世紀(jì)電磁學(xué)基本

理論的形成，物理學(xué)逐步發(fā)展成為具有完整體系的獨(dú)立的學(xué)科。什么

是物理學(xué)？物理學(xué)就是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用的基本規(guī)律以

及它們的各種實(shí)際應(yīng)用的學(xué)科。與其他學(xué)科相比，它更著重于對(duì)物質(zhì)

世界最普遍最基本的規(guī)律的追求，因而物理學(xué)是其他自然科學(xué)的基

礎(chǔ)，是工程技術(shù)的源泉。物理學(xué)作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，歷來是人

類物質(zhì)文明發(fā)展的動(dòng)力。作為人類追求真理、探索未知世界奧秘的工

具，物理學(xué)是一種哲學(xué)觀和方法論，物理學(xué)中充滿著活的哲學(xué)思想。

同其他任何知識(shí)領(lǐng)域一樣，物理學(xué)也是人類社會(huì)實(shí)踐的產(chǎn)物，它是隨

著人類社會(huì)實(shí)踐的發(fā)展而產(chǎn)生、形成和發(fā)展的。物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了

古代物理學(xué)時(shí)期（16世紀(jì)以前）、經(jīng)典物理學(xué)時(shí)期（16世紀(jì)一19世

紀(jì)）和近現(xiàn)代物理學(xué)時(shí)期（20世紀(jì)以來），其研究?jī)?nèi)容、方法和觀念

都在不斷發(fā)生深刻的變化。本系列講座將簡(jiǎn)要地介紹物理學(xué)的發(fā)展歷

程。

講座1——古代物理學(xué)思想

人類的出現(xiàn)是自然界演化和發(fā)展的產(chǎn)物。人類社會(huì)的不斷進(jìn)步也

是人類不斷認(rèn)識(shí)自然、征服自然、改造自然的過程。嚴(yán)格意義上的科

學(xué)形成于近代，但究其發(fā)展淵源要追溯到古代。

一、中國(guó)古代物理學(xué)思想

作為四大文明古國(guó)之一的中國(guó)最早發(fā)明指南針、火藥、造紙和印

刷術(shù)，在農(nóng)業(yè)、手工業(yè)、天文、航海、軍事、橋梁和數(shù)學(xué)等方面曾居

于世界前列，對(duì)古代物理學(xué)的貢獻(xiàn)也最為顯赫，為世界文明史寫下了

光輝的篇章。從遠(yuǎn)古到青銅時(shí)代直至奴隸社會(huì)，人類發(fā)明了石器、取

火、陶器、各種工具和簡(jiǎn)單機(jī)械，樂器、兵器，建筑、紡織、舟車等

手工業(yè)不斷發(fā)展，從而促進(jìn)了物理學(xué)知識(shí)的積累c春秋戰(zhàn)國(guó)，“百家

爭(zhēng)鳴”，各種技術(shù)發(fā)展迅速，有關(guān)力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)知

識(shí)不斷豐富。從秦漢、隋唐到宋元時(shí)期，在物理學(xué)理論研究不斷深入

的同時(shí)，也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，如地磁偏現(xiàn)象、光學(xué)的系統(tǒng)研究等，這

一時(shí)期中國(guó)物理學(xué)達(dá)到了很高水平。但在明代以后，由于在長(zhǎng)期的封

建統(tǒng)治和科舉制度下，中國(guó)的物理學(xué)以及科學(xué)技術(shù)相對(duì)于西方發(fā)展緩

慢，同時(shí)也漸漸融入了世界物理學(xué)潮流。以下簡(jiǎn)要介紹中國(guó)古代物理

學(xué)的一些思想。

1.關(guān)于物質(zhì)本原的認(rèn)識(shí)

從遠(yuǎn)古時(shí)代開始，人們就在探索自然現(xiàn)象各種變化的原因及宇宙

生成問題。在中國(guó)古代，關(guān)于對(duì)物質(zhì)本原的研究主要有“陰陽學(xué)說”、

“五行思想”、“原子觀點(diǎn)”、“元?dú)庹f”諸理論。

（1）陰陽學(xué)說在《易經(jīng)》的注解書《易傳》

中，作者指出：“易有太極，是生兩儀，兩儀生四

象，四象生八卦”，這就是對(duì)天地萬物的解釋?！疤?/p>

極”指宇宙本原（物質(zhì)的原始狀態(tài)），“兩儀”就是

陰陽，“四象”是春夏秋冬四時(shí)，“八卦”即天、地、

山、澤、水、火、風(fēng)、雷，把自然現(xiàn)象歸納成為八

種基本現(xiàn)象。老子（約公元前600?公元前500）

在《老子》中說：“萬物負(fù)陰而抱陽:按上述陰陽學(xué)說，世間萬物的

千變?nèi)f化、生生不息都?xì)w結(jié)于陰陽之間的彼此消長(zhǎng)、對(duì)立統(tǒng)一、相互

作用和相互轉(zhuǎn)化。

（2）五行思想“五行”指“金木水火土”五種基本物質(zhì)或元素。

史伯（西周末）提出“和實(shí)生物，同則不繼。認(rèn)為世間萬物皆由這

五種元素構(gòu)成。后來，人們系統(tǒng)地研究了五種元素之間具有相生和相

克的基本關(guān)系即：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金和土克

水、水克火、火克金、金克木、木克土。這種關(guān)系能說明一些自然現(xiàn)

象，但卻被賦予了某些神秘色彩，從而對(duì)古代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了消

極影響。

（3）原子觀點(diǎn)關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)，《墨經(jīng)》中講到“端”的“非半”

性質(zhì)與希臘的“原子說”是世界上關(guān)于“原子論”的最早起源?！赌?/p>

經(jīng)》記述，“端，體之無厚而最前者也”。其解釋是，端“是無間也”。

意思是說，端的尺寸非常?。ā盁o厚”），內(nèi)部無間隙，不能再分割，

是構(gòu)成物質(zhì)的最小顆粒?！肚f子?天下》指出：“一尺之梅，日取其半，

萬世不竭”，認(rèn)為物質(zhì)可無限分割。這些都是中國(guó)古代樸素的物質(zhì)結(jié)

構(gòu)論點(diǎn)。

（4）元?dú)饫碚摗霸獨(dú)庹f”是中國(guó)古代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論研究的一個(gè)

重要成果。它源于“陰陽學(xué)說”，經(jīng)漢、唐、宋發(fā)展到明末清初，許

多古代學(xué)術(shù)大家都進(jìn)行了研究，王船山（1619T692）進(jìn)行了全面總

結(jié)并將其推向了最高峰，形成了系統(tǒng)的理論。東漢時(shí)的王充（27-約

97）在《論衡》中說：“元?dú)馕捶?，渾沌為一；萬物之生，皆稟元?dú)舛?/p>

北宋時(shí)的張載（1020-1077）則指出：“一物兩體，氣也”，“一物兩體，

其太極之謂與？“元?dú)庹f”的主要觀點(diǎn)可以概括為：天地是包含元

氣的實(shí)體，萬物由物質(zhì)性的元?dú)鈽?gòu)成，是氣的不同凝聚狀態(tài)。萬物從

混沌中產(chǎn)生和發(fā)展，是元?dú)膺\(yùn)動(dòng)所致。有形的物體不可滅，無形的元

氣也不可滅，元?dú)獾倪\(yùn)動(dòng)也不可滅。“元?dú)庹f”充分論證了客觀世界

的物質(zhì)性、物質(zhì)的不滅性和運(yùn)動(dòng)的永恒性。

2.關(guān)于時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)

魏國(guó)的尸佼（公元前390-330）最先給宇宙以定義："上下四方日

宇，往古今來曰宙"，此處宇即空間，宙即時(shí)間。《莊子》關(guān)于宇宙的

定義是：“有實(shí)而無乎處者，宇也；有長(zhǎng)而無本剽者，宙也?！币馑际牵?/p>

宇是實(shí)在的且無所不在，宙有長(zhǎng)短但無始終，說明了時(shí)空的無限屬性。

《管子》認(rèn)為，天地包裹萬物，天地又包裹在宙合之內(nèi)，說明了時(shí)間

與空間的聯(lián)系。關(guān)于運(yùn)動(dòng)與靜止，墨家給出了定義：“動(dòng)，域徙也”

“止，以久也”，意思是運(yùn)動(dòng)意味物體空間位置（域）的改變（徙），

靜止意味物體處于空間某一位置有一段時(shí)間（久）。至于時(shí)空與運(yùn)動(dòng)

的關(guān)系，墨家寫道：“宇域徙，說在長(zhǎng)宇久”，即“宇徙而又處宇，

宇南北，在旦又在暮二也就是說，物體在空間移動(dòng)，是空間隨著時(shí)

間的由近及遠(yuǎn)的變化，物體離開原空間而占據(jù)另一空間，好比物體從

南到北，經(jīng)歷的時(shí)間從早到晚。這樣，時(shí)間與空間的聯(lián)系便統(tǒng)一于物

體的運(yùn)動(dòng)中了。

《呂氏春秋》中描述的“刻舟求劍”的故事，說的是一個(gè)人坐在

行船上，手中的劍掉到水中。他在船上掉劍的位置刻上記號(hào)，以便到

水中撈劍。作者實(shí)際上是笑話掉劍人以行船為參照系去找劍是獨(dú)勞

的，應(yīng)該以河岸為參照系確定劍在水中的位置才能找到劍。晉代束皙

(262-301)說：“乘船以涉水，水去船不徙矣”“仰游云以觀，日月

常動(dòng)而云不移”。漢代《春秋偉?元命苞》中寫道「天左旋，地右動(dòng)”。

這些都是古人時(shí)運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的描述?！洞呵飩?考靈曜》中記述：“地

恒動(dòng)不止，而人不知，比如人在大舟中，閉而坐，舟行而人不覺也”,

可以認(rèn)為是相對(duì)性原理的思想。

3,關(guān)于力的認(rèn)識(shí)

墨經(jīng)中寫道：“力，刑之所以奮也”“重之謂下，舉重，奮也”。

如果把“刑”即“形”理解為物體，“奮”理解為“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變”,

這與牛頓定律似乎不謀而合。古人已明白重力是向下的，人用身體克

服向下的重力，舉起重物就是“奮:

南宋吳曾在《能改齋漫錄》中記述著這樣一個(gè)故事：燕昭王養(yǎng)的

一頭肥豬太大，最大的秤也不能稱出豬的重量，便命“水官”用船去

稱重，才稱出豬的重量。東漢末年“曹沖稱象”的故事也與此相似。

墨家曾寫道：“沉形之衡也，則沉淺非形淺也，若易五之一二可以這

樣理解，浮體放入水中平衡時(shí)，浮體下沉一定深度，浮體的重量與水

對(duì)物體下沉部分的浮力相等，好比五件物品與一件物品的等價(jià)交換。

可見古人對(duì)浮力已有較深刻的認(rèn)識(shí)。至于彈力，我國(guó)古人早就有所認(rèn)

識(shí)并加以利用了，如弓箭、彈弓、管樂器中的簧片等，而且在許多書

籍中也記載了外力與形變的正比關(guān)系。

在古代，利用杠桿原理制成的各種機(jī)械、工具、衡貪

器在農(nóng)業(yè)和商業(yè)活動(dòng)中普遍使用。張衡(78-139)在天泠，

文、數(shù)學(xué)、物理和機(jī)械制造等方面均有許多杰出貢獻(xiàn)。

他發(fā)明的侯風(fēng)地動(dòng)儀，就用到了慣性和杠桿原理等力為為葭

學(xué)知識(shí)。地動(dòng)儀中的“都柱”重心高，對(duì)地震敏感，

地震波傳來則因慣性倒向震源方向并觸其相應(yīng)的曲杠,/

桿。由于杠桿作用，該方向龍嘴張開滑出銅球落入蟾蛛嘴里，便可判

斷出地震方向。

4.關(guān)于光的認(rèn)識(shí)

中國(guó)古代在光的直線傳播、光的反射和折射、光的色散、小孔成

像實(shí)驗(yàn)有許多研究。

我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子（公元前479

年?前381年）及其弟子在《墨經(jīng)》中就

已記載著光的直線傳播（影的形成和小孔成

像等）和光在鏡面〔凹面和凸面）上的反射

現(xiàn)象，并提出了一系列經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，把物和像

的位置及大小與所用鏡面的曲率相聯(lián)系。

《墨經(jīng)》記錄的有關(guān)光學(xué)知識(shí)是世界上最早

的?！赌?jīng)》記述的小孔成像實(shí)驗(yàn)如圖1-1-1,

物體通過小孔成的像是倒立的。光照在物體

（人）上，從物體上發(fā)出的投射到屏上的一切光線均相交于針孔處，

物體下部發(fā)出的光線像箭一樣射到高處，上部發(fā)出的光線射到低處。

《墨經(jīng)》記載著凹面鏡的成像有兩種：縮小的倒立像和放大的正立像

（但沒有記載第三種像即物體處于球心與焦點(diǎn)之間能形成放大的倒

立像）。還發(fā)現(xiàn)凸面鏡所成的像只有一種即位于鏡面另側(cè)的縮小的正

立像。對(duì)平面鏡成像，墨家認(rèn)識(shí)到物與像離鏡面等距、點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

圖i-1-i小孔成像

我國(guó)宋代的沈括（1031-1095）在《夢(mèng)溪筆談》中記載了極

為豐富的幾何光學(xué)知識(shí)，他不僅總結(jié)了前人的研究成果，而且對(duì)凹面

鏡和凸面鏡的成像規(guī)律、測(cè)定凹面鏡焦點(diǎn)的原理

以及虹的成因等方面均有創(chuàng)造性的闡述。南宋末

的趙友欽對(duì)小孔成像進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

（改變光源、改變物距、改變像距、改變孔的形

狀大?。?，得出了一些有意義的結(jié)論如大孔成像

（明亮部分）和大孔形狀相同，小孔成像和光源

形狀相同。沈括

古人很早就注意到彩虹這種大氣光象。唐代的孔穎達(dá)（574-648）

指出：“云薄漏日，日照雨滴則虹生:著名道士張志和（約730?810）

首次進(jìn)行了日光色散實(shí)驗(yàn)即“背日噴乎水成霓虹之狀”。沈括說“虹

乃雨中日影也，日照雨則有之”。朱熹認(rèn)為虹是“日色散射雨氣，中

唐道士張果還用白石英制作了三棱鏡，記錄了世界上第一幅色散光譜

圖并且畫出了光圖，也許注意到了光的折射現(xiàn)象。

5.關(guān)于電和磁的認(rèn)識(shí)

我國(guó)古代關(guān)于電現(xiàn)象的研究?jī)?nèi)容較豐富?！半姟弊肿钤缫娪谖髦?/p>

時(shí)期的青銅器上的銘文中，實(shí)際上是對(duì)雷電現(xiàn)象的記錄。雷電和摩擦

起電是古人對(duì)電現(xiàn)象研究的主要內(nèi)容。東漢王充在《論衡》中記述:

“頓牟綴芥，磁石引針……”（頓牟即琥珀），即是說摩擦過的琥珀可

以吸引輕小物體如芥籽、磁鐵可以吸引鐵針。他還用“元?dú)狻崩碚搧?/p>

解釋靜電和靜磁現(xiàn)象，認(rèn)為芥籽和琥珀、鐵針和磁石具有相同的“氣

性”，因而互相感動(dòng)而吸引（“氣有潛通雷電是一種常見的自然現(xiàn)

象，響為雷，閃為電。雷電的破壞作用及發(fā)生時(shí)的情景在古書中有許

多記載。雷電是如何產(chǎn)生的？歷代學(xué)者用“元?dú)庹f”作了許多解釋。

先秦的慎到（前395-前315）首先提出：“陽與陰夾持，則磨軋有光

而為電”（磨軋即摩擦）?！痘茨献?墜形訓(xùn)》中指出：“陰陽相薄為雷,

激揚(yáng)為電”，即是說陰陽二氣彼此撞擊產(chǎn)生雷，而相互滲透產(chǎn)生電。

王充認(rèn)為，雷電是因?yàn)殛庩柖庵疇?zhēng)、產(chǎn)生爆炸而形成的。朱熹認(rèn)為

雷電是“陰陽之氣，閉結(jié)之極，忽然迸散出“，一種陰陽作用的突變

過程。明代劉伯溫概括了歷代學(xué)者的觀點(diǎn)：“雷者，天氣之郁而激發(fā)

也，陰氣團(tuán)于陽，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電工對(duì)于建

筑物的防雷措施，古代工匠也有一些辦法，例如把瓦做成魚尾狀，放

在屋頂可防雷擊。在《漢書》中還有“矛端生火”的記載，當(dāng)云層（帶

電）經(jīng)過時(shí)，矛端產(chǎn)生微弱亮光（放電）。

對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)可以追溯到冶鐵業(yè)創(chuàng)建之初，因?yàn)樘烊淮朋w實(shí)

際上是一種鐵礦石?！秴问洗呵铩酚涊d：“慈石召鐵，或引之也”“石,

鐵之母也。以有慈石，故能引其子”，明確地描述了磁石的吸鐵性如

同慈母吸引著自己的孩子?！痘茨献印愤€記述了磁石吸引物質(zhì)只限于

鐵，寫道：“若以慈石之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣”“及其于銅

則不通二戰(zhàn)國(guó)《韓非子》記載有司南勺（天然磁石做成的指向工具,

像勺子，長(zhǎng)柄指向南方）。為了改進(jìn)司南的指向精度，后人創(chuàng)制了一

些新的指南儀器如指南魚、指南龜、指南針。沈括對(duì)指南針形制的改

進(jìn)有重大貢獻(xiàn)。在研究磁針時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)了地磁偏現(xiàn)象。12世紀(jì)，

中國(guó)的指南針傳入阿拉伯和歐洲，為世界文明的發(fā)展發(fā)揮了重要作

用。

6.關(guān)于聲的認(rèn)識(shí)

中國(guó)古人對(duì)聲學(xué)的研究有許多發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，尤其在樂律研究方面

有許多重要成果。另外對(duì)聲音的產(chǎn)生與傳播、共振與共鳴等現(xiàn)象也做

了許多理論和實(shí)驗(yàn)研究。

對(duì)聲音的產(chǎn)生，宋應(yīng)星認(rèn)為，聲“不能自為生”，須“兩氣相軋

而成聲。例如“沖之有聲焉，飛矢是也；振之有聲焉，彈弦是也；

辟之有聲焉，裂縉是也；合之有聲焉，鼓掌是也”，也就是說，聲音

的產(chǎn)生源于物體的振動(dòng)或急速運(yùn)動(dòng)沖擊空氣。關(guān)于聲音的傳播，王充

將之比做魚在振動(dòng)時(shí)引起水波的傳播，認(rèn)為人發(fā)聲可使氣產(chǎn)生振動(dòng)，

氣對(duì)于聲源振動(dòng)而產(chǎn)生的波動(dòng)像水波一樣。他在《論衡》中說：“魚

長(zhǎng)一尺，動(dòng)于水中，振旁側(cè)之水……宋應(yīng)星也說：“物之沖氣也，

如其激水然。氣與水，同一易動(dòng)之物，，，顯然是把聲音的傳播類比水

面波動(dòng)現(xiàn)象。古人還以樂器做實(shí)驗(yàn)，對(duì)共振與共鳴進(jìn)行了大量的研究

（此處不再敘述）。建筑聲學(xué)效應(yīng)是中國(guó)古代對(duì)聲音的反射、傳播研

究的重要成果，北京天壇的回音壁和山西永濟(jì)的鶯鶯塔是聲學(xué)在建筑

上應(yīng)用的杰作。

二、西方古代物理學(xué)思想

1.關(guān)于物質(zhì)本原

古希臘哲學(xué)家們對(duì)宇宙本原、萬物組成、大地構(gòu)造等問題，進(jìn)行

了許多思考和辯論，提出了各種觀點(diǎn)。其中主要有“元素論”和“原

子論”等理論。

（1）元素論泰勒斯（Thales,前620—前550）最早創(chuàng)立關(guān)于理

性學(xué)科和哲學(xué)的學(xué)派一米利都學(xué)派（米利都一地中海東岸一個(gè)城

市）。他對(duì)地中海沿岸陸地的起源進(jìn)行了思考，認(rèn)為大地漂浮在水面

上，千差萬別的萬物應(yīng)有同一本原，這個(gè)本原就是水。萬物源于水

又復(fù)歸于水，任何東西都會(huì)產(chǎn)生和消滅，惟獨(dú)水長(zhǎng)存。泰勒斯的學(xué)

生阿那克西曼德（Anaximander,前611-前547）認(rèn)為,世界本原不是

水，而是無任何規(guī)定性的“無限者:阿那克西曼德的學(xué)生阿那克西

米尼（Anaximanas前585-前528）認(rèn)為大地像是“漂浮在空氣中的

一片寬大的樹葉”，萬物本原應(yīng)是“氣:赫拉克立特（Heraclitus前

540-前475）把物質(zhì)本原歸于“火”，他指出：“這個(gè)世界對(duì)于一切存

在物都一樣，它不是神也不是人所創(chuàng)造的；它過去、現(xiàn)在、將來永

遠(yuǎn)是一團(tuán)永恒的活火，在一定的分寸上燃燒，在一定的分寸上熄滅”

“一切轉(zhuǎn)為火，火又轉(zhuǎn)為一切”。世界沒有開端，沒有終結(jié)，處于永

恒的運(yùn)動(dòng)變化之中。恩培多克勒（Empedocles約前493-前433）認(rèn)

為，萬物的本原不是單一的，應(yīng)由四種“元素”組成即“土、水、

氣、火”，其中土、水、氣代表物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，火則代表

顏色和溫度。元素自身是不變的，它們的不同組合構(gòu)成了豐富多彩

的物質(zhì)世界。亞里士多德（Aristotel,約前384-前322）對(duì)前人的研究做

了總結(jié)，認(rèn)為四種元素是世界萬物的本原。但他認(rèn)為，冷、熱、濕

和干是更基本的性質(zhì)，四元素是這四種性質(zhì)兩兩組合而成的物質(zhì)本

原，濕與冷組合成水，濕與熱組合成氣，干與冷組合成土，干與熱

組合成火。這樣，四種元素不再是不變的，而是可以相互轉(zhuǎn)變的，

如加熱水時(shí)，水中的冷為熱所代替，水就變成氣了。他還認(rèn)為，在

構(gòu)成地時(shí)，土居于宇宙的中心，水與氣分布其上，火在最上，月層

以上的天體由第五種元素一以太構(gòu)成。

亞里士多德是古希臘最有影響的學(xué)者，17歲就

讀于柏拉圖學(xué)園并在此學(xué)習(xí)工作20年之久。他在

公元前335年回到雅典，建立了一個(gè)龐大的理論

體系。他系統(tǒng)地研究了邏輯學(xué)、政治學(xué)、倫理學(xué)、

文學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)，著作上千卷。

其中《物理學(xué)》（physics一詞起源于此）一書，敘

述了當(dāng)時(shí)人們對(duì)有關(guān)物體運(yùn)動(dòng)、空間和時(shí)間的認(rèn)

識(shí)。注意這里的物理學(xué)不是現(xiàn)代意義上的物理學(xué)，

其原意是“自然論”或“自然哲學(xué)”的意思。亞里士多德

（2）原子論古希臘畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras,約前560-前480）

創(chuàng)建了一個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)體一畢達(dá)哥拉斯學(xué)派。該學(xué)派對(duì)數(shù)學(xué)的研究有很大

成就，同時(shí)也對(duì)物質(zhì)本原做了探索。他們認(rèn)為，數(shù)是世界萬物的本原，

數(shù)支配著世界，事物是數(shù)的和諧表現(xiàn)。有了一個(gè)個(gè)的數(shù)目，才有幾何

上的點(diǎn)，有了點(diǎn)才有線、面、體，有了體才有火、水、氣、土這些元

素，進(jìn)而構(gòu)成萬物。古希臘城邦愛利亞有一個(gè)學(xué)派一愛利亞學(xué)派在探

討物質(zhì)本原的研究中，繼承了畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的思想，但把“數(shù)”以

純“存在”取而代之。德謨克利特（Democritus,約前460-前361）將

畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的思想和愛利亞學(xué)派的思想結(jié)合起來，建立了“原子

論”觀點(diǎn)。他把數(shù)學(xué)幾何“點(diǎn)”與“存在”相結(jié)合，認(rèn)為這種“存在”

是“不可分的、不變的、球形的”，而且“存在”物太小非人的視力

可及。他把這個(gè)“存在”取名為“原子”，意思是“不可分割:這些

小小原子可以形成某種幾何結(jié)構(gòu)，其排列組合便形成世界萬物。原子

論的大致要點(diǎn)是：（1）宇宙萬物都由原子構(gòu)成，原子是不可分割、不

可破滅的極小而結(jié)實(shí)的物質(zhì)單元；（2）宇宙中除了原子和虛空，不存

在其它任何東西；（3）原子從恒古以來就存在，既不能創(chuàng)造，也不能

消滅；（4）原子在數(shù)量上是無限的，在形式上是多樣的，它們?cè)谝粋€(gè)

無限的虛空中永遠(yuǎn)處于渦旋運(yùn)動(dòng)之中，因此形成各種復(fù)合物。由于組

成物體的原子在數(shù)量、形狀、次序、位置不同，

故物體彼此各異；（5）原子在虛空中只有通過直

接接觸壓迫、撞擊等，它們才能相互作用，超

距作用不可能。伊畢鳩魯（Epicurus,前341.前270）

又發(fā)展了這一學(xué)說，認(rèn)為原子不僅有形狀上的差

別，還有大小和重量的不同（按現(xiàn)在的說法，是

原子量和原子體積的不同）?！霸诱摗庇^點(diǎn)對(duì)19

世紀(jì)末20世紀(jì)初正式確定的近代原子論有直接和

深刻的影響。德謨克利特

2.關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力

亞里士多德將物體的運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)。自然運(yùn)動(dòng)

指重物垂直下落和輕物體豎子直上升的運(yùn)動(dòng)。自然運(yùn)動(dòng)的物體要尋

找其天然位置，這與物質(zhì)所含元素有關(guān)。例如，含土元素的重物的

天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，氣和水的輕重是相對(duì)

的。因而，重物下墜，煙霧升空，石頭在水中下降，氣泡在水中上

升，這些都是自然運(yùn)動(dòng)。物體越重，下落越快，物體越輕，下落越

慢，物體下落的快慢即速度與重量成正比。強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)指借助推力才

能進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。不推，物體就會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)。物體運(yùn)動(dòng)的速度與

施加的外力成正比，與在介質(zhì)中受到的阻力成反比。那為什么在推

動(dòng)者的作用結(jié)束后物體還會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)呢（如射出的弓箭、拋出的石

頭）？他這樣解釋，物體離開推動(dòng)者向前沖將排開部分介質(zhì)而在它

的后面造成虛空，周圍介質(zhì)便填補(bǔ)這個(gè)虛空，這些介質(zhì)又對(duì)物體形

成推力，使得物體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。那么物體的運(yùn)動(dòng)是如何終止的呢？這

是由于介質(zhì)的推力逐漸減至為零，或者是重力超過了這個(gè)力，或者

是由于反作用。對(duì)物體下落越來越快的解釋是，落體越接近天然位

置，向天然位置運(yùn)動(dòng)的傾向就越強(qiáng)，或者物體下落時(shí)，它上面的空

氣柱重量增大，加強(qiáng)了強(qiáng)迫降落，下面的空氣柱縮短，減少了對(duì)落

體的阻力。顯然，亞里士多德對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的解釋是錯(cuò)誤的。

阿基米德（Archimedes,約前287-前212）

是古希臘一位杰出的科學(xué)家，他在兒何學(xué)、物

理學(xué)和工程領(lǐng)域的貢獻(xiàn)都很大。他測(cè)定皇冠的

含金量，發(fā)現(xiàn)浮力定律，一直被傳為美談。阿

基米德在他的《論平面的平衡》和《論浮體》

中詳細(xì)論證了杠桿原理和浮力定律。他還發(fā)明

了許多簡(jiǎn)單機(jī)械如滑輪組、螺旋提水器等。他

曾經(jīng)聲稱：“給我一個(gè)穩(wěn)定的支點(diǎn)，我就能把地

球挪動(dòng)“。阿基米德

阿拉伯學(xué)者阿勒?哈齊尼（Al-Khazini12世紀(jì)人）發(fā)展了“比重”

概念。他利用阿基米德原理，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了許多物質(zhì)如金、銀、

銅、鐵、鉛、水銀、象牙、酒等比重。還發(fā)現(xiàn)，空氣也有重量，阿

基米德原理在空氣中同樣適用；大氣密度隨高度的變化而變化，離

地越近，空氣密度越大；在不同的高度，稱出物體的重量不同。進(jìn)

而提出了一個(gè)重要的物理思想：物質(zhì)的量與它的重量并不是一回事。

另外他還以路程與時(shí)間之比來表示速度。

12世紀(jì)，歐洲建立了牛津大學(xué)、巴黎大學(xué)、波倫亞大學(xué)，后來

又建立了一些大學(xué)和學(xué)院，這些大學(xué)的建立對(duì)中世紀(jì)晚期的學(xué)術(shù)發(fā)

展有重大作用。

在中世紀(jì)后期，許多歐洲人也開始研究亞里士多德的著作和理

論。通過研究，一些學(xué)者對(duì)亞里士多德關(guān)于維持運(yùn)動(dòng)的力、力的作

用、落體運(yùn)動(dòng)等論斷表示出懷疑，并提出了一些有意義的觀點(diǎn)。巴

黎大學(xué)校長(zhǎng)布里丹（JohnBuridan,1295-1358）提出了“沖力”概念,

沖力的強(qiáng)度用物體的速度和重量來量度，這與牛頓的動(dòng)量已十分接

近。布里丹的研究還涉及到慣性思想，將慣性看成是一種“內(nèi)力”，

這是后來牛頓也堅(jiān)持的觀點(diǎn)。

在14世紀(jì)早期，牛津大學(xué)有一批學(xué)者開始對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題進(jìn)行探

討。他們定義了勻速運(yùn)動(dòng)（任何相等時(shí)間間隔內(nèi)通過的距離相等）和

勻加速運(yùn)動(dòng)（在所有相等的任意長(zhǎng)度口寸間間隔內(nèi)獲得相等的速度增

量），并且還嘗試定義瞬時(shí)速度。另外還提出了平均速度定理，從而

把勻加速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

3.關(guān)于光學(xué)

古希臘人十分重視光學(xué)的研究。希臘數(shù)學(xué)家歐基里德（Euclid,

約前330-275）首先將幾何知識(shí)引入光學(xué)研究并將光學(xué)看成兒何學(xué)的

一個(gè)分支（現(xiàn)稱為幾何光學(xué)）。他所著的《反射光學(xué)》一書中，研究

了平面鏡和球面鏡成像問題，提出了反射角等于入射角的反射定律，

還知道凹面鏡的聚焦作用并假定焦點(diǎn)在球心與球面之間。他肯定了光

是直線傳播的，由此而研究投影現(xiàn)象，指出光源大小和物體大小不同，

會(huì)產(chǎn)生不同的投影°此外，還給出了眼睛視線的定義：“從眼球發(fā)出

的光線以直線傳播，視線之間有彼此離開的現(xiàn)象”“視線包圍的圖樣

是以眼球?yàn)轫旤c(diǎn)、以被看外圍大小為底的圓錐體”。

關(guān)于折射現(xiàn)象，蘇格拉底（Socrates,約前47（）.前399）和亞里士

多德都有記述。天文學(xué)家托勒密（Ptolemy/00-170）系統(tǒng)地研究了光

的折射，最先測(cè)定了光通過兩種介質(zhì)界面時(shí)的入射角和折射角。并且

發(fā)現(xiàn)：當(dāng)入射角很小時(shí)，折射角正比于入射角；入射角很大時(shí)，兩者

呈非線性關(guān)系。

天文學(xué)家阿里斯塔克（Aristachus,約前31（）.前230）最先利用當(dāng)時(shí)

的光學(xué)知識(shí)進(jìn)行天文數(shù)據(jù)的測(cè)量。例如，他測(cè)得日地間距離為月地間

距離的20倍（實(shí)際上為400倍）、月亮直徑約為地球直徑的1/2（實(shí)

際為1/4）、太陽直徑約為地球直徑的10倍（實(shí)際為100倍）。而且還

提出了一個(gè)大膽的假設(shè)一日心說，即地球繞太陽旋轉(zhuǎn)。盡管限于當(dāng)時(shí)

的知識(shí)使得測(cè)量計(jì)算的結(jié)果不好，但其物理思想是值得參考的。出生

在北非的埃拉托色尼（Eratosthenes,前270-前196）利用光學(xué)技術(shù)測(cè)

量計(jì)算出地球周長(zhǎng)約39000千米，與現(xiàn)在的數(shù)據(jù)（40000千米）相差

無幾。

阿拉伯學(xué)者阿勒-哈增（Al-Hazen,965-1038）寫過一部《光學(xué)全

書》，討論了許多光學(xué)現(xiàn)象。他在托勒密的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列研究。

他反對(duì)托勒密關(guān)于眼睛發(fā)出光線才能看到物體的學(xué)說，認(rèn)為光線是太

陽或發(fā)光體發(fā)出并照射到物體上，眼睛接收到這些光線才看到物體。

他對(duì)反射定律作了進(jìn)一步的研究，指出入射線、反射線、法線都在同

一平面。他研究過球面鏡、拋物面鏡、圓柱面鏡，首先發(fā)明了凸透鏡

并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，所得結(jié)果與近代凸透鏡理論接近。

英國(guó)的羅杰.培根(RogerRecon,1214-1294)是13世紀(jì)杰出的科

學(xué)人物。他深入鉆研古希臘和阿拉伯的學(xué)術(shù)著作，竭力主張通過

科學(xué)實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)真理。他按照阿勒-哈增的書做過光學(xué)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)明

了暗室。他描述了光的反射定律和折射現(xiàn)象，研究了球面鏡的像差。

用光的折射解釋了虹的成因，提出了用透鏡校正視力和用透鏡組構(gòu)成

望遠(yuǎn)鏡的可能性。阿瑪提(Armati,公元1299年)發(fā)明了眼鏡。波特

(GB.D.Porta,1535-1615)研究成了暗箱并在《自然的魔法》一文中

討論了復(fù)合面鏡及凸透鏡和凸透鏡的組合。

到15世紀(jì)末，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡、暗箱和幻燈等光

學(xué)元件已相繼問世。

4.關(guān)于其它物理學(xué)知識(shí)

希臘人對(duì)電和磁了解不多。據(jù)說泰勒斯知道琥珀被摩擦后能吸

引輕小物體，天然磁石可吸鐵。盧克萊修用原子論對(duì)磁石吸鐵進(jìn)行解

釋，認(rèn)為磁體發(fā)射出細(xì)微粒子流，撞擊、驅(qū)散磁石和鐵之間的空氣，

形成了真空，鐵原子力求進(jìn)入真空，因而表現(xiàn)出吸引。其它物體如金

和木具有特殊結(jié)構(gòu)，故不能被吸引。約在1269年，皮埃爾.德.馬

里古特(PierredeMaricourl)寫了一本描述磁力的書。他認(rèn)識(shí)到，磁針

斷為兩截，每一截又變成磁針異性磁極相吸、同性磁極相斥；鐵與磁

石摩擦可以磁化。認(rèn)為磁針指向北極星而不是指向地球的北極。

關(guān)于熱現(xiàn)象，亞里士多德把熱看成是物質(zhì)元素的基本性質(zhì)。原

子論者認(rèn)為熱是物質(zhì)流引起的，把火看作是由最輕、最滑、最活潑的

粒子組成的。培根通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了火藥的成分。他還研究過蒸汽的

作用并預(yù)言可造出蒸汽動(dòng)力的航船、不用馬拉的自動(dòng)行進(jìn)的車。

關(guān)于聲，亞里士多德把聲音看作一種運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為發(fā)聲的物體碰撞

空氣使之在各方向發(fā)生拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生傳播，當(dāng)碰到障礙

時(shí)就象小球被反射一樣產(chǎn)生回聲。盧克萊修把聲音視為物質(zhì)流，聲音

的多樣性取決于聲粒子本身。羅馬建筑師提出了建筑聲學(xué)問題如聲音

的交混回響、回聲與共鳴等。認(rèn)為聲音與水波不同，可以向四面八方

傳播。

總而言之，從古代到15世紀(jì)，中國(guó)和西方關(guān)于對(duì)自然界物理現(xiàn)

象的認(rèn)識(shí)，既缺乏系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也未形成完備的科學(xué)理論體系，

基本上處于對(duì)自然的有限觀察和零星的記載階段。一些物理現(xiàn)象的理

論解釋也受到局限，許多甚至是錯(cuò)誤的，物理學(xué)在技術(shù)上的應(yīng)用水平

也是很低的，物理學(xué)仍屬于哲學(xué)的范疇。盡管如此，古代物理學(xué)思想

和一些思維方式對(duì)后來物理學(xué)新體系的建立和發(fā)展的影響仍然是非

常重要的。

講座2——科學(xué)革命和科學(xué)觀的形成

中國(guó)在15-16世紀(jì)曾有過資本主義的萌芽，但很快便枯萎了。然

而，在世界范圍內(nèi)，資本主義生產(chǎn)方式卻首先在歐洲生根開花結(jié)果。

資本主義的發(fā)展不僅提出了對(duì)發(fā)展科學(xué)的需求，而且也提供了科學(xué)

發(fā)展所需要的物質(zhì)技術(shù)條件，使得系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)成為了可能。伴

隨著資產(chǎn)階級(jí)反對(duì)封建主義的政治、文化革命運(yùn)動(dòng)，科學(xué)從服從宗

教神學(xué)、作為神學(xué)奴卜的狀況中解放出來。一場(chǎng)科學(xué)革命隨之到來,

預(yù)示著新的科學(xué)觀必將誕生。近代科學(xué)的興起，既標(biāo)志著科學(xué)和哲

學(xué)從神學(xué)中得到解放，又標(biāo)志著科學(xué)和哲學(xué)、自然科學(xué)和自然哲學(xué)

走上相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的道路。

一、歐洲文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)

中世紀(jì)晚期，歐洲長(zhǎng)達(dá)千余年的封建、神學(xué)統(tǒng)治已搖搖欲監(jiān)，資

本主義的生產(chǎn)方式從封建社會(huì)中逐步形成和發(fā)展。地中海周邊城市出

現(xiàn)了資本主義萌芽，擴(kuò)大貿(mào)易和市場(chǎng)的要求推動(dòng)了航海業(yè)的發(fā)展和地

理上的新發(fā)現(xiàn)。1492年，哥倫布發(fā)現(xiàn)了美洲新大陸，1519-1522年麥

哲倫的船隊(duì)完成了環(huán)球航行。航海與貿(mào)易開拓了市場(chǎng)，加速了資本的

原始枳累進(jìn)程。航海、貿(mào)易和戰(zhàn)爭(zhēng)的需要使歐洲的工業(yè)迅速發(fā)展，同

時(shí)引起了一系列生產(chǎn)技術(shù)革命，也直接促進(jìn)了天文學(xué)、地理學(xué)、物理

學(xué)等科學(xué)的形成和發(fā)展。14、15世紀(jì)，出現(xiàn)了改良的腳踏紡織機(jī)、

水力風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、磨機(jī)和鐘表，逐漸產(chǎn)生了關(guān)于摩擦、動(dòng)力測(cè)量、傳

動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)理論。射擊武器的發(fā)展，提出了彈道、空氣阻力及拋體

運(yùn)動(dòng)等問題，造船業(yè)的發(fā)展提出了浮力研究、船的載重和堅(jiān)固性等問

題。13世紀(jì)興起的眼鏡業(yè)為光學(xué)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。總之，資本主

義生產(chǎn)的發(fā)展需要科學(xué)技術(shù)，又為科學(xué)研究提供了物質(zhì)條件。

在歐洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，一場(chǎng)規(guī)模空前的“文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)”開始

To由于天主教會(huì)是封建制度的精神支柱，嚴(yán)密地統(tǒng)治著社會(huì)生活、

思想文化、教育等各個(gè)方面，這一運(yùn)動(dòng)的矛頭首先直指教會(huì)和神學(xué)。

隨著政治運(yùn)動(dòng)的開展，思想文化領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了反映新興資產(chǎn)階級(jí)要

求、反對(duì)封建思想統(tǒng)治的強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)即文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)首先

在意大利發(fā)起，進(jìn)而很快擴(kuò)展到整個(gè)歐洲。文藝復(fù)興是14世紀(jì)中葉

到17世紀(jì)初發(fā)生在歐洲的偉大的思想解放、藝術(shù)創(chuàng)造、科學(xué)發(fā)現(xiàn)運(yùn)

動(dòng)?！拔乃噺?fù)興”一詞，意指古代燦爛的文化在經(jīng)歷了長(zhǎng)期的衰落和

沉寂之后，現(xiàn)在又得到了復(fù)興。文藝復(fù)興的指導(dǎo)思想是人文主義或人

本主義，這是從神的世界回到人的世界的

一種資產(chǎn)階級(jí)價(jià)值觀。人文主義者提倡人

權(quán)和思想自由，反對(duì)神權(quán)，要求把人的思

想、感情和智慧從教會(huì)神學(xué)的束縛中解放

出來，重視人與自然的統(tǒng)一，倡導(dǎo)對(duì)自然

的研究。英國(guó)哲學(xué)家富蘭西斯培根(Francis

Bacon,1561-1626)提出了“知識(shí)就是力量”

的口號(hào)，并且指出科學(xué)的目的就是要用新

發(fā)明和新發(fā)現(xiàn)來改善人類的生活。弗朗西斯?培根

那一時(shí)代不僅復(fù)興了古代文化，更是創(chuàng)造了新的文化和一種氣

氛，而且在文學(xué)、藝術(shù)、科學(xué)、政治理論等各個(gè)領(lǐng)域人才輩出，群星

燦爛。大學(xué)林立，到處是講學(xué)、辯論、著述、出版和宣傳。正如恩格

斯所說：“這是一次人類從來沒有經(jīng)歷過的最偉大、進(jìn)步的變革，是

一個(gè)需要巨人而且產(chǎn)生了巨人一一在思維能力、熱情和性格方面，在

多才多藝和學(xué)習(xí)博學(xué)方面的巨人的時(shí)代”。達(dá)?芬奇(Leonard。da

Vinci,1452-1519)是這些巨人中的杰出代表。他是一個(gè)多才多藝的天

才，《最后的晚餐》《蒙娜麗沙》等繪畫作品千古不朽。他在當(dāng)時(shí)每一

個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都取得了輝煌的成就，不僅是畫家、雕刻家、音樂家，而

且是哲學(xué)家、工程師、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家。他在物理學(xué)上

的成就主要有：對(duì)沖擊過程進(jìn)行了觀察，初步表述了慣性原理；研究

過材料的強(qiáng)度；研究了拋體運(yùn)動(dòng)(彈道)、單擺運(yùn)動(dòng)，

提出了運(yùn)動(dòng)合成的概念;用虛速度方法證明了杠桿原

理；重新發(fā)現(xiàn)了阿基米德的液體壓力的概念，提出了

連通器原理，研究過液體的流動(dòng)；認(rèn)識(shí)到光有類似于

水波和空氣中波的波動(dòng)特點(diǎn)；通過繪畫，研究過光和

影的規(guī)律、眼睛的構(gòu)造并說明了視網(wǎng)膜上像形成的原

因。研究過水力、熱力動(dòng)力機(jī)械并試圖從減少摩擦和

部件磨損來提高機(jī)械效率；設(shè)計(jì)過永動(dòng)機(jī)并得出永動(dòng)

機(jī)不可實(shí)現(xiàn)的結(jié)論。達(dá).芬奇

總之，文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的意義在于，在政治、文化、科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)

域引起了前所未有的思想大解放，徹底動(dòng)搖了封建制度和神權(quán)統(tǒng)治的

根基，給世界留下了一大批文學(xué)、藝術(shù)、科學(xué)、政治理論成果與精神

財(cái)富，為近代科學(xué)的興起和新科學(xué)觀的誕生奠定了基礎(chǔ)。

二、科學(xué)革命

真正的科學(xué)革命是從波蘭天文學(xué)家哥白尼（Nikolaus

Copernicus,1473-1543）否定地心說、提出日心說開始突破的。中世紀(jì)

的教會(huì)把上帝創(chuàng)造世界及與之適應(yīng)的地心說奉為不可違反的教條。地

心說的創(chuàng)始人是古希臘哲學(xué)家柏拉圖（Plato,約前427■前470）,認(rèn)為

地球是一個(gè)靜止不動(dòng)的球體，日月星辰都圍繞著它運(yùn)轉(zhuǎn)。絕大多數(shù)學(xué)

者都贊成這種觀點(diǎn)。托勒密（Ptolemy,100-170）通過天文觀測(cè)進(jìn)一步

發(fā)展了地心說并給出了一個(gè)完整的宇宙模型。他認(rèn)為宇宙有“九重

天”，即一重天是月亮天；二、三重天是水星天和金星天；太陽居住

第四重天上，是宇宙的主宰，其光輝照耀整個(gè)宇宙，其余依次是火星

天、木星天、土星天、恒星天（全部恒星鑲嵌其

上）。最高的是九重天即上帝或神靈居住的天堂。

地球于宇宙中心不動(dòng)。中世紀(jì)的教會(huì)把托勒密學(xué)

說與宗教教條結(jié)合起來，認(rèn)為上帝創(chuàng)造一切包括

人，人居住于宇宙中心一地球上。上帝創(chuàng)造的其

他星體都是為人服務(wù)的，太陽給人類以光明和溫

暖，月亮給人類在黑暗中以光明，其他星體的天

象變化預(yù)卜吉兇禍福。地心說成了封建神學(xué)統(tǒng)治

的思想基礎(chǔ)。哥白尼

哥白尼詳細(xì)分析了有關(guān)行星運(yùn)動(dòng)的大量資料，，經(jīng)過許多年的觀

測(cè)和計(jì)算，最終完成了一部劃時(shí)代的科學(xué)巨著《天體運(yùn)行論》，提出

了一個(gè)以太陽為中心的宇宙結(jié)構(gòu)體系，推翻了主宰西方思想長(zhǎng)達(dá)千余

年的托勒密的地心說。哥白尼對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)是這樣描述的，最遠(yuǎn)的恒星

天球包羅一切，它本身是不動(dòng)的；在行星中土星的位置最遠(yuǎn)，三十年

轉(zhuǎn)一周；其次是木星，十二年轉(zhuǎn)一周；然后是火星，兩年轉(zhuǎn)一周；第

四是地球和同它一起的月亮一年轉(zhuǎn)一周；第五是金星，九個(gè)月轉(zhuǎn)一周；

第六是水星，八十天轉(zhuǎn)一周；等等。他還得出了各個(gè)行星到太陽的相

對(duì)距離。哥白尼學(xué)說建立后，人們一直認(rèn)為太陽系只有六顆行星，直

到1781年，才知道土星外的天王星是第七顆行星，隨著海王星和冥

王星的發(fā)現(xiàn)，人們才認(rèn)識(shí)到太陽系有九大行星。哥白尼學(xué)說得到了布

魯諾的宣揚(yáng)和支持，但布魯諾又揚(yáng)棄了太陽是宇宙中心的觀點(diǎn)，認(rèn)為

宇宙是無限的，在太陽系外還有無數(shù)的世界。他的觀點(diǎn)更加有力地沖

擊了關(guān)于宇宙有限、地球中心的宗教教義，教會(huì)對(duì)其恨之入骨。

哥白尼學(xué)說明顯的優(yōu)點(diǎn)在于（1）提供了用勻速圓周運(yùn)動(dòng)解釋天

體現(xiàn)象的簡(jiǎn)單幾何方案，使天文測(cè)算變得較簡(jiǎn)單了。（2）把行星的排

列順序與它們的軌道半徑和周期緊密聯(lián)系起來，形成了一個(gè)和諧有序

的整體。（3）首次提出了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的思想，揭示了太陽的東升西落不

是太陽繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)、而是地球自轉(zhuǎn)的原因。1852年法國(guó)的傅科完成

了著名的傅科擺實(shí)驗(yàn)以及光行差現(xiàn)象的觀察，都證明了地球的自轉(zhuǎn)，

日心說逐漸被人們所接受。

哥白尼的日心說仍然是一個(gè)缺乏物理基礎(chǔ)的模型，因?yàn)樗俣ㄐ?/p>

星都在軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)。丹麥天文學(xué)家第谷?布拉赫（Tycho

Brahe,1546-1601）經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)21年的艱苦觀測(cè)，記錄了行星位置，得

到了詳細(xì)而精確的數(shù)據(jù)。當(dāng)他用數(shù)據(jù)去擬合哥白尼學(xué)說時(shí)，發(fā)現(xiàn)日心

說中的行星圓軌道模型并不是完美的，只是粗略的近似。第谷的學(xué)生、

德國(guó)天文學(xué)家開普勒（JohannesKepler,1571-1630）擺脫了“勻速圓

周運(yùn)動(dòng)”的老觀念，在第谷的工作基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了長(zhǎng)大17年的研究,

終于從第谷浩繁的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并歸納出行星運(yùn)動(dòng)三大定律：（1）行星

做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；（2）太陽到行星的矢

徑在相同時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積（如圖1-2-1）；（3）行星繞太陽的運(yùn)

動(dòng)周期的平方正比于它繞太陽的圓軌道的半長(zhǎng)軸a的立方即T2/a3=

常數(shù)。開普勒定律對(duì)后來牛頓的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)具有奠基性作

用。

面積相等

圖1?2.1開普勒定律

意大利科學(xué)家伽利略從物理學(xué)的角度支持了哥白尼學(xué)說。1609

年他制成了第一個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，次年獲得了幾個(gè)重大發(fā)現(xiàn)：月球和金

星表面有山谷；木星有四顆衛(wèi)星；太陽表面有黑子，從黑子有規(guī)律的

運(yùn)動(dòng)判斷太陽以27天左右的周期轉(zhuǎn)動(dòng)；銀河由千萬顆暗淡的星體組

成。伽利略的發(fā)現(xiàn)既表明了古代關(guān)于游動(dòng)的天體只有7個(gè)的斷言，也

表明地球并不是所有天體繞之運(yùn)動(dòng)的中心，這是對(duì)哥白尼學(xué)說的重要

支持。1632年，伽利略的巨著《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系

的對(duì)話》對(duì)哥白尼學(xué)說進(jìn)行了理性論證：（1）論證了天體和地球在本

質(zhì)上是類似的；（2）論證了地球的周日運(yùn)動(dòng)，駁斥了地球不動(dòng)的觀點(diǎn)，

而且還應(yīng)用了慣性原理、運(yùn)動(dòng)疊加原理和相對(duì)性原理，說明在地球上

進(jìn)行的一切實(shí)驗(yàn)都不能證明地球是否運(yùn)動(dòng)，為地動(dòng)說奠定了物理基

礎(chǔ)；（3）論證了地球的周年運(yùn)動(dòng)，證明了哥白尼體系的和諧簡(jiǎn)明，另

外對(duì)宇宙有限和具有中心的觀點(diǎn)提出了懷疑：（4）敘述了潮汐理論，

指出潮汐是地球運(yùn)動(dòng)的一個(gè)證據(jù)（這個(gè)理論是錯(cuò)誤的，潮汐是太陽和

月亮的引力造成的）。伽利略宣傳哥白尼學(xué)說、抨擊托勒密體系和經(jīng)

院哲學(xué)，曾受到教會(huì)的迫害。后來伽利略又繼續(xù)力學(xué)的研究工作，秘

密出版了《關(guān)于力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)兩門新學(xué)科的談話和數(shù)學(xué)證明》一書。

伽利略為以后牛頓力學(xué)的建立鋪平了道路。

總之，科學(xué)革命的實(shí)質(zhì)是思想大革命。科學(xué)革命使科學(xué)從服從于

經(jīng)院哲學(xué)和神學(xué)的束縛中解放了出來，確立了與舊的世界圖景完全不

同的新的世界圖景，新的科學(xué)觀和思想方法開始成熟起來，也使自然

科學(xué)從自然哲學(xué)中分化并走上獨(dú)立發(fā)展的道路進(jìn)而逐漸形成系統(tǒng)的

學(xué)科體系。從哥白尼的日心說開始到后來牛頓力學(xué)體系的建立標(biāo)志著

第一次科學(xué)革命的完成，這是一次從樸素自然觀到以機(jī)械自然觀為核

心的經(jīng)典科學(xué)理論的提升。

三、科學(xué)觀的形成

科學(xué)觀涉及到人們對(duì)自然的看法、對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解以及科學(xué)研

究的態(tài)度、思維和方法。哥白尼學(xué)說引起了人們自然觀的根本轉(zhuǎn)變，

使人類離開感官的直接提示或外觀現(xiàn)象而進(jìn)入現(xiàn)象后面的本質(zhì)，雖然

看到的是太陽繞著地球運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是地球自身轉(zhuǎn)動(dòng)的緣故。

新的科學(xué)觀也是同對(duì)經(jīng)院哲學(xué)的批判而形成的。弗蘭西斯?培根

認(rèn)為經(jīng)院哲學(xué)對(duì)正確地研究自然是有害無益的，強(qiáng)調(diào)人是自然界的主

人。法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家笛卡兒（Rene

Descartes,1596-1650）認(rèn)為必須創(chuàng)立為實(shí)踐服務(wù)的世俗科學(xué)代替經(jīng)院

哲學(xué)，提出了“懷疑原則”作為創(chuàng)立真正科學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。他主張懷疑

包括經(jīng)院哲學(xué)在內(nèi)的那些過去被當(dāng)作真理的一切東西，一切從基本開

始，以保證認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)絕對(duì)可靠。伽利略堅(jiān)決主張科學(xué)認(rèn)識(shí)的自由，

提倡自由探索精神，指出宗教在科學(xué)上是毫無意義的。

科學(xué)研究方法是科學(xué)觀的一個(gè)重要方面，它指導(dǎo)人們?nèi)绾握J(rèn)識(shí)自

然并掌握自然規(guī)律。在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立認(rèn)識(shí)是近代科學(xué)革命的

明顯特點(diǎn)。弗蘭西斯?培根是最早倡導(dǎo)新科學(xué)方法的人之一。他認(rèn)為,

一切知識(shí)來源于感覺，科學(xué)在整理感性材料時(shí)，用的是觀察、實(shí)驗(yàn)、

歸納、分析?、比較的理性方法，經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)是真理的來源和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),

利用一定的儀器有程序有規(guī)則地進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)才是科學(xué)知識(shí)的可貴源

泉。笛卡兒也認(rèn)為實(shí)驗(yàn)可以提供“原始前提的必要素材”，還能檢驗(yàn)

所得結(jié)論的正確性。伽利略同樣強(qiáng)調(diào)，人們必須通過實(shí)驗(yàn)去閱讀“自

然之書”。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家不僅強(qiáng)調(diào)了經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)在認(rèn)識(shí)中的作用，而

且還開始對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法是把對(duì)自然的研

究變?yōu)檎嬲目茖W(xué)的重要標(biāo)志。實(shí)際上，物理學(xué)在本質(zhì)上就是一門實(shí)

驗(yàn)學(xué)科。

根據(jù)獲得的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料建立科學(xué)理論體系，還必須進(jìn)行理論

概括。培根提出了經(jīng)驗(yàn)歸納法即從大量的個(gè)別經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中概括出一般

原理的方法，還提出了正確歸納的步驟即列舉正面和反面事例、提出

假說、通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇修正、最后得出科學(xué)結(jié)論。由于現(xiàn)象和事例

不可窮盡，歸納出來的結(jié)論必然受到局限C培根對(duì)假說不夠重視，認(rèn)

為只要對(duì)資料進(jìn)行系統(tǒng)整理，正確的假說就會(huì)自然顯現(xiàn)出來。實(shí)際上

并非如此簡(jiǎn)單，所以他的歸納法有明顯缺陷，但是其方法論思想具有

深遠(yuǎn)意義。笛卡兒與培根的思想不同，他更強(qiáng)調(diào)理論思維即理性，把

理論思維作為知識(shí)的出發(fā)點(diǎn)。他對(duì)物理學(xué)中發(fā)展起來的數(shù)學(xué)方法十分

贊賞，認(rèn)為一切科學(xué)都應(yīng)該按照數(shù)學(xué)形式建立起來，從明晰的原理出

發(fā)并通過邏輯途徑和數(shù)學(xué)方法進(jìn)行論證，就可以得出科學(xué)結(jié)論，而實(shí)

驗(yàn)只具有檢驗(yàn)理論結(jié)果的作用。笛卡兒的唯理論方法也是有缺點(diǎn)的，

但這種方法對(duì)物理學(xué)中理論思維的發(fā)展和演繹方法的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生

了重要影響，也是當(dāng)時(shí)科學(xué)哲學(xué)和自然科學(xué)最重要的思想根源之一。

笛卡兒的唯理論方法忽視了實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的作用，培根的經(jīng)驗(yàn)歸納法不

了解數(shù)學(xué)的作用，兩者的相互補(bǔ)充是近代科學(xué)新方法論的基礎(chǔ)。真正

代表近代科學(xué)新方法論精神的是伽利略和牛頓。

實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)演繹相結(jié)合的方法到了伽利略之后已經(jīng)成熟。伽利略

很重視觀察和實(shí)驗(yàn)，但又認(rèn)為科學(xué)的真正目的是闡明客觀現(xiàn)象的因果

聯(lián)系，而且需要對(duì)材料進(jìn)行確切的數(shù)學(xué)分析和數(shù)學(xué)概括并用簡(jiǎn)潔的數(shù)

學(xué)形式把結(jié)果表達(dá)出來。伽利略開創(chuàng)的近代科學(xué)研究方法可概括為：

對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，總結(jié)出規(guī)律；提出理論假設(shè)，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;

利用數(shù)學(xué)和邏輯得到推論；對(duì)推論進(jìn)行客觀、可重復(fù)、精確定量的實(shí)

驗(yàn)檢驗(yàn)；修改理論及假設(shè)；實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論及假設(shè)；……。這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?/p>

方法所得出的結(jié)論建立在強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，因而是可靠的。他

所倡導(dǎo)的這種理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的科學(xué)研究方法至今仍是自然科學(xué)家

所遵循的研究準(zhǔn)則。

講座3一—經(jīng)典物理學(xué)體系的建立

文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)和科學(xué)革命使人的思想得到了解放、激發(fā)了人們

對(duì)科學(xué)的探索熱情，資本主義的發(fā)展為科學(xué)研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在

此歷史環(huán)境下，誕生了近代自然科學(xué)。牛頓力學(xué)的建立，完成了人類

歷史上第一次自然科學(xué)大統(tǒng)一，標(biāo)志著經(jīng)典物理學(xué)理論體系正在形

成。到了19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)大廈已經(jīng)落成。經(jīng)典物理學(xué)理論有

三大支柱即牛頓的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理和經(jīng)典電磁學(xué)理論

(包括光學(xué))。

一、經(jīng)典力學(xué)體系

伊薩克?牛頓(IsaacNewton,1642-1727),一個(gè)

揭示自然奧秘的科學(xué)天才，英國(guó)杰出的物理學(xué)家和數(shù)

學(xué)家。牛頓概括了前人包括伽利略、笛卡兒、開普勒、

惠更斯、胡克等人的研究成果，創(chuàng)造性地將天體運(yùn)動(dòng)

和地面物體的運(yùn)動(dòng)和諧地統(tǒng)一起來并形成了嚴(yán)密的

科學(xué)體系，成功地創(chuàng)建了經(jīng)典力學(xué)，發(fā)現(xiàn)了自然界深

刻的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。牛頓

1.伽利略一近代力學(xué)的奠基人

伽利略(GalileoGalilei,1564-1642)被科學(xué)界譽(yù)為近代力學(xué)的奠

基人。伽利略的兩部著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》

和《關(guān)于力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)兩門新學(xué)科的談話和數(shù)學(xué)證

明》(簡(jiǎn)稱《兩門新學(xué)科》，兩門新學(xué)科指材料力學(xué)和運(yùn)

動(dòng)學(xué))，為力學(xué)的發(fā)展打下了思想基礎(chǔ)。在力學(xué)研究中，

伽利略既涉及到靜力學(xué)，也深入到運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。他

研究過物體的重心和平衡，研究過材料強(qiáng)度，利用浮力

定律制作過靜力學(xué)天平，等等。然而更重要的是運(yùn)動(dòng)學(xué)

和動(dòng)力學(xué)的研究成就，他發(fā)現(xiàn)了擺的等時(shí)性，研究了自

由落體運(yùn)動(dòng)和拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究過物體的慣性，區(qū)分

了速度和加速度概念。伽利略

關(guān)于物體的運(yùn)動(dòng)，亞里士多德曾把運(yùn)動(dòng)分為強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)和自然運(yùn)動(dòng),

認(rèn)為落體運(yùn)動(dòng)的速度與重量成正比，力是使物體維持運(yùn)動(dòng)的原因，等

等。伽利略認(rèn)為不能把運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)

的基本特征即速度進(jìn)行分類，由此提出了勻速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)的分類

方法。他首先定義了勻速運(yùn)動(dòng)是指任何相等的時(shí)間間隔內(nèi)通過相等的

距離，進(jìn)而給出了瞬時(shí)速度的概念即物體在給定時(shí)刻的速度，也就是

從該時(shí)刻起做勻速運(yùn)動(dòng)所具有的速度。

伽利略從落體運(yùn)動(dòng)的研究出發(fā)來研究變速運(yùn)動(dòng)，并假定落體運(yùn)動(dòng)

是勻加速運(yùn)動(dòng)。他對(duì)勻加速運(yùn)動(dòng)給出了這樣定義，若一物體從靜止出

發(fā)，并且在相等的時(shí)間間隔內(nèi)獲得相等的速度增量，則稱之為勻加速

運(yùn)動(dòng)。

自由落體運(yùn)動(dòng)是否是勻加速運(yùn)動(dòng)？他認(rèn)為要通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。但

要直接測(cè)量落體的速度增量與下落時(shí)間間隔的正比關(guān)系在當(dāng)時(shí)是非

常困難的。于是他利用數(shù)學(xué)圖解方法得出物體從靜止開始做勻加速運(yùn)

動(dòng)通過的距離與時(shí)間的平方成正比即認(rèn)2二常數(shù)，只要測(cè)出S與t即可。

對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)，要準(zhǔn)確測(cè)量S與t的關(guān)系也是不容易的。于是，他

設(shè)計(jì)了著名的斜面實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樾泵嫔系倪\(yùn)動(dòng)慢得多，便于測(cè)量。他通

過不同傾角的斜面實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了前述平方正比關(guān)系。斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論

可以推廣到豎直的自由落體運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樾泵嫫露冗_(dá)到90度的極限情

況就是自由落體運(yùn)動(dòng)。由此得出，物體自由下落的距離一定與時(shí)間的

平方成正比，自由落體運(yùn)動(dòng)就是勻加速運(yùn)動(dòng)，從同一高度自由下落的

物體，不論其重量如何，必然同時(shí)落地。他由斜面運(yùn)動(dòng)提出了加速度

概念，而且容易得出斜面上的加速度與自由落體加速度之間的關(guān)系。

傳說伽利略曾經(jīng)在比薩斜塔上做過實(shí)驗(yàn)，用以批駁亞里士多德的落體

速度與重量成正比的說法，證實(shí)了落體加速度與物體重量無關(guān)的結(jié)

論。有人說，他用大小相同而重量不同的的鐵球和木球同時(shí)放下，觀

眾看到兩球同時(shí)落地，但歷史考證對(duì)該傳說存疑。

伽利略在他的著作中所形成的慣性思想，為后來牛頓定律的建立

和慣性概念的引入開辟了道路。他曾設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)一斜面對(duì)接的理

想實(shí)驗(yàn)。如圖1?3?1所示，一個(gè)光滑的小硬球從光滑斜面的某一高度

下落到底部再沿對(duì)接的斜面上升將達(dá)到同意一水平高度。對(duì)接斜面越

平緩，上升到原高度的時(shí)間則越長(zhǎng)。當(dāng)對(duì)接斜面過渡到坡度為零的水

平面時(shí)，伽利略得出結(jié)論說，小球?qū)⒁院愕亩ㄋ俣龋▌蛩伲┯肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)

下去。這就是伽利略關(guān)于慣性的思想。在談到小球從水平桌面的邊緣

下落時(shí)，他指出小球?qū)⒃谒椒较虻膭蛩龠\(yùn)動(dòng)上增加一個(gè)向下的勻加

速運(yùn)動(dòng)，并認(rèn)為重力是這個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的原因。從而把力的作用同運(yùn)動(dòng)

狀態(tài)的變化聯(lián)系起來了，形成了動(dòng)力學(xué)研究的思想。笛卡兒則彌補(bǔ)了

伽利略慣性思想的不足，比較完整地表述了慣性原理。他指出，除非

物體受到外因的作用，物體將永遠(yuǎn)保持靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，慣性運(yùn)動(dòng)的

物體永遠(yuǎn)不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)。笛卡兒的表述對(duì)對(duì)牛頓的綜合工

作有深遠(yuǎn)的影響。

圖1-3-1斜面對(duì)接理想實(shí)驗(yàn)

伽利略研究了拋體運(yùn)動(dòng)，把拋體運(yùn)動(dòng)看成是物體在水平方向的

勻速運(yùn)動(dòng)和豎直方向的勻加速運(yùn)動(dòng)的合成，而且兩種運(yùn)動(dòng)互不影響，

這是關(guān)于運(yùn)動(dòng)疊加或合成的原理。他還推出了拋體運(yùn)動(dòng)軌跡，給出了

拋射角為45度時(shí)射程最遠(yuǎn)。他在批駁反對(duì)地動(dòng)說的一些論據(jù)(如人

感覺不到地的運(yùn)動(dòng)、如果地球轉(zhuǎn)動(dòng)高處落下的石頭應(yīng)當(dāng)偏西等)時(shí)，

用運(yùn)動(dòng)合成的觀點(diǎn)論述了運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性：在一個(gè)封閉的做勻速運(yùn)動(dòng)的

平穩(wěn)的船艙里，由于一切物體都參與了船的勻速運(yùn)動(dòng)，因此各物體的

相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系保持不變。從桅桿上掉下的物體仍然會(huì)落到桅桿腳下，

不會(huì)因船的運(yùn)動(dòng)而落到桅桿后面，人跳向船尾不會(huì)比跳向船頭來得

遠(yuǎn)，人們感覺不到船在運(yùn)動(dòng)。這就是我們今日所稱的力學(xué)相對(duì)性原理

或伽利略相對(duì)性原理。這個(gè)原理的發(fā)現(xiàn)是人類科學(xué)認(rèn)識(shí)史上的一個(gè)重

大飛躍。

2.碰撞的研究及“活力”

在力學(xué)體系形成過程中，碰撞是一個(gè)重要研究課題。最早建立碰

撞理論的是笛卡兒(ReneDescartes,1596-1650)o他在《哲學(xué)原理》

一書中肯定了運(yùn)動(dòng)量就是物質(zhì)的量和速度的乘積，只是當(dāng)時(shí)還沒有建

立“質(zhì)量”的概念，也就無法寫出動(dòng)量的表達(dá)式。他還總結(jié)了7條碰

撞規(guī)律，但由于缺乏對(duì)動(dòng)量矢量性的了解，7條規(guī)律只有兩條正飾。

這兩條規(guī)律描述了動(dòng)量傳遞的思想。荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家惠更斯

(ChristianHuygens,1629-1695)從1652年開始研究彈性物體的碰撞,

研究結(jié)果收集在《論碰撞作用下物體的運(yùn)動(dòng)》的論文中。在研究過程

中，惠更斯發(fā)現(xiàn)了動(dòng)量守恒和彈性碰撞機(jī)械能守恒的規(guī)律，并且明確

地指出了動(dòng)量的方向性。他寫道：“兩個(gè)物體所具有的運(yùn)動(dòng)量在碰撞

中可以增加或減少，但它們的量值在同一個(gè)方向的總和保持不變，如

果減去反方向的運(yùn)動(dòng)量的話J“在兩個(gè)物體的碰撞中，大的程度與速

度的平方乘積的總和保持不變”，“大的程度”代表慣性大小即后來的

質(zhì)量概念，這里第一次提到mv2這個(gè)量。馬略特(Edme

Marioue,1620-1684)在1673年創(chuàng)立了一種用單擺做碰撞實(shí)驗(yàn)的方法，

他用兩根一樣長(zhǎng)的細(xì)繩懸掛兩個(gè)小球，根據(jù)兩球在碰撞前后下落和上

升的高度可以測(cè)出碰撞前后的瞬時(shí)速度。碰撞的研究為建立作用力和

反作用力定律準(zhǔn)備了一定的條件。

17J8世紀(jì)，“力”的概念還不完全清晰，人們從不同的意義上使

用這個(gè)概念描述了力的各種效應(yīng)，從而引起了關(guān)于“運(yùn)動(dòng)量”或“力”

的量度的一場(chǎng)爭(zhēng)論。笛卡兒學(xué)派主張以mv量度運(yùn)動(dòng)量或力。而德國(guó)

數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家萊布尼茲(GW.F.vonLeibnitz,1646-1716)則引進(jìn)

“活力”的概念，主張用mv?(后來變成1/2mv?即動(dòng)能)對(duì)與運(yùn)動(dòng)

量或力進(jìn)行量度，認(rèn)為宇宙中“活力守恒”，且發(fā)現(xiàn)力和路程的乘積

(實(shí)際上是功)與活力成正比?！盎盍κ睾恪币逊浅＝咏鼨C(jī)械能守恒

原理。以后的研究表明，動(dòng)量和動(dòng)能是從不同的角度衡量機(jī)械運(yùn)動(dòng)量

的兩個(gè)重要的物理量。

3.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)

萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)是牛頓從運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象研究自然力的一個(gè)輝煌

的范例。開普勒所描述的行星運(yùn)動(dòng)的三個(gè)定律使人們進(jìn)一步研究行星

的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題成為了可能，為萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)打下了基

礎(chǔ)。牛頓根據(jù)向心力公式和開普勒定律得出行星受中心力作用、該中

心力是吸引力、該吸引力與半徑的平方成反比。還得出”這些指向物

體的力應(yīng)與物體的性質(zhì)和量有關(guān)。從而把質(zhì)量引進(jìn)到萬有引力定

律。

還有許多人為萬有定律作出過貢獻(xiàn)。笛卡兒在1644年提出的“旋

渦”假說是牛頓以前最有影響的引力理論，他認(rèn)為宇宙空間充滿了“以

太”一一種稀薄的不可見的流質(zhì)。以太圍繞天體形成旋渦式運(yùn)動(dòng)，帶

動(dòng)天體(如太陽)周圍的物體(如行星)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋渦壓力卷吸著周圍

物體趨向中心物體，從而表現(xiàn)出引力現(xiàn)象。1645年，法國(guó)天文學(xué)家

布里阿德(L.Bulliadus,1605-1694)第一次提出“從太陽發(fā)出的力和離太

陽距離的平方成反比而減少”的假設(shè)。1666年，比薩大學(xué)教授玻列

^1](AlphonseBorelli,1608-1678)提出，引力是距離的某的某種函數(shù)，

設(shè)想行星受到一個(gè)趨向太陽的向心力。惠更斯在他的著作《擺鐘》中

導(dǎo)出了單擺的周期公式，擺鐘的發(fā)明和使用顯示了重量和質(zhì)量的差

異，在不同的地方要調(diào)整鐘擺的擺長(zhǎng)，走時(shí)才準(zhǔn)確，因?yàn)橥琲物體在

地球表面不同的地方重力不同。英國(guó)的胡克(Robert

Hooke,1635-1703)曾經(jīng)覺察到引力和重力有同樣的本質(zhì)并于1680年

初在給牛頓的信中提出了引力反比于距離的平方的猜測(cè)。哈雷

(EdmundHalley,1656-1742)和倫恩(ChristopherWren,1632-1723)4

1679年按圓形軌道和開普勒定律，導(dǎo)出了行星的引力與其到太陽的

距離的平方成反比，但沒能證明行星在橢圓軌道上也是如此。哈雷后

來還根據(jù)牛頓的理論計(jì)算出1682年出現(xiàn)的大彗星(后來稱哈雷彗星)

的軌道是一個(gè)拉得很長(zhǎng)的橢圓且回歸周期約為76年。牛頓在1684年

關(guān)于《論運(yùn)動(dòng)》的演講中，明確敘述了向心力定律，證明了橢圓軌道

運(yùn)動(dòng)下的平方反比關(guān)系，不久又在另一篇文章中定義了質(zhì)量的概念并

探討了引力與質(zhì)量的關(guān)系，從而完善了萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。

蘋果落地引發(fā)牛頓對(duì)引力的思索的故事很有意思。有一次他獨(dú)自

坐在花園里，忽然看到一個(gè)蘋果從樹上掉下來，他吃了一驚，便沉浸

在對(duì)引力的思考中。他想這種力的作用范圍可能要比通常設(shè)想的大得

多，比如說一直延伸到月亮，很可能這個(gè)力就是使月亮維持軌道運(yùn)動(dòng)

的原因。這個(gè)故事說明牛頓已覺察到天體運(yùn)動(dòng)與地球上物體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)

一性。不論故事的真實(shí)性如何，然而蘋果已成了萬有引力的象征。

4,牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一物理學(xué)史上第一次大綜合

1687年牛頓出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(簡(jiǎn)稱《原理》)這

部劃時(shí)代的科學(xué)巨著，從而奠定了他在世界科學(xué)史上的崇高地位?！对?/p>

理》創(chuàng)造性地綜合了前人和他本人的研究成果，總結(jié)了動(dòng)力學(xué)原理并

宣布了萬有引力定律，締造了天上和地上統(tǒng)一和以三大運(yùn)動(dòng)定律為基

礎(chǔ)的力學(xué)體系。牛頓曾經(jīng)說過：“如果我看得更遠(yuǎn)那是因?yàn)檎驹诰奕?/p>

的肩膀上?！边@里的巨人指伽利略、開普勒、哥白尼、胡克和笛卡兒

等，實(shí)際上他的綜合工作是基于中世紀(jì)以來科學(xué)研究的累累成果。

《原理》共分兩大部分。笫一部分為導(dǎo)淪，給出了偵量、運(yùn)動(dòng)量、

力、慣性等定義，提出了絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)靜止

的概念，寫出了著名的三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律以及矢量的合成分解法則、運(yùn)動(dòng)

疊加原理、動(dòng)量守恒原理、伽利略相對(duì)性原理。第一定律即慣性定律,

繼承了伽利略的慣性