牛顿在《光学》一、二篇中视光为物质流,即由光源发出的 速度、大小不同的一群粒子,在双折射中他假设这些光粒子有方向性且各向异性。 由于当时波动说还解释不了光的直进,他是倾向于粒子说的,但他认为粒子与波 都是假定。他甚至认为以太的存在也是没有根据的。 在流体力学方面,牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正比,这种阻力与液体 各部分之间的分离速度成正比,符合这种规律的(如、空气与水)称为牛顿流体。 在热学方面,牛顿的冷却定律为:当物体表面与周围形成温差时,单位时间 单位面积上散失的热量与这一温差成正比。 在声学方面,他指出声速与大气压强平方根成正比,与密度平方根成反比。 他原来把声传播作为等温过程对待,后来P.S.拉普拉斯纠正为绝热过程。 (3)牛顿的哲学思想和科学方法牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲学观点和一套初具规模 的物理学方法论体系,给物理学及整个自然科学的发展,给18世纪的工业革命、 社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响。这里只简略勾画一些轮廓。 牛顿的哲学观点与他在力学上的奠基性成就是分不开的,一切自然现象他都 力图力学观点加以解释,这就形成了牛顿哲学上的自发的唯物主义,同时也导致 了机械论的盛行。事实上,牛顿把一切化学、热、电等现象都看作‚与吸引或排 斥力有关的事物‛。例如他最早阐述了化学亲和力,把化学臵换反应描述为两种 吸引作用的相互竞争;认为‚通过运动或发酵而发热‛;火药爆炸也是硫磺、炭 等粒子相互猛烈撞击、分解、放热、膨胀的过程,等等。 这种机械观,即把一切的物质运动形式都归为机械运动的观点,把解释机械 运动问题所必需的绝对时空观、原子论、由初始条件可以决定以后任何时刻运动 状态的机械决定论、事物发展的因果律等等,作为整个物理学的通用思考模式。 可以认为,牛顿是开始比较完整地建立物理因果关系体系的第一人,而因果关系 正是经典物理学的基石。 牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样,不只 是创立了某一种或两种新方法,而是形成了一套研究事物的方法论体系,提出了 几条方法论原理。在牛顿《原理》一书中集中体现了以下几种科学方法: 实验理论应用的方法。牛顿在《原理》序言中说:‚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,而后用这些方去论证其他的 现象。‛科学史家I.B.Cohen正确地指出,牛顿‚主要是将实际世界与其简化数学 表示反复加以比较‛。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠,也是将其理论应 用于天体、流体、引力等实际问题的能手。 10分析综合方法。分析是从整体到部分(如微分、原子观点),综合是从部分 到整体(如积分,也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等)。牛顿在《原理》中说过:‚在自然科学里,应该像在数学里一样,在研究困难的事物时,总 是应当先用分析的方法,然后才用综合的方法……。一般地说,从结果到原因, 从特殊原因到普遍原因,一直论证到最普遍的原因为止,这就是分析的方法;而 综合的方法则假定原因已找到,并且已经把它们定为原理,再用这些原理去解释 由它们发生的现象,并证明这些解释的正确性‛。 归纳演绎方法。上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿 从观察和实验出发。‚用归纳法去从中作出普通的结论‛,即得到概念和规律, 然后用演绎法推演出种种结论,再通过实验加以检验、解释和预测,这些预言的 大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理,即表明由归纳法得 出的普遍结论,又可用演绎法去推演出其他结论。 物理数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都‚尽量用数学演 出‛。爱因斯坦说:‚牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础, 从这个基础出发他用数学的思维,逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同 经验相符合‛,‚只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要 求,微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一‛。牛顿把他的书称为 《自然哲学的数学原理》正好说明这一点。 11牛顿的方法论原理集中表述在《原理》第三篇‚哲学中的推理法则‛中的四条 法则中,此处不再转引。概括起来,可以称之为简单性原理(法则1),因果性原 理(法则2),普遍性原理(法则3),否证法原理(法则4,无反例证明者即成 立)。有人还主张把牛顿在下一段话的思想称之为结构性原理:‚自然哲学的目 的在于发现自然界的结构的作用,并且尽可能把它们归结为一些普遍的法规和一 般的定律用观察和实验来建立这些法则,从而导出事物的原因和结果‛。 牛顿的哲学思想和方法论体系被爱因斯坦赞为‚理论物理学领域中每一工作 者的纲领‛。这是一个指引着一代一代科学工作者前进的开放的纲领。但牛顿的 哲学思想和方法论不可避免地有着明显的时代局限性和不彻底性,这是科学处于 幼年时代的最高成就。牛顿当时只对物质最简单的机械运动作了初步系统研究, 并且把时空、物质绝对化,企图把粒子说外推到一切领域(如连他自己也不能解 释他所发现的‚牛顿环‛),这些都是他的致命伤。牛顿在看到事物的‚第一原 因‛‚不一定是机械的‛时,提出了‚这些事情都是这样地井井有条……是否好 像有一位……无所不在的上帝‛的问题,(《光学》,疑问29),并长期转到神 学的‚科学‛研究中,费了大量精力。但是,牛顿的历史局限性和他的历史成就 一样,都是启迪后人不断前进的教材。 返回 12 伽利略伽利略(Galieo Galilei,1564 (Galieo Galilei,1564~~ 1642) 1642)伟大的意大利物理学家和天 伟大的意大利物理学家和天 文学家,他开创了以实验事实为基 文学家,他开创了以实验事实为基 础并具有严密逻辑体系和数学表述 础并具有严密逻辑体系和数学表述 形式的近代科学。他为推翻以亚里 形式的近代科学。他为推翻以亚里 士多德为旗号的经院哲学对科学的 士多德为旗号的经院哲学对科学的 禁锢、改变与加深人类对物质运动 禁锢、改变与加深人类对物质运动 和宇宙的科学认识而奋斗了一生, 和宇宙的科学认识而奋斗了一生, 因此被誉为‚近代科学之父‛。 因此被誉为‚近代科学之父‛。 13 (1)动手动脑、孜孜不倦伽利略1564年2月15日生于比萨一个乐师和数学家之家,从小爱好机械、数学 和音乐、诗画,喜欢做水磨、风车、船舶模型。17岁时虽遵父命入比萨大学学医, 但却不顾教授们反对,独自钻研图书馆中的古籍和进行实验。1582年冬,托斯卡 纳公爵的年轻数学教师O.里奇允许伽利略旁听,使他进人一个新世界。里奇擅长 的应用力学与应用数学及生动的讲课,引导他学习水力学、建筑学和工程技术及 实验,伽利略在此期间如饥似渴地读了许多古代数学与哲学书籍,阿基米德的数 学与实验相结合的方法使他深受感染,他深情地说:‚阿基米德是我的老师。‛ (2)善于观察,勤于实验 伽利略对周围世界的多种多样运动特别感兴趣,但他发现‚运动的问题这么 古老,有意义的研究竟如此可怜。‛他的学生维维安尼在《伽利略传》中记叙了 1583年19岁的枷利略在比萨大教堂的情景: ‚以特有的好奇心和敏锐性,注视悬挂在教堂最顶端的大吊灯的运动它的 摆动时间在沿大弧、中弧和小弧摆动时是否相同……当大吊灯有规律地摆动 时,……他利用自己脉搏的跳动,和自己擅长并熟练运用的音乐节拍……测算, 他清楚地得出结论:时间完全一样。他对此仍不满足,回家以后……用两根同样 长的线绳各系上一个铅球作自由摆动……他把两个摆拉到偏离竖直线不同的角度, 例如30和10,然后同时放手。在同伴的协助下,他看到无论沿长弧和短弧摆 动,两个摆在同一时间间隔内的摆动次数准确相等。他又另外做了两个相似的摆, 只是摆长不同。他发现,短摆摆动300次时,长摆摆动40次(均在大角度情况下), 在其他摆动角度(如小角度)下它们各自的摆动次数在同一时间 14间隔内与大角度时完全相同,并且多次重复仍然如此……他由此得出结论,看来 无论对于重物体的快速摆动还是轻物体的慢摆动,空气的阻力几乎不起作用,摆 长一定的单摆周期是相同的,与摆幅大小无关。他还看到,摆球的绝对重量或相 对比重的大小都引不起周期的明显改变……只要不专门挑选最轻的材料作摆球, 否则它会因空气阻力太大而很快静止下来。‛ 伽利略对偶然机遇下的发现,不但做了多次实测,还考虑到振幅、周期、绳长、阻力、重量、材料等因素,他还利用绳长的调节和标度作成了第一件实用仪 器脉搏计。 1585年因家贫退学,回到佛罗伦萨,担任了家庭教师并努力自学。他从学习 阿基米德《论浮体》及杠杆定律和称金冠的故事中得到启示。自己用简单的演示 证明了一定质量的物体受到的浮力与物体的形状无关,只与比重有关。他利用纯 金、银的重量与体积列表后刻在秤上,用待测合金制品去称量时就能快速读出金 银的成色。这种‚浮力天平‛用于金银交易十分方便。1586年他写了第一篇论文 《小天平》记述这一小制作。1589年他又结合数学计算和实验写了关于几种固体 重心计算法的论文。这些成就使他于1589年被聘为比萨大学教授,1592年起移居 到威尼斯任帕多瓦大学教授,开始了他一生的黄金时代。 在帕多瓦大学,他为了帮助医生测定病人的热度做成了第一个温度计,这是 一种开放式的液体温度计,利用带色的水或酒精作为测温物质,这实际上是温度 计与气压计的雏形,利用气体的热胀冷缩性质通过含液玻璃管把温度作为一种客 观物理量来测量。 15伽利略认为:‚神奇的艺术蕴藏在琐细和幼稚的事物中,致力于伟大的发明 要从最微贱的开始‛。‚我深深懂得,只要一次实验或确证,就足以推翻所有可 能的理由‛。伽利略不愧是实验科学的奠基人。 (3)破除迷信闯出新路 伽利略认真读过亚里士多德的《物理学》等著作,认为其中许多是错误的。 他反对屈从于亚里土多德的权威,嘲笑那些‚坚持亚里士多德的一词一句‛的书 呆子。他认为那些只会背诵别人词句的人不能叫哲学家,而只能叫‚记忆学家‛ 或‚背诵博士‛。他认为:‚世界乃是一本打开的活书,‛‚真正的哲学是写在 那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里,这本书是用各种几何图形和数学文 字写成的。‛ 他从小好问,好与师友争辩。他主张‚不要靠老师的威望而是靠争辩‛来满 足自己理智的要求。他反对一些不合理的传统。例如他在比萨大学任教时就坚决 反对教授必须穿长袍的旧规,并在学生中传播反对穿长袍的讽刺诗。他深信哥白 尼学说的正确,他一针见血地笑那些认为天体不变的人,‚那些大捧特捧不灭不 变等等的人,只是由于他们渴望永远活下去和害怕死亡。‛ 伽利略依靠工匠们的实践经验与数学理论的结合,依靠他自己敏锐的观察和 大量的实验成果,通过雄辩和事实,粉碎了教会支持的亚里士多德和托勒密思想 体系两千多年来对科学的禁锢,在运动理论方面奠立了科学力学的基石(如速度、 加速度的引入,相对性原理、惯性定律、落体定律、摆的等时性、运动叠加原理 等),而且闯出了一条实验、逻辑思维与数学理论相结合的新路(参见‚伽利略 的运动理论与科学方法‛)。 16(4)热爱科学,传播真理 伽利略在帕多瓦自己的家中开办了一个仪器作坊,成批生产多种科学仪器与 工具,并利用它们亲自进行实验。1609年7月,他听说荷兰有人发明了供人玩赏的 望远镜后,8月,就根据传闻及折射现象,找到铅管和平凸及平凹透镜,制成第一 台3倍望远镜,20天后改进为9倍,并在威尼斯的圣马克广场最高塔楼顶层展出数 日,轰动一时。11月,他又制成20倍望远镜并用来观察天象,看到‚月明如镜‛ 的月球上竟是凸凹不平,山峦迭起。他还系统观察木星的四颗卫星。1610年他将 望远镜放大倍数提高到33,同年3月发表《星空信使》一书,总结了他的观察成果 并用来有力地驳斥地心说。伽利略发明望远镜可属偶然,但他不断改进设计,成 批制造,逐步提高放大倍数,这不是一般学者、工匠或教师所能及的。 伽利略通过望远镜测得太阳黑子的周期性变化与金星的盈亏变化,看到银河 中有无数恒星,有力地宣传了日心说。 (5)时代局限历史遗案 1615年伽利略受到敌对势力的控告,他虽几经努力,力图挽回局面,但1616 年教皇还是下了禁令,禁止他以口头或文字的形式传授或宣传日心说。以后伽利 略表面上在禁令下生活,实际上写出了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对 话》一书来为哥白尼辩护。该书于1632年出版,当年秋伽利略就遭到严刑下的审 讯。1633年6月22日伽利略被迫在悔过书上签字,随后被终身软禁。在软禁期间他 又写了《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》一书,该书于1638年在荷兰 莱顿出版。 伽利略1642年1月8日病逝,终年78岁。 科学的蓬勃发展早已证实了伽利略的伟大和教会的谬误,1979年梵蒂岗教皇 保罗二世宣布对这一历史判决平反,只是平反来得过迟了。 返回 17 胡克(RobertRobert Hooke Hooke,,1635 1635~~1703 1703)英国实验物理学家,仪器发明家。 )英国实验物理学家,仪器发明家。 1635 1635年出生于英格兰怀特岛清水村。从小体弱多病但却心灵手巧,酷 年出生于英格兰怀特岛清水村。从小体弱多病但却心灵手巧,酷 爱摆弄机械,自制过木钟、可以开炮的小战舰等。 爱摆弄机械,自制过木钟、可以开炮的小战舰等。1653 1653年到牛津大学 年到牛津大学 作工读生, 作工读生,1663 1663年获文学硕士学位。 年获文学硕士学位。1655 1655年成为玻意耳的助手,由于 年成为玻意耳的助手,由于 他的实验才能, 他的实验才能,1662 1662年被任命为皇家学会的实验主持人,为每次聚会 年被任命为皇家学会的实验主持人,为每次聚会 安排三、四个实验, 安排三、四个实验,1663 1663年获硕士学位,同年被选为皇家学会正式会 年获硕士学位,同年被选为皇家学会正式会 员,又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员。 员,又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员。1665 1665年任格雷姆学院 几何学教授,几何学教授,1667 1667~~1683 1683年任学会秘书并负责出版会刊。学会的工作 年任学会秘书并负责出版会刊。学会的工作 条件使他在当时自然科学的前沿(如机械仪器改制、弹性、重力、光 条件使他在当时自然科学的前沿(如机械仪器改制、弹性、重力、光学,乃至生物、建筑、化学、地质等方面)作出了自己的贡献。 学,乃至生物、建筑、化学、地质等方面)作出了自己的贡献。1703 1703 年在伦敦逝世。 年在伦敦逝世。 胡克的重要贡献主要是在仪器制造方面,如协助玻意耳改进抽气胡克的重要贡献主要是在仪器制造方面,如协助玻意耳改进抽气 机,制造了复式显微镜、轮式气压计、摆钟、海洋测深仪、海水取样 机,制造了复式显微镜、轮式气压计、摆钟、海洋测深仪、海水取样 器等等。他还参与过伦敦大火后的城市重建设计等等。其次,对于晶 器等等。他还参与过伦敦大火后的城市重建设计等等。其次,对于晶 体、化石、燃烧、测温学等也有不少研究。 体、化石、燃烧、测温学等也有不少研究。 18 胡克于1678年曾将自己发现的弹性定律发表在他的讲演集《态势的恢复》中,他举出螺旋弹簧、发条、悬线、木杆挠曲变形等四种情况。这一定律后来经过A.L.科西1822年引入‚应力‛‚应变‛及G.格林的改进后才具有现代形式。他和惠更斯 (参见‚惠更斯‛)是各自独立地建议用发条(游丝)驱动摆轮的。胡克虽长于 实验技术且,物理思想活跃,但由于缺乏数学根基,最终并未能从理论和实验上 根本解决问题。 在重力问题上也是如此。胡克从1661年开始积极参加皇家学会重力专门委员 会的活动,进行了在教堂塔尖称量长绳与短绳上的铁块重量的比较。1671年发表 《试论地球周年运动》的论文中提出所有天体有吸引力、惯性运动、引力大小与 距离有关(后从圆轨道导出为平方反比关系)等三条假设,他还在1679年指出行 星运动是由匀速直线的惯性运动和朝向中心天体的吸引这两部分运动合成的。牛 顿自己也承认胡克的思想对他有启发(1679年12月13日致胡克信)。但对于非圆 周情况胡克就无能为力了。 在重力问题上也是如此。胡克从1661年开始积极参加皇家学会重力专门委员 会的活动,进行了在教堂塔尖称量长绳与短绳上的铁块重量的比较。1671年发表 《试论地球周年运动》的论文中提出所有天体有吸引力、惯性运动、引力大小与 距离有关(后从圆轨道导出为平方反比关系)等三条假设,他还在1679年指出行 星运动是由匀速直线的惯性运动和朝向中心天体的吸引这两部分运动合成的。牛 顿自己也承认胡克的思想对他有启发(1679年12月13日致胡克信)。但对于非圆 周情况胡克就无能为力了。 19胡克1665年出版的《显微术或放大镜下微小物体的生理学描述》,描述了 显微镜的光学结构和观察到的图画:如矿石、动植物标本、软木塞、昆虫、 细胞等。这本书还讨论了云母、肥皂泡、油膜等透明薄膜的彩色于涉图与 周期性分布图。胡克还是光的波动说最早的倡导者之一,但对这些干涉图 样缺乏定量分析研究。 胡克1665年出版的《显微术或放大镜下微小物体的生理学描述》,描 述了显微镜的光学结构和观察到的图画:如矿石、动植物标本、软木塞、 昆虫、细胞等。这本书还讨论了云母、肥皂泡、油膜等透明薄膜的彩色于 涉图与周期性分布图。胡克还是光的波动说最早的倡导者之一,但对这些 干涉图样缺乏定量分析研究。 返回 20 笛卡儿笛卡儿(Rence Descartes,1596 (Rence Descartes,1596~~1650) 1650)