经典力学的建立史

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恩格斯说过：“世界不是既成事物的集合体，而是过程的集合体。”任何事物的形成都不是一蹴而就的，而是有一个发展过程。发展的本质是新事物的产生和旧事物的消亡，而新事物代替旧事物往往伴随着一场变革。

西方早期的科学

在早期社会中，人类的生产力和创造力极其低下，无法认识大自然的很多现象的本质，不知道如何解释这些现象。出于本能，人类相信大自然和宇宙之外还有一股神秘或神灵。人类把这些现象的产生归于神灵，并且对神灵敬畏、依赖和归依，请求神灵的保佑。于是，宗教和神学诞生了。宗教是人们思想的依托，宗教负责解释世界、传播信念、安慰心灵、司法审判等，渗透到社会的政治、经济、文化等方面。在希腊时，罗马统治者将宗教作为统治力量凌驾于其他文化之上，宗教在思想上取得绝对的统治地位，支配着科学、哲学或其他文化形式。

而早期科学，就只是对自然和生活的经验以及工艺品的制造，没有宗教有权威，因此，是被宗教支配着的。

01 亚里士多德的物理学观点
关于生活中的各种现象，人们也开始去解释，表达自己的观点。其中比较著名的古希腊哲学家就是亚里士多德（前384—前322）。亚里士多德通过观察日常生活中物体的运动，总结出了三条著名的理论：

  · 凡是运动的物体，一定有推动者在推着它运动，如果推动消失，则物体停止运动；

  · 两物体做自由落体运动，重量大的物体下落的快，并且下落的快慢与重量成正比；

  · 地球是圆的，是宇宙的中心。

古希腊哲学家亚里士多德（前384—前322）

这些观点从现在看确实能解释生活中的现象，推着一辆车在路上走，如果不推了，车也就停下了；一根毛和一个石头同时同高度下落，石头先着地。这个理论在当时看起来很正确。

亚里士多德还认为，地球外有九层天，分别是月球天，太阳天等。九层天依次圆形环套，位于第九层的天球是原始动力层。上帝推动原始动力层转动，原始动力层推动其他层围绕地球转动，这是“地心说”的完善。

02 托勒密地心说
400多年后，古希腊天文学家克罗狄斯·托勒密（90年—168年）发展了亚里士多德的“地心说”，成了“地心说”的集大成者，他根据自己长期对天体的观察，在著作《天文学大成》 中，他把亚里士多德的9层天扩大为11层，把原动力层改为晶莹层，又往外添加了最高层和净火层。托勒密设想，各行星都绕着一个较小的圆周上运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把较小的圆周叫做“本轮”，环绕地球的圆周叫做“均轮”。

托勒密和地心说

亚里士多德的物体运动观点和托勒密的“地心说”能够圆满地解释日常生活中的现象和行星运动情况，因此被人们信奉为经典。基督教将亚里士多德的思想与基督教义结合，认为推动物体的第一推动者是上帝，使得亚里士多德的思想成为权威思想，统治了人们思想一千多年。托勒密的“地心说”也得到了天主教的支持，教会成了思想上的统治者。

早期的科学，就只是通过肉眼的观察，然后直接得出结论，没有具体的实验验证，没有数学表达，只有单纯的猜想。

近代物理学的开端

14世纪，意大利商品经济发展起来，逐渐出现了早期的资本主义家，这些资本家比如银行家、富商等崇尚人的自由，反对教会和封建对人的思想禁锢，民族意识开始觉醒，人们要求复兴在中世纪被湮没的古希腊，罗马时代的文化，这就是欧洲著名的“文艺复兴”运动。这场运动以人文主义为核心，强调以人为中心而不是以神为中心，反对愚昧的宗教迷信，使人们思想得到解放。

这场运动也使科学得到了空前的发展。很多科学家重视科学实验，反对盲目猜想；要求发展个性，反对禁锢人性。其中，比较著名的是英国哲学家弗朗西斯·培根 (1561一1626)。培根提出实验和归纳的思，他指出，科学应该以实验为基础，通过大量的实验数据和事实材料，利用排除法排除事物外在的因素，总结出事物内在的，本质的因果关系。培根也被称为实验科学和归纳法的创始人，他的思想影响了伽利略等科学家。

英国哲学家弗朗西斯·培根 (1561一1626）

01 哥白尼的日心说
在之后的很多世纪里，随着社会的不断发展，大量的天文观测资料越来越多，越来越精确，托勒密的地心说逐渐不能解释很多现象，于是学者们开始对地心说不断修补，结果越修越复杂，托勒密所提出的均轮和本轮增加到了80多个，这显然是不科学的。人们希望有新的学说能够完美无瑕地解释天文现象。

在这样的背景下，尼古拉·哥白尼 (1473—1543) 出生在波兰的托伦市。1491年，哥白尼到克拉科夫大学去学习天文和数学。哥白尼非常勤奋地钻研了托勒密的学说，发现了很多错误结论。哥白尼认为，天文学要发展，不应该不断修补地心说，而是发展新的宇宙结构体系。哥白尼接受毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律”的思想，并且高度赞扬太阳，认为太阳是宇宙中心。1496年，哥白尼去意大利学习“教会法”。在此期间，哥白尼做了大量的天文观测， 得出了月球自身体积不会膨胀和缩小的结论。通过不断的观测和计算，哥白尼逐渐确信，地球和其他行星都是围绕着太阳转动。

波兰天文学家尼古拉·哥白尼 (1473—1543）

1516年，哥白尼开始了《天体运行论》。在《运行》里，哥白尼严密的论证了行星的运动，地球的形状及月球。根据书中论述，哥白尼确定了他的日心说：

  · 地球是月球轨道的中心，并不是宇宙的中心；

  · 所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近；

  · 在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的；

  · 人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。

哥白尼开创了新纪元的学说，推翻了统治人们思想一千多年的地心说，沉痛地打击了教会拥护的的宇宙观，这是天文学上的一次重大革命。

但是，哥白尼地日心说仍然存在。他认为宇宙就是现在的太阳系，太阳是宇宙的中心，他仍然相信天体的运行是完美的匀速圆周运动，这从现在的角度看肯定是不对的。但是哥白尼的功绩是伟大的。

太阳系八大行星

哥白尼认为，世间万物都在运动，运动才是生命的真谛。没有什么东西是静止的，一切东西都在运动、变化。《运行》这一著作，就是要揭示大自然这一本质。哥白尼的这一观点，肯定了客观世界的存在和它的规律性，闪耀着朴素的唯物主义哲学的光辉。

哥白尼虽然提出了自己的学说，但是并没有得到教会的认可，出版《运行》时遇到重重困难。意大利思想家乔尔丹诺·布鲁诺 (1548—1600) 到处宣传日心说，反对地心说，教会判他为“异端”，1600年被烧死在罗马鲜花广场。

意大利思想家乔尔丹诺·布鲁诺 (1548—1600）

日心说要彻底取代地心说，还有很长的路要走。

02 伽利略的科学实验及方法
1568年，荷兰力学家西蒙·斯蒂文 (1549年—1620年) 在他的力学著作《静力学原理》中提出斜面上力的分解与合成原理，这给伽利略在论证斜面上物体的惯性定律上有一定的启示。1586年，斯蒂文和好友格罗德在代尔夫特做了自由落体实验。他们在1605年发表：重的铅球和轻的铅球同高度自由下落，两者同时落地。这推翻了人们信奉的亚里士多德一千多年的学说。

在1589—1591年间，意大利科学家伽利略·伽利雷 (1564—1642) 对自由落体运动进行了仔细的实验和观察。伽利略为了描述物体的运动，定义了速度、瞬时速度、匀速运动、加速度、匀加速运动等概念。瞬时速度公式：

意大利科学家伽利略·伽利雷 (1564—1642）

由于物体竖直下落快，不方便测量。于是伽利略采用了“冲淡重力”的方法，即把铜球放在光滑的斜面上自由下滑，用光滑的斜面是为了减少摩擦力的影响。

当时测量时间的工具只有水滴计时，且瞬时速度很难测量。于是伽利略根据路程公式和瞬时速度公式推出路程与时间的平方成正比：

然后，伽利略要对其进行验证。伽利略测量出每次水滴下落时铜球走过的距离，再求出时间的平方，发现距离与时间的平方之比时定值，这验证了他的猜想。

从现在来看，路程和时间平方的关系很容易通过图像推出来：

这就是匀加速运动路程表达式，只是当时还没有坐标系。但是，伽利略的思维并没有停下，他提出了猜想，既然物体在斜面上做加速度不变的匀加速运动，且不同的高度满足这个规律，那么将斜面倾角增高到90°，物体也会遵循这个规律，从而得出自由落体运动是匀加速运动，与重量无关。

伽利略还做了另外一个斜面实验，说明了力不是维持物体运动的原因。伽利略准备了两个非常光滑的斜面和一个足够圆和光滑的钢珠，他发现随着右边斜面高度的降低，钢珠基本能上升到和下滑时一样的高度，只是走的路程更长，如下图。

伽利略理想实验

于是伽利略就提出猜想，如果斜面绝对光滑，右边的斜面倾角为零度，则钢珠不会上升到原来的高度，会一直运动下去。这就是惯性定律。

伽利略在快70岁时前往罗马，在严刑威胁下被审问三次。1633年，被教会判处终生监禁。

伽利略是一个非常勤奋的科学家，他将实验引进科学，开创了一套科学的研究方法，将实验、观察和理论相结合：

对现象的观察—提出假设—进行数学和逻辑的推理—实验验证—形成理论

因此，伽利略被后人誉为“近代物理学之父”、“物理实验之父”、近代自然科学创始人。

03 开普勒行星定律
哥白尼虽然提出了日心说，但是并没有立即得到认可。

1571年，约翰尼斯·开普勒出生于德国符腾堡。16岁时，开普勒进入蒂宾根大学学习文学。在校期间，开普勒的天文教授麦斯特林秘密教授日心说，开普勒受到很大的影响，开始对天文学和数学产生浓厚的兴趣。

德国天文学家约翰尼斯·开普勒 (1571—1630）

1596年，开普勒发表他在天文学方面的第一部著作《宇宙的神秘》。书中，开普勒肯定了哥白尼学说，虽然开普勒提出的结论是完全错误的，但是他的数学才能得到了丹麦天文学家第谷·布拉赫的赏识。第谷本人并不支持日心说，他自己提出了自己的宇宙结构学说。

1600年，开普勒接受第谷的邀请，来到布拉格郊外的天文台，担任第谷的助手。第谷对天文观测的数据非常准确，开普勒和第谷共事一年多后，第谷第二年就去世了，他把自己毕生观测的数据交给了开普勒。开普勒当了第谷的接班人后，开始认真整理计算第谷的观测数据，想要通过以此来证明哪一种学说是正确的。

开普勒要解决的问题是行星的运行轨道遵循什么数学定律。开普勒先对火星进行计算，因为第谷对火星的观测资料是最多的。他假设火星运行轨迹是正圆，然后进行计算，结果发现火星的位置与第谷的数据相差八分，这使他很惊讶，但他相信第谷的数据是不会出错的。于是他断定，行星的运行不是哥白尼体系和托勒密体系的匀速圆周运动，而且线速度时刻都在变化。他又用其他的几何形状来计算，最后发现椭圆才符合观测数据。

1609年，开普勒发表他的天文学著作《新天文学》，他在书中提出了两个行星运动定律：

  · 行星运动第一定律：轨道定律，每个行星都绕着太阳运动，运动轨迹是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。

开普勒第一定律

  · 行星运动第二定律：面积定律，行星在近日点速度最快，在远日点速度最慢，行星和太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。

开普勒第二定律

两个定律发表之后，开普勒并没有满足自己的成就，选择继续研究，他始终坚信行星的周期和轨道满足某种关系。经过十年煞费苦心的计算，开普勒于1609年发表行星运动第三定律：周期定律，行星运动椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方成正比。

开普勒第三定律

为了纪念开普勒的丰功伟绩，这三个行星运动定律也被称为“开普勒定律”。开普勒的发现，是哥白尼体系的完善，完全否定了正圆轨道，也彻底推翻了托勒密地心说。它使复杂的宇宙结构简单化，使人们更容易认识宇宙。从开普勒起，天文学才真正成为一门精准的学科。

牛顿的伟大综合

01 万有引力定律
虽然开普勒提出了行星运动定律，但是并没有具体论证为什么行星会绕着太阳转。开普勒猜想，太阳对行星有某一种力，这种力随着行星到太阳的距离增大而减小。

1643年，艾萨克·牛顿出生于英格兰。牛顿上中学的时候学习很努力，非常热爱几何学和哥白尼的日心说。在剑桥大学时，牛顿喜欢读伽利略、开普勒等人的思想，这为他后来成为伟大的科学家奠定了扎实的基础。

英国科学家艾萨克·牛顿 (1643—1727）

1665年，英国爆发瘟疫。为了躲避瘟疫，学校被迫关闭，牛顿回到老家。这两年期间，牛顿开始思考太阳吸引行星的力和研究微积分。因为在数学上的成就，牛顿在1669年被授予卢卡斯数学教授席位。

关于行星受到的引力与行星和太阳之间距离的关系，胡克和雷恩早就根据开普勒第三定律推出了力与距离的平方成反比的定律，但为什么会形成椭圆轨道，他们也束手无策。

牛顿开始思考，使苹果落地的力以及使月球绕地球运行的引力是不是同一种力。牛顿认为，既然在地球上平抛某一物体，在引力的作用下会做抛物线运动，那么，在月球上平抛某一物体，这个物体就有可能在引力的作用下绕月球运转。当时人们已经测出了地月距离是地球半径的六十倍，月球运行周期是27天7小时43分。牛顿根据这个数据，得出地球上物体受到的重力是月球绕地球引力的3600倍。因此，只要认为苹果受到的力和月球绕太阳的力是同一个力，且遵循平方反比的定律，就足以解释天体运动和地球上自由落体运动。

1684年，哈雷去剑桥专门拜访牛顿，询问了有关平方反比定律的轨迹问题，牛顿对此表示几年前做过证明。哈雷想要证明过程，于是牛顿写了一篇9页长的论文《论轨道上物体的运动》给哈雷，哈雷觉得这篇文章有划时代的意义，就督促牛顿把他所有的研究成果写成著作发表。牛顿经过一年半的专心写作，写成《自然哲学的数学原理》，哈雷资助牛顿出版。在书中，牛顿提出了他的运动三定律和万有引力定律：

两物体之间的引力与两物体质量乘积成正比，与距离平方成反比。

在牛顿之前，人们认为天上的物体和地上的物体遵循不同的运动规律。牛顿发表万有引力定律之后，首次统一了天上和地下。牛顿的《自然哲学的数学原理》具有划时代的意义，他是日心说的完全胜利，总结和统一了前人的研究成果，是一套完整的科学理论，标志着经典力学的建立，为英国工业革命奠定了理论基础。牛顿也被誉为“经典力学之父”。

02 牛顿的科学方法
在这之前，英国哲学家培根强调归纳法，以实验为基础；数学家笛卡尔强调演绎法，以数学为基础，这两种方法是互相排斥的；牛顿在科学方法上的贡献就是将这两种方法结合起来。实验和数学结合的科学方法，不仅成功地建立了经典力学体系，实现了物理学上的大统一，还推动了近代科学的发展，为工业革命奠定了基础。

牛顿能发现万有引力定律，他的高明之处在于没有像开普勒、伽利略等一样，深究引力产生的原因，而是去描述它，这就形成了一种科学研究的规范。这就是牛顿提出的简单性原理。

科学的发展，是一个去伪存真的过程，也是一个残酷的过程，很多科学家受到教会的迫害。从此，科学真正成为一门精准的学科，彻底从宗教中走出来。

来源：历史大合集头条号