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1、2019最新沪科版物理高一上3-E 从牛顿到爱因斯坦教学参考从牛顿到爱因斯坦牛顿和爱因斯坦 , 是科学思想发展史上两个划时代的人物。他们的工作 ,不仅分别构建了一个新的物理学体系 ,而且带来了世界观上的巨大改变。这些都是无与伦比的成就。牛顿之前的教会科学牛顿之前的科学 , 是基督教教义下的附属品。在那里科学并不是真理 ,唯有上帝和圣经才是真理的来源。上帝是不说话的 ,圣经的含义也需要有人来解释 , 于是作为上帝和他的子民之间交流的 “中间人 ”的教会 ,就成了 “真理 ”的实际 “所有者 ”。毕竟圣经中记载的只是一些传说之类的小故事, 并不涉及对自然规律的东西,仅仅将圣经奉为真理是掩耳盗铃的做
2、法,教会也深知这一点,如果不在圣经神学体系中另行加入点什么东西 , 使之涵盖自然界 ,反倒会使圣经的权威性受到质疑。而相对完备的自然科学理论已经由亚里士多德等古希腊学者们建立起来了。于是, 教会将亚里士多德等人的自然科学理论有选择性地加以吸收、修正、使之符合基督教教义, 然后将其作为基督教的一部分, 与圣经一并奉为真理 ,建立了完整的基督教神学的世界体系。由于教会所认可并将之奉为真理的自然科学体系,其中很多都是在古希腊、古罗马时期形成的 , 其中有些理论甚至在其提出之初就已经被质疑了 ,而另外一些则在长达千年的社会实践中暴露出它的错误。为托勒密所完善的地心说的宇宙体系就是基督教会所认可、采用的
3、宇宙理论。但实际上由于其复杂的本轮、均轮系统 ,就是连托勒密本人也不认为是客观世界的反映 ,而仅仅作为一个数学上有用的工具来使用。盖仑对人体结构的知识并非来自对人体的解剖 ,在之后医学实践中错误百出。但是教会作为一个宗教组织,并不是理性的 , 它的绝对权威来自对上帝的绝对信仰,而修正它所承认的自然学体系就是对上帝信仰的冲击,同时也意味着对基督教绝对权威的损害。特别是由于教会还享有巨大的世俗权力 ,是一个既得利益阶层 ,拥有着巨大的政治、经济利益 , 对教义的一丝抵触 , 都是对教会切身利益的威胁 ,因此 ,对所谓的 “异端 ”思想进行严酷镇压就是必然的了。这种镇压 ,是对宗教信仰动摇者的镇压
4、,也是对自由思考的镇压。从而使得绝大多数人在神学教义的灌输下、在对异端残酷镇压的恐吓下,放弃了思考的本能, 保持了对基督教的绝对顺从。于是在当时的人们看来,自然界就如教会认可的自然体系所规定的那样运行着的 ,而这些又都从属于上帝的旨意。这就是牛顿之前的科学。牛顿1、前人的遗产在牛顿之前 ,现代科学已经在教会的桎梏下艰难的萌芽了。在物理方面,有哥白尼、伽利略、开普勒等人的杰出贡献。1 / 4由于天文学和社会生产实践紧密相关,天文学是诸学科中较早突破教会神学的学科。最早由哥白尼在 1542 年发表天体运行论, 提出了以太阳为中心的宇宙体系,作为教会所认可、采纳的地心说的反动。虽然哥白尼在其中使用了
5、圆形轨道,使得日心说的预言并不比当时的地心说体系强 , 但是仍然在极端顽固的反抗新思想的教会自然体系中打开了缺口。之后开普勒在老师第谷 布拉赫观测资料的基础上建立了行星运动的三大定律,其中第一定律修正哥白尼的圆形轨道为椭圆、太阳在椭圆的一个焦点上,另外两定律则将行星运动的速度、周期明确数学化、公式化。另一方面的 ,伽利略对物体的运动进行了详细的考察,并将数学的方法引入其中 ,为整个物理学的发展提供了概念基础、数学基础和研究方法。2、牛顿的工作牛顿在开普勒三定律、惠更斯的向心力公式的基础上,创造性地推出了万有引力公式,其中开普勒三定律成为新公式的推论以及某种程度的近似,也是得日心说成为无以质疑真
6、理。牛顿在伽利略等人工作的基础上, 建立了物体运动的三大定律。上述两项工作 , 发表于 1687 年出版的自然哲学中的数学原理一书中。在这本书中,牛顿建立了以他名字命名的近代力学体系。此外为了给其研究提供必要的数学工具,牛顿还建立了微积分理论,并在光学、传热学等诸多领域 ,深入研究 ,取得开创性的成就。3、科学上的意义首先 ,牛顿的工作 ,第一次将整个自然界的运动统领于一个规律之下。在亚里士多德等先贤那里,地上的世界和天上的世界是截然不同的两个世界,天上圣洁、高贵 , 地上卑微、低贱 ,这也为基督教神学中天堂提供了理论根据 ,并因此在基督教神学中保留。天地有别的观念由此在人们心中更加坚定。而在
7、牛顿建立的力学体系中,区区四个简单公式,却是整个世界运行所遵循的规律,日月星辰 ,尽在其中；天地万物 ,概莫能外。而由牛顿提出的物体之间相互吸引的作用 ,后来被称为 “万有引力 ”,足见天地万物的统一 ,对人们影响之大。其次 ,牛顿的力学体系为整个近代自然科学奠定了基础,并由此形成完整的自然科学体系。由于牛顿的力学体系是涵盖整个物质世界运动的理论体系,因此 ,其他的自然科学学科的建立, 或者直接在牛顿力学基础上深化、细化（如动力学、静力学等）,或者在牛顿力学允许的范围内发展 ( 如生物学、地学 ) , 决不能与牛顿力学相悖 ,而物理学的其他成熟学科 ,如电磁学、光学、热学的发展都力图建基在力学
8、之上。于是牛顿力学成为整个自然科学的核心。4、思想上的影响牛顿的成就 ,不仅在科学领域, 更为重要的是在人们对世界的认识上产生了巨大的影响。从牛顿建立以他名字命名的力学体系到其后几代科学家对该体系的不断完善, 牛顿力学发展成为一个精微之至而又无所不及的理论体系, 得到广泛应用。而与此同时, 由于经济的发展、社会的进步, 教会的势力不断地削弱,人们对上帝充满敬畏的信仰渐渐淡薄,本来由上帝占据的绝对、必然、权威的位子, 此时出现了空缺。而当人们发现日月星辰如牛顿所规定的那样运行、哈雷彗星在牛顿力学预言的日期准确回归之时,牛顿的力学体系迅速填补了上帝2 / 4留下的这个空缺 , 成为人们心中绝对、必
9、然的象征。 甚至牛顿本人也被赋予了某种神的形象在牛顿的悼词中 , 波普（ Pope ）引用圣经中的话写道： “上帝说需要有光 ,于是牛顿出现了”。而这种对牛顿力学体系近乎神的崇拜,在牛顿身后一个多世纪内得到了进一步的强化。这主要是由于各个物理学科在牛顿力学体系下不断取得成果, 在实践中被不断成功地应用。在热学领域 ,最早由傅立叶提出了热传导的数学模型,由此发展出的计算传热的方法,时至今日都被奉为经典。在流体力学、理论力学领域, 伯努力、欧拉、哈密尔顿等人运用牛顿三定律发展起来的计算方法,解决了众多工程技术问题,并且沿用至今 ,整个社会的方方面面都运用到了牛顿力学所带来的方法。最为震撼人心的莫过
10、于海王星的发现：1846 年 ,当人们在法国人勒威耶通过牛顿力学方法“计算 ”出的位置上真的发现了一颗新的行星之时,牛顿力学在人们心中上帝一样的地位变得无可动摇。对牛顿力学体系这种认识最终扩展到了哲学领域。由康德所著的纯粹理性批判一书中就是要说明先天综合判断是存在的 ,而在康德看来牛顿力学体系正是这样一种基于先天综合判断而先天为真的理论体系。从而牛顿力学体系在哲学的高度上被确认为绝对真理。爱因斯坦与相对论背景1、绝对而完善的牛顿力学体系如前所述 ,牛顿力学取得的巨大成就使得人们对其产生了近乎宗教的崇拜。而科学家们也是如此 ,热学、电磁学等物理学科无不向牛顿力学的方向发展, 最终成为 “热力学
11、”、 “电动力学”。因为牛顿的力学体系就是绝对的真理,就是万物至理。法国数学家、天文学家拉普拉斯在其著作中曾表示,只要知道当今所有物质粒子的状态参数, 就可以计算出世界的过去、将来任何时刻的状态,这就是著名的 “拉普拉斯决定论 ”。而到十九世纪末 ,某位著名的物理学家还曾不无感慨地说,以后物理学家的任务就是计算弹性系数之类的修修补补的工作了。2、阴云突现绝对时间和绝对空间是牛顿在其原理一书中赋予的概念,构成了牛顿力学体系中基本的时空观念。而充斥于绝对空间之中的是一种假想的“物质 ”以太。在当时的认识中, 以太是绝对静止之物, 是光波传播的介质,众多的天体也运行其中。随着科学的不断进步,越来越多
12、的观测实践难以由以太假说解释。特别在19 世纪末 , 著名的实验物理学家麦克尔逊和莫雷做了著名的用他们名字命名的实验, 用以测量不同方向的光在以太中运动的相对速度之差,从而测得地球相对以太运动的“绝对速度 ”。结果是没有发现不同方向的光相对于以太有速度差, 这就意味着地球相对于以太的绝对速度为0。这对经典的牛顿力学体系是一个致命的冲击。3、特设性的解决为了弥合观测和理论间的矛盾,当时很多科学家作了大量的工作。但是在现在看来,都是基于旧的绝对时空观念下的特设性假设（ad hoc ）。而这其中最突出的是洛仑兹的工作。为了在保留以太作为绝对参考系的情况下是地球绝对速度为零的观色结果与理论相符合,洛仑
13、兹提出了著名的以他的名字命名的洛仑兹公式,在公式中 , 运动的物体 , 构成物体的质点间的距离减小 ,从而以此解释为什么麦克尔逊- 莫雷实验得出的地球绝对速度为零的结论, 他这个公式在相对论中是被保留的,但是 ,他的公式建基于绝对时空观上,其理论体系概念繁琐、3 / 4理论体系庞杂而不严密。而在后来的相对论中 , 这个公式可由爱因斯坦提出的两个假设的基础上推导出来的 , 它们之间有本质的不同。相对论爱因斯坦所走的路就是完全抛弃某些牛顿力学体系中的既有观念, 从而在新的基本假设的基础上建立新的力学体系。1、思想渊源对牛顿理论绝对性的怀疑并非爱因斯坦的首创。早在17 世纪 ,贝克莱主教就曾仔细的分析过牛顿力学的理论体系,得出的结论是：这只是一个内部自洽的逻辑体系, 只是无数逻辑上可能的体系中的一个,4 / 4
