从伽利略到牛顿

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1、 从伽利略到牛顿1武际可:科技史选讲之五u 科学的真科学的真理不应该在古代圣人 的蒙着灰尘的书上去找，而应该在实验中 和以实验为基础的理论中去找。真正的哲 学是写在那本经常在我们眼前打开着的最 伟大的书里面的，这本书就是宇宙，就是 自然界本身，人们必须去读它。u伽利略t 转引自杨栩编，外国名人名言录，新华出 版社，1983年，第146页2武际可:科技史选讲之五n经过从远古到中世纪漫长岁月的积累，力学的发展 来到一个大飞跃的时期17世纪。力学是关于物体 平衡和运动的科学，谈到运动的精确化，就得和时 间的量度密切相联系。在历史上，力学的精确化首 先是从对天体运动观测和描述的精确化开始的。这 是因为

2、天上的行星运动相对缓慢，是以日、月、年 为单位来计算的，在时间量度上没有什么困难。还 因为天体的受力相对简单，没有像地上的事物如车 的运动，受有各种复杂的力不易分析清楚。我们说 开普勒关于行星运动的三定律是经典力学的序曲， 是因为这些定律给出了天上行星的运动学规律。一 旦将运动学和力联系起来，力学学科便走向成熟了 。前言3武际可:科技史选讲之五n前言伽利略的生平与科学贡献惠更斯和其他学者的贡献牛顿及其在力学发展中的贡献4武际可:科技史选讲之五n这一时期出现了一批杰出的力学家，而 其中最为卓越的是伽利略、惠更斯和牛 顿。伽利略可以说是近代科学的鼻祖， 他的贡献是多方面的。在力学上，他最 早给出惯

3、性原理表述、给出了落体和抛 体的运动规律。惠更斯是摆钟的发明人 ，他给出了圆周运动的规律。而牛顿则 是一位善于总结前人经验的大师，是他 归纳和发展了前人的研究成果构筑起经 典力学的大厦。5武际可:科技史选讲之五n在伽利略之前一千多年，欧洲关于物体运动规 律的认识始终是由亚里斯多德学说统治着。n亚里斯多德在论天（On the heven）中说： “一定的重量在一定的时间内运动一定的距离 ，一较重的重量在较短的时间内走过同样的距 离，即时间同重量呈反比，比如，如果一物的 重量为另一物重量的二倍，则它走过一给定的 距离只需一半的时间。”1这就是亚里斯多德 著名的落体下落速度与重量成比例的错误结论 。

4、1 苗力田主编，亚里斯多德全集II，中国 人民大学出版社，1911年，第281页6武际可:科技史选讲之五亚里斯多德 Aristotle,384B.C.322B.C. 7武际可:科技史选讲之五n亚里斯多德对运动作了有益的探求。但是他的 有些错误结论，统治了西方达2000年之久。英 国哲学家罗素（Russell,B.,1872-1970）在评价 他时说：“他生当希腊思想创造时期的末叶； 而他死之后一直过了两千年，世界才又产生出 来任何可以认为是大致能和他相匹敌的哲学家 。直迄这个时期的末尾，他的权威性差不多始 终是和基督教会的权威性一样地不容置疑，而 且它在科学方面也如在哲学方面一样，始终是 对于

5、进步的一个严重障碍。自17世纪初以来， 几乎每一种认真的知识进步，都必须是从攻击 某种亚里斯多德的学说开始的。” 8武际可:科技史选讲之五罗素 Russell, B. 1872-19709武际可:科技史选讲之五1 伽利略的生平与科学贡献n11 伽利略的生平n伽利略(Glileo Galilei,1564，2，151642 ，1，8)出生于意大利的比萨，他的父亲 是一位音乐家，在音乐理论和音乐实践上 都很有成就。伽利略是7个孩子中的老大 。他10岁之前一直住在比萨，之后迁往佛 罗伦萨，上了几年学后，被送往卡马多萨 (Camaldolese)修道院。他作为一名见习修 士加入了修道会。不过，他父亲却

6、希望他 去学医，重将他接回佛罗伦萨。10武际可:科技史选讲之五n1581年，当伽利略17岁时，来到比 萨大学学医。在学校里，他以数学和 物理见长，而且因为善于辩论而闻名 全校。1585年，伽利略离校回家，专 门研究古希腊人的科学著作。根据阿 基米德的浮力原理，他发明了测定合 金成分的流体静力学天平，这项工作 引起了意大利学术界的注意，有人称 他为“当代的阿基米德”。11武际可:科技史选讲之五n伽利略在佛罗伦萨教了几年书后，于 1587年首次访问了罗马。在那里接触 了一些数学家与天文学家。 1589年，伽利略写了一篇论固体重心 的论文，获得了人们的称道，因而他 获得比萨大学数学教授职位，这时他

7、刚满25岁。1592年他又受聘到帕多瓦 大学数学教授，这时的薪水是比萨大 学的三倍。12武际可:科技史选讲之五伽利略像13武际可:科技史选讲之五n伽利略的一生，大致可以分为三个时期 ：在比萨大学任教三年（15891591） ，在帕多瓦（Padua）大学任教18年（ 15921610），之后他回到佛罗伦萨任 托斯康大公爵的首席哲学家和数学家（ 16101642）。14武际可:科技史选讲之五n伽利略是哥白尼学说的忠诚的拥护者， 但是在大学教学的二十多年中他一直没 有讲授哥白尼学说。1613年他推荐卡斯 特利接替他原任比萨大学数学教授职位 ，卡斯特利一上任，校方就警告他不得 讲授哥白尼学说。卡斯特利

8、说：伽利略 嘱咐过我，伽利略教书20年中也没有讲 过哥白尼学说。然而伽利略的一系列科 学上的新发现都是与日心说不谋而合的 。15武际可:科技史选讲之五n1610年他写了星际使者一书、1613 年他写了关于太阳黑子的书信一书 都支持了哥白尼学说。在1616年初，伽 利略从地球运动的观点写了一本详细论 述潮汐理论的书，把它献给红衣主教奥 西尼。1616年2月24日，在宗教法庭红衣 教主的每周例会上裁决，要红衣主教贝 拉明通知伽利略，不可再坚持被批评的 观点。16武际可:科技史选讲之五n伽利略观测到的科学事实推动了哥白尼 学说的传播，因而引起了宗教势力的恐 惧。1616年3月5日，天主教宣布哥白尼

9、的天体运行论为禁书。17武际可:科技史选讲之五n但是，伽利略坚持哥白尼学说的立场并没有为 黑暗势力的恫吓而动摇。反而公开站在哥白尼 学说的立场，系统地维护和宣传哥白尼学说。n16241630年，伽利略花了很大的精力写出了 巨著关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对 话，并于1632年出版。n这本书的出版更加激怒了教会，1633年2月宗 教法庭把伽利略传到罗马，并于1633年3月12 日审判。宗教法庭强迫年近古稀的伽利略认错 ，责令他居住在被指定的佛罗伦萨郊区，不得 离开，并且不许他写的关于托勒密和哥白尼 两大世界体系的对话流传。18武际可:科技史选讲之五n宗教法庭对伽利略的审判与迫害，是整 个人类

10、历史上黑暗势力迫害科学发展的 典型。随着科学的发展，越来越证明这 种迫害的荒唐。n在判决伽利略359年后，梵蒂冈终于认识 到1633年判决的错误，一个教皇的委员 会在1979年组成了。1983年，罗马教廷 才宣布“给伽利略定罪的法官犯了错误” 。经过这个委员会13年的调查研究，罗 马教皇终于在1992年作出了对伽利略正 式平反的决定。19武际可:科技史选讲之五12 伽利略在科学上的贡献n伽利略在科学史上是一位难得的天才。 之所以难得，一方面他既精于理论又关 心实际问题，另一方面，他是在天文、 力学、数学三方面都有突出贡献的学者 ，三是在方法论上，他既擅长于思辨论 证又开系统科学实验与观察的先河

11、，后 人称他为“科学实验之父”。20武际可:科技史选讲之五他在科学上的贡献简述如下。n在天文学方面n1609年，他从一位朋友的来信中得知，荷兰有 一位名叫利珀希的人有一项奇异的发现，即望 远镜。他听到这消息后，立即根据光学原理自 己制做了一具。他制做的这种望远镜，是由一 片度数很小的凸透镜作为物镜和一片度数很大 的凹透镜作为目镜的组合。至今还被称为伽利 略望远镜。这种望远镜经过不断改进后，1610 年他制成了放大倍数为32倍的望远镜。他便开 始用他自制的望远镜观察天空。他是世界上第 一个用望远镜观察天空的人。21武际可:科技史选讲之五n1611年，他用望远镜发现了木星有4个卫星， 发现银河是由

12、无数星球组成的。后来他发现金 星与水星都像月亮一样有圆缺，发现太阳有黑 子，证实了太阳有自转。n他的这些发现都公布在他的著作星际使者 和关于太阳黑子的书信中。他对哥白尼学 说的发展集中反映在他的天文学巨著托勒密 与哥白尼两大世界体系的对话中。书中聚集 了他数十年在天文研究上的成果与学术主张。 对话对于托勒密和亚里斯多德系统给了致 命的打击。22武际可:科技史选讲之五在力学方面n伽利略是世界上第一个认真研究动力学的学者 。从青年时代他便对物体运动发生了浓厚的兴 趣，他收集前人关于这个问题的研究成果，结 果使他大失所望。他说：“在自然界没有比物 体的运动更为古老的问题了，但是，关于这个 问题没有任

13、何有意义的记载。”他在力学上的 研究成果，也同在天文学上的研究成果一样， 是对亚里斯多德许多陈旧教条的否定。23武际可:科技史选讲之五n伽利略是世界上第一个认真研究动力学的学者 。从青年时代他便对物体运动发生了浓厚的兴 趣，他收集前人关于这个问题的研究成果，结 果使他大失所望。他说：“在自然界没有比物 体的运动更为古老的问题了，但是，关于这个 问题没有任何有意义的记载。”他在力学上的 研究成果，也同在天文学上的研究成果一样， 是对亚里斯多德许多陈旧教条的否定。24武际可:科技史选讲之五n伽利略提出了惯性原理，即：一个物体 一旦运动起来，便一直用同一速度沿同 样的方向不断运动。n伽利略给出了斜面

14、上物体下落的运动规 律，他说这种情形也是匀加速运动。他 还说：“一个物体的末速度是随垂直高度 而变，而与斜面的倾角无关。”这一结论 可以看为能量守恒定律最早期的表述。n伽利略进行了摆的实验，发现了摆周期 的等时性原理。25武际可:科技史选讲之五26武际可:科技史选讲之五n在振动方面，他说明一个律音的音调依 赖于一个给定时间内振动的次数。伽利 略是第一个将音律与振动的频率联系起 来的学者。n在静力学与梁等方面他对梁进行了最早 的实验研究。27武际可:科技史选讲之五伽利略 关于梁 的试验28武际可:科技史选讲之五n伽利略在力学方面的成果集中反映在他 的著作关于两种新科学的谈话中， 他这里所说的两种

15、新科学指的是材料力 学和动力学。n伽利略对数学问题的研究，反映在他对 无限的认识上，他在对力学问题的论证 方法上恢复了阿基米德的传统。29武际可:科技史选讲之五n 关于匀加速度运动中伽利略在关于两 种新科学的谈话中有这样的定理：n （美）威弗马吉编，物理学原著选读 ，商务印书馆，1986年，第426页n定理1，命题1。 匀加速运动的物体移动 一段距离所需的时间，等于同样的物体以 匀加速运动的最小速度与最大速度之和的 一半的速度移动同样距离所需的时间。13 伽利略的原著选段30武际可:科技史选讲之五事实上，令AB表示物体由C到D作匀加速运动所需的时 间。在AB上我们画出增加的速度，最后的速度用直

16、线 EB表示。我们画出AE以及一些平行于EB的线来表示增 加的速度。我们把EB分成一半，分点为F并画直线FG平 行于BA，GA平行于FB。平行四边形AGFB等于AEB。 31武际可:科技史选讲之五关于落体运动 伽利略有下述定 理：n定理2，命题2。物体从静止降落，以匀 加速运动，其所通过的各空间距离，与 通过这各个距离所需的时间的平方成正 比例。32武际可:科技史选讲之五图3 伽利略关于抛物体运动的 示意33武际可:科技史选讲之五34武际可:科技史选讲之五关于抛射体的运动，伽利略认为它 走的是抛物线，他说：35武际可:科技史选讲之五n设有一个升高的水平线或水平面ab，一个物体沿着它 从a到b作匀速率的运动。设该平面在b点遽然截断；那 么，在断点上，该物体由于本身的重量就会沿bn而下 降的自然运动。沿平面ba画线be来表示时间的流逝或 量度；将该线分成bc、cd、de等线段以表示同等的时 间间隔；从b、c、d、e各点画出与垂线bn平行的物体 降落线。在第一落线上画