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1、第五章：现代科学的大发展第一节 物理学的全面发展1.1经典力学形式的发展及外展式应用 在牛顿原理出版后的近半个世纪中，除了流体力学和弹性理论之外，没有人提出过新的力学原理，万有引力理论乃至理论天文学本身也没有什么重要进展。这也许是因为消化一种造成自然科学革命的理论需要时间的缘故。力学由“革命时期”的质变而转入“常规时期”的量变，这是理论自身不断完善的过程，它主要表现在两个方面：其一，是力学“在牛顿定律基础上的一种演绎的、形式的和数学的发展其二，是牛顿力学的外展式应用。 有人讲牛顿的威望反而使英国此后的科学毫无成果，这是英国人的保守态度所致。从历史来看，牛顿的原理没有用他发明的数学分析方法微积分
2、方法，而是用几何方法表述与论证的；加之他的流数法在符号上的不方便，不仅使得他的分析法甚至在英国都没有很好地普及，同时也使他的原理本身的传播和普及受到阻碍。英国著名哲学家G贝克莱(GBerkeley，16851753)就是激烈攻击牛顿数学分析的代表人物之一。不过，他的批判后来却在法国刺激了达兰贝尔(dAlembert，17171783)和柯西(ALCauchy，17891857)等人，使之在发展微积分和极限理论的同时，实现了牛顿力学的形式化发展。18世纪中叶以后，达兰贝尔的力学原理(1743)、欧拉(Leonhard Euler，17071783)的刚体和流体运动方程(1759，1761)、拉格
3、朗日(JLLagrange，17361813)的解析力学(1788)和拉普拉斯(Laplace，17491827)的天体力学等相继问世，这些著作高度的展开并完善了牛顿理论，其中数学分析方法成了理性向自然界逼近的锐不可挡的武器。 自原理发表以后，如此众多的现象通过经典力学、特别是引力理论的应用而被解释。牛顿理论证明了为什么物体在不同高度和纬度，其下落速率会发生变化。它还解释了月球的规则运动和不规则运动问题。它提供了理解和预报潮汐现象的物理基础，并揭示了地球的岁差率现象是月球对地球赤道隆起处吸引的结果。对牛顿理论的最成功的应用，是哈雷彗星的预言。哈雷(E.Halley，16561742)通过对16
4、82年大彗星的观测与研究认为，不仅是行星，而且彗星同样在万有引力作用下运动。他发现1531年、1607年、1682年的三个彗星的轨道非常相似，而推断它们是同一个彗星，并计算出其接近地球的周期为7576年，因此预言下一次彗星出现在1758年。尽管在此之后的1740年他以87岁的高龄去世了，但后来以他的名字命名的这颗大彗星于1758年圣诞之夜如期地光临地球上空。然而，比哈雷彗星的成功预言更加辉煌和振奋人心的还是海王星的发现。英国青年亚当斯和法国青年勒维列分别独立地根据万有引力定律和摄动理论研究推导出未知行星的位置。在计算结果送给柏林的加勒(18121910)的当天晚上，就在预测的位置上找到了这颗后
5、来被命名为海王星的行星。这一事件宣告了牛顿力学的最终胜利，使它成为所有科学的模式；而在科学外部，则逐渐表现出牛顿的革命意识。 1.2 经典力学作为形而上学模式牛顿和他的同时代人约翰洛克(JohnLocke，16321704)是伟大的新思想的象征。这种新思想孕育了在思想信仰和习惯势力领域中的革命，它标志着以启蒙运动为起点的新时代的到来。正如一位学者所说：“牛顿思想的影响是巨大的。整个启蒙运动的纲领(尤其是在法国)是自觉地建立在牛顿的原理和方法的基础上的，这在后来则转变为西方现代文化。道德、政治、技术、历史、社会等等的某些中心概念和发展方向，没有哪一个思想和生活地域能够逃脱这种文化转变的影响。”。
6、一般说来，牛顿的经典力学的形而上学模式有三个特点：首先，牛顿模式中包含一种依靠一个个事实的实证与归纳达到原理方法，这种方法的实质是只能问“怎么样”(How)，而不能问“为什么Why)。因为问原因归根结底就是问第一原理，那就等于探索创造的神秘。正如法国启蒙运动领袖之一伏尔泰所说：“任何第一原理，我们也可能认识。”尽管牛顿晚年为了解释造成行星椭圆轨道的切向力来源，曾提出“上帝的第一推动”的神学思想，但他认为创造后的宇宙不再受神的任何统制。因此牛顿模式的形成客观上有助于启蒙运动的领袖们切断神学与自然科学联结的纽带。除了实证与归纳之外，牛顿模式的又一精髓则是把数学作为开启宇宙秘密的钥匙，因为数学结论的
7、优点在于它的普遍性。在这种模式看来，整个自然界的符合机械原理的有规则的运动完全可用数学来描述，空间与几何学领域变成了一个东西，时间则与数的连续变成了一个东西。外部世界于是成为一个量的世界，一个可用数学计算的运动的世界。这种由伽利略奠基而由牛顿完成的模式统治自然科学达三个世纪之久。最后，由于牛顿经典力学是当时自然科学惟一上升为理论层次的学科，加之它所取得的辉煌成功，使力的概念以及由波义耳开始到牛顿完成的关于物质理论的微粒(素)学说被众多学科所运用，“力”和“素”的概念超出了力学、光学和化学领域而被赋予一般方法论意义。比如，用热素来解释热的本质，用燃素来解释燃烧的本质，以及用弹性素、磁素等莫须有的
8、“素”来解释振动和磁等各种现象的物质基础；又比如，在运动的原因问题上，以各种不存在的“力”(化学亲和力、电接触力、生命力等)来解释各种运动过程的本质，这是统治一个时代的形而上学自然观的机械论特征。1.3 真空与流体力学除了刚体力学外，近代力学的又一分支是流体力学。在流体力学方面作出贡献的主要代表人物有西蒙斯台文、托里拆利(E.Tofricelli，16081647)、帕斯卡、盖里克(OGuericke，16021686)和波义耳(RBoyle，16271691)等人。斯台文作为近代力学先驱曾发现过若干重要的流体静力学定律。例如，他用实验演示了所谓“流体静力学悖论”：液体对盛放液体的容器的底所施
9、的力只取决于承受压力的面积大小和它上面的液柱的高度，而与容器的形状无关。此外，他还隐含地假设了后来由帕斯卡提出的原理：流体中任何一点处的压强各向相等。最后，他还研究了浮动物体的平衡条件，他发现这种物体的重心必定和所排开的流体的重心(即“浮心”)在同一垂直线上。这个时期的流体力学与技术发展联系密切。伽利略在1638年注意到，在超过18腕尺(约10米)的深井里，泵就不能起作用了。他说这里显现了对自然真空的抵抗力的限度，从中不难看出亚里士多德关于“大自然厌恶真空”的观点的痕迹。对这种现象第一个作出科学解释的是伽利略的学生托里拆利。他抛弃了亚里士多德的学说，也没有依靠与其相对立的同样形而上学的原子论解
10、释。他与伽利略的另一学生维维安尼(VViviani，16221703)一起于1643年使用比水的比重大136倍的水银，反复进行实验，说明管内水银柱上部形成的真空是大气压力起作用的缘故。托里拆利认为，汞柱高度日常的微小变动是大气压变化的结果。这个假设由于他的早逝而未能证实。他们用来做实验的设备后来称为“托里拆利气压计”或“托里拆利管”，管子顶部留下的空间被称为“托里拆利真空”。托里拆利还创立了流体动力学。他在1644年几何学著作一书中证明了，从一个充满水的容器侧壁的一个孔喷出的水柱的路径呈抛物线状，射流的速度及单位时间流量和一个物体从水面高度自由落到孔的高度时所达到的速度成正比，因而也和水柱在孔
11、上面的高度的平方根成正比。帕斯卡在托里拆利逝世不久，不仅用汞和水重复做了托里拆利实验，而且于1648年即托里拆利逝世后的第二年在其姻弟佩里埃的帮助下沿着海拔1 648米的多姆山的山坡从山脚到山顶设置若干观测站，每站安装一个托里拆利气压计。他们发现，汞柱的高度随着站的高度的增加而递减，同时，即使在山脚下的气压计也不时有微小变化。这个实验有力地证实了托里拆利的假设。佩里埃建议用数字列表表明气压计汞柱高随着海拔高度的变化。帕斯卡提出把气压汁作为测量高度的仪器，此外，帕斯卡对流体力学的主要贡献是提出了著名的“帕斯卡定律”，即：流体中任何点上的压强必然按原来的大小向各方向传递。在同一时期，法国马德堡市市
12、长盖里克尝试了用泵排除空气形成真空的实验。他先后发明了三种抽气机，其中最后设计的改良抽气机同波义耳发明的抽气机之间有相互启发的关系。抽气机的发明与改进，对于气体物理性质的研究具有至关重要的意义。1654年盖里克公开表演了用16匹马拉开排除了空气的两个铜半球(被命名为“马德堡半球”)。波义耳得知此实验后利用自制的抽气泵进行多种实验，从而创立了“空气的收缩与压缩的力成正比”的波义耳定律。哈雷以这一定律为根据终于实现了佩里埃的建议，列出了第一个气压对高度关系表；而牛顿把气体粒子假定为静止的弹簧从而推导出了波义耳定律。此外，盖里克还制造了高达四层楼左右的水气压计。他还根据气压变化同天气变化之间的关系，
13、预报了1660年的一次严重风暴。1.4 热学的起步在近代，对热现象的研究是从测量“热度”开始的。在科学地定义温度概念以前，人们往往将温度的变化和物体所含热量的多少混为谈，均用“热度”来表示。为了能精确地测量热度，许多科学家都致力于温度计的研制。我们在伽利略时代的测温器中看到了温度汁的原始形式，与之相比较，法国的吉永阿蒙顿大约在1700年发明的空气温度计，是一个相当大的进步。德国人丹尼尔加比尔华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit16861736)是华氏温度计的制造者。以水的冰点和沸点作为固定点的百分温标，是1742年由瑞典人安德斯摄尔絮斯(AndersCelsius，17
14、011744)采用的。至于在0和100之间插入数值的精确性问题，1 9世纪才被提出和加以研究。直到18世纪，自然科学才区分开热量和温度；而“冷”这个术语，直到19世纪才从科学的词汇中最后消失。力学已经达到能够计算行星运动的阶段时热学理论仍然处在原始的水平。对于热的本质问题，整个17世纪相当普遍地认为是由物体的最小粒子的运动而形成的。培根在新工具中正确地指出：“热是向外扩张而又受了限制的一种运动，热的精英和本质就是运动，并不是别的。”约翰洛克也说明：“热是物体中各部分难以察觉的非常活泼的搅动，我们所感觉的热，除了物体中的运动以外，别无其他。”，这个热的概念是非常现代化的但又是思辨的，因此不难理解
15、它为什么会在18世纪被热质说所代替。在对热现象进行大量研究的基础上，英国化学家布莱克等人提出了热质(素)说。这种学说认为：热是一种流体，它可以渗透到物体中去并在热交换中从一个物体流向另一个物体；加热就是给一定物体增加热质，而冷却则是从该物体放出热质；尽管在热交换前后，物体中的含量有所改变，但它们的总量是守恒的。热质说能解释许多已知的热现象，因而在18世纪成为一种主流的理论，它的确立和当时的科学发展水平和机械自然观有很大的关系。直到19世纪，热质说才让位于热是能的一种形式的观念。今天已成为热力学的基本课题一一热的定量测定，直到19世纪才开始。苏格兰的约瑟夫布莱克(JosephBlack，1728
16、1799)在温度和热量之间，画出一条明显的界限；他引入了卡路里、比热、热容量、熔解热和潜热等术语。他的研究是按照热质说进行的，并使热质说几乎得到完全普遍的承认。与此同时，热的唯动说还没有完全被放弃。丹尼尔。伯努利(Danier Bernouli，17001782)的流体动力学(1738)与当时流行的观点相反，它把热归结为分子的相互排斥。他利用数学推理，成功地推导了波义耳和马略特定律，论证了压强和分子速度的平方成比例，证实了阿蒙顿实验：当密闭的定量气体的温度增加某数值时，气体压强的增加和密度成比例。可是当时热质说占优势，拥护者中包括权威拉瓦锡，他甚至把卡路里纳入化学元素表。拉瓦锡、皮埃尔西蒙和拉普拉斯由于用冰量热器进行测量，从而对量热术作出了贡献。18世纪末，美国人本杰明汤姆逊即伦福德(Bejamin Thompson，即Rumford，17
