物理論文 牛頓對經(jīng)典力學(xué)的貢獻

【專家解說】：牛頓與經(jīng)典力學(xué)的建立 呂增建 焦作大學(xué) 摘要 牛頓一是一位偉大的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家。他 在自然科學(xué)史上占有獨特的地位。他的科學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的出版, 標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立。經(jīng)典力學(xué)理論體系的科學(xué)成就和科學(xué)的方法論啟迪了 人類征服自然的無窮智慧, 對現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會進步產(chǎn)生了極其深遠的影 響。 關(guān)鍵詞 牛頓經(jīng)典力學(xué)貢獻 牛頓是偉大的物理學(xué)家, 在他所處的時代, 哥白尼提出了日心說, 開普勒從第谷的觀測 資料中總結(jié)了經(jīng)驗的行星三定律, 伽利略又給出了力、加速度等概念并發(fā)現(xiàn)了慣性定律和自 由落體定律。但是, 這些物理概念和物理規(guī)律是孤立的, 在邏輯上是各自獨立的東西。牛頓 正是“ 站在這些巨人的肩上” 對行星及地面上的物體運動作了整體的考察和研究, 用數(shù)學(xué)方法, 使物理學(xué)成為能夠表述因果性的一個完整體系。正如牛頓所說“ 自然哲學(xué)應(yīng)稱之為 “ 物理學(xué),’ 的目的在于發(fā)現(xiàn)自然界的結(jié)構(gòu)和作用, 并且盡可能地把它們歸結(jié)為一些普遍的法則和一般的定律—用觀察和實驗來建立這些法則, 從而導(dǎo)出事物的原因和結(jié)果⋯ ⋯” 牛頓對力學(xué)的研究成果集中體現(xiàn)在他的科學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》以下簡稱《原理》 中, 這本書是科學(xué)史上極為重要的偉大著作。牛頓在《原理》書中, 提出了力學(xué)的三大定律 和萬有引力定律, 對宏觀物體的運動給出了精確的描述, 總結(jié)了他自己的物理發(fā)現(xiàn)和哲學(xué)觀 點。可以說在整個科學(xué)史上沒有一部著作在創(chuàng)新或思維方面可以和該書相媲美, 在取得偉大 成就方面也是如此。它不僅標(biāo)志了十六、十七世紀(jì)科學(xué)革命的頂點, 也是人類文明進步的劃 時代標(biāo)志, 它不僅總結(jié)和發(fā)展了牛頓之前物理學(xué)的幾乎全部重要成果, 而且也是后來所有科 學(xué)著作和科學(xué)方法的楷模。該書的出版, 標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立, 立即作為新科學(xué)的經(jīng) 典著作而受到崇敬, 在科學(xué)發(fā)展史上建立了一個不朽的豐碑。 1.1劃時代的巨著《原理》 《原理》一書分為兩大部分, 在第一部分中, 牛頓首先明確了當(dāng)時人們常?；煜膸讉€ 重要概念, 如質(zhì)量、慣性、外力、向心力、時間、空間等, 然后提出了運動的基本定理和定 律, 即牛頓力學(xué)三定律, 力的合成與分解、動量守恒定律、質(zhì)心運動定律、相對性原理以及 力的等效原理等。這一部分雖然篇幅不大, 但它是全書的基礎(chǔ), 內(nèi)容極為重要。第二部分是 這些定律的應(yīng)用, 又分為三篇, 前兩篇是用演繹推理的方法導(dǎo)出了萬有引力定律, 確定了這 一定律的具體形式討論了阻尼運動、流體動力學(xué)以及流體靜力學(xué)等。在第三篇中, 用已發(fā), 第期呂增建牛頓與經(jīng)典力學(xué)的建立現(xiàn)的規(guī)律解釋宇宙體系, 研究天體的觀測資料, 其中包括行星圍繞太陽的運動, 衛(wèi)星圍繞行星的運動, 地面上物體的降落運動和拋射運動, 慧星軌道的確定, 歲差以及潮汐現(xiàn)象與萬有引力的符合程度等, 首次把地上的運動與天體運動用數(shù)學(xué)方式聯(lián)系起來。 牛頓的時空觀是絕對的, 它雖然不能正確揭示作為物質(zhì)存在形式的空間和時間的統(tǒng)一 性, 不能正確揭示物質(zhì)和運動的統(tǒng)一性, 但它正確反映了當(dāng)速度遠低于光速時的經(jīng)典理論的 基礎(chǔ), 它是在當(dāng)時實驗條件下的科學(xué)總結(jié), 是人類認(rèn)識自然的一個里程碑。 1.2著名的牛頓三定律 在明確了這些概念, 建立了時空觀以后, 牛頓又精辟地闡述了著名的運動三定律。 “ 定律工每個物體繼續(xù)保持其靜止或沿一直線作等速運動的狀態(tài), 除非有力加于其上 迫使它改變這種狀態(tài)?！?“ 定律運動的改變和所加的動力成正比, 并且發(fā)生在所加的力的那個直線方向上?！?“ 定律每個作用總有一個相等的反作用和它相對抗, 或者說, 兩物體彼此之間相互 作用永遠相等, 并且各指其對方?！?牛頓三定律是在觀察和實驗的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的, 已被公認(rèn)為宏觀自然規(guī)律, 并成為數(shù)學(xué) 演繹的基礎(chǔ)。第一定律是在伽利略、笛卡兒關(guān)于慣性定律的基礎(chǔ)上建立起來的, 對當(dāng)今的物 理學(xué)家來說, 它幾乎自然地成了力學(xué)的基礎(chǔ)。第二定律是在明確了質(zhì)量概念以后, 對伽利略 動力學(xué)思想的發(fā)展, 它是運動三定律的核心。牛頓第一和第二定律是密切相關(guān)的。第一定律 表明一個不受干擾力的質(zhì)點保持它的原有的運動狀態(tài)第二定律則表明, 力只能引起原有運 動狀態(tài)的改變。故這兩個定律否定了伽利略—牛頓時代以前關(guān)于必須有力才能保持運動的 錯誤觀點。第三定律的指出, 可以說是牛頓對力學(xué)發(fā)展的一個最具創(chuàng)造性的獨到的貢獻, 這 個定律的確立指出了每一個力都有其反作用力, 從而對力的概念作了完整的概括。這三個看 起來非常簡單的物體運動定律作為一個整體是動力學(xué)的基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ), 從牛頓奠定之后又 成為近代動力學(xué)和天體力學(xué)研究的基本出發(fā)點, 因此得到物理學(xué)家, 甚至所有科學(xué)家和自然 哲學(xué)家的極大重視。 1.3萬有引力定律 在引力問題上, 牛頓在觀念上肯定了地球上的重力與天體間引力的同一性, 這在科學(xué)史上有特別重要的意義。他從建立總的力學(xué)體系出發(fā), 排除次要因素, 發(fā)揮他高超的數(shù)學(xué)才能處理變量問題, 在前人已知引力平方反比定理的基礎(chǔ)上, 把向心力與物體天體的質(zhì)量聯(lián)系起來,并利用了他的反作用定律, 從而推廣為普適的萬有引力定律峽。利用萬有 引力理論, 人們發(fā)現(xiàn)了海王星、冥王星, 解釋了今后幾百年內(nèi)極多的地面現(xiàn)象與天體現(xiàn)象, 例如哈雷慧星、地球的扁形等。定律經(jīng)過了實踐的嚴(yán)格檢驗, 得到了全世紀(jì)的公認(rèn)。直到今天, 萬有引力定律仍是最精密可靠的基本定律之一, 也是天體力學(xué)和宇宙航行計算的基礎(chǔ)。 牛頓的功績及經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立對現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的影響和啟示 恩格斯在談到牛頓的成就時說, 牛頓“ 借助于萬有引力定律而創(chuàng)造了科學(xué)的天文學(xué), 借助于對光學(xué)的分解而創(chuàng)造了科學(xué)的光學(xué), 借助于二項式定理和無窮級數(shù)理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué), 借助于對力的本性認(rèn)識而創(chuàng)造了科學(xué)的力學(xué)” 。對牛頓的科學(xué)貢獻作了極高的評價。牛頓是一位偉大的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家。他一生的重要貢獻是集十六、十七世紀(jì)科學(xué)先驅(qū)們成果的大成。以《原理》出版為標(biāo)志創(chuàng)立了一個完整的經(jīng)典力學(xué)理論體系, 把天地間萬物的運動規(guī)律概括在一個嚴(yán)密的統(tǒng)一理論中, 正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規(guī)律, 從而完成了人類文明史上第一次自然科學(xué)的大綜合。以牛頓命名的力學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ), 也是現(xiàn)代工程力學(xué)以及與之有關(guān)的工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。此外, 為了說明天體現(xiàn)象和物理規(guī)律, 牛頓在數(shù)學(xué)上創(chuàng)建的微積分微積分之發(fā)明, 史學(xué)家也歸功于萊布尼茲, 他們幾乎同時創(chuàng)立了微積分學(xué)與微分方程, 為后來自然科學(xué)的發(fā)展提供了最為必要的思想工具和數(shù)學(xué)手段, 開創(chuàng)了數(shù)學(xué)發(fā)展的新紀(jì)元。同樣, 牛頓在熱學(xué)、光學(xué)、天文學(xué)等方面都做出了自己的卓越貢獻。如同歷史上一切偉大人物一樣, 牛頓雖然對人類作出了巨大的貢獻, 但他也不能不受時代的限制。他對那些暫時無法解釋的自然現(xiàn)象歸結(jié)為上帝的安排, 提出所謂“ 第一推動力” , 花費后半生的心血寫出巧萬字的神學(xué)著述。牛頓雖然有這樣或那樣的缺點或不足, 然而正是經(jīng)典力學(xué)的建立表明了一個新時代和新科學(xué)文明的到來。 牛頓是近代理論物理學(xué)的創(chuàng)始人, 他所建立的力學(xué)理論體系不僅能說明已有的理論已經(jīng)說明的現(xiàn)象, 更重要的是, 經(jīng)典力學(xué)理論能預(yù)見到新的物理現(xiàn)象和物理事實, 并能以天文觀測或?qū)嶒炞C實它們的正確性。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者楊振寧教授在談到物理學(xué)發(fā)展時曾指出物理學(xué)發(fā)展的動力有兩個, 一個是實驗, 另一個是物理學(xué)本身的結(jié)構(gòu)。理論物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的, 沒有實驗, 沒有對客觀現(xiàn)象的分析和研究就不可能有物理學(xué)的發(fā)展。和經(jīng)典力學(xué)體系相應(yīng)的是, 牛頓建立了研究自然科學(xué)的新方法。他站在巨人的肩上以培根的實驗歸納方法為基礎(chǔ), 又吸收了笛卡兒的數(shù)學(xué)演繹體系, 形成了他的比較全面的科學(xué)方法通過實驗和觀察即分析現(xiàn)象, 然后加以概括和總結(jié)為普遍法則即綜合方法, 啟開了實驗科學(xué)的大門, 使作為實驗科學(xué)的物理學(xué)形成了一個光輝的體系。這已成為人類認(rèn)識事物本質(zhì)的智能體現(xiàn)和重要的方法論之一, 三百年來為自然科學(xué)的繁榮立下了不朽功勛。 牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系和他的方法論使物理學(xué)在十八、十九世紀(jì)期間得以迅速發(fā)展, 并成為那時理論物理學(xué)的綱領(lǐng)或規(guī)范, 直到麥克斯韋電磁理論誕生, 人類對客觀世界的認(rèn)識擴展到電磁領(lǐng)域, 提出電磁場概念。這也可以認(rèn)為是牛頓引力場理論的一次重大飛躍。量子力學(xué)和相對論的建立以及人們對自然過程的物理認(rèn)識都可以看作是牛頓思想的一種系統(tǒng)的發(fā)展。 牛頓是位偉大的科學(xué)家。他在自然科學(xué)史上占有獨特的地位, 給兩個多世紀(jì)的自然科學(xué)的 內(nèi)容和結(jié)構(gòu)打上了自己的烙印。他的經(jīng)典力學(xué)體系所奠定的物理基礎(chǔ)和方法啟迪了人們征服 自然的無窮智慧, 二百多年來受到人們的高度崇敬。他的科學(xué)成就和哲學(xué)觀點不僅對當(dāng)時的學(xué)術(shù)界和思想界起著重大推動作用, 而且還影響了的后來的一些社會變革, 對現(xiàn)代化科學(xué)發(fā)展和社會進步都產(chǎn)生了極其深刻的影響。 參考文獻 谷世義物理學(xué)史簡編 天津和科學(xué)技術(shù)出版社, 陳毓芳, 鄒延肅物理學(xué)史簡明教程 北京師范大學(xué)出版社, 丁士章等簡明物理學(xué)史 山西人民出版社, 周培源在紀(jì)念牛頓《原理》三百周年大會上的講話 物理通報, 錢令希等中國大百科全書物理學(xué) 中國大百科全書出版社, 梅益等中國大百科全書物理學(xué) 中國大百科全書出版社,