1、第七章 經典力學體系的建立 經過許多科學家的努力，在天文學和力學方面已經積累了豐富的資料。在此基礎上，牛頓實現了天上力學和地上力學的綜合，形成了統一的力學體系。這是人類認識自然歷史的第一次大飛躍和理論大綜合。它開辟了一個新的時代，并對科學發展的進程以及后代科學家們的思維方式產生了極其深刻的影響。牛頓力學的建立是科學形態上的重要變革，標志著近代理論自然科學的誕生，并成為其他各門自然科學的典范。然而，在十七八世紀里其他自然科學仍處在積累資料的階段。第一節 經典力學體系化的知識基礎 以研究機械運動為對象的力學，在17世紀下半葉建立了一個普遍的力學體系，絕不是偶然的，是由多方面的原因造成的結果。 歐洲

2、經過16世紀百余年的宗教和政治改革的大變動之后，到17世紀下半葉進入了一個政治上較為安寧，經濟上趨于繁榮的時期。生產實踐為力學研究提出了許多問題，這就給科學的發展以推動力。 推動科學家們研究天體運動規律的另一個原因則是由于科學自身發展的要求。例哥白尼學說提出了許多懸而未決的問題。諸如行星運動的軌道形狀問題，為什么行星要沿著一定的軌道繞日運行問題等等。這些問題的研究并不是出于某種實用的目的，但它對科學未來的發展卻具有極重要的價值。正是這種研究為近代力學的體系化奠定了知識基礎。 為牛頓力學的建立打下重要基礎的有一系列的科學家，特別是伽利略與開普勒（15711630）對牛頓力學的建立有著非常重要的影

3、響。伽利略通過對自由落體的研究，已經發現了慣性運動和在重力作用下的勻加速運動，奠定了牛頓第一定律和第二定律的基本思想。伽利略關于拋物體運動定律的發現，對牛頓萬有引力的學說也有深刻的啟示作用。天文學家開普勒所發現的行星運動定律則是牛頓萬有引力學說產生的最重要前提。1609年，開普勒出版了他的新天文學一書，公布了太陽系行星運動的兩條基本定律： 行星運動第一定律：行星的軌道為橢圓，太陽在橢圓的一個焦點上； 行星運動第二定律：在相等的時間內，行星和太陽的聯線所掃過的面積相等，亦稱面積定律。 在這之后，開普勒又發現了行星運動第三定律：太陽系中任何兩顆行星公轉周期的平方比等于它們軌道半徑（半主軸長）的立方

4、比，亦稱周期定律。行星運動三定律的發現，使整個太陽系的運動的圖景以更加簡單明了的形式被揭示出來。由于開普勒的發現，使太陽系成為一個嚴格按照確定規律運行的力學系統。因此，西方人把開普勒稱為“天空立法者”。第二節 牛頓和他的力學體系 牛頓創造性的成果卻無與倫比。他在劍橋時期，研究涉及光學、物理學中的許多領域。1671年，他制成了反射望遠鏡，1687年，他的代表作自然哲學的數學原理一書出版。 牛頓作為一個杰出的科學家不僅在力學上作出了重大貢獻，還在許多領域里取得了劃時代的成果。正如恩格斯所說：“牛頓由于發明了萬有引力定律而創立了科學的天文學，由于進行了光的分解而創立了科學的光學，由于創立了二項式定理

5、和無限理論而創立了科學的數學，由于認識了力的本性而創立了科學的力學?！?牛頓對科學的杰出貢獻是他建立了經典力學的體系，這集中地體現在他的著名著作自然哲學的數學原理一書中。1687年出版的這部著作共分三卷，第一卷分析了物體在向心力作用下的運動，第二卷分析了物體在阻力介質中的運動。在這兩卷中，闡述了作為力學基礎的時間、空間、質量、動量、力等基本概念，敘述了運動的基本定律，即牛頓力學三定律，解釋了書中所使用的數學問題，并用演繹方法推演出萬有引力定律。第三卷是關于宇宙的構造，這是用已發現的力學定律去解釋哥白尼學說和天體運動的規律。 牛頓力學三定律構成了近代力學的基礎，也是近代物理學的重要支柱。牛頓對于

6、力學的最重要貢獻則是萬有引力的發現。 牛頓的力學三定律和萬有引力定律把天體運動定律與地上物體運動定律統一起來，建立起了經典力學的理論大廈。牛頓把他的力學理論應用于太陽系，解決了天體力學中的一系列問題。他拿出了計算太陽質量和行星質量的方法，證明了地球是一個赤道凸出的扁球，解釋了歲差現象，說明了潮汐的漲落，分析了慧星運動的軌跡和天體攝動現象等。 在18世紀及以后的一系列事實，證實了牛頓力學的真理性，從而得到了廣泛的承認。 對證實牛頓萬有引力定律有重要意義的事實，一是哈雷慧星的發現, 二是地球形狀的證實,三是關于行星攝動現象的證實。此外，如關于引力常數G的測定等，也都證實了萬有引力定律。1781年，

7、英國天文學家赫舍爾（17381822）發現了天王星，首次發現了行星的攝動。1799年，法國著名科學家拉普拉斯（17491827）出版了天體力學一書，建立了行星運動的攝動理論和行星的形狀的理論，進一步證實了萬有引力定律的正確性。在這之后，人們運用萬有引力定律對天王星攝動現象進行復雜的計算，預言了海王星的存在。1845年發現了海王星，這是對萬有引力定律的有力證明。 一批科學家以牛頓的學說為基礎，創立了力學的新的分支。諸如彈性力學、流體力學、材料力學等等。到18世紀末，牛頓和牛頓力學已取得了巨大的威望，運動三定律和萬有引力定律的地位已牢牢確立。第三節 牛頓時代其他科學的發展 十七八世紀自然科學的主要

8、成果是牛頓力學的形成。整個說來，其他各門自然科學尚處在積累資料并逐漸形成為獨立學科的時期。 一、微積分的建立 牛頓和萊布尼茲（16461716）在繼承前人數學研究成果的基礎上，分別獨立地完成了微積分的建立工作。 二、物理實驗研究的新發現 在牛頓時代，人們對光、電、熱等物理現象也開展了廣泛的研究，并取得了一批科學成果。1光學的成果伽利略曾提出光是按有限速度傳播的。荷蘭數學家斯涅耳（15911626）發現了光的折射定律，提出了折射率概念。丹麥天文學家雷默算出了光速。在近代科學發展的初期，人們就開始了對光的本質的研究，科學史上光的微粒說與波動說之爭長達相當長時間。 牛頓是17世紀光學的集大成者。牛頓

9、發現了光的色散現象，證明了不同光譜色的光可以合成為白色光。牛頓指出，一切自然物體的顏色只是由于它們對某一種光譜色的光反射得更多些。牛頓關于顏色的理論，是光學中的重要突破。牛頓設計并制造了反射式望遠鏡。牛頓對于光學的研究成果，集中地反映在1704年出版的光學一書中。2 物理現象的新發現17世紀聲學、熱學和電磁學的實驗研究并無多大進展。18世紀，熱學上的第一個重要進展是由于德國的華侖海特（16861736）和瑞典的攝爾西斯（17011744）建立了測定溫度的標準，據此發明了華式和攝氏溫度計，從而有可能把溫度與熱量區別開來。英國物理學家，化學家布萊克（17281799）在論證了溫度與熱量區別的基礎上

10、，進而提出了比熱和潛熱的概念。這些概念的形成是18世紀熱學的主要成就。熱學的研究在這時是同蒸汽力的應用分不開的。在對熱的本質的認識上，布萊克等所倡導的熱質說或熱素說則仍占統治地位。 在電和磁學的實驗研究方面，英國劍橋大學的米歇爾（17241793）在1750年發現了兩個磁極之間的作用力與磁極間距離的平方成反比。 電學方面在18世紀的進展，首先是因為有了靜電起電機和萊頓瓶的發明。荷蘭萊頓大學的森布羅克（16921761）和德國的克萊斯特（17001748）分別發明了能貯存靜電電能的電容器，即萊頓瓶。靜電起電機與萊頓瓶的發明為靜電研究提供了實驗工具。美國的富蘭克林（17061790）對閃電的本性作

11、了開拓性的勇敢的探索，證實了地上的靜電與天上的雷電本質上相同，由此發明了避雷針。1785年，法國軍事工程師通過實驗測定，建立了靜電荷之間相互作用的數量關系式，即庫侖定律。3近代化學的初期成果。15世紀以后，作為化學原始形式的煉金術已經衰落，代之而起的則是醫藥化學。17世紀的醫藥化學家們發現了一些新的化學屬性、化學反應和化學藥品。17世紀真正把化學確立為一門科學的是著名的英國科學家波義耳（16271691）。他發現了氣體方面的波義耳定律。波義耳根據大量的實驗論證了化學元素的概念，把元素同化合物，混合物區別開來，使化學從煉金術中脫離開來。他在其主要著作懷疑的化學家一書中給元素下了比較清楚的定義。波

12、義耳把嚴格的實驗方法引入了化學，確立了化學的獨立性，成了近代化學的奠基者。 化學在十七八世紀的重要成果是法國科學家拉瓦錫建立了氧化燃燒理論。 1774年，英國化學家普列斯特利（17331804）通過實驗得到一種能夠幫助可燃物質燃燒的氣體。拉瓦錫把這種新發現的氣體命名為氧，并提出了新的燃燒學說，這就徹底地推翻了燃素說。對燃燒現象的深入研究，不僅得到了氧，還導致了18世紀對碳酸氣、氫氣、氯氣，氮氣等的發現。18世紀的化學家們還改進了化學分析方法，發展了吹管分析，濕法分析等分析方法。這一切為19世紀原子分子學說的提出，為化學工業的成長，奠定了科學技術基礎。 4顯微鏡的發明與生物學的成果。1661年，

13、意大利解剖學家發現了蛙肺的動脈末端與靜脈末端是通過毛細血管相連的，證實了血液的肺循環過程。這一發現是靠顯微鏡實際觀察的結果。顯微鏡是推動生理學、生物學前進的重要觀察儀器。經荷蘭人列文霍克（16321723）的改進，使顯微鏡放大倍數已達270倍，這就為觀察生物的微結構和微小的生物提供了有力的工具。胡克在1665年用自制的顯微鏡觀察軟木組織，發現了細胞。馬爾比基（16281694）等人在植物中觀察到了細胞組織，列文霍克又在顯微鏡下發現了血液中的血細胞，從而揭開了細胞學研究的序幕。1675年，列文霍克在污水中發現了大量的極小的動物一一一微生物，這就使生物學的研究進入了一個新的領域，即微生物世界。 自

14、古以來，在對于生物物種的由來的看法上，有所謂的自然發生說。第一個對自然發生說提出疑義的是意大利的雷迪（16261676），直到19世紀，才由巴士德（18221895）的著名實驗，徹底否定了自然發生說。 在十七八世紀中，關于物種由來的問題曾發生過預成說與漸成說的爭論。預成說主張，組成生物驅體的各種器官，不是新生成的，而是在卵里就已經形成了，后來只不過是它的擴展而已。漸成說認為，各種器官是由尚未分化的基體漸漸形成的。在十七八世紀里占統治地位的是預成說。隨著胚胎學的進步，預成說才逐漸破產了。 18世紀生物學的重要成就是瑞典學者林耐（17071778）作的動植物分類。早在古代就有兩種關于動植物的分類方

15、法，一是著眼于物種間的不連續性，抓住生物的一個或幾個特征，把生物劃分為若干類群；另一種則著眼于物種間的連續性，通過對生物的不同特征進行比較，找到不同生物間的聯系，把生物界看作是一個有親緣關系的生物鏈條。前者通常叫“人為分類法”，后者叫“自然分類法”。直到17世紀，由于分類方法不統一，動植物名稱更不統一，這為生物學研究帶來許多困難。林耐于1735年出版了自然系統一書，書中采用人為分類法，把有花植物分為23個綱，無花植物為一綱，成為“林式24綱”。綱下又分為目、屬、種，從而建立了植物的分類體系。在動物分類上把動物分成6個綱。林耐還發展了生物命名的“雙名法”，生物名稱用兩個拉丁字母表示，第一字是表示

16、屬名，第二字表示種名。林耐基本上完成了生物的人為分類，也使后人有可能進一步研究物種之間的關系和物種進化。在18世紀時也有人堅持自然分類法。演化思想的先驅者法國的布豐（17071788）認為，自然界是沒有柵欄的，把生物分為不連續的綱、目、屬、種是錯誤的。布豐從他的觀點出發，寫了動物自然史，對大量動物進行了詳細分類。布豐并且主張大自然能夠從一個原始的類型發展出一切其他的生物種類，最早提出了物種演化的觀念。第四節 科學觀與自然觀的變革 從16世紀中葉由哥白尼發起的天文學革命，到17世紀末葉牛頓經典力學體系的建立，是近代自然科學發展的第一個時期。經典力學體系的建立，標志著理論自然科學首先在力學領域誕生

17、了。理論自然科學是建立在實驗基礎之上，并且是定量地表述自然規律的一種知識體系。它與古代自然哲學的直覺猜測不同，又與實用科學的經驗知識匯集有根本的區別。力學在這一時期里作為帶頭學科，它的概念和方法對其他自然科學的發展有著深刻的影響。哈維血液循環理論的建立，使醫學、生理學、生物學從神學中解放出來，生理學、胚胎學取得了獨立的科學地位，動植物分類系統的建立，又為生物學研究開辟了道路；化學擺脫了煉金術的形式，經波義耳確立為獨立學科；聲、光、電、磁、熱等物理現象的實驗研究取得了新的進展。 一、科學觀的變革 科學內容及由此而引起的科學形態的變革，極大地影響了人們對科學的基本看法，引起了科學觀的變革。在這一時

18、期，推動科學前進的力量，當然還不完全是出于功利主義的目的。但是近代自然科學的發展，卻逐漸證明了它自身的價值。近代自然科學發展的一個重要特點，就是許多科學都表現出對當時一些主要技術問題的關切。技術的改進需要不斷地應用科學，科學的重要性逐漸地為人們所認識。17世紀的培根和笛卡兒就深信人類可以建立完整的自然科學知識體系，因而就會一大比一天生活得更好。 18世紀的多數學者不僅相信科學會有益于人類的進步，而且相信人類能得到充分可靠的自然知識，相信自然界可以被人正確地認識。神學統治科學的日子已經結束，神學雖然還可以歪曲科學的成果，但已無法阻止科學的前進。 二、自然觀的變革 隨著近代科學的發展，不僅推動了科學觀的變革，也使自然觀發生了巨大的變化，形成了機械唯物主義的自然觀。由于當時科學發展狀況的限制，這種自然觀有明顯的形而上學和機械論的特征。在這種形而上學的自然觀看來，自然界是絕對不變的，自然界的一切從來就是如此，將來也是這樣。 牛頓時代的自然科學主要是力學達到了比較完善的程度，因而人們往往