第二章：近代自然科學的誕生和發展

第一節近代科學革命

1.1天文學革命

哥白尼的日心地動說

哥白尼(NicolausCopernicus,1473—1543)是波蘭數學家兼天

文學家，于1543午發表了《天體運行論》一書，全面地闡述了他的

日心地動說。其要點是：太陽是宇宙的中心，所有行星在以太陽為公

共圓心的圓形軌道上繞日旋轉；地球是一顆普通的行星，它有自轉并

與其他行星一樣繞太陽公轉。根據這兩個基本觀點，哥白尼指出，太

陽的東升西落不是太陽繞地球旋轉，而是地球自轉的表現；天球上恒

星位置每年所發生的周期性變化也不是恒星運動所致，而是地球繞太

陽公轉的結果。以現代的觀點來看，哥白尼的學說并非完美無缺，但

是它從根本上糾正了自古流傳并為基督教會所支持的地心和地靜說

的錯誤，當哥白尼的學說為世人所接受之后，它就不可避免地動搖了

教會的權威，從而解放了人們的思想。

當代著名的科學史與科學哲學家庫恩(T.S.Kuhn,1922-1996)稱

哥白尼日心體系的誕生為“西方人知識發展的劃時代的轉折點”，因

為它不僅是天文學基本概念的變革，而且是人對自然的理解的根本變

革，甚至是西方人價值觀念變更的一部分。但也有些人斷言，哥白尼

革命只不過是提出了地球每日繞自身軸旋轉一周，每年繞太陽公轉一

周，甚至有些科學史家根本否認存在一場“哥白尼革命”。我們認為，

盡管哥白尼體系有很多舊理論的痕跡和不完善之處，甚至在得到觀測

證實的精確程度上一度比托勒密理論還遜色些，但是它用日心、地動

說代替統治天文學界多年的地心、地靜說，是在重大理論問題上用正

確認識取代了謬誤的認識。哥白尼理論的意義至少有兩方面：

其一，它引起了整個宇宙觀、世界觀的巨大變革。長期以來，

教會利用地心說來說明上帝創造世界，說明上帝創造一切都是為了地

球上的人類，所以有意把地球擺在字宙的中心。而現在，在宗教教義

中被說成是宇宙中心的地球已淪為一個普通行星，于是，上帝這個不

可動搖的偶像也就隨之而倒臺了。日心說動搖了宗教的自然觀支柱，

也就是動搖了宗教世界觀的基礎。從社會文化心理層面講，日心說對

地心說的背叛也是對近千年形成的精神生活方式和濃厚宗教情結的

挑戰。

其二，哥白尼日心理論引起了人類認識史上的變革。因為哥白尼

的著作宣布不服從權威和教條，不把宗教所尊奉的托勒密學說視為神

圣的；同時，宣布了自然科學就是要按自然界的本來面目來認識自然,

也就是說，凡是不符合自然界本來面目的東西，都要加以批判和修正。

正因為如此，恩格斯稱哥白尼的《天體運行論》是自然科學從宗教下

面解放出來的“獨立宣言二正是在它的帶動和影響下，整個自然科

學各個領域都紛紛與宗教教義相決裂，并大踏步地前進著。可以說，

這部著作是近代自然科學思想革命的起點。

在一定意義上可以說，哥白尼日心理論在哲學世界觀方面的價值

大于其在科學上的價值，對于思想解放的意義大于其方法論的意義。

也正是因為如此，這本書一發表就被列為禁書，教會對它極端仇視和

恐懼，直到200多年后的1758年才被開禁。

二.布魯諾和伽利略捍衛和發展日心說

哥白尼學說經過近兩個世紀才被牢固地樹立起來。盡管哥白尼學

說一開始就遭到天主教、路德教和加爾文教的反對,甚至弗蘭西斯?培

根也不接受這一理論，但這一學說還是被廣泛地傳播到整個歐洲。其

中，布魯諾和伽利略在哥白尼之后對日心說的捍衛和發展作出很大的

貢獻。

雖然作為天文學史可以不涉及，但作為近代宇宙觀史，決不能忘

記為哥白尼理論的傳播而獻出生命的意大利哲學家布魯諾

(GiordanoBruno,1548—1600)的名字。布魯諾年輕時就讀過《天體

運行論》，并成為哥白尼學說的傳播者。但他比他的先師更進一步，

即拋棄了恒星固定在以太陽為中心的最高天球的信念。他在1584年

出版的《論無限、宇宙和世界》中闡述了他的字宙無限、世界無限的

觀念，并做了哲學上的論證。

他指出，宇宙是無邊際的，因而沒有中心；太陽是太陽系的中心

而不是宇宙的中心，宇宙中存在著無數個太陽系一樣的天體，恒星就

是散布在無限空間中的一個個太陽。他關于類似太陽系這樣的世界有

無數多個的思想，先于牛頓關于天上、地上都遵守同一運動規律的發

現。

意大利科學家伽利略(GalileoGalilei,1564?1642)對近代天文

學革命的貢獻就在于他借助望遠鏡和力學(主要是動力學)思想證實

和捍衛了哥白尼日心體系。

伽利略根據他對光的折射的知識制作了可將物體直徑放大30倍

的望遠鏡，于1610年在《星際使者》中公布了由此得到的若干重大

發現。

其一，他發現木星有四個較小的“行星”（后來被開普勒稱為“衛

星”）圍繞它旋轉，這就好像一個縮小了的太陽系模型，這四個衛星

各有其可量度的周期。這就用科學事實推翻了地球之外只有7個天體

（恒星除外）的傳統觀念，并且向世人表明，地球不可能是宇宙中所有

天體繞之旋轉的中心。

其二，他還發現月球表面并不是乎坦、均勻的圓球形，而是凹凸

不平和粗糙的，有的山脈高達4英里。這個發現加上他后來觀測到的

太陽黑子（記敘于1613年發表的《關于太陽黑子的書信》一書中）存

在的事實（其面積大于地球亞非兩洲面積之和），打破了中柏拉圖、亞

里士多德以來關于天上事物是完美無瑕的神話，駁斥了“月上世界”

與“月下世界”屬于截然不同的兩個世界和“天貴地賤”的神秘主義

的觀點。

其三，銀河在以往用肉眼看上去好像是延綿不絕的一片光區，而

從望遠鏡中他分辨出這不過是數以萬計單獨恒星（其中包括用肉眼連

細微的光線都看不見的成千上萬個恒星）分布較為集中的結果。這個

發現使人們不禁要懷疑：如果上帝為人類利益而創造了宇宙，那為什

么把如此之多不可見的東西放在天上？

盡管伽利略在理論上沒有給哥白尼的宇宙體系增加什么內容，但

上述發現以其為日心體系提供的強有力的證據而沉重地打擊了經院

哲學和傳統教條。當時惟一公開支持伽利略的科學家只有開普勒，他

在《同星際使者的對話》一書中指出，這些新發現同他本人的理論是

一致的。但教會卻把日心說視為洪水猛獸。1616年教會把哥白尼著

作列為禁書，并警告伽利略，讓他放棄地動說。伽利略經過長期準備

和精心構思，在16年之后的1632年發表了《關于托勒密和哥白尼兩

大世界體系的對話》，在這部著作中最重大的貢獻在于他成功地分析

了反對日心說的兩個主要理由即沒有恒星視差和地上物體垂直墜落

的問題，從而使哥白尼日心體系得到進一步論證。

1.2醫學革命

近代初期，在醫學領域中，希波克拉底的“四體液”之類空想仍

占重要地位，因此治療人的疾病，通常還是試圖重新調整人體中體液

的比例，而不大注意對疾病的專門化研究。然而到了16、17世紀，

在用經驗主義代替思辨的科學變革的影響下，比較明智的醫生開始密

切注意各種疾病的差異及其不同要求，在文獻中出現了對不同疾病的

仔細觀察和詳盡描述的記載。

在近代科學誕生之前，在醫學生理學中居統治地位的是羅馬名醫

蓋倫的生理學說。他的生命元氣等學說盡管距真理很遠，卻由于基督

教的思想統治使他的學說在整個中世紀歐洲，人的眼中比他的自由探

討精神更為重要，從而堵塞了生理學探索的道路。第一個敢于起來批

判蓋倫學說的是比利時醫生、近代解剖學奠基人安法勒斯?維薩里

(A.Vesalius,1514—1564)。他于1543年發表了《人體的構造》一

書，他以多年從事人體解剖之所見，揭露了古代權威蓋倫等人的某些

結論缺乏根據。接著就是西班牙醫生塞爾維特(MichaelServetus,

1511?1553)于1553年發現了人體血液的小循環，他指出靜脈血是通

過肺部為空氣“凈化”之后變為動脈血的。其后，英國醫生哈維

(WilliamHarvey,1578~1657)在1628年發表的著作中系統地闡述

了他所發現的人體血液運動的大循環。他指出：血液在人體中是沿著

心臟一動脈一靜脈f心臟這樣的路線循環流動的；在動脈和靜脈之間

必定還有人們看不見的細微通道相連；流回心臟的靜脈血經過小循環

(即在肺部經過空氣的作用)變為動脈血，接著由心臟流出；心臟是血

液循環的出發點，又是血液循環的歸宿，心臟的脈動是血液循環的動

力。動脈血和靜脈血是分別流經心臟的左、右兩部分房、室，這兩部

分并不直接溝通。哈維的學說徹底推翻了蓋倫的觀點，同時給了教會

的神學說教以沉重打擊。哈維的學說有大量事實為據，雖然還有不完

善之處，但終究為科學的生理學奠定了基礎。

1.3科學方法革命

伽利略開創實驗方法

伽利略發明了光學望遠鏡，用大量天文觀測事實論證哥白尼日心

地動說。1609年，伽利略用自制的望遠鏡觀察天空，發現了一系列

前所未知的現象，如月球表面凹凸不平，猶如地球表面的山岳和湖海,

太陽表面有黑子；木星至少有四顆衛星等等。這些發現證明了天界并

非有如亞里士多德所說的那樣圣潔無瑕，宇宙中也并非只有一個中

心。

伽利略開創了實驗力學，標志著科學實驗方法的誕生。伽利略是

第一個把實驗引進力學的科學家，他利用實驗和數學相結合的方法確

定了一些重要的力學定律。通過實驗，伽利略發現了自由落體定律：

物體從靜止開始的自由下落是一種勻加速運動，物體下落的速度與其

經歷的時間成正比，下落的距離與其經歷的時間的平方成正比。根據

這個定律，在忽略空氣阻力的情況下，從同一高度自由下落的輕重不

同的物體應該同時到達地面，因為物體下落的速度與它們的質量無

關。伽利略還從邏輯上論證了重物先到達地面的不合理性。從而徹底

地批判了亞里士多德的錯誤觀點。

在研究落體運動的基礎上，進一步的實驗使伽利略想到：沿斜面

滾落的小球，如果再沿一無限光滑的平面繼續滾動的話，這時既沒有

使小球加速的因素，也沒有使小球減速的因素.它必將在這個平面上

保持原有的速度勻速前進，永不停止,這就是慣性運動。慣性運動指

出運動的物體具有維持原有運動狀態的特性，這就是說，亞里士多德

認為必須有外力才能維持物體運動的觀點也是站不住腳的。

伽利略通過觀察勻速前進的船艙內艙頂水滴下落和艙內蒼蠅飛

行的狀況，發現它們都沒有因船只的航行受到干擾，它們的運動狀況

與靜止的船艙毫無二致。據此他提出了運動的相對性原理：在勻速運

動系統內的力學現象與靜止系統內的力學現象并無區別。這個原理告

訴我們，不能根據地面上的力學運動來判斷地球是處在靜止狀態還是

在作慣性運動（假若我們把地球近似地看作一個慣性系統的話）。

二.經驗論與唯理論

英國弗蘭西斯?培根的《新工具論》倡導歸納法，成為近代科學

的主要方法。弗?培根在他的經驗主義認識論的基礎上，首創了科學

中的排除——歸納法。弗?培根在《新工具論》中多處批評了自亞里

士多德以來，僅僅根據少數觀察、用簡單枚舉法匆忙地從感覺和特殊

中抽象出最普遍公理的傳統作法；認為這種抽象由于“沒有采取對自

然作排除和分解或分離的方法”，其所得出的概括必定“是不確定的

和含混的”。為此，應當用科學歸納法取而代之。他提出的排除——

歸納法的基本思路是：

1.通過實驗觀察獲得有關某類現象的一切事實知識，其中包括

對該類現象的肯定事例、否定事例和該類現象所具物理性質的程度不

同的表現；

2.然后將全部事例編制成肯定事例表、否定事例表和程度表（即

比較表）；

3.借助逐步歸納和排除法，從事例中抽象出最低層次的公理（假

說）；

4.應用同樣方法從低層次的公理（假說）中構造出較高層次的公

理（假說），直至最終達到普遍性程度最高的公理（即“形式”）。

其中最重要的方法是逐步歸納法和排除法。而歸納法與排除法乃

是同一過程的兩個相反相成的方面。弗?培根把事實之間以及低層次

公理之間的相關，區分為偶然相關和必然相關（即本質相關）；不論是

由系統的實驗觀察材料概括出普遍性有限的真理，還是從普遍性程

度低的真理上升到內涵更豐富、概括性更強的真理，都要通過比較鑒

別，以發現并排除偶然的非本質的相關，從而抽取出必然的本質的相

關，作為進一步歸納概括的合適題材。只有如此才能牢固地建立起科

學理論的“金字塔”。有人認為弗?培根“否定抽象概念”，其實，培

根僅僅反對借簡單枚舉法，根據少數觀察貿然作出不恰當的“抽象”,

他并不反對、而且竭力主張以系統觀察為基礎、以排除和舍棄偶然相

關（即非本質相關）為關鍵程序的科學抽象。科學抽象原則是弗?培根

科學歸納法的靈魂。

近代科學盡管在很大程度上得益于實驗觀察和歸納方法，但要建

立邏輯上完備而自恰的科學理論體系，單靠經驗方法是無能為力的。

笛卡爾最早看到了這個問題，在科學方法論上提出了以“普遍懷疑”

為前奏、以直觀——演繹法為核心、以事實驗證為補充的科學發現與

科學說明的邏輯模式。

在笛卡爾看來，要使科學取代統治人們思想達兒個世紀的經院哲

學，就必須把科學知識大廈及其每一組成部分都建立在“理性”的基

礎之上，為此就要“盡可能地把所有事物都來懷疑一次"。這一語道

破了新哲學與傳統哲學的本質區別。笛卡爾認為，感覺有可能會欺騙

我們，理性也往往會判斷錯誤，故而一切憑感官得到的知識、一切先

人之見與偏見、一切傳統教條和信念，都應毫無例外地通通放到理性

的法庭上加以審判。在笛卡爾那里，懷疑本身不是目的，而是手段；

懷疑不是消極的、虛無主義的，而是積極的、富于建設性的。因此他

的懷疑論是一種方法論的懷疑論，是構筑科學知識大廈的否定性準

備。它不僅是每一個別的科學認識發生的前奏，更是科學作為系統整

體而發生的初始環節。這種懷疑論是新興資產階級社會理想和價值觀

念在認識論領域的反映，是近代史上推動人類理性解放的一面旗幟。

笛卡爾認為，科學的最高成就是一種命題金字塔，其建構順序是

由上而下即由一般到個別。那么處于金字塔頂端的作為科學理論體系

大前提的最一般原理（即公理）從何而來?笛卡爾的“天賦觀念”論是

對這個問題的唯心主義的、但又是當時相對成功的一種解決。笛卡爾

認為，來自外界的關于事物的感覺觀念是不可靠的，而由人的心靈自

由虛構和臆想的觀念是個別的和偶然的，只有來自理性本身的“天賦

觀念”才是一切普遍性、必然性知識的惟一可靠的來源。這種觀念作

為真理性認識的標準在于其無可懷疑的確定性和自明性；由于它既不

依賴于感覺經驗，也不依人的自由意志為轉移而具有客觀實在性，因

此，以這種觀念作為最普遍原理，可以成功地解釋一切自然現象。

在笛卡爾科學方法論中，最核心的乃是作為其知識哲學中心內容

的直觀——演繹法。所謂直觀“既不是指感覺的易變表象，也不是虛

假組合的想像所產生的錯誤判斷”，而是靠人的認識普遍性、必然性

知識的天賦能力而獲得對于基本的、清楚明白的、不證自明的真理的

直接了解。所謂“演繹”，是指運用數學中的推理方法從直觀得到的

第一原理出發所進行的全部帶必然性的推理。它相對于“直觀”來說,

是認識自然的“補充方法”。笛卡爾認為，傳統的三段論只能說明已

知的真理，而對于那些要發現真理的人來說則毫無價值。作為演繹推

理大前提的第一原理是運用理性直觀的力量而發現的，第一原理的創

造性保證了由它所推演出的知識的新穎性。因此直觀——演繹法不單

是說明的邏輯，而主要是一種發現的邏輯。這是它同亞里士多德三段

論的本質區別。

笛卡爾接受了亞里士多德關于科學是演繹陳述系統的思想，并試

圖用他的直觀——演繹法構造一個龐大而包羅萬象的人類知識金字

塔。但是，并未成功。因為僅僅根據一般定律的考慮，人們不可能確

定物理過程的進程。于是，他為了克服直觀——演繹法的局限和困難,

不得不給實驗觀察和歸納方法以一席之地，運用這些方法對定律和推

論進行事后的驗證或經驗批準。但這些僅僅是科學研究中的輔助性的

補充手段。

第二節經典力學體系的建立

2.1近代力學知識的積累

伽利略的力學貢獻

近代力學產生之前，亞里士多德關于運動學的自然哲學理論占據

統治地位達1900年之久。而亞里士多德的運動學大多屬于哲學猜測

與常識的混合物.特別是由于中世紀后期托馬斯?阿奎那等人把他的

著作奉為經典，而使他的錯誤的運動學理論成為嚴重束縛力學發展的

桎梏。伽利略是在力學上第一個向亞里士多德提出挑戰的科學革命

家。

首先，伽利略駁斥了亞里士多德的落體理論。亞里士多德認為物

體運動的快慢與運動物體自身的重量有關，并把這個思想用于落體運

動。他指出，體積相等而重量不同的兩個物體認同一高度自由落下時

其速度比等于這些物體的重量比；比如，兩物體重量比為I：10,則

其下落速度比也是I：10。伽利略運用思想實驗和歸謬法反駁了這些

錯誤理論。他指出，若兩個重量、大小不同的物體捆在一起，其下落

速度有兩種相反的可能：（1）由于兩物體總重量均大于其中任何一物

重量，故捆在一起時下落速度比兩物體中較重的物體單獨下落時速度

要快；（2）由于兩物體一輕一重，捆在一起時較輕者牽制較重者的下

落速度，因此聯合體下落速度大于較輕者而小于較重者。通過分析相

同比重物體在同一介質（如空氣）中下落的種種情況和介質密度對物

體下落的影響，以及經過“沖淡重力”斜面實驗，伽利略最終得出三

個結論：第一比重相同而重量不同的物體在空氣中以同樣的速度運動

（下落）；第二.在完全沒有阻力的介質（即真空）中所有物體以同樣速

度作自由落體運動；第三，物體均以勻加速運動自由下落，而下落距

離與時間的平方成比例地增加。據傳伽利略作過比薩斜塔實驗，但沒

有原始記錄作證據。但在1586年以前，斯臺文（SimonStevin,1548

—1620）確實做過反駁亞里士多德觀點的落體實驗：從30英尺的高

處，同時讓兩只鉛球自由下落，其中一只是另一一只重量的10倍，而

到達地面上發出的清晰響聲好像是一個聲音。

伽利略在《關于兩種新科學的對話》（Thedialoguesconcerning

twonewsciences）中不僅反駁了亞里士多德的運動觀念，而且討論了

勻速運動、加速運動、單擺和拋射體運動的規律。關于勻速運動，他

給出了以下定義：“我們稱運動是勻速的，是指在任何相等的時間間

隔內通過相等的距離。”關于勻加速運動，則是指“運動質點在相等

的時間間隔里獲得相等的速率增量”。在這兩個概念的基礎上，再引

入“合成速度”的概念，就可以容易地解釋拋物體的運動。伽利略將

拋物體運動分解為水平方向的勻速運動和垂直方向的勻加速運動，從

而證明了意大利數學家塔爾塔利亞（NiccoloTartaglia,1499?1557）

早期的發現：拋物體仰角為45?時可有最大射程。他第一個成功地證

明了炮彈的運動軌跡是一條拋物線。

伽利略在單擺實驗和小球在相對的兩斜面上滾下與滾上運動的

實驗中發現類似機械能守恒定律的思想，由此得出慣性的概念，從而

否定了亞里士多德“力是運動原因”的錯誤，建立了“力是改變運動

的原因”的思想。這些思想連同他對勻速和勻加速運動的定義一起，

為牛頓的運動第一和第二定律的最終表述奠定了基礎。

伽利略通過對單擺的研究發現：單擺的擺動周期與振幅無關。傳

說這是1582—1583年他在比薩大學學習時，在比薩教堂觀察吊燈時

發現的。但據考證，比薩教堂的吊燈是1587年制造的，此時伽利略

早已離開了比薩。但在1602年信件中他的確提到了單擺實驗，而在

《關于兩種新科學的對話》中他詳細地描述了這些實驗及其結果，證

明單擺周期不依賴于擺的重量和材料，而和擺的長度的平方根成比

例。不過，單擺周期嚴格的表達式？'"'l是惠更斯首先提出的，其

中T表示單擺周期，L表示單擺的擺長，g表示重力加速度，據說伽

利略于1638年也得到了這一結果。

由于伽利略想要發現的不是物體為什么運動（降落），而是怎樣

運動（降落），并通過實驗揭示廠其中的數學關系，這就使得從他開始,

時間與空間在物理科學中具有了根本性的意義。不過，由于他認為慣

性定律只有在水平面上才成立，因此他的力學停留在重力影響占絕對

優勢的地面力學上，而未能擴展到天體力學，只有笛卡兒和牛頓才把

慣性定律作為普通的力學基本原理來把握。

二.開普勒三定律的發現

1609?1619間,德國天文學家開普勒(JohannesKepler,1571?

1630)利用他的老師、丹麥天文學家第谷?布拉赫(TychoBrahe,

1546?1601)遺贈的大量準確的觀測數據研究行星運動的規律，先后

發現了行星運動的三條定律，科學史上習稱為開普勒三定律。

開普勒第一定律亦稱行星軌道定律。這一定律指出，行星運行的

軌道不是正圓形而是橢圓形，它們圍繞各自橢圓軌道的一個焦點運行

(橢圓有兩個焦點)，而這些焦點又都重合在一起，那就是太陽之所在。

開普勒第二定律又稱行星運動面積定律，它指出在相等時間內行

星與太陽聯線所掃過的面積相等。

開普勒第三定律即行星運動周期定律，它指出任何兩顆行星公轉

周期的平方與它們軌道長半徑的立方成正比。

開普勒的工作以準確的觀測數據為依據，他的結論無可爭議。在

西方流行了兩千年的行星必定沿圓形軌道勻速運行的傳統觀念終于

被打破了。開普勒因此被譽為“天空的立法者二行星三定律的發現

是天文學上又一重大突破。同時，它更進一步把天體運動的物理機制

問題擺在人們面前：行星的運動軌道為什么是橢圓形?維持這些運動

的力是什么？如此等等。開普勒的同輩人中曾有人猜測，太陽和行星

可能是由于磁力作用而聯系在一起的。在他們的啟發下，開普勒提出

了天體磁性引力假說。他考慮，既然地球是一塊大磁石，太陽以及其

他行星很可能也是大磁石，是太陽和行星之間的磁力作用使它們聯系

起來并且使行星圍繞太陽沿橢圓形軌道運行。開普勒的假說雖然并不

正確，但他揭開了天體力學研究的序幕。

三.惠更斯、胡克等人的貢獻

同一個科學問題往往會由來自不同側面的研究而得到解決，這種

現象在科學史上很是常見。天體力學的問題得到了有關地面上的物體

運動的研究成果的啟發，這就是惠更斯和胡克等人的工作。惠更斯

(ChristianHuygens,1629?1695)是荷蘭科學家，他對物體圍繞一個

中心旋轉的問題進行了研究，于1673年確認：一個圍繞中心作勻速

圓周運動的物體之所以不會沿切線方向飛去，是因為有一個向心力作

用于該物體。這個向心力的大小與該物體的運動速率的平方成正比而

與圓周的半徑成反比，即向心力〃廠(這里m是物體的質量，v是

物體的旋轉速率，r是圓周的半徑)。這就使人們認識到，必定是太

陽給了行星一個引力，這個引力作用于行星，使行星圍繞太陽旋轉。

英國科學家胡克(RobertHooke,1635~1703)就是這樣想的。1674

年他在一次演講中說到，在太陽吸引行星的同時，行星也同樣吸引著

太陽，從而提出了物體之間有相互的吸引力的想法，他說這種引力與

磁性無關。1680年他更提出了這種引力的大小與距離的平方成反比

的猜測。但是，引力與距離平方成反比的猜測是否能與行星依橢圓形

軌道繞太陽旋轉的事實相一致？這個問題一時難住了許多人。

2.2牛頓力學體系的建立

一.近代最偉大的科學家——牛頓

伊薩克?牛頓(IsaacNewton,1642—1727)誕生在一個農民家庭，

幼年身體很弱。他12歲進入文科中學讀書時就顯示出制造機械工具

及其模型的天才。中學畢業后，在舅父推薦下他進入劍橋大學三一學

院深造。在念文學士學位過程中，他完全依靠自修而攻讀了數學與光

學的名著以及天文學和力學等方面的最新成果，并于1665~1666年

在家鄉躲避倫敦一帶的瘟疫期間發明了二項式定理的流數法，實現了

對光的分解，并向萬有引力定律的建立邁出了頭幾步。鑒于他的數學

天才，他的老師巴羅于39歲就毅然辭去“數學盧卡斯講座”教授的

職位而讓牛頓接替。不久他制造了反射式望遠鏡。這促使天文學家瓦

爾德于1671年提議選牛頓為皇家學會會員，并當即被通過人選。但

牛頓的光微粒說卻受到主張波動說的胡克的批評，由此引發了科學史

上著名的波動說與微粒說之爭。在此期間，他還發展了流數法，同時

花費巨大精力研究引力問題，并于1684年將證明引力平方反比定律

的手稿交給哈雷。在哈雷和皇家學會的推動下，他從此進入了對理論

力學進行緊張研究的時期，并以1687年7月他的《自然哲學的數學

原理》一書的出版而達到高潮。此后，牛頓還做過一些化學實驗，可

惜他的化學手稿于1692年的一次大火中與他的光學手稿一起被全部

焚毀。加之他的《自然哲學的數學原理》不提上帝和蘊涵“反神創論”

傾向受到宗教界和部分科學家的抨擊和反對，以及胡克1692年向皇

家學會提出萬有引力定律發現權問題，導致性格孤僻而內向的牛頓因

過度苦惱而神經哀弱以致失常。以后的牛頓除了從事貨幣改革、研究

煉金術和注釋圣經外，從1703年當選皇家學會主席至去世，還做過

一個時期的議員。但近40年當中，他兒乎沒有什么突出的科學成就。

牛頓以85歲高齡在主持一次皇家學會會議時突然發病，兩周之后去

世。他是英國歷史上第一個獲得國葬待遇的科家家。1731年牛頓的

親友在安葬牛頓的威斯敏斯特教堂建立了一座紀念碑，碑上刻著一首

詩：“這里躺著牛頓爵士，他以超人的智力首先證明了行星的運動和

圖形、彗星的軌道和海洋的潮汐。他孜孜不倦地研究光線的各種折射

率及其所產生顏色的種種性質。對于自然、考古和圣經是一位前所未

有的勤奮、敏銳而忠實的詮釋者。他的哲學中確認了上帝的尊嚴，他

的行為中展現了真正的純樸。讓人類歡呼曾經生存過這樣偉大的一位

人類之光吧！”

二.牛頓經典力學體系的創立

牛頓經典力學體系，是以絕對化的四個基本概念空間、時間、質

量、力為基礎，以著名的三大定律為核心，以萬有引力定律為最高的

綜合，用微積分來描述物體運動的因果律的一個結構嚴謹、邏輯嚴密、

以實驗和觀察對結果進行驗證的科學體系。《自然哲學的數學原理》

就是這個體系的集中表現。

牛頓發現萬有引力定律的過程前后歷經20年之久。此間他受到

當時一些著名物理學家（如哈雷和胡克）的幫助或啟發；并借助了一些

重要的天文觀測結果，如皮卡特1679年關于緯度對應的地球表面長

度的測定值，從而在伽利略地面力學和開普勒天體力學成就的基礎上

發現了萬有引力定律。

牛頓有一句名言：“如果我比別人看得遠些，那是因為我站在巨

人們的肩上。”的確如此。作為萬有引力定律概念基礎之一的“離心

力”、“向心力”思想早在1632年伽利略的《對話》中就提出來了。

不僅如此，1666年牛頓還從伽利略的拋射體運動中得到啟發，去思

考“月亮為什么不下落”的問題。而作為萬有引力定律概念基礎之二

的“引力平方反比”思想也早在1645年就為布里阿德所提出。牛頓

的探索是在上述思考基礎上，以1665?1666年離心力定律

(R)的提出而宣告開始的。(這一定律在1673年也為惠更斯

獨立地得出。)緊接著，他從這一定律和開普勒第一與第三定律中推

出了圓形軌道上天體的引力平方反比關系。1669年他又把圓軌道上

的引力平方反比關系近似地用于行星的橢圓軌道的研究中，但是這種

研究尚存重大的障礙和困難：其一，缺乏關于地球半徑的足夠精確的

數據。其二，天體是實體，怎樣來計算所有物體的任何部分所產生的

吸引力的聯合作用？其三，牛頓當時還不能肯定是否應該由地心開始

計算月地距離，因為這牽涉到地球對月球的引力是否行同地球的全部

質量都集中于地心。在經受一系列困難的折磨之后，牛頓于1684年

利用皮卡特關于地球半徑的測定值，成功地驗證了在平方反比于距離

的力作用下，行星必定在橢圓形軌道上運動。然后，在發現運動第二

定律的基礎上，把它用于萬有引力問題，從而得出萬有引力與相互作

用物體的質量乘積的正比關系。最后于1685年春至1686年夏得出了

關于重力或萬有引力與質量乘積成正比、而與距離的平方成反比的完

整表述，并發表在《自然哲學的數學原理》的第三編中。

運動三定律所描述的是物體（包括天體和地上的物體）力學運動

的規律，它和萬有引力定律一樣是經典力學的基本定律。這些定律的

確立雖然經過幾代科學家的努力，但最終是由牛頓完成的。牛頓是經

典力學的集大成者，所以經典力學又稱牛頓力學。

運動第一定律運動第一定律又稱慣性定律。伽利略雖然提出了

慣性運動的思想，但是他相信宇宙是一個球形的封閉的空間，因此不

能設想一個無限大的平面。他所考慮的慣性運動是沿著地面的運動

（其實是圍繞地球的圓周運動），他對于向心力也還沒有認識。牛頓

突破了伽利略的局限，終于發現了慣性定律。

慣性定律指出：如果沒有外力的作用，任何物體將保持其精致狀

態或勻速直線運動狀態。這就是說，力是改變物體運動狀態的原因,

或者說，力是使物體的運動狀態發生變化，即產生加速度的原因。當

我們發現一個物體從靜止變為運動，或者在運動中有加速、加速（可

看作是負的加速），或者是運動方向發生變化時，就可以斷定必有外

力作用于這個物體。在自然界中，物體不受任何外力作用的情況實際

上是不存在的，但只要它所受到的外力相互平衡，便可看作是外力為

零，此時該物體或者是保持靜止不動，或者是保持原油的運動狀態。

所以，如果我們看到一物體靜止不動或者作勻速直線運動，我們就知

道它沒有受到外力作用或者作用在它上面的外力相互平衡（合力為

零）。在日常生活中，物體的運動必受阻力（如摩擦力）的制約，要

維持等速運動就得有一個力來克服阻力，這個力與阻力必定是大小相

等而方向相反的，其實這時作用于該物的外力應視為零。人們往往只

注意到要給物一個力來維持它的運動，卻忽視了這個力的作用只在于

與阻力相抵消而使其總的外力為零。

運動第二定律運動第一定律所表述的是力的概念和力與物體

運動關系的定性的認識，運動第二定律給我們展示的則是力與物體加

速度之間的定量關系。

為了從量上考察力與物體加速度的關系，牛頓研究了比較簡單的

物體的碰撞運動，得出了這樣的看法：碰撞運動中作用于一物體的外

力與它的運動量的變化成正比。（他把物體的“運動量”定義為該物

體的質量與它的速度的乘積。）在碰撞過程中沖力所引起的運動量變

化是在極短時間內所產生的效應，牛頓把這個過程表述為

產?At=△"/

f

亦即R

也可以寫成“="H

（戶是碰撞時的作用力，&是作用的時間，△應即運動量的改變量）

這個式子表明，物體運動量（亦稱“動量”）的變化與作用力的

大小成正比，力作用時間越長，它所產生的沖量（齊?&）越大，物體

的動量改變量就越大，物體動量的改變量=合外力的沖量，動量變化

的方向與作用力的方向相同。對于勻加速運動，

Z即單位時間里速度的變化，這也就是伽利略所引入的加速度的概

念。于是，運動第二定律又可以寫成

F=ma

我們現在常用的就是這個表達式。

根據運動第二定律，我們就可以很容易解釋為什么一切物體的自

由下落都有相同的加速度了。對于自由落體而言，作用于該物體的力

F就是地球對這個物體的萬有引力。由萬有引力定律，可知

（M是地球的質量，m是該物體的質量，R是地球的半徑。）

依運動第二定律F=ma可得

/,M

從這里便可以看到，因為G、M和R都是常數，所以a也是一個常數。

這就表明一切自由落體的加速度a都是相同的。通常我們用g來表示

這個加速度，稱為重力加速度。

有了運動第二定律，只要我們知道作用于一物體上的力，就可以

據此求出此物體所獲得的加速度，即可以知道這個力使該物體所產生

的運動狀態的變化（包括它的大小和方向）；反之，如果我們知道一個

物體的運動狀態發生了某種變化，也就可以斷定必有一個力作用于該

物體，并且可以準確地計算出這個力（包括它的大小和方向）。力與物

體運動狀態變化互為因果，它們之間的關系是確定無疑的。

運動第三定律運動第三定律也是在碰撞運動的研究中弄清楚

的。惠更斯已經發現，若兩個質量相等的小球以大小相等而方向相反

的速度在同一直線上相向運動，在發生完全彈性碰撞后，這兩個小球

便以與原來大小相等的速率在該直線上相背運動。這就告訴我們，在

碰撞前和碰撞后兩個小球動量的變化量在數值上是相等的。我們假定

第一個小球運動量的變化為：

△gV|=viW|v/

第二個小球運動量的變化為：

Am2v>=m>v>m2v'o

已知m2?Vi=-%,必'=一犯',

可知即15=—Ant”飛

兩球碰撞時它們相互作用的時間是相同的，即&相等。根據運動第

二定律就可以得出它們之間的作用力大小相等而方向相反的結論。牛

頓據此進一步指出：當物體A施力于物體B時，物體B同時也施一反

作用力于物體A,作用力與反作用力大小相等，方向相反，并且作用

在同一條直線上。這就是牛頓所確立的運動第三定律。

運動第三定律告訴我們，自然界中沒有孤立存在的單個的力，一

個孤立的物體無所謂施力或受力，力總是存在于兩個相互作用的實體

之間，不管力是通過直接接觸（如推力、拉力）還是不通過直接接觸（如

磁力、萬有引力），它總是成對出現，同時出現，它們作用在一條直

線上，大小相等，方向相反，這兩個力分別施加于相互作用的兩個物

體之上，它們的力學效應并不互相抵消。

在日常生活中，我們很容易看到運動第三定律所描述的現象。例

如我們用一根繩子牽一頭牲口，就會感覺到這頭牲口通過繩子在拉我

們。但也有些時候我們容易產生錯覺。比如物體自由下落，我們知道

這是因為地球的引力作用于該物體的原故。其實，與此同時該物體也

對地球施加一個大小相等方向相反的引力，不過比較起來地球的質量

大得很多，這個物體對地球的引力顯不出來罷了。月球圍繞地球旋轉

是因為它受到地球給它的引力，月球同樣也有一個大小相等方向相反

的引力施加于地球。月球引力就是海洋潮汐現象產生的主要原因之

O

在發現萬有引力定律和運動三定律的基礎之上，牛頓仿效古希臘

人的作法，把力學知識整理成為一個演繹知識體系，1687年出版了

《自然哲學之數學原理》這部名著，標志著經典力學的成熟。

三.牛頓力學的重大歷史意義

經典力學的成就在科學史上具有劃時代的意義。它表明人類關于

自然界的認識已推進到一個新的階段，標志著自然科學已形成了自己

獨立的知識體系。

經典力學的科學意義

(1)經典力學徹底打破了亞里士多德學派嚴格區分月亮以上和月

亮以下兩個忖界的舊觀念，杷天上和地上的運動統一了起夾.證明了

萬有引力辛律和活動三定律是宇宙間一切機械運動(即物體位置的變

化)的普遍規律，從力學的角度論證了自然界的統一性，實現了人類

對自然界認識的一次偉大的綜合。

(2)經典力學把人們對機械運動的研究從運動學提高到動力學的

水平。運動學只考慮物體運動的速度、加速度、時間、距離等因素及

其關系，只能描述物體運動的過程和狀態。動力學的任務則在于揭示

物體運動的力學原因及其力學后果。在歷史上，雖然亞里士多德曾經

探討過動力學的問題，但他走入了歧途。牛頓成功地完成了建造動力

學的任務，從而使人們能夠全面地把握機械運動的規律。

3）經典力學把對物體機械運動狀態的描述與研究提高到瞬時狀

態的水平。過去人們只能把握運動的某一個過程，這對于處理勻速運

動、勻加速運動（如自由落體運動）或加速度的大小不變而方向均勻變

化的運動（如圓周運動）這類比較簡單的運動尚可，對于加速度復雜變

化的運動便無能為力。如今牛頓引進了微積分的方法，原則上便可處

理任何復雜機械運動的過程與瞬時狀態的問題。

（4）經典力學把原來只能孤立地研究的力學事件聯系了起來，使

它們成為因果的鏈條。運用經典力學，只要我們知道某物體的運動狀

態以及它在某時刻所受的力，就可以得知這個物體的運動狀宜所要發

生的變化。反之，如果我們發現某物體的運動狀態發生變化以及它的

變化狀況，我們也就知道它受到一個力并且知道它受到的是什么樣的

力（包括它的大小和方向），而且也知道它必定對外界施加了一個什么

樣的力（包括它的大小和方向）。力與運動組成了一個無窮無盡的因果

鏈條，這就大大地提高了我門對物體運動前因后果的認識，提高了我

們的預見與推想的能力。

（5）我們說過，以往的自然知識都包容于自然哲學之中。雖然牛

頓仍然把他的著作稱為《自然哲學之數學原理》，但實際上它表明自

然科學不僅已擺脫了神學的束縛，亦已從哲學中分化出來.開始建設

自己的知識體系與科學思想和科學方法，表明自然科學已經成熟。

第三節經典物理學的全面發展

物理學是自然科學最重要的基礎學科之一。經典物理學所研究的

范圍包括力學、光學、熱學、分子物理學、磁學、電學等許多分支。

至18世紀，只有經典力學已趨成熟，兒何光學也有了一些輪廓，其

他分支則還未成形，基本上還得從收集事實、積累材料做起。到19

世紀，經典物理學各分支便都有了巨大的進展，整個經典物理學體系

逐漸形成。經典物理學的許多成果轉化為前所未有的技術，深入到生

產、生活各個領域，迅速地改變了整個人類社會的面貌，表現出了科

學的巨大威力。

3.1光學的進展

古希臘時期已知道光的直進和反射規律；托勒密在光折射實驗基

礎上提出入射角與折射角成正比的思想；而關于視覺的本質，伊壁鳩

魯和亞里士多德等提出過一些哲學猜測。中世紀偉大的數學家、天文

學家伊本?海賽姆用實驗測定了折射率。但總的來說，古代與中世紀

的光學知識是極其有限的。因此近代光學基本是從零開始的。

開普勒是近代光學的奠基人，其地位如伽利略之于力學和吉爾伯

特之于磁學。他在1611年出版的《屈光學》中解釋了荷蘭望遠鏡或

伽利略望遠鏡及顯微鏡所涉及的光學原理，并提出了改良望遠鏡的建

議，他的建議在近代導致遠距照相透鏡組合的發明。開普勒第一次明

確提出光度學基本定律，即光強與離光源的距離平方成反比地變化。

他還研究了球面像差一類復雜現象，為巴羅等后人的兒何光學研究提

供了基礎。關于視覺理論，他還提出視網膜上的成像本身不構成整個

視覺行為的正確思想。他對折射規律的研究雖方法正確但未獲成功。

第一位提出精確的折射定律的是荷蘭人斯涅爾(W.Snell,1591

-1626)。根據他于1621年的結果，可容易地推出現代形式的折射定

律：

不過是笛卡兒于1637年第——個發表了折射定律，并嘗試給它一

個物理證明，但是否與斯涅爾獨立地發現該定律則尚存疑問。在發表

有關折射定律的這本《屈光學》中，笛卡兒還提出丁關于光的本性的

微粒假說。他在《氣象學》中對虹霓理論的研究成為牛頓對虹霓解釋

的前提。

關于光的本性的波動說，在達?芬奇的著作和伽利略書信中已有

跡象。但正式認真地提出光具有周期性的是意大利數學家格里馬力迪

(F.F.Grimaldi,1618—1663)。他從波動觀點出發解釋了似乎同光

的直線傳播定律相悖的衍射現象。他還指出，顏色的不同乃是眼睛受

到速度不同的光振動刺激的結果，這個思想對后來的光學發展具有根

本性意義。他的光學著作，在他死后兩年被發表。在同一年(1665),

胡克的科學著作《顯微術》問世，其中光學部分對多種透明薄膜的閃

光顏色現象進行了實驗和理論的探討。他注意到，在一定的厚度范圍

內，云母薄片里會出現虹霓的色彩，不同厚度的部位顏色不同。雖然

他未能確定厚度與顏色之間的精確關系，卻為牛頓對?“牛頓環”現象

的研究奠定廠基礎。胡克認為光是一種振動，發光體的每一次振動或

脈動必將以球面向外傳播。不過，比較系統地提出光的波動理論的還

是荷蘭物理學家惠更斯（1629?1695）。他認為，構成一個發光體的微

粒把脈沖傳送給鄰近的種彌漫媒質的微粒，每個受激微粒都變成一

個球形子波（即次波）的中心。這就是1678年提出的著名的惠更斯原

理。用微分兒何的語言來表述，即：波陣面所及的任意點均可看做是

新的次波源（即子波中心），而新的波陣面則是所有次波源向外發出的

半球面次波的包跡。

牛頓在大學時期就對光學有濃厚興趣，為了制造一種能消除色差

的望遠鏡而開始研究顏色理淪。1672年在《哲學學報》上發表的他

對色散現象的研究成果，是他第一次公開發表的科學論文。他對色散

的解釋立即引起他與胡克等人的爭論。牛頓最初吸取了胡克的波動思

想，傾向于把微粒說和波動說結合起來，1675年他提出彈性以太的

思想以解決微粒說的困難。但他拒絕純粹的波動理論。而在1704年

他的《光學》中，牛頓則徹底主張光的微粒假說。由于他在科學界的

巨大影響，而使惠更斯提出的較系統的波動說被埋沒百年之久，以致

整個18世紀光學處于停頓狀態。直至19世紀初由于偏振、于涉等

現象的發現和研究，才使波動說占據了統治地位。

3.2熱學的成就

在近代，對熱現象的研究是從測量“熱度”開始的。在科學地定

義溫度概念以前，人們往往將溫度的變化和物體所含熱量的多少混為

——談，均用“熱度”來表示。為了能精確地測量熱度，許多科學家

都致力于溫度計的研制。我們在伽利略時代的測溫器中看到了溫度汁

的原始形式，與之相比較，法國的吉永?阿蒙頓大約在1700年發明

的空氣溫度計，是一個相當大的進步。德國人丹尼爾?加比爾?華倫

海特(DanielGabrielFahrenheit.1686—1736)是華氏溫度計的制

造者。以水的冰點和沸點作為固定點的百分溫標，是1742年由瑞典

人安德斯?攝爾絮斯(AndersCelsius,1701—1744)采用的。至于在

0和100之間插入數值的精確性問題，19世紀才被提出和加以研究。

直到18世紀，自然科學才區分開熱量和溫度；而“冷”這個術

語，直到19世紀才從科學的詞匯中最后消失。力學已經達到能夠計

算行星運動的階段時熱學理論仍然處在原始的水平。對于熱的本質問

題，整個17世紀相當普遍地認為是由物體的最小粒子的運動而形成

的。培根在《新工具》中正確地指出：“熱是向外擴張而又受了限制

的一種運動，熱的精英和本質就是運動，并不是別的。”約翰?洛克

也說明：“熱是物體中各部分難以察覺的非常活潑的攪動，我們所感

覺的熱，除了物體中的運動以外，別無其他。”，這個熱的概念是非常

現代化的但又是思辨的，因此不難理解它為什么會在18世紀被熱質

說所代替。

在對熱現象進行大量研究的基礎上，英國化學家布萊克等人提出

了熱質(素)說。這種學說認為：熱是一種流體，它可以滲透到物體中

去并在熱交換中從一個物體流向另一個物體；加熱就是給一定物體增

加熱質，而冷卻則是從該物體放出熱質；盡管在熱交換前后，物體中

的含量有所改變，但它們的總量是守恒的。

熱質說能解釋許多已知的熱現象，因而在18世紀成為一種主流

的理論，它的確立和當時的科學發展水平和機械自然觀有很大的關

系。直到19世紀，熱質說才讓位于熱是能的一種形式的觀念。

今天已成為熱力學的基本課題一一熱的定量測定，直到19世紀

才開始。蘇格蘭的約瑟夫?布萊克(JosephBlack,1728—1799)在溫

度和熱量之間，畫出一條明顯的界限；他引入了卡路里、比熱、熱容

量、熔解熱和潛熱等術語。他的研究是按照熱質說進行的，并使熱質

說兒乎得到完全普遍的承認。與此同時,熱的唯動說還沒有完全被放

棄。丹尼爾。伯努利(DanierBernouli,17伯一利82)的《流體動力

學》(1738)與當時流行的觀點相反，它把熱歸結為分子的相互排斥。

他利用數學推理，成功地推導了波義耳和馬略特定律，論證了壓強和

分子速度的平方成比例，證實了阿蒙頓實驗：當密閉的定量氣體的溫

度增加某一數值時，氣體壓強的增加和密度成比例。可是當時熱質說

占優勢，擁護者中包括權威拉瓦錫，他甚至把卡路里納入化學元素表。

拉瓦錫、皮埃爾?西蒙和拉普拉斯由于用冰量熱器進行測量，從而對

量熱術作出了貢獻。

18世紀末，美國人本杰明?湯姆遜即倫福德(BejaminThomp一

son,即Rumford,1753—1814)批判了熱質說。為此，他對摩擦所產

生的熱量進行了廣泛的測量。焦耳從這些測量數據中，推導出熱功當

量的數值。倫福德證明，加熱金屬球時,其重量不變。他推論，如果

熱全然是一種物質，那么無論如何，它必是沒有重量的一種物質。漢

弗萊?戴維支持倫福德對熱質說的批判，他認為熱素是不存在的，熱

現象的直接原因是運動。

直至19世紀前10年，熱質說和熱的唯動說的爭論仍未停止，熱質說

仍占優勢。提出“卡諾循環”概念的卡諾在研究熱機效率問題時還用

熱素的撞擊來解釋熱機的運轉。但后來（1S27—1830年左右）他終于

放棄了熱質論，認為熱是動力（能量），是改變丁形式的運動。直至克

勞修斯證明理想氣體的絕對溫度是由分子的平均動能所決定，焦耳確

立了熱功當量，以及能量守恒與轉化定律的提出，才牢固地確立了熱

的唯動說。

能量守恒與轉化定律的確立古人已經有過運動不滅的猜測。18

世紀末葉以來，人們相繼發現了許多不同物質運動形式相互轉化的事

例。人們早就知道摩擦這樣的機械運動可以轉化為熱運動，而蒸汽技

術則是把熱運動轉化為機械運動的實際應用。1800年人們發現電解

水可以得到氫和氧，知道了電運動可以產生化學變化；同年發明的伏

打電堆（一種原始電池）又表明化學變化能夠產生電。1805年人們知

道了電流經過導體會產生熱，1821年德國人塞貝克（ThomasJohann

seebeck,1770~1831,制成了溫差電偶，又說明熱可以轉化為電。

摩擦（機械運動）生電的現象是人們早就知道了的，1820年人們又知道

電和磁可以相互轉化,次年更知道了電與磁的聯合作用能夠產生機械

運動。這一切都表明過去看起來似乎是各不相關的、不同的物質運動

形式之間必定存在著某種內在聯系。經過一大批科學家的努力，作為

自然科學的基石之一的能量守恒與轉化定律終于確立。

1842年德國醫生邁爾(JuliusRobertMayer,1814~1878)發

表論文指出，“力是不滅的、可轉變的和不可稱量的東西。”他是力圖

找到機械功與熱能在量上的對應關系——熱功當量的第一人。經過多

年的努力，他利用別人的實驗數據，經過計算先后得出兩個數值。他

的數據雖然都不大準確，但有開創性的意義。可是，他以哲學推理為

主的研究方式不受科學家們的歡迎，他的成果沒有得到科學界的承

認。遭到冷落的邁爾痛苦萬分，甚至憤而自殺，幸而未死，后來又曾

被送入瘋人院接受治療一。直到該世紀50年代末他的工作才逐漸為人

們所賞識。

英國業余科學家焦耳（JamesPrescottJoule,1818~1889）從少

年時代起就對科學有濃厚的興趣，一生在家里做過許多科學實驗。

1840年他在實驗中發現了電流通過導體產生熱量的規律，即我們現

在所說的焦耳定律，通常表示為P=I2R。（p為熱功率，I為電流強

度，R為該導體的電阻。）他為測定熱功當量作了400多次實驗，勤

奮工作了30多年，意在使所得數據更加精確。1843年他首次公布實

驗結果。他發表最后一批報告是在1878年，所公布的數據是1卡=

424.71克?米。（目前國際公認的數值是1卡=427.14克?米。）

他的工作也曾受到持熱質說的學者的反對，不過由于焦耳運用了多種

測定方法，重復性又相當好，他的結果令人不得不信服。

熱功當量的確認，使人們認識到熱量和機械功有著嚴格的對等的

關系，這是科學史上的重大事件。過去人們只是以思辨的方式推斷能

量的守恒與轉化，如今有了電一熱轉化的定量關系，又有了機械能一

熱轉化的定量關系，這就把能量守恒與轉化推向科學的認知的階段。

其后又經過許多科學家的努力，能量守恒與轉化定律才最終得以

確認。這里既需要理論的概括，也需要多方面的實驗檢驗與證明。為

此作出重要貢獻的有德國科學家亥姆霍茲（HermannnvonHelmholtz,

1821?1894）克勞修斯（RudolffJuliusEmanuelClausius,1822?

1888）,英國科學家W?湯姆孫（WilliamThomson,1822~1888,即

開爾文勛爵，LordKelvin,1824?1907）等人。到了19世紀紀60年

代，能量守恒與轉化定律作為自然界的普遍規律便得到科學界的公

認。“能量”這個概念是W?湯姆孫提出來的，用以取代過去的“力”

那個含混的說法，很快便得到大家的認可。至于“能量守恒與轉化定

律”這樣一個完整的提法，則源自恩格斯（FriedrichEngels,1820~

1895）的《自然辯證法》。能量守恒與轉化定律通常的表述是：在任何

孤立的物質系統中，不論發生何種變化，無論能量從一種形式轉化為

它種形式,或從一部分物質傳遞給另一部分物質，系統的總能量守恒。

在此之前，曾有許多人煞費苦心地試圖制造不消耗能量又能作功

的“永動機”，雖然沒有人能夠成功，但仍有不少人在作這種努力。

1875年法國科學院正式聲明不再受理審查任何有關“永動機”的設

計方案。

能量守恒與轉化定律的確立給了科學家們很大鼓舞。它被稱為物

理學的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克勞修斯）。

恩格斯則稱之為19世紀三大發現之一。運用這個定律研究物質運動

的問題時一，常常可以只從起始狀態和終結狀態的能量變化上作總體的

把握，不必考慮變化的具體過程和細節，這就給了人們很大的方便。

在哲學上，它為人們對物質世界運動形式的多樣性和統一性，對物質

運動在量上和質上的守恒性的認識，都提供了科學上的依據。

熱力學三個基本定律熱力學是從能量轉化的角度來研究熱現

象的學科，它的產生與人們對蒸汽機的研究直接相關。蒸汽機的社會

效益廣泛地引起了人們的關注，提高蒸汽機的效率一時成了許多人的

研究課題。工程師們著意于從技術上加以改進，而科學家們則主要從

理論上進行探討，這就產生了熱力學。不過它后來的應用范圍遠遠超

出蒸汽機以至一般熱機。

（1）熱力學第一定律熱力學第一定律其實是能量守恒與轉化定

律的一種特殊形式，它的建立是一批科學家的貢獻，其中最主要是克

勞修斯。1850年克勞修斯首次提出了熱力學第一定律：當一個系統

的工作物質無論以任何方式從某一狀態過渡到另一狀態時，該系統對

外作功與傳遞熱量的總和守恒。若以公式表示，可以寫成：

公=4+Q

公式中的，表示系統內能（當時克勞修斯稱為“潛熱”）的變化，A表

示系統所作的功（A為正值時表示外界對系統作功，為負值時表示系

統對外界作功），Q表示系統與外界的熱量傳遞（Q為正值時表示系統

從外界吸收熱量，為負值時表示向外界釋放熱量），換一種說法.熱

力學第一定律也可以表述為：一個物質系統與外界之間所傳遞的熱量

等于該系統內能的變化與系統所作的功之總和。用公式可以寫成

Q=純，+A

上面兩種表述是完全等價的。克勞修斯所說的“潛熱”指的就是物質

系統內部的運動所包含的能量，不過他用語含混，后來人們改用“內

能”這一科學表述。

我們原先已經有了熱功當量的概念，它準確地告訴我們機械功一

熱能轉化的關系。現在熱力學第一定律又準確地告訴我們機械功-一

熱能轉化的雙向關系，并且還告訴我們在處理熱能和機械功轉化的問

題時必須考慮到系統的內能的變化。熱力學第一定律現在已經成為熱

機研究以至于其他許多學科(如化學)研究的理論基礎之一。

(2)熱力學第二定律熱力學第二定律所描述的是一個孤立系統

中熱功轉化的問題，所關心的只是該系統變化前后溫度的關系。最早

研究這個問題的是法國人卡諾(NicolasLeonardSadiCarnot,1796?

1832)o卡諾曾是一位軍事工程師，退役后便潛心研究熱機理論。他

于1824年提出了“理想熱機”的概念。所謂理想熱機，是不管它的

工作物質是什么，也不管它是什么樣的機器，只考慮它是靠熱來作功

的機器。這是對熱機的抽象。熱機千差萬別，建立這樣一種“理想模

型”來加以研究有利于揭示一般熱機的本質。那時大多數人仍然相信

熱質說，卡諾也不例外。他認為可以想像熱機有如瀑布，熱從高處流

向低處，熱能便轉化為機械功，同量的熱量產生同量的功，熱質的總

量并沒有變化，由此他得出結論：熱機必須工作在高溫熱源和低溫熱

源之間。比如說，蒸汽機必須工作在高溫蒸汽和被冷卻的蒸汽這兩種

物質狀態之間。熱機的效率取決于兩個熱源的溫度差，溫差越大，熱

機的效率越高。他的另一個結論是：在兩個固定熱源之間工作的熱機

以“可逆機”的效率最高。所謂可逆機也是一種想象中的熱機，這種

熱機經過一個循環之后，熱機系統和外界都完全恢復原狀，這在實際

上是不可能做到的。這就等于說，熱機效率的提高是有上限的，我們

不可能使熱能全部轉化為機械功。卡諾只是為熱力學第二定律的建立

奠定了基礎，真正建立熱力學第二定律的功勞屬于反對熱質說而主張

熱是一種運動的學者。

1850年，克勞修斯首次提出了熱力學第二定律的基本思想：“在

沒有任何力消耗或其他變化的情況下，把任意多的熱量從冷體傳到熱

體是和慣常行為矛盾的。”1854年他又再次闡明他的觀點，并把熱力

學第二定律表述為：“熱不可能由冷體傳到熱體，如果不因而同時引

起其他關系的變化克勞修斯的工作并沒有到此為止，他還提出了

“燃”的概念。嫡是表征物質系統熱學狀態的物理量，它只與物質系

統的熱學狀態有關，而與工作物質的種類無關。某一物質系統的熱學

狀態為一定時，它的燃為一定值，其熱學狀態發生變化時，嫡值也發

生相應的變化。在不可逆循環煽的值總是增加的。他說:W所表明是在

一個物體中由熱所促成的它最小組成部分之間的分散與遠離已發生

到何種程度，“在一切自然現象中，嫡的總值只能增加而不能減少。”

因此，熱力學第二定律也可以稱為“燃增加原理”。境的概念后來更

被推廣到熱力學以外的廣闊領域，成為一個重要的科學概念。

比克勞修斯晚一年，W?湯姆孫于1851年也獨立地提出了熱力學

第二定律，他的表述是：“不可能從單一熱源取熱使之完全變為有用

的功，而不產生其他影響。”他們兩人的說法雖然不同，但是所表達

的意思則是一致的。W?湯姆孫一再聲稱發現熱力學第二定律的優先

權屬于克勞修斯而不屬于他自己，其實他們兩人同樣作出了貢