第四章 近代自然科学的诞生

伽利略绘制的月面图和星空图
近代实验科学的开端
伽利略还是一位卓越的物理学家，他发现摆 的摆动，虽然摆幅大小一次比一次减小，但每次 摆动的时间却总是相等的，由此发现了著名的摆 的等时性定律，并用单摆周期作为时间量度的单 位（1583年）。 伽利略还做了自由落体的理想实验，发现物 体的加速度与重量无关，这样就否定了亚里斯多 德关于落体加速度与重量成正比的臆断。
但是，细心的开普勒发现，由此算出的火星位
置同第谷的数据间相差8分，就是0.133度。这是第
谷的数据发生了误差，还是火星的轨道根本就不是
圆呢？开普勒凭借着自己良好的科学素养，毫不犹 豫地选择了后者，他坚定地说：“这8分是不允许 忽略的，它使我走上了改革整个天文学的道路。” 后来，开普勒向行星轨道形状也许是椭圆的方向进
牛顿力学是伽利略、开普勒研究成果的综合
牛顿认为一个球体如果与球外一个物质粒子相
互吸引，这个球体的整个质量可看成是集中于它的
球心上。这一定理使牛顿得出了下面的结论：地面
附近落体加速度和月球的向心加速度之比，应该等
于月球离地球的距离与地球半径之比的平方。这一 结论可以用实验验证。
这定理还使他可以把行星都看成质点，各行星 沿它们之间的连线方向相互加速。这一想法再加上 惯性定理，就可得到开普勒的面积定律。牛顿把伽 利略关系(即以恒定加速度下落的物体．其下落的 时间与距离间的关系)应用到受一瞬时向心冲力的 行星的运动上，就推出了平方反比定律，由此得出 行星运动轨迹是椭圆的结论。
牛顿(1642──1727年)
在伽利略、开普勒、笛卡儿等人研究工作的基础 上，英国物理学家牛顿把物体的运动规律归结为三条 基本运动定律和万有引力定律，由此建立起一个完整 的力学理论体系。这样，他就把过去一向认为是截然 无关的地球上所谓“世俗”的运动和日月星辰那些属 于神圣的“天堂”的运动统一在同一理论框架之中。 这可以说是人类认识自然的历史中第一次理论的大综 合。
伽利略认为较小天体围绕较大的天体公转是
一种自然规律。1632年，伽利略在他的《关于托
勒密和哥白尼两大宇宙体系的对话》中，根据观
察到的事实，结合力学原理，批判了托勒密学说
的荒谬，论证了哥白尼学说的科学性。这一著作 是继哥白尼之后，对经院哲学的又一沉重打击， 进一步动摇了基督教统治的思想基础，在科学史 上占有重要地位。
“天空立法者”开普勒 （1571—1630年）
开普勒德国天文学家、光学家。1571年12 月27日生于德国魏尔，父亲早年弃家出走，母 亲脾气极坏。他是七个月的早产儿，从小体弱 多病，四岁时的天花在脸上留下疤痕，猩红热 使眼睛睛受损，高度近视，一只手半残，又瘦 又矮。但他勤奋努力，智力过人，一直靠奖学 金求学。1587年进人蒂宾根大学学习神学与数 学。他是热心宣传哥白尼学说的天文学教授麦 斯特林的得意门生，1591年取得硕士学位。 1609-1619年开普勒根据第谷的观测资料提出了 行星运动三大定律。
1687年，牛顿《自然哲学数学原理》出版。 1846年依据牛顿力学，发现了海王星，牛顿力学 得到了辉煌的验证。 牛顿（1642──1727年）是英国的数学家、 物理学家。1669--1701年任剑桥大学教授。他创 立了“牛顿运动定律”和“万有引力定律”，奠 定了经典力学的基础。在数学方面，他发明了微 积分，他把力学原理应用在天文学上，解决了天 体力学的一系列问题。牛顿力学是整个近代物理 学和天文学的基础，也是现代一切机械、土木建 筑、交通运输等工程技术的理论基础。
第谷· 布拉赫曾提出一种介于地心说和日心说 之间的宇宙结构体系：地球静居中心，行星绕太 阳运行，而太阳则带领行星绕地球运转。这一体 系十七世纪初传入我国后曾一度被接受。 第谷对天文学的贡献是不可磨灭的，他用肉 眼观测行星运动，比以前的观测几乎准确了20倍， 是他同时代的人望尘莫及的。第谷编制的一部恒 星表相当准确，至今仍然有使用价值。
牛顿力学三大定律
第一定律（惯性定律或伽利略定律）： 物体在 无外力作用时，或者保持它的静止状态，或沿着笔 直的线作匀速运动的状态。（静者恒静，动者恒动） 第二定律（加速度定律）：运动的变化与外加 推动力成正比；并发生在该力的作用线方向上。 F=ma 第三定律（作用力与反作用力定律）：对每一 个作用力，总存在一个相等的反作用力和它对抗； 或者说，两个物体彼此施加的相互作用力总是相等 的，并各自指向其对方。
行星运动 第二定律
第二定律又称面积定律，定律指出：“在行星运动时，联结行 星和太阳的线，在相等的时间内，永远扫过同样大小的面积。”
开普勒的喜悦 开普勒在他的三大定律完成后，抑制不住自己 的巨大喜悦，在书的前言中写道： “这正是我十
六年前就强烈希望探求的东西。我就是为了这个目
的同第谷合作的……现在大势已定！书已经写成， 是现在被人读还是后代有人读，于我却无所谓了。 也许这本书要等上一百年，要知道，大自然也等了 观察者六千年呢！”
开普勒的艰辛 开普勒面对第谷留下的大量的天文资料，向 自己提出了两个问题：第一，怎样从大量可靠的 观测资料中确定行星运行轨道的精确形状？第二， 这些行星运动遵循什么规律？ 为了回答这两个问题，开普勒先借助于火星， 利用三角测量法，巧妙地确定了地球的“真实” 轨道。然后他参考了地球的“真实”轨道，从偏 心圆的角度来确定火星的轨道，他作了多达七十 次的艰巨、冗繁的计算，才找到一个比较符合第 谷数据的方案。
1666年，英国科学家牛顿从开普勒行星运 动的三大定律推出“万有引力”的定律，为哥白 尼的学说奠定了理论基础。 开普勒同样受到基督教会的迫害，他的著作 被列入禁书目录。他在长期饥寒交迫中病逝。
伽利略 (1564—1642年)
意大利的杰出天文学家和 物理学家。1609—1610 年，他第一次用望远镜观 察浩瀚无际的天空，发现 了可以证明哥白尼学说的 许多事实。
—近代科学建立 人文精神催生了科学精神 由于文艺复兴解放了人的思想，人们的观念 由“以神为本”转到“以人为本”，催生了科学 精神。 16—17世纪是近代自然科学从神学中独立出 来并迅速发展的世纪。
地理大发现首先推动了天文学和力学的发展： 在茫茫的大海中，精确地测量海船的经纬度 是非常重要的。纬度的测量可以很容易地通过观 测北极星与海平面的夹角实现，经度的测定在钟 表没有发明之前也只能通过天文观测。为此需要 制定精确的星表，以及对行星的运动规律进行精 确的数学运算。这样，天文学和力学就首先从神 学中独立出来了。
《天体运行论》出版后很少引起人们的注意。 一般人不能了解，而许多天文工作者则正如奥塞安 德尔所说的那样，只把这本书当作编算行星星表的 一种方法。《天体运行论》在出版后七十年间，虽 然遭到马丁.路德的斥责，但未引起罗马教廷的注 意。后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说，危 及教会的思想统治，罗马教廷才开始对这些科学家 加以迫害，并于公元1616年把《天体运行论》列 为禁书。
1638年，伽利略发表了《关于两种新科学对 话集》，研究了物体的距离、速度和加速度之间 的关系，提出了无穷集合的概念。这是伽利略最 后一部科学著作，在物理学方面取得重要成就。 他重视实验和数学工具的做法标志着近代科 学的出现。
伽利略的天文学著作发表之后，受到基督教会的攻讦，并被 列为禁书。1633年，他被传到罗马受审，受到严刑逼讯。
在16世纪时，天文学上 占统治地位的学说仍是古希 腊托勒玫地心学说。该学说 主张地球居宇宙中心静止不 动，日、月、行星和恒星均 环绕地球运行。 托勒玫的地球中心说支 配西方达1500年之久。
哥白尼（1473-1543）
他是一个波兰教士，年青时曾去意 大利波伦亚学习，受到文艺复兴新精神 的影响，并吸收了新柏拉图主义的一些 思想。回国后，他利用业余时间从事天 文研究。 当时在天文学中占统治地位的是古 代托勒密的学说。但托勒密学说有一个 引人注目的缺点，即它用以解释天体运 行的均轮与本轮在数学上太繁复。哥白 尼的突破正是从这一点开始的。他相信 自然规律具有简单和谐的性质，决心寻 求新的解释。
哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇 宙的认识，而且根本动摇了欧洲中世纪宗教神学 的理论基础。“从此自然科学便开始从神学中解 放出来”，“科学的发展从此便大踏步前进” （恩格斯《自然辩证法》）
布鲁诺(1548—1600年)
是意大利著名思想家、学者，出生 于那不勒斯附近的小镇。他冲破反动教 会的重重阻力，热情地宣传哥白尼的太 阳中心说，通过《论原因、本原和同 一》、《论无限宇宙和世界》等著作， 从多方面补充了哥白尼的学说，并且比 哥白尼还前进了一大步。他认为宇宙是 无限的，太阳不过是无数恒星之一，宇 宙中可以居住的星球也是无限多的。
伽利略绘制的月面图和星空图近代实验科学的开端伽利略还是一位卓越的物理学家他发现摆的摆动虽然摆幅大小一次比一次减小但每次摆动的时间却总是相等的由此发现了著名的摆的等时性定律并用单摆周期作为时间量度的单位1583年
第四章:近代自然科学的诞生
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哥白尼革命 医学革命
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科学方法的革命
16到17世纪：科学革命时期
哥白尼革命
Байду номын сангаас1543年在科学史上是极为重要的一年，哥 白尼的《天体运行论》和维萨留斯的《人体的 构造》同于此年出版。 在哥白尼的宇宙图景中，地球不再是宇宙 的中心，从而使《圣经》赋予它的特殊身份完 全丧失了──宇宙不因地球而存在，也就不再 有什么天堂与地狱之分。
“哥白尼学说撼动人类意识之深，自古以来 无一种创见、无一种发明可与伦比。当大地是球 形被哥伦布证实以后不久，地球为宇宙主宰的尊 号也被剥夺了。自古以来没有这样天翻地覆的把 人类意识倒转过来的。如果地球不是宇宙的中心， 无数古人相信的事物将成为一场空了。谁还相信 伊甸的乐园、赞美诗的歌颂、宗教的故事呢！” ──歌德 哥白尼革命可以说是标志着自然科学开始从 宗教神学中解放出来，并宣告了自己的独立。
行了大胆的探索，终于取得了成功。
行星 运动 第一 定律
第一定律又称椭圆轨 道定律，定律指出： “所有行星分别沿不 同大小的椭圆轨道绕 太阳运动，太阳处于 椭圆的一个焦点上。”
开普勒的痛苦 “考虑和计算这件事差不多弄得我发疯.我 实在不能明白为什么竟是椭圆？真是荒谬绝伦！ 难道解决直径的矛盾问题非得通过椭圆这条路不 可吗？……通过推理得出的物理原则必须和经验 相吻合，除了承认行星的轨道是完全椭圆之外别 无它途。”
在他的著作《论无限性、宇宙和诸世界》 中，有一首诗表明了他的观点： 展翅高飞信心满，晶空对我非遮拦， 戳破晶空入无限，穿过一天又一天； 以太万里真无边，银河茫茫遗人间。 布鲁诺的行动激怒了教会当局，他被控为 “异端”，并被革除教籍。1592年，宗教裁判 所将他逮捕，投入监狱。
在漫长的七年监狱生涯里，布鲁诺英勇顽强， 毫不妥协，表现了视死如归的大无畏精神。他断然 拒绝要他放弃自己的观点就可得到宽大的诱降劝告、 并且公开揭发了教会的黑暗、卑鄙和无耻。1599年 10月21日的档案记录中说：“布鲁诺宣布，他不打 算招供，他没有做过任何可以反悔的事情，因之也 没有理由去这样做……” 1600年3月17日，教会以极其野蛮的手段，火 焚布鲁诺于罗马的百花广场，罪名是他不仅是一个” 异端分子”，而且是“异端分子的老师”。 在刑场 上他义正辞严地对那些刽子手说：“你们对我宣读 判词，比我听判词还要感到畏惧。”
在古代著作的启示下，他通过自己的一些观 察，但主要是通过推论，提出了一种大胆的新理 论：在宇宙的庙堂中，太阳“坐在皇帝的宝座上， 统治着周围的星星家庭。”。而地球与别的行星 一样，围绕太阳作同心圆运动，同时绕自身的轴 旋转。哥白尼把自己的这种新的日心说写于《天 体运行》一书中。但他一再踌躇，直到1543年临 终前才加以发表。
“欧洲星学之王”第谷· 布拉赫
1572年11月11日第谷发 现仙后座中的一颗新星（银河 系的一颗超新星），第二年发 表论文《新星》，后来受丹麦 国王腓特烈二世的邀请，在汶 岛建造天堡观象台，建造了许 多大型精密的天文仪器，经过 20年的天文观测，第谷发现 了许多新的天文现象。
(1546－ 1601) 丹麦天文 学家和占 星学家
哥白尼的新学说还包含着当时流行的一些旧观 念，如认为天体的运动是完满均匀的圆周，并把宇 宙看成有限的等等。但哥白尼敢于反叛宗教的与古 代的权威，标志着近代科学革命的开始。不过，在 当时，哥白尼的新说并未被人们接受，而且受到了 教会的攻击。甚至具有一定革命性的新教领袖路德 和加尔文也对之大加谴责。