近代科学的诞生

第六讲 近代科学的诞生
概述 一、哥白尼革命 二、新天文学 三、新物理学的诞生 四、近代化学和生物学肇始 五、机械自然观、科学方法论与科学的体 制化
历史背景
• • • • • 中世纪后期的学术复兴 文艺复兴 宗教改革 地理大发现 资本主义的萌芽
概述
一，哥白尼革命
1. 尼古拉· 哥白尼（14731543）的生平： 波兰数学家，天文 学家。早年求学于波兰 的克拉科夫大学，接着 赴意大利博洛尼亚大学 和帕多瓦大学留学，习 教会法，医学和神学。 回国后，任其舅父—— 地区主教的秘书和医生， 余暇研究天文学，晚年 出版《天体运行论》， 提出“日心说”。
6. 哥白尼学说的影响
2）在思想观念变革中的意义
• 自然观念方面：打破了天地决然有别的界 限、破除了亚里斯多德的绝对运动概念、 暗含了宇宙可能没有中心、地球动而恒星 天层不动动摇了宇宙有限论。 • 社会观念：挑战了基督教神学宇宙观
评价：
• 麦克莱伦第三： 若要真正了解哥白尼和他的工作， 我们必须明白，他是最后一位古代天文学家，而不 是第一位近代天文学家。哥白尼其实是一个很保守 的人，他是回头盯住古希腊的天文学，而不是要向 前开拓什么新传统。他是托勒密的后人，而不是开 普勒和牛顿的前辈。他至多是一位感情矛盾的革命 者。他的目的并不是要推翻旧的希腊天文学体系， 而是要恢复那个体系的本来面目。具体说来，哥白 尼认真领受了将近2000年前发出的那条“拯救这些 现象”的命令，设法要严格按照匀速圆周运动去说 明天体的运动。
• 在《天体运行论》（De revolutionibus orbium coelestium）中观测计算所得数值的精确度是惊人 的。例如： 1） 他得到恒星年的时间为365天6小时9分40秒，比 现在的精确值约多30秒，误差只有百万分之一； 2） 他得到的月亮到地球的平均距离是地球半径的 60.30倍，和现在的60.27倍相比，误差只有万分之 五。
• 对月球的 观测 • 对木星卫 星的观测 • 对太阳的 观测
4. 第谷对哥白尼体系的反驳
• 理由一：没有观测到恒星视差，如果日心 体系正确，则恒星天球到地球的距离至少 是地球半径的7850000倍。（根据欧多克斯 的计算，太阳到地球的距离仅为地球半径 的490倍）
• 理由二：针对地球自转说，举出大炮发射 的实例加以反驳。
5. 第谷的宇宙体系及其评价
1) 第谷模型同样 否定了托勒密的 宇宙体系 2) 否定了水晶天 球的假说 3) 脱离了传统的 “地心说”但同 时否定“地动说” 的立场
出版的艰难
•
由于托勒密的地心说在当时已经成为维持教会统 治的神学理论基础，哥白尼深知发表日心说的后果， 这样写到：“我清楚地知道，一旦他们弄清楚我在 论证天体运行的时候认为地球是运动的，就会竭力 主张我必须为此受到宗教裁判……”，“他们就会大叫 大嚷，当即把我轰下台。”因此，哥白尼迟迟不愿 意发表他的著作《天体运行论》。直到1539年春天， 在德国青年学者雷迪卡斯（1514—1576年）和其他 一些朋友的敦促下，哥白尼才同意发表。1541年秋 天，雷迪卡斯把修改稿带到纽伦堡，请路德派的一 位神学家奥幸德匿名撰写一篇前言，宣称“这部书 不可能是一种科学的事实，而是一种富于戏剧性的 幻想”。在这样的情况下，才于1543年3月出版，从 写成初稿到出版，前后竞搁置了近“四个九年”。
开普勒学说的“缺陷”
• 不同意布鲁诺的无限宇宙观：虽然在 太阳系内废除了水晶天球，但依然保 留了恒星天球。 • 宇宙是上帝的作品，应该体现数学的 和谐和秩序。
• 对于一个天文学家，有意义的只是观 察到的现象。
三、新物理学的诞生
哥白尼革命遗留的问题： •恒星视差问题 •地动抛物问题 •行星的运行动力学。 需要新的物理学解答上述问题。
7. 关于布鲁诺
• （Giordano Bruno，1548-1600）
作为泛神论者， 他支持并发展了 哥白尼的宇宙观， 提出宇宙无限论
• 但很难认为他是 一个天文学家。
鲜花广场-布鲁诺纪念碑火刑柱就在这里
二. 新天文学
1．第谷· 布拉赫的折衷体系 第谷· 布拉赫（1546-1601），丹 麦天文学家 对1572年出现在天空中的新星 的观测使他一举成名，被丹麦 国王聘为皇家天文学家，并为 他在丹麦海边的“汶岛”上建 立起一座豪华的天文台。 他的长达20年的观测记录，成 为后继者们的宝贵财富。 1597年，由于和继任的新国王 不和，前往布拉格，担任神圣 罗马帝国皇帝鲁道夫二世的御 前数学家。
4. [天体运行论]的出版
• 1514年，匿名小册子《要释》 （Commentariolus)出版，在天文学家中流传 • 1540年，年轻的德国学者雷蒂库斯整理出版 了哥白尼手稿的《摘要》。 • 1543年，哥白尼临终前，《天体运行论》出 版 • 路得派教士奥塞安德尔加上的没有署名的 『前言』中将该体系称为“方便计算的数学 假说” • 哥白尼本人则强调：“日心体系是一种对物 理世界的真实描绘”
9. 行星三定律的提出
• 对圆的概念的突破：从卵形到椭圆
• 火星划出一个以太阳为焦点的椭圆（开普 勒第二定律） • 1618年，发表《哥白尼天文学概论》，将 火星运动两大定律推广到太阳系的其他所 有行星，同时公布了开普勒第三定律：行 星公转周期的平方与它到太的相遇
• 第谷欣赏开普勒的数 学才能 • 开普勒接受了第谷的 观测资料，并以此作 为寻求反映宇宙和谐 （之数学结构）的出 发点。
9. 行星三定律的提出
• 以火星作为突破口。 • 一开始采用传统的托勒密的偏心等距点（对点）方法， 发现与第谷数据不符（相差8弧分）。 • 发现由太阳到火星的运动向量在相同时间内划出相等的 面积（即开普勒第二定律）
“地心说”存在的问题
• 越来越多的轮子，体系越来越复杂。 • 大大背离了毕达哥拉斯主义所追求的 数学上的简单和完美性。 • 在该体系中，地球实际上不在宇宙的 中心。
革命的外在条件
• 儒略历亟需改革：公元45年起开始使用， 到16世纪时，已相差近10天。以至于难以 准确计算复活节的日期。1475年，教皇赛 克斯都企图改革，但无结果。1512年，教 皇利奥十世又重提此事。历法的改革需要 相应的理论。 • 大航海时代，需要更加精确和简洁的天文 历表。
5.哥白尼体系的优点与问题
优点1：简洁
• 宇宙模型更加简单（例如，可以很简洁地 解释行星视运动的“留”、“逆行”现象）
• 具体描述和推算行星运动时，虽然仍不得 不引入偏心圆和本轮，但所需本轮少得多 （34 Vs 80+）
P
C
本轮
对应点
圆心
地球
均轮
行 星 的 逆 行
火星的视运动
优点2：部分参数更精确
6．开普勒和行星运动三定律
开普勒（1571-1630）
生于德国南部。新教 徒。年轻时在杜宾根 大学读神学。数学家， 天文学家，继承第谷 的观测资料，发现了 行星运动的三个定律， 被誉为“天空的立法 者”。
7. 开普勒与哥白尼
他们同样受到毕达 哥拉斯和柏拉图主 义的影响，因而开 普勒赞赏哥白尼的 体系：“我从灵魂 的最深处证明它是 真实的，我以难于 相信的欢乐心情去 欣赏它的美。”
• 1838年
• 天鹅座61 的周年视差 0.31”
B
太阳
A
6. 哥白尼学说的影响
1）作为一项天文学的成就 • 实用价值：1551年，天文学家莱因霍尔德 根据哥白尼的原理计算得出“普鲁士星 表”，在此基础上，当局实现了历法改革， 制定出新的格列高里历，沿用至今。 • 天文学基本认识的革命：新的宇宙模型、 对行星运动现象的新解释、提出了新的问 题引发后续的天文学革命（从行星运动学 到动力学）
• 椭圆的引入给希腊古典天文学画上了句号。 • 太阳真正成为引导六大行星运转的力量源泉。 • 开普勒成功的基础：第谷丰富和准确的观测 记录+阿波罗尼的椭圆几何性质研究。
“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个
特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验 中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者 的比较中得出。”（爱因斯坦）
• W.海森伯评价哥白尼的《天体运行论》：
今天，我们甚至可以以更极端的形式说， “静止”一词是由地球静止着这个陈述来定义的， 并且我们把相对于地球是不动的每一物体描述为静 止的。如果对“静止”一词作如此理解——而这是 普遍接受的意义——那么，托勒密是对的，哥白尼 却错了。只有当我们沉思了“运动”和“静止”的 概念，并把运动理解为至少是关于两个物体的关系 的陈述，我们才能够把关系倒转过来，使太阳成为 行星系的不动的中心并获得一个简单得多、也更统 一的关于行星系的观点，后来牛顿充分评价了这种 观点的阐明的力量。因此，哥白尼把一个全新的要 素加到直接经验之上，我称这个要素为“自然定律 的简单性”，而它与直接经验毫无关系。
• 恩格斯：“自然科学借以宣布其独立„„的革 命行为。„„从此自然科学便开始从神学中解 放出来。”
• 丹皮尔：“哥白尼教人用新的眼光去看世界。 地球从宇宙中心降到行星之一的较低地位。这 样一个改变不一定意味着把人类从万物之灵的 高傲地位贬降下来，但却肯定使人对那个信念 的可靠性发生怀疑。因此，哥白尼的天文学不 但把经院学派纳入自己体系的托勒密学说摧毁 了，而且还在更重要的方面，影响了人们的思 想与信仰。
2.第谷在观测上的贡献
他的观测精度之高 达到肉眼的极限。
第 谷 在 天 文 台 工 作
3. 第谷的成就及其意义：
• 1572年11月11日夜晚，发现一个新星，通 过严格测定它的视察，证明其位置不在月 下区域，而在土星天球以外。 • 对1577年彗星的观测，同样通过测定其视 差，发现其轨道在月上区，并穿过传统理 论假定的那些携带行星的水晶天球。
中世纪的宇宙结构：“地心说”及 其问题
将亚里士多德的天球模 型整合到基督教的宇 宙图景中。
• 不完美的月下区与完 美的月上区 • 四元素说与以太 • 上帝是第一推动力 • 其物理学是“地心说” 的理论基础。