第五章 现代科学的大发展

第五章：现代科学的大发展

第一节物理学的全面发展

1.1经典力学形式的发展及外展式应用

在牛顿《原理》出版后的近半个世纪中，除了流体力学和弹性理论之外，没有人提出过新的力学原理，万有引力理论乃至理论天文学本身也没有什么重要进展。这也许是因为消化一种造成自然科学革命的理论需要时间的缘故。力学由“革命时期”的质变而转入“常规时期”的量变，这是理论自身不断完善的过程，它主要表现在两个方面：其一，是力学“在牛顿定律基础上的一种演绎的、形式的和数学的发展其二，是牛顿力学的外展式应用。

有人讲牛顿的威望反而使英国此后的科学毫无成果，这是英国人的保守态度所致。从历史来看，牛顿的《原理》没有用他发明的数学分析方法——微积分方法，而是用几何方法表述与论证的；加之他的流数法在符号上的不方便，不仅使得他的分析法甚至在英国都没有很好地普及，同时也使他的《原理》本身的传播和普及受到阻碍。英国著名哲学家G．贝克莱(G．Berkeley，1685～1753)就是激烈攻击牛顿数学分析的代表人物之一。不过，他的批判后来却在法国刺激了达兰贝尔(d’Alembert，1717～

1783)和柯西(A．LCauchy，1789—1857)等人，使之在发展微积分和极限理论的同时，实现了牛顿力学的形式化发展。18世纪中叶以后，达兰贝尔的《力学原理》(1743)、欧拉(Leonhard Euler，1707—1783)的刚体和流体运动方程(1759，1761)、拉格朗日(J．L．La—grange，1736～1813)的《解析力学》(1788)和拉普拉斯(Laplace，1749～1827)的《天体力学》等相继问世，这些著作高度的展开并完善了牛顿理论，其中数学分析方法成了理性向自然界逼近的锐不可挡的武器。

自《原理》发表以后，如此众多的现象通过经典力学、特别是引力理论的应用而被解释。牛顿理论证明了为什么物体在不同高度和纬度，其下落速率会发生变化。它还解释了月球的规则运动和不规则运动问题。它提供了理解和预报潮汐现象的物理基础，并揭示了地球的岁差率现象是月球对地球赤道隆起处吸引的结果。对牛顿理论的最成功的应用，是哈雷彗星的预言。哈雷(E.Halley，1656～1742)通过对1682年大彗星的观测与研究认为，不仅是行星，而且彗星同样在万有引力作用下运动。他发现1531年、1607年、1682年的三个彗星的轨道非常相似，而推断它们是同一个彗星，并计算出其接近地球的周期为75～76年，因此预言下一次彗星出现在1758年。尽管在此之后的1740年他

以87岁的高龄去世了，但后来以他的名字命名的这颗大彗星于1758年圣诞之夜如期地光临地球上空。然而，比哈雷彗星的成功预言更加辉煌和振奋人心的还是海王星的发现。英国青年亚当斯和法国青年勒维列分别独立地根据万有引力定律和摄动理论研究推导出未知行星的位置。在计算结果送给柏林的加勒(1812—1910)的当天晚上，就在预测的位置上找到了这颗后来被命名为海王星的行星。这一事件宣告了牛顿力学的最终胜利，使它成为所有科学的模式；而在科学外部，则逐渐表现出牛顿的革命意识。

1.2 经典力学作为形而上学模式

牛顿和他的同时代人约翰•洛克(JohnLocke，1632～1704)是伟大的新思想的象征。这种新思想孕育了在思想信仰和习惯势力领域中的革命，它标志着以启蒙运动为起点的新时代的到来。正如一位学者所说：“牛顿思想的影响是巨大的。整个启蒙运动的纲领(尤其是在法国)是自觉地建立在牛顿的原理和方法的基础上的，这在后来则转变为西方现代文化。道德、政治、技术、历史、社会等等的某些中心概念和发展方向，没有哪一个思想和生活地域能够逃脱这种文化转变的影响。”。一般说来，牛顿的经典力学的形而上学模式有三个特点：

首先，牛顿模式中包含一种依靠一个个事实的实证与归纳达到原理方法，这种方法的实质是只能问“怎么样”(How)，而不能问“为什么Why)。因为问原因归根结底就是问第一原理，那就等于探索创造的神秘。正如法国启蒙运动领袖之一伏尔泰所说：“任何第一原理，我们也可能认识。”尽管牛顿晚年为了解释造成行星椭圆轨道的切向力来源，曾提出“上帝的第一推动”的神学思想，但他认为创造后的宇宙不再受神的任何统制。因此牛顿模式的形成客观上有助于启蒙运动的领袖们切断神学与自然科学联结的纽带。

除了实证与归纳之外，牛顿模式的又一精髓则是把数学作为开启宇宙秘密的钥匙，因为数学结论的优点在于它的普遍性。在这种模式看来，整个自然界的符合机械原理的有规则的运动完全可用数学来描述，空间与几何学领域变成了一个东西，时间则与数的连续变成了一个东西。外部世界于是成为一个量的世界，一个可用数学计算的运动的世界。这种由伽利略奠基而由牛顿完成的模式统治自然科学达三个世纪之久。

最后，由于牛顿经典力学是当时自然科学惟一上升为理论层次的学科，加之它所取得的辉煌成功，使力的概念以及由波义耳开始到牛顿完成的关于物质理论的微粒(素)学说被众多学科所

运用，“力”和“素”的概念超出了力学、光学和化学领域而被赋予一般方法论意义。比如，用热素来解释热的本质，用燃素来解释燃烧的本质，以及用弹性素、磁素等莫须有的“素”来解释振动和磁等各种现象的物质基础；又比如，在运动的原因问题上，以各种不存在的“力”(化学亲和力、电接触力、生命力等)来解释各种运动过程的本质，这是统治一个时代的形而上学自然观的机械论特征。

1.3 真空与流体力学

除了刚体力学外，近代力学的又一分支是流体力学。在流体力学方面作出贡献的主要代表人物有西蒙•斯台文、托里拆利(E.Tofricelli，1608—1647)、帕斯卡、盖里克(O．Guericke，1602—1686)和波义耳(R．Boyle，1627—1691)等人。

斯台文作为近代力学先驱曾发现过若干重要的流体静力学定律。

例如，他用实验演示了所谓“流体静力学悖论”：液体对盛放液体的容器的底所施的力只取决于承受压力的面积大小和它上面的液柱的高度，而与容器的形状无关。此外，他还隐含地假设了后来由帕斯卡提出的原理：流体中任何一点处的压强各向相等。最后，他还研究了浮动物体的平衡条件，他发现这种物体的