§1．2　歷史的啟迪

一部力學(xué)發(fā)展史就是人類科學(xué)的誕生史．從總的發(fā)展趨勢來看，在牛頓運動定律建立以前，力學(xué)的研究主要是積累經(jīng)驗，并在理論和實驗中不斷修正力學(xué)概念．從時間史上可分為兩個時期：

（1）古代：從遠(yuǎn)古到公元5世紀(jì)，人類對力的平衡和運動有了初步了解．

（2）中世紀(jì)：從6世紀(jì)到16世紀(jì)，對力、運動以及它們之間的關(guān)系認(rèn)識也有進展．在這段時期內(nèi)，中國的科學(xué)技術(shù)水平總體上處于世界領(lǐng)先地位，但力學(xué)的知識與概念大多融合在一些工程技術(shù)中，缺乏邏輯分析推理．在中國的古代科技文獻(xiàn)中有大量關(guān)于力、速度等的描述，但始終沒有“加速度”概念的提煉，因此，在明末宋應(yīng)星的《天工開物》之后，中國古代的經(jīng)驗力學(xué)也宣告終結(jié)．

在牛頓運動定律建立之后，力學(xué)的發(fā)展進入現(xiàn)代科學(xué)時期，主要有下面4個階段：

從17世紀(jì)初到18世紀(jì)末，在伽利略（Galileo）建立的加速度概念的基礎(chǔ)上，牛頓建立了經(jīng)典力學(xué)并不斷得到完善；

19世紀(jì)，力學(xué)的各個分支建立，特別是在1832年和1845年納維（Navier）和斯托克斯（Stokes）等提出了固體力學(xué)和流體力學(xué)的基本方程后，力學(xué)脫離物理學(xué)而成為一門獨立學(xué)科；

從1900年到1960年，近代力學(xué)誕生，并與工程技術(shù)關(guān)系密切．這段時期新的工程技術(shù)發(fā)展較快，原先主要靠經(jīng)驗的辦法跟不上時代了，這就產(chǎn)生了應(yīng)用力學(xué)這門學(xué)科．但當(dāng)時計算工具落后，解決具體工程問題主要靠實驗驗證；

1960年以后是現(xiàn)代力學(xué)階段，由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使原來復(fù)雜的力學(xué)計算成為可能，用力學(xué)理論和數(shù)值模擬計算技術(shù)解決工程設(shè)計問題成為主要途徑．

力學(xué)的發(fā)展史也是人類從經(jīng)驗技術(shù)上升到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史．我們可從牛頓建立萬有引力定律的過程來看科學(xué)與經(jīng)驗的差別：

1609—1619年，德國科學(xué)家開普勒（Kepler）用了10年時間將他的老師第谷（Tycho Brache）30年辛勤積累的天文觀察數(shù)據(jù)總結(jié)成行星運動的3大定律，指出行星運動的軌跡是一橢圓，而太陽正是橢圓的一個焦點；

1638年，意大利科學(xué)家伽利略總結(jié)出了慣性定律，指出自由落體的加速度與其重力成正比；

1659年，荷蘭科學(xué)家惠更斯（Huygens）給出動量與能量守恒的早期萌芽形式；

1661年，英國科學(xué)家胡克（Hooke）等人提出星體之間相互吸引，提出引力的概念；

1673年，惠更斯再次推導(dǎo)了引力大小與距離平方成反比關(guān)系；

1680年以后，牛頓才對引力問題發(fā)生興趣，但這時關(guān)于天體力學(xué)剩下的關(guān)鍵問題只有一個：如果行星在太陽引力作用下運動，并且假設(shè)引力與距離平方成反比，那么行星運動的軌跡應(yīng)該是什么？

當(dāng)時實驗觀測的結(jié)果是行星運動的軌跡為橢圓（開普勒定律），但是沒人能回答為什么是橢圓．牛頓在數(shù)學(xué)上比別人略高一籌，他掌握了當(dāng)時最先進的數(shù)學(xué)工具——微積分，他從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明了在上述條件下行星運動的軌跡一定是橢圓，這與近百年的天文觀察結(jié)果相吻合，并據(jù)此建立了萬有引力定律，完善了經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)體系．

從牛頓建立萬有引力定律的過程中我們發(fā)現(xiàn)，如果沒有前人的工作，牛頓從一個蘋果落地是絕對創(chuàng)造不出來萬有引力定律的．而如果沒有牛頓的系統(tǒng)理論總結(jié)，前人的工作包括開普勒的工作最多只能是經(jīng)驗，是技術(shù)，不是科學(xué)，也不會有萬有引力的概念，或許也就沒有當(dāng)今人類引以自豪的航天航空事業(yè)了．牛頓的工作或許只是別人畫龍他點睛，如果從工作量來講，他遠(yuǎn)不如第谷（Tycho）的三十年如一日，也不如開普勒的十年磨一劍，他比胡克等人更晚懂得天體運行規(guī)律，甚至他當(dāng)時在天體力學(xué)界或許只是一個小學(xué)生，但是，發(fā)現(xiàn)萬有引力的殊榮非牛頓莫屬，這就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機遇，就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律．

從牛頓建立經(jīng)典力學(xué)的過程中，我們還可以看出科學(xué)研究中的另一個重要因素，就是研究對象或方向的選擇．在牛頓的研究中，他選擇了行星，雖然天體運動對當(dāng)時人類來講是那么遙遠(yuǎn)，又完全不可控制，雖然當(dāng)時關(guān)于行星運動已積累了大量的觀察數(shù)據(jù)，前人也做了大量的總結(jié)，但最關(guān)鍵的是行星在運動中只受到一個力——太陽引力的作用，并且當(dāng)時計時和測距的精度對測量行星運動已是很精確了，在這樣簡單單一的條件下牛頓才得到了力與運動的基本規(guī)律，并將此推廣到其他情況下力與運動的問題．可以想象，如果當(dāng)時牛頓像伽利略那樣，從蘋果落地來研究地球?qū)μO果的引力，那他就沒那么幸運了，他或許要遺憾終生．因為對當(dāng)時研究而言行星受力要比地球?qū)μO果的引力簡單得多．

牛頓在建立經(jīng)典力學(xué)過程中創(chuàng)造的這種將復(fù)雜問題最簡單化的還原論（Re－ductionism）方法一直主宰著西方科學(xué)的發(fā)展．英國著名的百科全書式學(xué)者卡爾·皮爾遜（Kar－Pearson）在它的《科學(xué)的規(guī)范》中曾寫道：“科學(xué)的統(tǒng)一僅僅在于它的方法，而不在于它的材料，科學(xué)方法是通向絕對知識或真理的唯一入口．”皮爾遜這里指的科學(xué)方法論就是牛頓創(chuàng)立的還原論方法．而比之更早或同時代的中國古代科學(xué)思維則采用了另外一種綜合法模式．300多年過去了，古代的中國科學(xué)技術(shù)除了中醫(yī)藥外，其他幾乎全軍覆沒了，在現(xiàn)代科技的大廈中很難尋覓到中國古代科學(xué)的蹤影，這和沒有采用恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)研究方法是直接相關(guān)的．因此從這方面講，牛頓對人類的貢獻(xiàn)不僅是建立了經(jīng)典力學(xué)，更重要的是建立了正確的科學(xué)研究方法．

還原論方法是牛頓通過建立經(jīng)典力學(xué)而產(chǎn)生的科學(xué)方法，隨著近代力學(xué)的發(fā)展，這一方法本身又受到了新的挑戰(zhàn)．近年來，跨物質(zhì)層次的力學(xué)現(xiàn)象（從原子到宏觀）和非線性非平衡行為（有內(nèi)在的確定性、隨機性和高度自組織結(jié)構(gòu)，如生命體）等是近代力學(xué)研究的重點，這種認(rèn)識將突破簡單還原和疊加的經(jīng)典方法，突破確定性和隨機性的簡單對立，這方面的研究如同當(dāng)初牛頓研究萬有引力一樣，它不僅豐富了力學(xué)的內(nèi)容，而且將產(chǎn)生科學(xué)方法論上的革命．

從力學(xué)的發(fā)展歷史中我們得到下面3點啟示：

（1）科學(xué)研究最終要建立科學(xué)的體系，要從眾多的觀察中總結(jié)出理論，否則只能是經(jīng)驗或技術(shù)，而不能成為科學(xué)．

（2）科學(xué)研究的對象與時機選擇非常重要，太早，研究手段與研究工具都不全，不會有很好的結(jié)果；太晚，沒有新意，只能做一些二流的工作．如何選擇突破口，進行創(chuàng)造性思維，是一個科學(xué)家一生成敗的最關(guān)鍵因素之一．

（3）對探索自然科學(xué)而言，知識本身可能顯得并不十分重要，因為一些實際知識很容易被忘記，而我們所關(guān)心的則是更一般的理解，這種理解對一個受過教育的人來說將會有長遠(yuǎn)的價值——但是這些知識又是我們?nèi)ミ_(dá)到更重要的目的的手段．