第二節(jié)　經(jīng)典力學(xué)的確立

古代文化中心除了中國（黃河長江流域）之外，還有印度，以及處于尼羅河畔的埃及和處于美索不達尼亞平原的巴比倫。其中，巴比倫的歷法、埃及的幾何測量和金字塔建筑，在世界文明史中均占有重要地位。

與此相應(yīng)，地處巴爾干半島的古希臘，由于其地理位置以及航海、貿(mào)易的需獸。形成了古希臘文化，也稱為希臘羅馬文化，誕生了不少著名“智者”、“圣賢”或自然哲學(xué)家。

公元前6世紀左右，古希臘誕生了分別以泰勒斯（約公元前624年—公元前547年）和畢達哥拉斯（約公元前584年—公元前500年）為代表的兩大著名學(xué)派。泰勒斯被稱為古希臘第一哲學(xué)家，在天文、數(shù)學(xué)、氣象等方面均有貢獻。據(jù)說他曾預(yù)言過公元前585年的一次日食。泰勒斯在埃及時，曾利用日影及比例關(guān)系算出金字塔的高。他認為萬物皆由水而生成，又復(fù)歸于水。泰勒斯開創(chuàng)了命題的證明方法，他所得到的命題有：

①圓被任一直徑所平分；②等腰三角形底角相等；③兩直線相交，對頂角相等；④相似三角形對應(yīng)邊成比例；⑤半圓上的圓周角是直角，等等。畢達哥拉斯的主要貢獻在數(shù)學(xué)上，曾提出勾股定理以及對奇數(shù)、偶數(shù)和素數(shù)的區(qū)別方法。他用數(shù)學(xué)方法研究樂律，認為琴弦的長度之間形成簡單整數(shù)比時，所發(fā)出的聲音才是和諧悅耳的，否則就是不悅耳的噪聲，這一結(jié)論稱為畢達哥拉斯琴弦定律。

現(xiàn)在我們知道，琴弦在發(fā)聲時，將在弦線上形成駐波，兩個固定端為波節(jié)，所以弦線上的基波頻率v由下式?jīng)Q定，其中，“為弦線中的波速，是由弦線的張力和單位長度上的弦線質(zhì)量所決定的；z為弦線長度。當(dāng)聲速一定時，弦線中所形成的駐波，其基頻頻率與弦線長度成反比。改變弦線的長度，就可以改變其頻率，這樣產(chǎn)生的聲音都是和諧悅耳的。所以即使在今天看來，畢達哥拉斯琴弦定律也是正確的。但是畢達哥拉斯把他的琴弦定律做了不恰當(dāng)?shù)耐茝V，把數(shù)學(xué)概念神秘化，認為世界上“萬物皆數(shù)”，認為數(shù)是事物的原型，是構(gòu)成宇宙秩序的根本。畢達哥拉斯認為行星的運動必須是和諧的，因而行星到地球的距離也必須成簡單的整數(shù)比的關(guān)系，這個結(jié)論卻是大錯特錯了。

由這兩大著名學(xué)派的發(fā)展與演化，產(chǎn)生了數(shù)學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的多個學(xué)派。例如，柏拉圖（公元前428年—公元前348年）的唯心主義哲學(xué)，亞里士多德（公元前384年—公元前322年）和阿基米德（公元前287年—公元前212年）的物理學(xué)，歐幾里得（公元前330年—公元前275年）的幾何學(xué)等等。懇格斯對于古希臘哲學(xué)的歷史意義做了如下的評價：“在希臘哲學(xué)的多種多樣的形式中，差不多可以找到以后各種世界觀的胚胎、萌芽。因此，如果理論自然科學(xué)想要追溯自己今天的一般命題發(fā)生和發(fā)展的歷史，它也不得不回到希臘人那里去?！?/p>

到了文藝復(fù)興時期（公元14—16世紀），由于城市商品經(jīng)濟的發(fā)展，資本主義關(guān)系漸漸形成，高等院校和科研機構(gòu)也相繼建立起來，導(dǎo)致了科學(xué)技術(shù)的更快的發(fā)展。在此期間，涌現(xiàn)出了很多著名科學(xué)家。下面扼要介紹幾位。

達·芬奇（1452—1519），意大利著名美術(shù)家、自然科學(xué)家和工程師。他把科學(xué)知識和藝術(shù)思想有機地結(jié)合起來，使當(dāng)時繪畫的表現(xiàn)水平發(fā)展到一個新階段。達·芬奇把解剖、透視、明暗和構(gòu)圖等零碎的知識，整理成為系統(tǒng)的理論。他的名畫“蒙娜麗莎”卓絕地表現(xiàn)出了人物的內(nèi)心世界。在科學(xué)上，他認為自然界的一切現(xiàn)象都服從于客觀的必然性的規(guī)律。他用深刻的觀察和豐富的想像力探求幾乎所有的知識領(lǐng)域：數(shù)學(xué)、力學(xué)、天文、地質(zhì)、工程、動植物等等。他堅持運用實驗進行各種力學(xué)研究，他做過很多的機械設(shè)計，如飛機、降落傘、坦克、大炮、汽車等等。他在自然科學(xué)和工程技術(shù)上的筆記手稿達7000多頁。下面引用的達·芬奇的幾段話，表明了達·芬奇的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法?！霸谘芯恳粋€科學(xué)問題時，我首先安排幾種實驗，我的目的是根據(jù)經(jīng)驗來決定所研究的問題，然后指出為什么物體在什么原因下會有這樣的效應(yīng)，這是一切從事研究自然現(xiàn)象所必須遵循的方法?！薄皩嶒炘谌魏吻闆r下都是我的老師?！薄翱茖W(xué)是船長，實踐是水手。”“智慧是經(jīng)驗的女兒?！薄霸诳茖W(xué)中，凡是用不上任何一種數(shù)學(xué)的地方，凡是和數(shù)學(xué)沒有聯(lián)系的地方，都是不確切的?！薄皩嶋H上，偉大的愛產(chǎn)生于對所愛事物的偉大知識。”

培根（1561—1626），英國哲學(xué)家。培根特別強調(diào)發(fā)展自然科學(xué)的重要性，以為只有有組織地進行科學(xué)研究、科學(xué)發(fā)明和科學(xué)發(fā)現(xiàn)，才是導(dǎo)致人類生活進步的最大力量。培根指出中國的印刷術(shù)、火藥和指南針三項發(fā)明為人類的進步做出了巨大的貢獻。培根提出了著名的“知識就是力量”的論點，認為掌握知識的目的是更好地認識自然，以便征服自然。指出一切知識來源于感覺，感覺是可靠的?？茖W(xué)在整理感性材料時，用的是歸納、分析、比較、觀察和實驗的理性方法。馬克思指出，培根是“英國唯物主義和整個現(xiàn)代實驗科學(xué)技術(shù)的真正始祖”。

波蘭天文學(xué)家哥白尼（1473—1543）經(jīng)過長期的觀測和大量繁雜的計算，認為地心說（地球靜止于宇宙中心，其他星球都圍繞地球運動）過于繁瑣復(fù)雜。地動日心說（簡稱日心說）可以一舉解決很多很多難題。公元1543年，就在哥白尼去世前不久，出版了他的名著《天體運行論》。《天體運行論》分六卷。第一卷總論太陽居于宇宙中心，地球和其他行星以圓形軌道繞太阻運行；第二卷論述地球的自轉(zhuǎn)；第三卷論述地球的公轉(zhuǎn)，太陽視運動，歲差和賈道赤道交角的測定；第四卷論述月亮的運行和日月食；第五、六兩卷論述五大仃星（水星、金星、火星、木星、土星）的運動。盡管哥白尼主張的“行星以圓形軌道繞太陽旋轉(zhuǎn)”的論點被開普勒（1571—1630）行星運動定律中的橢圓軌道所取代，但由于《天體運行論》否定了在西方統(tǒng)治了一千多年的地心說，引起了人類宇宙觀的重大革新，從而沉重地打擊了封建神權(quán)的統(tǒng)治。恩格斯指出：“天文學(xué)中地球中心的觀點是褊狹的，并且已經(jīng)很合理地被推翻了?！?/p>

“從此自然科學(xué)便開始從神學(xué)中解放出來?！薄翱茖W(xué)的發(fā)展從此便大踏步前進。”

《天體運行論》的出版引起了宗教勢力的仇視，被列為禁書，主張日心說的人也遭到殘酷迫害，如意大利哲學(xué)家布魯諾（1548—1600）被宗教裁判所判處死刑，在羅馬被活活燒死。著名科學(xué)家伽利略（1564—1642）也受到羅馬教皇的迫害。這些事例說明，當(dāng)時的教會已經(jīng)成了阻礙科學(xué)健康發(fā)展的反動勢力，而先進的新科學(xué)的誕生和發(fā)展又需要付出多么慘痛的代價。

哥白尼的巨大歷史功績是首先沖破了教會神權(quán)統(tǒng)治的羅網(wǎng)，開創(chuàng)了人類在宇宙觀上的根本變革，人們不再盲從神圣的教條，開始用文藝復(fù)興所復(fù)活的自由探索精神去重新認識自然界的一切運動現(xiàn)象。

丹麥著名天文學(xué)家第谷·布拉赫（1546—1601，簡稱第谷），自幼喜歡觀察日月星辰。1560年8月21日發(fā)生日食，在此之前曾有預(yù)報。14歲的第谷觀測到了這次日食，并對人類能夠如此準(zhǔn)確地預(yù)報日食驚訝不已，于是努力學(xué)習(xí)前人的著作。

1563年8月，他做了第一次天文觀測記錄——木星和土星，以后又經(jīng)過20余年的系統(tǒng)的精密觀測，積累了大量的珍貴資料。第谷的觀測結(jié)果以精確和系統(tǒng)著稱于世。由于在第谷時代并沒有光學(xué)儀器用于天文觀測，第谷的觀測結(jié)果達到了當(dāng)時歐洲天文學(xué)家用肉眼觀測的極限。

1572年11月11日，他發(fā)現(xiàn)在仙后座出現(xiàn)了一顆新星。現(xiàn)已確定這是銀河系中的一顆超新星，命名為“第谷星”。1600年，第谷邀請年輕的天文學(xué)家開普勒（157l—1630）作為助手。1601年，第谷去世。

開普勒本人視力不佳，但也做了不少的天文觀測工作。1597年，26歲的開普勒出版了《神秘的宇宙》一書，受到天文學(xué)家第谷的賞識。1604年9月3日在蛇夫座附近出現(xiàn)了一顆新星，開普勒對這顆新星進行了長達17個月之久的規(guī)測并發(fā)表了觀測結(jié)果，人們稱這顆星為開普勒超新星。1607年，他觀測了一顆大彗星，這就是后來的哈雷彗星。

開普勒用很多時間對第谷遺留下來的大量觀測資料進行整理分析。在探討五大行星運動規(guī)律的過程中，開始他仍按傳統(tǒng)觀念，認為行星做勻速圓周運動。但是經(jīng)過反復(fù)推算后發(fā)現(xiàn)，對于火星來說，無論是按照哥白尼的日心說，還是按照地心說，都不能得到同第谷的觀測相符合的結(jié)果。與日心說理論對照，計算結(jié)果與觀測結(jié)果的差異最大可達8＇。雖然差別并不算太大，但是開普勒堅信第谷的觀測結(jié)果。于是他想到，火星可能并不是做勻速圓周運動。他嘗試用各種不同的幾何曲線來表示火星的運動軌道，終于發(fā)現(xiàn)了“火星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽處于橢圓的一個焦點位置上”這一定律。這個發(fā)現(xiàn)把哥白尼的學(xué)說向前推進了一大步。用開普勒本人的話說：“就憑這8＇差異，引起了天文學(xué)的全部革新！”接著他又發(fā)現(xiàn)，盡管火星的運動速度是不均勻的，但是，從任何一點開始，在單位時間內(nèi)，向徑（火星與太陽的連線）掃過的面積卻是不變的。這樣，就得出了關(guān)于火星運動的第二條定律：“火星的向徑，在相等時間內(nèi)掃過相等的面積。”

1609年，開普勒出版了《新天文學(xué)》一書，書中詳細敘述了這兩條定律。并指出，這兩條定律同樣也適用于其他行星和月球的運動。

又過了十年，經(jīng)過長期繁復(fù)的計算和無數(shù)次失敗，開普勒終于發(fā)現(xiàn)了關(guān)于行星運動的第三條定律：“行星公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道半長軸的立方成比例?！边@一定律發(fā)表在1619年出版的《宇宙的和諧》一書中。開普勒在書中寫道：

“我用一部天體哲學(xué)或一部天體物理學(xué)取代了亞里士多德的一部天體神學(xué)或天體形而上學(xué)，從感官所覺察的事物的存在，去追究事物存在與變化的原因?！彼€認為：“應(yīng)當(dāng)用數(shù)學(xué)或幾何學(xué)表達這些物理原因。”開普勒行星運動三定律為經(jīng)典天文學(xué)奠定了基礎(chǔ)，并導(dǎo)致了數(shù)十年之后萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。

順便提一下，開普勒一生貧病交加，生活非常艱苦。除了天文學(xué)研究之外，他還做了30年的教師，卻總共只領(lǐng)到8個月的工資，再加上中歐各國經(jīng)常打仗，開普勒窮困潦倒，最后競死于索債途中。德國哲學(xué)家黑格爾曾說過：“開普勒是被德國餓死的。”然而，即使在這樣的艱難困苦條件之下，開普勒仍然醉心于天文學(xué)研究，并且取得如此杰出的成就，對人類文明做出如此重大的貢獻，真是令人肅然起敬。

通過以上介紹可以看出，文藝復(fù)興時期的科學(xué)家，與古代哲學(xué)家相比，有一個顯著的特點，就是重視實驗。文藝復(fù)興時期的科學(xué)家更具有求真務(wù)實的精神。

他們對真理的執(zhí)著勝于對神靈的崇拜。他們腳踏實地，不迷信權(quán)威。他們的工作，為經(jīng)典力學(xué)的確立奠定了良好的基礎(chǔ)。1687年，牛頓在前輩科學(xué)家工作的基礎(chǔ)上，再加上自己幾十年的研究成果，發(fā)表了劃時代的偉大著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)框架已經(jīng)建成。以后又經(jīng)過發(fā)展和完善，形成了嚴謹?shù)睦碚擉w系。