17世纪物理学的发展.doc

第四章 17世纪物理学的发展哥白尼学说几乎被所有的新兴科学家一致接受，教会的迫害反而使真理的声音广为传播，伽利略方法广泛受到欢迎，大批实验室和科学家涌现。如：法国的笛卡儿、费马、帕斯卡、马略特意大利的托里拆利荷兰的惠更斯德国的莱布尼兹英国的玻意耳、胡克、哈雷等而在众多的科学家中，当时大体上分为两大类，一类是主要从事实验，崇尚实验归纳方法。例如：帕斯卡、马略特、胡克等，他们大都十分强调实验的意义，但不重视数学和推理。另一类是以笛卡儿、费马和莱布尼兹为代表，崇尚理性演绎，在数学上都有相当的成就。而把实验和理论两方面结合得较好，因而成就比较突出的人物，就是介于伽利略和牛顿之间的科学家惠更斯。总之，17世纪是一个伟大的实验以及理论活动的时期。4.1 力学我们着重介绍笛卡儿、胡克、惠更斯和牛顿的主要成就。一、笛卡儿（15961650）和胡克（16351703）：（一）笛卡儿：1、哲学：笛卡儿在哲学上主张二元论，一方面认为物质运动是客观存在的，另一方面又认为精神也是实体。他主张普遍怀疑，但最后发现“我在怀疑”这一事实再也不能怀疑了。于是得出“我思故我在”的著名论断。2、在自然科学方面，他的机械宇宙观，数学演绎方法和某些物理规律对后来都有较大的影响。笛卡儿认为，物质是由微粒这一唯一实体构成的。机械运动是物质的唯一运动形式。他否认真空的存在，认为空间中充满旋涡状运动的微细物质（以太），天体间的作用就靠这种旋涡来传播，而不是超距作用。这些观点，包括旋涡说，近距作用和无真空等等，构成机械论宇宙观。这些是用力学代替神学对宇宙作出统一解释的第一次尝试，对于当时及后来的物理思想的发展起了不小影响。3、笛卡儿的方法论对于后来物理学的发展也同样重要。他创立了数学演绎法。创立了解析几何学。解析几何学使变数进入了数学，给物理学的研究方法带来了直接的便利（如图解法，为纪念笛卡儿而命名的直角坐标系）。可以说，培根的实验法和笛卡儿的数学演绎法，成为近代物理学方法论的两大源泉。4、在力学上的主要贡献：（1）明确地叙述了惯性定律，他在哲学原理第二章作了如下表述：只要物体开始运动，就将继续以同一速度并沿同一直线方向运动，直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。（2）提出动量守恒定律，即物质与运动的总量永远保持不变，笛卡儿是从哲学上来加以论证的。（3）碰撞定律：他对碰撞及离心力进行了初步研究，这些研究成果启发了惠更斯。（二）胡克：胡克从1662年起任皇家学会实验主持人，他是实验物理学家、仪器设计师。1678年，他首次公布了固体弹性定律：“有多大的伸长量，就有多大的力。”，后经改进才成为胡克定律的现代形式，胡克的实验技术精湛，物理思想活跃，涉及面除力学、热学外还有化学、生物和建筑等。但他不大重视数学，因而对很多重要问题往往不能贯彻到底，加上性格孤僻，好与人争，因此多疑寡欢，不善于与人合作公事，影响了才能的充分发挥。二、惠更斯（1629年1695年）：惠更斯在力学、数学、光学和天文学方面，是伽利略和牛顿之间的一位重要科学家，自幼就表现出很强的动手能力，13岁曾自制一台车床。在阿基米德著作及笛卡儿的影响下，又勤奋地学习力学、天文和数学。他的科学活动的特点是善于把实践活动与理论研究结合起来，透彻地解决问题，在力学方面对碰撞、钟摆和向心力等问题有突出的贡献。对于天文仪器的设计制作也很擅长。1663年和1666年，他先后被选为英国皇家学会和法国皇家学院的第一个国外会员和院士。在体弱多病的情况下，他一心致力于科学事业，终身未婚。1、碰撞理论：对碰撞问题，伽利略和笛卡儿等人都研究过。伦敦皇家学会在1668年1669年为了解决对心碰撞专门进行了悬赏征文。结果，建筑师雷恩、数学家沃里斯和惠更斯三人获奖，惠更斯的结果最细微最全面，尽管只限于完全弹性碰撞。他提出：（1）质量相等而方向相反的二物体正碰后交换速度；在弹性碰撞中同方向的动量保持不变。他想象一个人站在以速度作匀速运动的船上，用吊起的两个相同的钢球作碰撞实验。对船而言，两球以同样的速度相接近而碰撞，在碰撞后（对船而言）两球将保持碰撞前的速度而被弹开。这个过程对于站在岸上的人来说两球是以不同的速度和相向碰撞的，碰撞后两球的速度则分别变为和。于是就可以得出上述结论。惠更斯还指出，这个情形的特例是：一个静止的球同一个质量相同的球碰撞后，后者立即停止，而原来静止的球则获得这一个速度前进。（2）在完全弹性碰撞中守恒，这一原理对他自己后来研究摆的理论起了重要作用。2、摆的研究：1656年，惠更斯首先将摆引入时钟，并在1657、1658、1673年先后取得了摆钟专利，1673年出版了摆式时钟或用于时钟上的摆的运动的几何证明，这本书中，他指出了著名的单摆周期公式：。其中为单摆往或返的时间，即半个周期。根据这一公式，他在巴黎用一个周期为2s 的单摆，精确地测出摆长，从而计算出重力加速度为9.2。他还提出了复摆的完整理论，并求出与复摆振动中心有关的17个问题，这是力学上第一次在给定重力场中求解受约束的质点系的问题。在这些理论问题解决后，他利用摆线理论改进了摆钟的结构与设计，还设计了弹簧振动（游丝）代替挂摆的怀表。另外，精密摆钟的发明和广泛使用，为发现重量和质量两个概念的差异提供了一个条件。1671年，法国的里切尔到南美附近的卡因岛作天文观测时，发现他从巴黎带去的摆钟变慢了，当他把摆长适当缩短，走时就准确了。惠更斯对这一现象做了研究，他认为这是因为赤道附近物体受到更大的离心力，从而抵消了物体的部分重力。这就得出，同一物体在地球表面的不同特点其重力是不同的。使人们认识到重量概念与质量概念的不同。3、向心加速度定律：惠更斯引入了向心加速度概念以向心加速度公式：，为牛顿万有引力定律的推证提供了依据。惠更斯的治学方法和重要成果使他成功地解决了质点力学中最初碰到的几个难题（碰撞、摆和圆周运动）并且展现了理论与实践结合的威力，为牛顿的综合作了最好的准备。惠更斯还有其他方面的成就，1680年在巴黎研究“行星机器”，通过齿轮再现出太阳系各行星的周期，这是天文馆的雏形。并由此研究出相当完整的循环小数理论及天文中近似值的求法，在天文望远镜上加装测微计以提高精度等。三、牛顿的伟大综合：（一）牛顿：恩格斯谈到牛顿的成就时说，牛顿“借助于万有引力定律而创建了科学的天文学，借助于对光的分解而创造了科学的光学，借助于二项式定理和无穷级数理论而创造了科学的数学，借助于对力的本性的认识而创造了科学的力学。”这是自然科学史上的第一次综合。牛顿（1642年）出生在英国，他的诞生和伽利略的死是同一年。童年时代牛顿就爱动手制作机械模型，也喜欢读书和思考。在他12岁时，他的母亲送他到格兰撒姆的公立学校读书，在这所学校里，他造了一架水钟，一个风磨。1660年他进入剑桥大学三一学院念书。剑桥是牛顿天才的诞生地。开始，清寒的助学金使他不被富有的学生同等对待，他的发奋努力和数学才能受到巴罗教授的精心培养。他读过开普勒的光学、巴罗的讲义，那个时候，他已经想到了他的一些最伟大的发现的初步观念。1664年即成为研究生的第二年，他因躲避鼠疫回到家乡，这两年是他在数学、光的颜色理论、引力问题等方面才华横溢、发明兴趣浓厚的高峰时代。牛顿晚年的挚友彭伯顿作了如下详细的叙述：“当他独自坐在花园里时，他沉浸在关于重力的思考之中；忽然看到一个从树上掉了下来的苹果，他大吃一惊。他发现重力从地球的中心到我们所能上升到的最远距离都不会有明显的减弱，不管是在最高的楼顶，甚至在高山的顶峰，也没有明显的减弱；在他看来，有理由作出这个结论，即这个力必然可以延伸到比我们通常想象的距离还要远；他自言自语道：为什么不能高达月球呢？如果是这样，月球的运动肯定受到重力的影响；或许它因此有可能保持在它的轨道上。”这个关于引力思索的故事，说明牛顿开始产生了把地面上物体的重力和保持月亮在它的轨道上的力看成同一本质的力的想法。牛顿以他非凡的洞察力在落体运动与月亮运动之间搭起了一座智慧的桥梁，觉察到天体运动与地球上的运动的统一性。在1669年他写了论圆运动，在书中，他开始对引力的平方反比率进行地月验证，但是当时得到的结果是不符合的。直到13年后，牛顿依据地球经度一度之长的新数据重新计算，才使计算结果与实验观测相符。从而证明了引力与距离的平方反比的关系是正确的。正如牛顿所猜想的，也如胡克、惠更斯、哈雷和其他人所猜想到的一样，即如果开普勒第三定律是正确的，那么，地球和太阳系的行星与太阳之间的吸引力应反比于距离的平方。但是，开普勒定律的准确性在那时是受到怀疑的。证明上述猜想，需要的正是牛顿的天才。1684年8月10月，牛顿先后写了论运动以及论物体在均匀介质中的运动，1686年4月他把自然哲学的数学原理原稿请求皇家学会出版社出版时遇到了秘书胡克的异议和经费困难，1687年由其好友哈雷自费出版，又过了6年，牛顿成为皇家学会会长（终身制），1672年牛顿发表了关于光和色的新理论，与胡克展开争论，胡克1703年去世。1704年，牛顿出版了光学，晚年从事化学研究和埋头神学著作。自1693年起担任造币局局长。1727年去世。牛顿说了一段有名的话：“如果我所见到的比笛卡儿要远些，那是因为我站在巨人的肩上。”牛顿所指的巨人，包括欧几里得的数学、笛卡儿的动量守恒、惠更斯的向心力等。在科学方法上，他以培根的实验归纳法为基础，又吸收了笛卡儿的数学演绎体系，形成了他比较全面的科学方法：（1）重视实验，从归纳入手，这是牛顿科学方法论的基础。牛顿本身在实验上具有高度的严格性和技巧，在原理一书中他描述了大量实验，例如，为了证明质量和重量成正比，用各种同形状、同阻力、同地点、同摆长但不同物体的摆验证惠更斯公式，结果证明所有这些摆的周期在误差内都相等。他的实验记录如此认真，以至后来他在某一摆锤实验记录丢失后还能回忆起其中的主要数据。（2）清晰的逻辑头脑：牛顿在谈到自己的工作方法的奥秘时说“不断处于对事物深思”。伽利略、笛卡儿、惠更斯等人已经用位移、速度、加速度、动量等一系列科学概念代替了过去亚里士多德模糊不清的自然哲学概念。牛顿的功绩是把它们加以系统化的同时，贡献出两个关键性的概念：力和质量。他把“质量”和“重量”区分开来。并分别与惯性和引力相联系。牛顿综合了天上的月亮运动与地上的自由落体运动，形成了自己的体系。（3）事物之间的本质联系只有通过数学方能归纳为可进一步测量、应用和检验的公式或定律。牛顿的巨大数学才能帮助他解决了旁人解不开的难题。他创造新的数学工具来研究变量和瞬时的关系，简化复杂的计算。没有这些才能，就不可能建立起运动三定律和万有引力定律。（二）牛顿的主要成就：1、牛顿自然哲学的数学原理：1687年牛顿发表了原理一书，全书分为两大部分，第一部分包括“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”，第二部分是基本定律的应用。这部伟大的著作的出版，标志着经典力学体系的建立。 数学方法：牛顿从变速运动的物理模型中抽象出微积分的概念。而德国的莱布尼兹则是从对曲线的切线的几何学研究中引入的。从此，微积分便成了解决变量及其变化等问题的有力武器，而物理学问题也就可以不必依靠哲学方式去解决了。 力学的理论基础基本概念和定律：牛顿严格定义了当时人们常常混淆的几 个基本力学概念，例如：物质的量（质量）、运动的量（动量）、惯性、外力、向心力等。其次阐述了他的三条定律和六条推论，六条推论包括了力的平行四边形法则、力的合成与分解、动量守恒定律、质心运动定理、相对性原理等，在后面的附注中，还描述了许多正碰中的恢复系数及简单机械的实验。牛顿对弹性碰撞的物理过程做了生动具体的描述，在碰撞中两球挤压，产生瞬间变形，而后恢复原形，球被弹射出去。他得出结论：两个质量相同的完全弹性球，以相同的速度相向运动碰撞后，两者都以相同的速度向相反方向运动。这样，就把动力学和静力学组成了一个完整体系。原理在后面的三篇中将定理和定律应用到许多问题中，包括地上的力学和天上的力学。其中最重要的问题是提出与论证了万有引力定律。【注】在原理中，第一条定义就是：“物质的量是物质的度量，可由其密度和体积求出。”在阐述这一定义时，牛顿又说：“我在以后不论在何处提到物体或质量这一名称，指的就是这个量。”也就是说牛顿把“物质的量”、“物体”和“质量”这三个词当同义词用。他也把质量等同与惯性。1876年，马赫发表了关于质量的定义一文，提出了用力和加速度的负比值定义质量。1876年麦克斯韦又提出了利用一个确定的力先后对两个物体施加作用时所获得的加速度比值作为它们质量反比。即当外力相同时，有： 即：质量大的物体加速度小，惯性大，因此可以说质量是物体惯性大小的量度。这样定义出来的质量就叫做惯性质量。2、万有引力定律：引力的思想来源于哥白尼，哥白尼认为物质有一种聚集为球体的趋向。吉尔伯特把磁力说扩大到太阳系，认为地球是块大磁铁，这种说法启发了开普勒，他认为太阳可能发出一种类似磁力的引力流。伽利略却认为引力与物体轻重无关，他认为天体的匀速圆周运动是惯性的天然表现，不需力来维持。笛卡儿认为天体的运动来源于惯性和以太旋涡对天体的压力（成为当时英国法国教科书中的正统观点，但缺乏科学的论证）。1661年胡克作了一些实验，1664年，胡克认为彗星轨道在靠近太阳时弯曲，说明太阳有吸引力。1679年胡克、哈雷都按照圆轨道由开普勒第三定律推出向心力与距离平方成反比，但这种平方反比为什么会形成椭圆轨道以及椭圆轨道怎么证明向心力与距离的平方反比关系，大家束手无策。至此，尽管经过前人的努力，万有引力定律的思想准备已经基本成熟，但在数学上还存在困难。牛顿对引力问题，自己只承认有两点成就，第一是观念上的。他肯定了地球上的重力和天体间的引力的同一性。打破了亚里士多德“月上”和“月下”两个世界的划分，尽管地面附近的落体运动与月亮的旋转在形式上完全不同，牛顿却独具慧眼，看出它们之间起作用的都是同一性质的力。关于苹果圆中的故事只有象征性的意义，这个故事说明牛顿经常沉思的一个关键问题是要探索天上（月亮）和地上（苹果）的力之间本质是否相同。第二，牛顿用数学方法表示出万有引力。在涉及力、距离、轨道的具体计算中，曾遭遇了变量和积分计算等困难，主要困难有三：（1）如何用平方反比律证明行星运动是椭圆运动，这需要积分；（2）能否把月球和地球质量看成集中于球心，这需要积分；（3）要有精确的地球半径，地月距离等数据以进行验算）。由于牛顿创造了新颖的数学工具，加上他对数据一丝不苟的严格态度，他终于克服了困难。他从1666年开始研究这一定律，到1687年最后发表最后发表，共21年。事实上，在1685年以前牛顿自己还一直怀疑这一结论。理论的作用不仅要解释已有的现象，而且要能预测未来的事件。事实上，万有引力理论，使得人们只凭少数观测资料，就能算出天体运行的长周期轨道，免去了过去冗长的计算，而且十分精确可靠，从而解释了今后几百年内极多的地面现象与天体现象，例如：哈雷彗星、地球的扇形，后来人们预测了海王星、冥王星等等，直到今天，万有引力仍是最精密可靠的基本定律之一，她是天体力学和宇宙航行计算的基础。在牛顿以前，无论是东方还是西方，天与地的区分是根深蒂固的。没有任何一项成果能说明天上运动与地上运动服从相同的规律。牛顿的引力定律体现了天上运动与地上运动的统一性，它把开普勒的行星运动和伽利略的抛体运动统一了。从而把天体运动纳入到根据地面的实验得出的力学原理中。这是物理史上第一次伟大的综合。牛顿代表了人类在认识机械运动基本规律方面的巨大飞跃，从而奠定了经典力学的基础。但是，牛顿力学相信绝对时空观，这是它的局限。另外当时的自然科学家还不能仅靠一条万有引力定律去说明行星轨道的切线速度一开始是从哪里获得的，牛顿在1692年写给牧师的信中写道：“没有神力之助，我不知道自然界还有什么力量竟能促成这种横向运动”。牛顿把一切未知的神奇归功于上帝，为此花了后半生的心血写出了150万的神学著作。四、液体和气体：1、帕斯卡：在讲到液体和气体力学的时候，我们从帕斯卡关于液体压强的研究开始。帕斯卡出生在法国，是一位数学家和物理学家。他于1653年写了一篇文章叫论液体的平衡，在文章中，他阐明了著名的帕斯卡定律，即施加给液体的压强不减弱地穿透到各个方向，并以相同的压强作用在和力成直角方向的所有相等的表面上。他用实验方法证明了，依靠液体重力得到的正对表面的压强仅仅决定于液体的深度。2、厌恶真空：除了望远镜外，在17世纪科学也发现了气压计和空气泵。在物理史上，许多哲学家，物理学家都曾经说过，真空不存在。亚里士多德，笛卡儿都讲过自然界厌恶真空。由于这种厌恶，据说自然界以容纳附近的任何东西并立刻以这种东西填满任何被弄空了的空间来阻止真空的形成。甚至伽利略也不能使自己完全摆脱这种学说。伽利略知道：（1）空气有质量（他以平常压力下的空气和高压下的空气注满玻璃容器后的重量差使自己相信空气有质量）；（2）“对真空的阻力”是以水柱的高度来量度的。但是，他没有把两个观点统一起来，把空气看作是可以施加压力的流体，这个工作尚待他的学生托里拆利来完成。3、托里拆利实验：托里拆利在耶稣会学校开始他的数学研究，并在罗马的卡斯特里知道下继续研究。他精通伽利略的著作，并发表了一些力学文章。伽利略渴望认识这些论文的作者，并邀请托里拆利和他合作。据说，他们的交往和谈话给晚年的伽利略以极大的安慰。三个月后，伽利略逝世。伽利略的保护人托斯卡纳大公爵让托里拆利以学院数学教授的名义作为伽利略的继承人。1640年，意大利北部一名大公爵家中的花园建造了一座结构十分精美的喷水池。为了供喷水，挖了一口十多米深的井，装上了强有力的抽水唧筒，但是一滴水也抽不上来。于是，大公爵就派人去请教当代最有名的科学家伽利略。这时伽利略已是76岁高龄，又双目失明，病卧在床。当他听到这种情况，也感到十分惊讶。但他认为，自然界厌恶真空可能是一种力，这种力是可以测量的。他说，井太深了，抽水唧筒内水柱受它自身重量压缩，所以还没有到井口就被压了下去。人们听了似懂非懂。可是，这时的伽利略已经没有时间和精力来解决这个问题了。他的学生托里拆利继续研究这个问题。他认为当水沿抽水唧筒上升时，不是什么管子这头“厌恶真空”造成的，而是管子那头井水水面上的大气压力使水沿管子上升。抽水唧筒只能把水抽到十米高，那是因为大气没有重到可以把水压到十米以上的缘故。他又想，用水做实验管子得十多米长，太不方便了，于是改变用水银做实验。托里拆利设计了以垂直的水银柱测定真空阻力的方案。他预料水银的长度约相当于水柱的。托里拆利实验在1643年由伽利略的学生维维安尼进行。他的实验的具体做法是，把一根约122厘米长的玻璃管一端封闭，从开口一端慢慢地装满水银，再用手指按住这开口的一端，把装满水银的玻璃管倒转过来，然后，将开口端插入一个盛水银的盆中。当放开手指后，玻璃管中的水银不断下降，直至高出盆里水银面29英寸（约737毫米）为止。这个著名的实验使他们知道如何获得真空，证明了大气压力的存在，也很容易的解释了抽水唧筒的抽水高度。这个实验装置可以认为是世界上第一个压强计。但是，托里拆利从未发表过一篇关于他的这项研究的说明。事实上，他那时一直在钻研摆线的数学问题。几年后他去世了，可是，他却在1644年给他朋友的信中，描述了他的实验。使得关于托里拆利实验的新闻在法国学者中引起了大轰动。后来传到帕斯卡那里，他又重新做了思考，并得出结论说：“真空在自然界中不是不可能的，自然界不是像许多人想象的那样以如此巨大的厌恶来避开真空。”帕斯卡还推论，如果水银柱是单纯的被空气压力提起的话，那么水银柱在海拔较高的地方应该更短。他在巴黎的教堂尖顶做了实验，甚至让别人在多姆山做一次实验。实验的结果，是水银柱高度有三英寸之差，“这使我们以赞赏和惊奇的心情而狂喜”。帕斯卡又重复了托里拆利的实验，用的是红葡萄酒和一根46英尺长的玻璃管。一个注有一半空气的气球，当把它拿到山顶时，发现它膨胀了，而在下山时，他又慢慢地恢复了原样。4、盖里克关于空气压力的实验：由于在意大利和法国的实验研究，“厌恶真空”的学说已被推翻。在德国发生了重复的过程。德国研究者的早期工作是独立进行的。盖里克产生在马德堡的名门望族，他在很多大学学习过，以后又在英国和法国旅行。1646年，他当上马德堡市的市长。关于真空的问题的争论引起了他寻求实验事实的好奇心，他做了一系列的实验，在1663年他完成了他的著作论真空的手稿，九年后出版。在他的著作中有大量的插图，说明了他所从事的实验：盖里克起初用一个密封的装满水的葡萄酒桶，试着用泵把水抽到下面的桶里。三个大汉拉动泵的活塞，终于成功地把水抽出。随即听到一些噪音，似乎桶内剩下的水在剧烈地沸腾。这种情况，一直持续到从桶缝钻进空气取代被抽出来的水时为止。后来，盖里克以铜制的球形容器作为实验对象代替了木桶，用活塞将球里面的水和空气抽出来。开始时，活塞很容易被移动，而以后要有两个人的力气才能勉强拉动活塞，当“突然出现大霹雳声使大家都感到惊吓”时，铜球塌瘪了。后来，一个更大的和更严实的球形金属容器被安装固定并被抽成真空。“打开活塞时，空气以这样大的力挤进铜球内，恰似它要把附近的一个人拉到铜球里一样。虽然你在一段相当的距离内捂住你的脸，但你的呼气被吸走了。的确，当你用手抓住活塞时不能不冒着被猛然拉下的危险。”盖里克发明了抽气泵。人们利用抽气泵很容易获得真空，做了许多实验。人们听不到放在真空中的钟声；在里面的火焰熄灭了；在里面的鸟张大嘴拼命呼吸，而最后死去；鱼也死在里面；葡萄在真空中能保存6个月。盖里克拿来长管，一端和抽空的玻璃球相连，另一头浸在水面水下，就是盖里克气压计。他以空气的压力来解释管子里水的上升。他观察到水柱高度的起伏，并用这个仪器作天气预测。一个浮在水面的小木头人在管子里上下运动，并以他的手指指出了各个时刻的空气压力。盖里克还设计了空气有质量的实验。他的“马德堡半球”实验也是真实的。他做了一对直径约为1.2英尺的半球，并于1654年在葛底斯堡表演给迪南三世皇帝看。根据他的计算，要克服大气压力把这两个合在一起的半球，需要11845牛的力，他用了16匹马才把它拉开，每个半球八匹马。后来，盖里克第一次听到托里拆利早在11年前做了这些实验。5、波义耳的生平（气体实验定律的发现）：波义耳出生在爱尔兰。他是一个多产的作家。他相信宗教，因此许多作品都是关于神学的。1638年他到了欧洲。1645年伦敦的哲学会议后，他得到了对科学研究的巨大动力。1654年波义耳在牛津任职，建立了一个实验室，并且聘请胡克作为他的化学助手。1659年，他读了盖里克的空气泵的报道。以后，他让胡克做了一个精致的气泵。1660年，波义耳发表他的新实验一书。他出版这本书后，荷兰的一位教授宣称：空气要做到和29英寸的水银柱相平衡的这种大事，是非常不能够的；他声称，他发现了水银被不可见的纤维吊在管子的上端，并当他用他的手指按紧管子的上端时就感到有这种线。这个批评促使波义耳重新做了研究。如果没有这个荒谬的批评，波义耳或许永远也不会发现以他的名字命名的定律。他这样描述他的实验，我们取一根长的玻璃管，用灵巧的手和灯火把它的下端弯过来，使其弯向向上的部分几乎和管子的其余部分相平行，并且使较短的一段玻璃管上的口密封，用刻有若干英寸分格的纸条顺着管仔细地帖满。然后，注入管子的弯曲部分适当的水银，以便水银在管子两端达到相同的高度，接着，我们开始把水银灌进管子的较长的一端，直到管子较短一端里的空气受到压缩后减小到它所占据空间的一半时，最后，我们高兴和满意地看到，玻璃管较长部分的水银比另一部分高出29英寸。“后来，波义耳用其他管子重做实验，并且每一次都把观察值跟“按照设想，压力和膨胀成反比的假设”所应有的那些值做比较。观察值和理论值符合得相当好1666年，波义耳发表了“流体力学佯谬”，流体压力的正确观念正在形成。在波义耳发表他的定律以后14年，“波义耳定律”又被杰出的法国物理学家马略特独立发现。在法国，人们称之为“马略特定律”。我们现在称之为“波义耳马略特定律”，它的内容为：一定质量的气体，当温度不变时，它的压强和体积成反比。在法国，实验物理学的复兴归功于马略特。正如波义耳是伦敦皇家学会的杰出组织者一样。马略特是在1666年建立的法国科学院的第一批起领导作用的成员之一。法国科学家查理从事气体研究和气球的设计工作，他因为在这个领域中所作的改进和作为一位勇敢的空中飞行员而十分出名。1783年，他首先使用装有氢气的气球，使它升上高空。1785年，他通过实验研究发现了查理定律。这个定律现在被表述为：一定质量的气体，在体积不变时，它的压强和绝对温度成正比。另一位法国科学家盖吕萨克通过实验研究，于1802年发现了以他名字命名的定律：一定质量的气体，在压强保持不变时，它的体积和绝对温度成正比。4.2 光学一、折射定律：折射定律是莱顿的力学教授斯涅耳发现的。他从未公布他的发现，但是惠更斯等人声称曾审查过斯涅耳的手稿。他以下面的形式描述了折射定律：在相同的介质里，入射角和折射角的余割之比总是保有相同的值。斯涅耳没有作这个定律的理论推导，但是他用实验验证了它。我们现代书本中看到的正弦定律，是笛卡儿1637年的屈光学一书中作出的。有人认为这是笛卡儿独立发现的，因为在笛卡儿的书中没有提到斯涅耳。笛卡儿没有做实验，但他从如下的假定从理论上推导了这个定律：（1）光速在较密的介质中较大（错）；（2）在相同的介质里，这些速度对各种入射角都有相同的比率；（3）在折射时，平行于折射面的速度分量保持不变（错）。这些假定不大可能是正确的，这引起了数学家费马和其他人着手去证明。费马去世前没有发表著作，但在他去世后九年，由他的女儿发表了以他的名字命名的费马原理，即：光线在空间两点传播，其路径的光程必取极小、极大或者常量。根据费马原理可以简捷地说明光在均匀媒质中沿直线传播，解释光路的可逆性，导出光的折射定律。可以说费马定律是光在媒质中传播路径的普遍规律。折射定律的确立和费马原理的提出，为解决光学系统的定量计算提供了理论依据，为几何光学的发展奠定了理论基础。二、光速：17世纪的一个伟大成就就是光的逐渐传播的发现。以前通常假定光的速度是无限的。开普勒和笛卡儿持有光速无限的观点。伽利略却认为光即使传播很快，但还是需要时间。伽利略首先尝试测量光速。他提出两个人从两座相距一英里的山头上用闪光灯作信号来测定光速的设想。他确定了A点，用灯光把信号传到B并收到从B回来的信号所需要的时间。如果能发觉有时间差，那么，光就是以有限速度传播的。伽利略无法从这个实验上解决问题。约30年后，一个年轻的丹麦人勒麦，观察到木星的卫星在它们的轨道上运转的时间在一年的各个时期不都是相同的，勒麦相信观察到的不规则性必定阐明了光速是有限的这一事实。通过观察木星的卫星蚀出现的时间差可以测得光速。现代用勒麦法测得的光速值为。在1676年9月，勒麦向法国科学院报告，发生在11月份的下一次第一个卫星食的时间要比根据8月份的观察进行计算所得到的时间迟10分钟左右，这个矛盾可以用假定光从木星到地球需要时间而得到解释。他讲到光穿过地球的轨道需要22分钟（精确值为16分36秒）。当时他的理论没有得到接受。勒麦的理论在英国得到了哈雷的支持。并被英国天文学家布拉得雷所证实。布拉得雷是牛津的天文学教授。当他努力于测量星体的视差时，他发现它的位移不象他所预料的那样。后来，他猜想到，光的前进的传播跟地球在它的轨道上的前进相结合时，光的前进传播肯定产生每年一度的变化，天体的变化在这种方向上是通过依赖于这二者的速度之比而被看见的。布拉得雷估计太阳光达到地球的时间是8分13秒。这样一来，布拉得雷证实了勒麦的理论，光的渐进传播开始作为一个已确立的事实被接受。光速的实验室测定方法直到1849年由法国科学家菲索用旋转齿轮法实现。布拉得雷发现以牛顿的光的微粒说很容易解释光行差。光粒子像垂直下落的雨滴那样行动，当我们向前跑时，似乎雨滴是迎面而来的。当望远镜本身被地球的运动带着向前时，光的微粒就落进了向前倾斜的望远镜筒里。三、惠更斯的波动说：笛卡儿在细读了惠更斯的最早的一些数学定理后，便预言他的前途伟大。1678年，法国科学院的一次会议上，惠更斯提出了一篇关于光的理论的论文论光，这篇论文是在解释光的波动理论方面的最早的重要尝试。惠更斯提出了以他的名字命名的关于波的传播的重要原理。他把振动介质中的每一个质点都看成一个中心，在它的周围形成一个波。所有这些微弱的子波都是球面波。他用波动论解释了光的反射和折射，在成功地推导折射定律过程中，给出的折射定律的形式为与费马导出的结果一致。而与用微粒说导出的结果相反。惠更斯还给出了画平常光线和非常光线路径的方法。并观察到这些光线是偏振的。由于他假定了光在以太中的振动是纵向的。如同声音一样，因此，他无法解释奇怪的偏振现象。他也不能解释颜色的起源。也就是说他的光波理论还不完全，但是他在他的那个时代全面地阐述了光的波动说，在光学发展史上他做出了卓越的贡献。牛顿否定波动说，主要理由是因为它不能满意地解释光为什么直线传播。牛顿以他的大权威的身份支持光的微粒说，并且有一个多世纪惠更斯的观念被搁置一边并被忽视。四、牛顿的棱镜实验牛顿在光学上的贡献足以使他列身于科学伟人之列。他一方面研究并亲手制作和扩大了许多实验，如三棱镜的色散实验、衍射、牛顿环、偏振等实验。另一方面研讨了当时已有的形形色色的假说，对光的本性给予了论述。牛顿的光学研究是做著名的研究，他做了光的色散实验。“在1666年，我让自己磨制除球形以外的其他形状的光学玻璃，我给我自己找到了一块三角形玻璃棱镜，用它试验了那有名的颜色现象。”在很久以前，人们就从白光中观察到了颜色的形成。但是人们的认识很复杂紊乱，这种状况留待牛顿解释。在牛顿以前，由棱镜产生的折射被假定是实际上产生了色，而不是仅仅把已经存在的色分离出来。牛顿在一间暗室的窗板上开了一个小洞，并且把一块棱镜放在室内近孔的地方，因此光被折射到对面的墙上。“把这个有色光谱的长度和它的宽度相比较时，我发现长度比宽度约大5倍如此过分的不匀称，致使我比对观察它是从哪里产生的通常的好奇心更为激动。”他做了判断实验，这个实验是这样的：“我取两块板，把其中一块放在靠近窗户的棱镜后面，我在这块板上钻一个小孔，使光线可以通过这个小孔并落到另一块板上，我把另一块板放在约12英尺远的地方，在第二块板上也先钻一个小孔，让入射光线的一部分通过它。然后，我把另一块棱镜放在第二块后面。”让第一个棱镜绕轴转动，使得落在第二块板上的像可以上下移动，同时使光线的所有部分都能相继地通过该板上的小孔，并射到它后面的棱镜上。记下光线落在墙上的地方。我们看到，在第一个棱镜上被折射得最厉害的蓝光，也在第二个棱镜上受到最大的折射，红光在这两个棱镜上都被折射得最少。因此牛顿说：“正是由于光不是同类的或者均匀的，而是由不同类型的光线组成的，其中的一些比另一些更能被折射。”后来，牛顿又做了一些实验，他得出了结论：折射必定总是伴随色散。在他看来，消色差透镜似乎是不可能的。他从很有限的实验证据中，作出了一个广泛的推论，并且固执地坚持他的意见。但后来的实验证明，他的推论是错误的。卢卡斯重复了牛顿的实验，发现光谱的长度不像牛顿所断言地那样是它宽度的5倍，而仅仅是3.5倍。但是，牛顿并没有考虑卢卡斯的批评，从而失去了关于色散率的可变性和制成消色差透镜的可能性的重要发现。五、反射望远镜他认为折射式望远镜有根本克服不了的缺点，即不能成清晰的像。因此，他制成了反射望远镜。反射望远镜避免了色差，成像比较清晰，分辨本领高。但是，1757年英国的仪器商经过一系列的消色差实验后断定，消色差透镜肯定是可能制成的，1758年他终于制成了第一台消色差望远镜，并将它送交给皇家学会，引起整个欧洲的轰动。牛顿是反射望远镜的发明人之一。牛顿设计了设计图，并且他是第一个制造反射望远镜的人。在1668年，他造的第一个反射望远镜有6英尺长，直径1英寸，放大到30倍到40倍。后来，他做了一个更大的反射望远镜，并在1672年把它赠给了皇家学会。它上面题词：“伊萨克牛顿博士爵士发明于1671年亲手制造。”它曾经被送给国王看过，并且受到胡克、雷恩和其他人的审定。它受到极大的赞美，其说明书送给了巴黎的惠更斯。这个望远镜被保存在皇家学会的图书馆里。六、牛顿的进一步研究牛顿赞成微粒说，反对波动说，他和胡克之间交流了很多这方面的论文。从这些论文中，表明他认真地估计了每一个假说的反对论据。这位科学家深思过这两种对立的学说；当他犹豫地否定波动论时，他从没有想到自己的观点会得到那么大的权威，而使物理学家的偏见达到这样的程度，致使接受波动论被整整延误了一个世纪。牛顿试验了薄膜形成的颜色。他清楚地看到波动说可以解释这个现象。在牛顿的思想中，波动论所面临的不可逾越的困难是不能解释光的直线路径和偏振现象。另一方面，微粒说很容易解释了光的直线传播。一个发光的物体发射出以直线运动的微粒子流。它们对视网膜的冲击引起了视觉。而且在当时，还用微粒说解释了折射和反射。事实上，这种解释是很困难的。即在一个面上怎么会此时是折射一个粒子而彼时是反射一个粒子呢？为了说明这一点，牛顿提出了既容易反射又容易折射的“痉挛”理论。这种“痉挛”是由以太传给粒子的。飞行粒子列使近表面处的以太进入一种相继压缩和稀疏的扰动之中。一个飞行的粒子在压缩的时刻到达表面上时就被抛回；如果这个粒子是在以太稀