笛卡尔物理学思想对经典力学和现代物理学的影响

1、文章编号 :1672 - 058x(2004) 02 - 0190 - 03笛卡尔物理学思想对经典力学和现代物理学的张 元 方(重庆工商大学 招生就业处 ,重庆 400067)摘要 :针对笛卡尔的物理学思想在物理学史上没有得到充分研究的现实 ,论述了笛的惯性思想对牛顿第一定律的形成有直接的影响 ,笛卡尔关于虹的描述使牛顿在建立他的 理论的时候受到很大的启发 ;笛卡尔关于近距作用的思想对近代电磁学的发展 ,乃至狭义 论的创立都具有积极意义 ,他的关于空间是连续区的思想对爱因斯坦具有重要的启发 。关键词 :惯性定律 ;虹 ;近距作用 ;连续区中图分类号 :o 04 - 09文献标识码 :b笛卡尔不

2、仅是哲学大家 ,而且在物理学 、数学 、医学等学科都做出过重大的贡献 ,笛卡尔在中明确地给出了运动的概念 ,提出了运动守恒定律 、物体碰撞的运动思想 ,比伽利略更进一步接 理 ,丰富了力学的思想 。他的物理学思想不仅对近代物理学产生了很大的影响 ,而且对现代物展也产生了积极的作用 。笛卡尔物理学思想和牛顿力学1因为牛顿是经典物理学的集大成者 ,所以要谈笛卡尔对经典物理学的影响就应从笛卡尔物和牛顿物理学思想的关系入手 ,这样得出的结果才具有代表意义 。1 . 1牛顿第一定律实际上是笛卡尔定律伽利略是科学史上第一批用严格的科学论证提出惯性定律的科学家之一 。伽利略在他的手稿的第 14 章中 ,反驳

3、亚里斯多德将运动分为自然的运动和强制的运动的说法 。他认为水平面运动就不具有这种性质 ,初步提出惯性概念的想法 。他写道 “: 这样得出的结论是在水平面上 动 ,既不是自然的也不是强制的 。但是 ,如果它的运动不是强制的运动 ,那么它就能以一切可能 小的力进行运动 。”这个结论向惯性概念迈出了巨大的一步 。此外 ,在第 21 章中又提出如果自然 限制地持续运动下去 ,就会呈现为惯性运动 。1 但是 ,伽利略的惯性运动是在圆周上的惯性运动尔则认为 ,任何物体的惯性运动是在直线上的惯性运动 ,笛卡尔清楚地表达了物体做直线惯性想 。j 赫利威尔在牛顿 的背景一书中一再提出伽利略从未说明或失败于真正理

4、解惯因为“他没有将惯性运动与地球上的现象清楚地分开并想象它应该发生在真空中 ,这就必然妨有笛卡尔在哲学原理第二部分中发现的圆周运动的清晰性的特点 。”2笛卡尔早在他的论世界中就指出了惯性运动的直线性特征 ,并把运动明确地定义为一种是在这一点上 ,牛顿受到了笛卡尔明显的影响 ,正是运动状态概念的创立 ,才使笛卡尔能够 顿能够 断言其第一运动定律或运动规则的有效性 。3 就像物理学史家丹尼尔加柏所说的那上如果笛卡尔不能说是第一个 ,也至少是在第一批中的一个涉及了惯性原理 。正因为如此 ,当物理学家阿特霍布森指出牛顿第一定律实际上就是笛卡尔定律 。4收稿日期 :2003 - 12 - 23 ;修回日

5、期 :2004 - 01 - 14 。作者简介 :张元方 (1969 - ) ,男 ,安徽省五河县人 ,研究生 ,从事科学技术史研究 。1 . 2解释虹现象时受到笛卡尔的启示笛卡尔的光学思想在牛顿光学理论的构成中有一定程度的体现 。1637 年笛卡尔在屈光学中推导 出折射定律的现代形式 :在相同的介质中入射角的正弦与折射角的正弦之比为常数 。5 笛卡尔对于光的 本质的解释显然与他的以太说是一致的 ,提出光是由于充满宇宙空间的弹性介质 以太的瞬时传递压 力而产生的 ,他认为颜色是由于这种介质的粒子 小球的旋转速度不同产生的 ,折射时小球转速会改变 ,转得最快的是红色 ,其次是黄 、绿和蓝色 。1

6、664 年 ,牛顿学习了笛卡尔的屈光学(1637 年) ,他在 1664年用三棱镜考察笛卡尔的光学理论 ,导致他的光与色理论并发现太阳光谱 。牛顿发现太阳光谱为红 、黄 、绿 、蓝和紫五色 ,发现白色是各种颜色的混合物 ,并提出各种颜色是由不同折射率的光形成的 。1在对虹现象的解释方面 ,牛顿受到了笛卡尔的启示 ,在 16651666 年间写的颜色问题中 ,提出虹是 阳光被云层中的水滴折射后在大气中产生的彩色环现象 。在光学讲义中 ,牛顿说 “: 现在仍然保持着笛卡 尔对奇特的虹现象所提供的解释方法 ,因为由于他我们才知道它是在雨水落下的水滴中形成的 ,关 于水滴折射及其范围的一种最巧妙的发现

7、也是由于他 。”1 。当然 ,牛顿的观点在许多方面与笛卡尔的观点不同 ,牛顿学派与笛卡尔学派之间的争论在牛顿力学 诞生过程中就没有停止过 。例如 ,笛卡尔把古希腊哲学的以太概念引入了科学 ,提出了以太旋涡学说 ,反 对当时的原子论观点 ,并认为宇宙充满了物质 ,否认真空的存在 ;牛顿则持原子论观点 ,坚持微粒说 ,认为 宇宙是由不可分割的最小的微粒和虚空构成的 。3 笛卡尔的旋涡理论是近距作用的理论 ,它就必然与超距的引力理论相悖 ;牛顿指出天体现象不能用旋涡理论来解释 。62场的概念与近距作用近距作用的思想在电磁学的发展中起到了举足轻重的作用 。笛卡尔在哲学原理中对磁现象进行了大量的描写 ,

8、他对磁理论的描述是建立在他的近距作用思想的基础上的 ,而后来磁学理论的发展和近 距作用的思想都是分不开的 。笛卡尔第一次把天体运动概念带进了磁学 ,提出了磁流体旋涡运动的假 说 ,从而最早暗示了磁是物质的一种闭合的旋涡运动形式 。 后来产生的磁力线概念和磁场的概念 , 都可以从他的假说中找到最原始的论据 。直到现在 ,人们还没有发现磁运动可以不遵守这条基本原理 的 。7 法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图像时 ,体现了近距作用的思想 。法拉 第认为 ,电荷和磁极周围的空间充满了力线 ,靠力线 ( 包括电力线和磁力线) 将电荷联系在一起 。力线就 像是从电荷 (或磁极) 发出

9、 ,又落到电荷 (或磁极) 的一根根皮筋一样 ,具有在长度方向力图收缩 ,在侧向力 图扩张的趋势 。5正是法拉第的力线思想使电磁学理论在不到 50 a 的时间内取得了巨大的进展 ,其中有 w. 汤姆生运 用类比的方法 ,把法拉第的力线思想转变为定量的表述 ,后来麦克斯韦在法拉第和 w. 汤姆生的工作的基 础上进一步完善了电磁理论 。麦克斯韦提出的分子涡旋假设在磁场作用下的介质中 ,有规则地排列着许 多分子涡旋 ,绕磁力线旋转 ,旋转角速度与磁场强度成正比 ,旋涡物质的密度正比于介质的磁导率 。这个 模型很容易解释电荷间或磁场间的相互作用 ,并清晰地体现了近距作用 。5 麦克斯韦指出 “: 电磁

10、场是包 含和围绕着处于电或磁状态的物体的那部分空间 ,它可能充有任何一种物质 。”5爱因斯坦高度评价麦克斯韦理论 ,狭义相对论的起源主要归功于麦克斯韦的电磁场方程 。”9 爱因斯192重庆工商大学学报(自然科学版)行对万有引力定律的证明中 ,就使用了坐标分析和二次曲线方程等解析几何学的方法 。笛卡尔的几何学和折光学中就是用解析方法进行研究的 。10英国著名的科学史家丹皮尔 ( w. c. damper ,1867 - 1951) 曾对笛卡尔创立的解析几何做过 价 “: 有了这个方法 ,许多物理学的问题 ,从前不能或不易解决的 ,现在都可以解决了 。”11笔者认为 ,笛卡尔的解析几何是数学中的巨

11、大成就 ,不仅作为数学方法对物理学有很大作用着深邃的物理学思想 。爱因斯坦甚至把笛卡尔的解析几何纳入了物理学的体系 ,这样建成的几是一种自然科学 ;事实上可以把它看做是一门最古老的物理学 。9 在笛卡尔使用代数的方法去 曲线时 ,在这个方法的背后就隐含了一个思想 : 即空间是连续的 ,只有在这个前提下 ,才有可能 滑的曲线 。在笛卡尔之前的欧几里得的数学概念体系中 ,不可能出现这种平滑的曲线 ,在那里 直线等相互之间的关系就是那种理想化了的固体间的关系 ,而不是无限连续的关系 。爱因斯坦 明确的表述 “: 欧几里得的数学 概念体系里根本没有出现空间是连续区的概念 。这概念是空间坐标来描述空间中

12、的点时才第一次被引进来”。9在笛卡尔的解析几何处理方法中 ,所有的空间量 ,比如点 、线 、面 ,在原则上都具有同等的地以用解析几何方法来处理 。在解析几何中 ,线 、面等都可以用连续的曲线 、曲面来表示 。所以说何中三维空间是连续的区域 ,爱因斯坦称之为连续区 。 实际上牛顿力学框架体系中也已存在着这种笛卡尔解析几何所体现的空间 ,牛顿体系的绝是这种空间 ,牛顿的所有运动定律都是在这种空间中建立起来的 。正如爱因斯坦所说 “: 笛卡尔 整个空间 ,却是牛顿物理学所绝对必需 。因为动力学不是单靠支点和支点之间的距离这些概念 得了的 。 只有参照整个空间 ,牛顿的加速度才能设想或者规定下来 。”

13、9在经典力学中 ,四维时空被分为一个三维连续区 ( 空间) 和一个一维连续区 ( 时间) ,时间是 恒的一维 ,这就把空间和时间分割开来 。爱因斯坦提出了同时性的相对性的观点 ,是对绝对时 破 ,同时也是他对伽利略的力学相对性原理的发展 ,并把力学相对性原理推广到一切物理现象 , 义相对论中的相对性原理 。同时的相对性的发现使空间和时间成为一个四维连续区 。狭义相 到一切惯性系在物理上的等效性 。 揭示了时间和空间的不可分性 。 随着同时性的相 现 ,空间和时间就融合为一个单一的连续区 ,正像以前的空间三维连续区一样 。物理空间因此 维空间 ,它也包括了时间的一维 。9笛卡尔的空间不但是连续的

14、空间 ,还是一个实在的空间 。以爱因斯坦为代表的当代物理学家 卡尔在这方面的真知灼见 ,虽然笛卡尔关于空间的论述有不足之处 ,存在推理弱点 ,即断定广延只 在当时很难被接受 。9 但是现在 ,广义相对论却饶着弯儿来证实了笛卡尔的想法 。9 在广义相对论 是单独存在的 ,正如在笛卡尔那里空间不能单独存在一样 ,如果我们设想引力场 (即函数 gik) 被除 留下来的就不是类型 ( i) 的空间 (即物理空间) ,而只是绝对的无 ,而且也不是拓扑空间。因为函述场 ,同时也描述这个流形的拓扑的和度规的结构性质 。9 所以 ,爱因斯坦肯定了笛卡尔在空间理献 。因此 ,当笛卡尔相信他必须排除空虚空间的存在

15、时 ,他离开真理并不怎么远 。如果认为物理实只是有重物体 ,那么这种见解确实显得很荒唐的 。为了揭示笛卡尔观念的真正内核 ,就要求把场的实在的代表 ,并且同广义相对性原理结合在一起; 没有场的空间是不存在的 。9参考文献 :1 阎康年 . 牛顿的科学发现与科学思想 m . 长沙 :湖南教育出版社 ,1989. 144 、25 、33 、1132 herivel j . the background to newton s principia m . oxford ,1965345678910法 亚历山大柯瓦雷 . 牛顿研究 m . 张卜天 译 . 北京 : 北京大学出版社 , 2003. 73 、94美 阿特霍布森 . 物理学 :基本概念及其与方方面面的关系 m . 上海 :上海科技出版社 ,2001. 71郭奕玲 ,沈慧君 . 物理学史 m . 北京 :清华大学出版社 , 1993 . 155 、139 、144 、147 林德宏 . 笛卡尔学派与牛顿派之争的科学启示 j . 百科知识 ,1984 , (