科学技术史第六讲

科学技术史第七讲：技术革命与理性启蒙电子科技大学目录1哥白尼革命2近代物理学的诞生3经典力学的建立4其他学科的发展什么是近代科学？？近代科学是在收集材料的基础上，从现象深入到本质，从经验定律上升为系统的科学理论。它是建立在观察、试验基础上的实验科学，并广泛应用数学方法使科学知识日益精确化；同时发展了以实验事实为根据和以归纳推理为主要手段的研究方法，确立了一系列定量的科学定律。近代科学技术革命的历程诞生————发展————应用天文学革命物理学革命生物学革命中世纪的宇宙结构随着欧洲第一次学术复兴，亚里士多德和托勒密所代表的希腊宇宙论开始深入人心。托马斯·阿奎那将基督神学融入其中，地球中心获得了正统的地位。地球居宇宙的中心被赋予了宗教意义托勒密的宇宙体系经过亚里士多德物理学注释加工过的托勒密宇宙体系，正好是一种等级宇宙，这主要体现在它们的物质构成之中托勒密的地球中心说的坚固地位在哥白尼生活的时代，在观察所要求的精确度范围以内，托勒密的地球中心说用来解释事实是相当成功的。从几何学的观点看，这个学说的唯一弱点是它的均轮与本轮的繁复性。可是在这个学说背后，有两大支柱：一是常识的感觉。一般人以为大地在他们的脚下是静止不动的（大地是万物向它坠落的坚实不动的基础），虽然有些人也想象它是浮在宇宙中心的球。一是亚里士多德的权威。托勒密的宇宙体系本轮加均轮的组合圆周运动，可以解释行星的逆行、亮度变化等现象托勒密的宇宙体系在托勒密体系中每个行星有其独特的运动结构，整体上可以有不同的几何构成，缺乏唯一性。一、哥白尼革命文艺复兴以后，科学观点的第一次重大改变，是尼古拉·哥白尼完成的。他是数学家和天文学家。哥白尼Copernicus（1473-1543）哥白尼所提出的日心说挑战了托勒密的地球中心说，动摇了人类中心说的坚固地位。这场观念革命是人类思想史上关于宇宙概念以及人与宇宙关系概念的一次重大转型，是近代自然科学诞生的重要标志。哥白尼1473年出生于波兰的托伦。18岁考入克拉科夫大学（Cracow），对数学和天文学表现出浓厚的兴趣，开始收集资料。1496年到波伦亚大学学习教会法，1501年在帕多瓦大学学习。在获得博士法学博士学位后转向医学。在意大利期间受到了文艺复兴运动的熏陶。1506年，回到家乡后把行医作为自己的日常职责之一。4、哥白尼是如何思考的？哥白尼仔细研究过他所找得到的一切哲学家的著作，并发现：

“据西塞罗说，希塞塔斯认为大地是动的……普卢塔克说，有某些别的人也持有同样的见解。……当我从这里觉到这种可能的时候，我自己也开始思考大地的运动了。……经过长久的多次的观察之后，我最后发现，如果除了地球的自转之外把其他行星的运动也考虑在内，并计算出其他行星的公转和地球的公转，我们就不但可以由此推出其他行星的现象，而且还可以把所有的行星、天体以及天本身的次序与大小都联系起来，以致在任何一个部分里，改变一件东西，就必然要在其他部分及整个宇宙中造成混乱。因为这个缘故……我愿意采纳这个体系。”

E.A.Burtt,MetaphysicalFoundationsofModernScience,p.37在所有行星的中心居住着太阳，在这个位置它可以一瞬间照亮整个宇宙。对于这个最壮丽的神殿，谁能将这盏明灯安放到另外或更好的地方？—哥白尼《天球运行论》（1543）Ⅰ恒星天层。Ⅱ土星，三十年一转。Ⅲ木星，十二年一转。Ⅳ火星，二年一转。Ⅴ地球带着月球，一年一转。Ⅵ金星，九月一转。Ⅶ水星，八十天一转。中心是太阳。哥白尼的宇宙理论“首先，存在着包罗它自身及万物的由恒星组成的天球，因为这个缘故，它是不动的；事实上它是宇宙的间架，别的一切星星的位置与运动都是对它而言的。虽然有人以为它以某种方式运动，但我们认为，它看起来好象在运动的另一原因就在于我们的地动说。在运动着的天体中，第一是土星，三十年绕日一周。其次是木星，十二年一周。再次是火星，两年一周。第四是每年一周的轨道，我们说过其中包含地球，加上本轮式的月球轨道。第五是金星，九个月一周。水星占第六位，八十天一周。处在这些行星中间的是太阳。在这极美丽的庙堂中，谁能把这个火炬放在更好的地位，使它的光明同时照到整个体系呢？有人把太阳叫做宇宙的灯，有人叫做宇宙的心，更有人叫做宇宙的统治者，都没有什么不适当。……因为，太阳就坐在皇帝宝座上，管理着周围的恒星家族。……这样，我们就发现在这样有秩序的安排下，宇宙里有一种奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的谐和关系。这样的情形是用别的方法达不到的。”－－《天体运动论》Eng.trans.W.C.D.andM.D.Whetham,ReadingsintheLiteratureofScience,Cambridge,1924,p.13可见，哥白尼心中最重要的问题是：行星应该怎样运动，才会产生最简单而最谐和的天体几何学。他接受了古人的见解，恒星固定在一个天球上面，但有某种证据表明外面的圆周是指向同无限空间搭间的天球里面的凹面。哥白尼认识到他把行星运动的座标参照系由地球移到恒星上去了。这就牵涉到物理上和数学上的一场革命，而且足以摧毁亚里士多德的物理学和天文学。来自科学与常识的反对1、如果地球围绕自己的轴旋转，向上抛出的物体下落时岂不要落在抛出点的西面吗？2、松动的物体不是会飞出地面，而地球本身不是会有分裂的危险吗？3、地球如果相对于恒星运动，那么应该可以观察到恒星的周年视差，但人们却从未观测到过。思考如果是你，在没有运动矢量学概念和万有引力的知识下，如何回答这三大问题？怎么才能证明地球是运动的呢？恒星视差托勒密：恒星天球是地球的20000倍哥白尼：400000倍！哥白尼：革新者？保守者？哥白尼的目的并不是要推翻旧的希腊天文学体系，而是要恢复那个体系的本来面目：如何将匀速圆周运动和古代传统更好的统一起来。哥白尼（1473-1543）哥白尼是胆怯的革命者吗？1514年，《要释》（Commentariolus)1540年，《摘要》（Narratioprima）1543年，《天球运行论》（DeRevolutionibusOrbiumCoelestium,LibriVI)注意：orbium不是天体，而是带动可见天体的看不见的球！这是古代希腊的宇宙观念，仍然被哥白尼以及他同时代的人所接受。1543年5月24日，当一本刚印好的《天球运行论》送到哥白尼的病榻上时，他已经是奄奄一息了，他抚摸着这部凝结自己毕生心血的著作，几个小时后就与世长辞了。10、来自宗教的反对！“人们正在注意一个突然发迹的天文学家，他力图证明是地球在旋转，而不是日、月、星辰诸天在旋转。……这个蠢材竟想把整个天文学连底都翻过来，可是《圣经》明白写着，约书亚喝令停止不动的是太阳，而不是地球。”

—马丁·路德意义哥白尼教人用新的眼光去观察世界。地球从宇宙的中心降到行星之一的较低地位。这样一个改变不一定意味着把人类从万物之灵的高傲地位贬降下来，但却肯定使人对于那个信念的可靠性发生怀疑。因此，哥白尼的天文学不但把经院学派纳入自己体系内的托勒密的学说摧毁了，而且还在更重要的方面影响了人们的思想与信仰。思考哥白尼的日心地动说所引发的革命效应和最终所取得的胜利，是否应归功于学说的科学性？是否正是因为其对客观规律的解释，使得这种学说最终得以被广泛接纳。课后问题1、古希腊天文学与众不同的特点是什么？2、开普勒、伽利略和牛顿为什么在恒星周年视差未被观测出来之前，就完全接受了哥白尼学说呢？三、哥白尼革命发展及不断完善1为真理牺牲生命的布鲁诺2天才观察家第谷·布拉赫3天空立法者开普勒11、哥白尼学说的殉道者－布鲁诺布鲁诺赞成哥白尼的见解，而其时比较谨慎的哲学家都敬而远之。布鲁诺也相信宇宙是无限的，而星星则散布于无尽的空间中。布鲁诺也是热忱的泛神论者，公开攻击一切正统的信仰。他受到了教会法庭的审判，不是为了他的科学，而是由于他的哲学，由于他热中于宗教改革，他于1600年被教庭烧死。乔尔丹诺·布鲁诺（1548-1600）《论无限的宇宙和多世界》开普勒：天空的立法者约翰·开普勒(John

Kepler,1571-1630)是第谷的助手。第谷去世后遗留给他的极其珍贵的资料，帮助他完成了天体物理学的研究。开普勒的正式职业主要是编辑当时流行的占星历书。虽然他以讽刺的口吻提到过这个利润丰富的职业对于天文学家的价值，可是他却是一位占星术的信徒。“占星术的女儿不挣两份面包，天文学的妈妈就要挨饿。”占星术师？天文学家？但开普勒确是一位杰出的、热心的数学家。他之所以相信哥白尼体系，正是因为哥白尼体系具有更大的数学的简单性与谐和的缘故。“我从灵魂的最深处证明它是真实的，我以难以相信的欢乐心情去欣赏它的美。”《宇宙的奥秘》（1596)天体的音乐6个行星的轨道是由相应的5个正多面体的外接球确定的！—毕达哥拉斯学派“数字神秘主义”的再现开普勒的宇宙模型柏拉图几何体（PlatonicSolids)《新天文学》（1609）（1）行星运行的轨道是椭圆，太阳位于这些椭圆的一个焦点上；（2）每颗行星在相等的时间内其轨道半径所扫过的面积相等；（3）行星沿它的轨道运行一周所花时间的平方与该行星到太阳的平均距离的立方成正比。（蕴含在《宇宙和谐论》1619）行星运行三定律/开普勒定律

第一定律（轨道定律）所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个公共焦点上。ABF1F2CDOAO=BO=R为半长轴CO=DO=r为半短轴太阳行星v

第二定律（面积定律）对于每一颗行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。ABCS1S2S31、相等时间t内，S1=S2=S32、A、B、C各点的速度方向？面积定律：对每一颗行星来说，太阳与行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。远处速度慢近处速度快

第三定律（周期定律）所有行星轨道的半长轴的立方与公转周期的平方的比值都相等。2aT或目录1哥白尼革命2近代物理学的诞生3经典力学的确立4其他学科的发展没有今日的基础科学,就没有明日的科技应用,可以想象,我们现在的基础科学将怎样地影响21世纪的科技文明.——李政道物理学属于基础科学范畴,是一门素质课,物理思想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在,基础之所在.力学——学习物理学的开始.§经典物理学与现代物理学经典物理学经典力学经典热力学,经典统计物理学经典电磁学现代物理学基础狭义相对论量子力学广义相对论牛顿开普勒伽利略他们为经典力学的建立做出贡献17世纪后半期，伽利略、开普勒、牛顿对近代物理学的诞生作出奠基性的贡献。1666年牛顿发现微积分。1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出了牛顿三大定律。伽利略GalieoGalilei（1564-1642）伽利略GalieoGalilei（1564-1642）生活的年代是西方文艺复兴运动推动近代科学大踏步发展的年代。伽利略——近代物理学之父1564.2.15生于意大利的比萨新时代的阿基米德1589年，比萨大学数学教授1592年，帕多瓦大学1610年回到佛罗伦萨1624－1630写作《两大世界体系的对话》，1632年出版，1633年监禁1638年出版《两门新科学的对话》1642年1月9日去世，次年牛顿出生（新历）伽利略伽利略首先发明温度计。然后在1609年发明了望远镜，他根据光的折射知识发明的望远镜比当时荷兰人发明的更胜一筹，能将物体的直径放大三十倍。他把望远镜指向天空，发现月球表面并不象当时的和以往的哲学家所认为的是完全平滑而无瑕疵的，而是盖满了斑点，说明有崎岖的山脉和荒凉的山谷。从前所看不见的无数星星，现在闪烁在眼前了；自古以来不可解的银河问题，现在也得到解答了。伽利略的科学新发现望远镜的发明伽利略绘制的月面图和星空图伽利略的两本著作《关于力学和运动两门新科学的对话》《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》伽利略审判1633年6月22日，在新圣玛利亚修道院伽利略接受审判，被迫宣布放弃自己的信仰，并被判处终身监禁·······这是保存在佛罗伦萨博物馆中伽利略的右手食指，它似乎仍然在提醒着我们不要忘记那场学术自由和思想专制的冲突！TheapplefellonNewton’shead,butitwasGalileowhoplantedthetree.EppursiMuove!(地球还在动啊)关于运动与时空亚里士多德与经院哲学家的主要兴趣在于最后因，他们认为地上的运动和天上的天体运动并不相同，而是形而上学的一个分支。于是他们借助于作用、动因、目的、自然的位置等含糊观念，从本质的角度去分析运动。在伽利略看来，这些都是无用的，他所要研究的不是运动为什么发生而是怎样发生。定性的方法使得空间与时间在亚氏思想中成为某些不重要的范畴。伽利略使得时间和空间在物理科学中具有了本质而根本的性质，自此以后时间和空间就始终在物理科学中具有这种性质。伽利略的主要的和最具独创性的工作是为动力学奠定了基础。其时，静力学方面已经有一些进步。哥白尼和开普勒证明地球与其他行星的运动可以用数学方式表达。伽利略觉得地球的各部分在“局部运动”中也是按数学方式运动的。于是，他想要发现的不是物体为什么降落，而是怎样降落，即依照怎样的数学关系而降落；这是科学方法上的一个发展。伽利略对于力学的贡献伽利略是怎样得到落体运动定律的？伽利略是怎样领悟到落体定律中的时间平方关系的呢？还要回到伽利略对亚里士多德运动理论的批判。在《两门新科学》中，伽利略借他的化身萨尔维阿蒂(Salviate)的谈话，批驳物体下落速度与重量成正比的说法：“萨：如果我们取两个自然速率不同的物体，把两者连在一起，快者将被慢者拖慢，慢者将被快者拖快。您同意我的看法吗？辛：毫无疑问，您是对的。萨：但是假如这是真的，并且假如大石头以8的速度运动，而小石头以4的速率运动，两块石头在一起时，系统将以小于8的速率运动，但是两块石头拴在一起变得比原先速率为8的石头更大，所以更重的物体反而比更轻的物体运动慢，这个效果与您的设想相反。“伽利略的斜面实验伽利略的高明之处就在于他并不直接测量落体下落的距离和相应的时间，因为物体下落越来越快，很难测准时间。他利用一块斜面，让小球沿斜面下滚，测小球滚下的时间和距离。这样由于斜面上的物体所受作用力只是重力沿斜面的分力，就相当于冲淡了引力，速度和加速度都按比例减小，时间也就延缓了。难测量的量变成了容易测量的量，测不准的量变成了能测准的量。多么巧妙的设计!在这个实验中伽利略面临的主要困难是测量小球走过不同距离所需要的时间。当时钟表还没有发明，伽利略想出来的解决办法是用“水钟”,通过一个大容器里流出的水量来测量时间。“为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到。然后用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值。精确度如此之高，以至于重复许多遍，结果都没有明显的差别。”

----《两门新科学》伽利略对斜面实验的描述伽利略在他的著作《两门新科学》中对斜面实验给出了十分具体的描述，有兴趣的同学可以查看原书。他的结论是，经过整整100次的重复实验，发现，对于各种斜度的平面来说，(铜球)经过的空间距离恒与所用的时间平方成正比。伽利略关于斜面实验的描述实在太具体了，多少年来人们都深信，伽利略的落体定律就是直接从斜面实验总结了大量数据得到的。伽利略与著名的比萨斜塔实验伽利略真的做过比萨斜塔实验吗？当时伽利略对于落体实验的结论是否是正确的？伽利略的科学方法哥白尼的天文学是根据数学简单性这一“先验”原则建立起来的，伽利略却用望远镜去加以实际的检验。最重要的是，伽利略把实验方法和归纳方法与数学的演绎方法结合起来，发现并建立了物理科学的真正方法。抽象思维、数学推导和科学实验相结合

目录1哥白尼革命2近代物理学的诞生3经典力学的建立4其他学科的发展乔尔丹诺·布鲁诺（1548-1600）哥白尼革命，经过开普勒、伽利略、笛卡尔的推波助澜，最后是牛顿使其达到了顶点。牛顿科学成就使他本身成为那个时代的思想中心，他的宇宙观和自然哲学逐渐成为占有主导地位的社会和政治思想潮流。哈雷在牛顿《原理》第一版“前言”写道：

在理性光芒的照耀下愚昧无知的乌云终将被科学驱散科学史上最伟大的巨擘之一伊萨克·牛顿（IsaacNewton）是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家，其研究领域包括了物理学、数学、天文学、神学、自然哲学和炼金术。牛顿的主要贡献有发明了微积分，发现了万有引力定律和经典力学，设计并实际制造了第一架反射式望远镜等等，被誉为人类历史上最伟大，最有影响力的科学家。为了纪念牛顿在经典力学方面的杰出成就，“牛顿”后来成为衡量力的大小的物理单位。自然界和自然规律隐藏在黑暗中，上帝说：让牛顿出生吧！于是，一切都成为光明。英国诗人波普曾经这样写道：

仅就光学方面的成就或许就可以使他在本书中占有一席之地，但是他在这方面的成就比起他在数学或力学方面的成就来，那就相形见绌了。

——《历史上最有影响的100人》

“从有世以来，到牛顿所处的时代，他在数学领域所做的工作占了整个的绝大部分。”

——莱布尼兹

纽约大学历史系教授曼纽：“近代的科学是源自牛頓对上帝的默想。”牛顿之“牛”数学(大学毕业前)：提出二项式定理以及微积分的初步算法2、天文学：发明反射望远镜，解释潮汐现象、地球的圆扁形状科学成就物理学：光学：白光由七色组成，成为光谱学基础；发表《关于光和色的新理论》，提出光的本质是微粒。力学：（1）三大运动定律（2）提出万有引力定律对于科学家而言，牛顿家乡的那棵苹果树，也许是世间最神圣的树了。

开普勒：“月球被地球吸引着，相反，月球也吸引着地球上的海水。从太阳那里，有一只肉眼看不见的巨大的手，伸向行星，拉着这些行星跟太阳一起旋转”。布里阿德

:(法国天文学家)1645年提出“开普勒力的减少和对太阳距离平方成正比”。

牛顿：1665—1666年，关于“苹果落地的故事”就已经有了引力和距离的平方成反比的思想。

胡克：1674年，提出“一切天体都具有倾向其中心的吸引力”。“离吸引中心越近，吸引力就越大”。万有引力的发现

即向心力与距离成反比。但这种平方比力为什么会形成椭圆轨道，大家束手无策。1680年1月6日，胡克写信给牛顿说：“困难还在于太阳和行星都是体积很大的物体，在理论上能不能把它们当作质点处理。”1679年附近，胡克、雷恩和哈雷按照圆轨道由开普勒第三定律：可以看出，万有引力定律的思想准备已经基本成熟，但从数学上还存在着不少困难，在物理上还缺乏明确的、严格的概念体系。牛顿的引力思想：牛顿对引力问题有两点成就：

第一是观念上的，肯定了地球上的重力与天体间引力的同一性，打破了亚里士多德“月上”与“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引力。这里，关于苹果园中的故事只有象征性的意义，说明牛顿经常思索的一个问题是要探询天上(月亮)的力和地上(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。牛顿并不象当时人们那样热中于追究引力的哲学品质与深奥本性，它到底是物质的还是非物质的，他“留给读者自己去考虑”，他追求的是力与距离、轨道具体计算公式，这曾遇到了变量、积分计算等困难。(主要的困难有三：①如何用平方反比律证明行星运动是椭圆运动，这需要微分；②能否把地球月球质量看作集中与球心，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。)牛顿对万有引力的态度是十分严肃认真的，从理论上的成就是：

①他不是孤立处理这个问题的，而是从建立总的力学体系出发去处理力、惯性、质量、向心力等问题;②从方法上是暂时排除次要因素，研究天体中的两体问题，并且引入了新的数学方法处理变量问题；

③他的独到之处还在于在前人平方反比律的基础之上，把向心力与物体(天体)的质量联系起来，并利用它的反作用定律，从而推广为普适的万有引力定律；第一定律（惯性定律或伽利略定律）：物体在无外力作用时，或者保持它的静止状态，或沿着笔直的线作匀速运动的状态。（静者恒静，动者恒动）第二定律（加速度定律）：运动的变化与外加推动力成正比；并发生在该力的作用线方向上。F=ma第三定律（作用力与反作用力定律）：对每一个作用力，总存在一个相等的反作用力和它对抗；或者说，两个物体彼此施加的相互作用力总是相等的，并各自指向其对方。牛顿力学三大定律经典力学奠基者（17世纪初）经典力学建立者（17世纪晚期）从经典力学发展到相对论、量子论（19世纪末～20世纪初）伽利略（意）牛顿（英）爱因斯坦（德）普朗克（德）近代以来物理学的发展过程3、物理学：力学：

（3）《自然哲学中的数学原理》构成了完整的力学理论体系，牛顿力学成为经典力学，标志着近代科学体系的形成。《自然哲学的数学原理》牛顿所提出的绝对时空之命题“绝对空间，就其本性来说，与任何外在情况无关，始终保持着相似和不变”；“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本身和本性来说，均匀流逝而与任何外在情况无关”；总之，在牛顿的时空观中，空间、时间和“外在情况”这三者都是相互独立的，无关的，空间的延伸和时间的流逝都是绝对的。在这种意义上说，在牛顿体系中仍然含有亚里士多德式的绝对。经典力学的划时代意义1、为力学学科确定了基本概念和基本定律，2、从力学上证明了自然界的统一性3、把人们对机械运动的认识从运动学的水平提高到动力学的水平目录1哥白尼革命2近代物理学的诞生3经典力学的建立4其他学科的发展我兀立于海港，