物理学与人类文明第三章

第三章科学的诞生

地理大发现、文艺复兴和宗教改革对人类文明的发展有什么作用？

为什么郑和下西洋未对世界产生重大影响，而哥伦布、麦哲伦等人的“地理大发现”则对世界产生了重大影响？

中国的四大发明对近代自然科学的诞生有什么作用？

从哥白尼日心说的诞生过程看，宗教对科学的作用是推动还是阻碍？

对开普勒三定律的发现，你有哪些体会？思考题哥白尼的日心说，揭开了现代自然科学的序幕。然而最早提出日心说的人并不是哥白尼，而是在亚历山大科学院工作的古希腊天文学家阿里斯塔克。1地心说月上的阿里斯塔克坑公元前500年左右古希腊的毕达哥拉斯就提出大地是球形的主张。在中国占统治地位的，始终是“天圆地方”的学说。北京天坛是“天圆地方”的代表公元前300年，著名希腊哲学家亚里士多德系统地提出地心说,认为地球位于宇宙的中心。太阳、月亮、行星和恒星都围绕地球作圆周运动。葡萄牙宇宙学家维利乌绘制的地心说模型亚历山大科学院的另一位天文学家托勒密，进一步改进和完善了地心说，使之与天文观测符合得更好，于是地心说彻底击败了日心说。意大利早期文艺复兴的诗人但丁，在《神曲》一书的“天堂篇”中，用托勒密的地心说对天堂作了生动的描述。《神曲》插画1500年前后，葡萄牙人沿着非洲西岸到达非洲最南端的好望角。1498年，另一位葡萄牙人达·伽马绕过好望角航行到印度。2地理大发现达·

伽马在葡萄牙人向东航行的时候，西班牙国王支持哥伦布向西去探寻新航道。他率领的由三条帆船组成的西班牙船队，经过七十天的艰苦航行，到达了现今称为美洲的地方。哥伦布航海519年，葡萄牙人麦哲伦在得不到本国国王支持的情况

下，率领西班牙国王给予他的五条帆船向西航行，试图完成哥伦布从西方到达印度的梦想。在经历各种艰险和水手叛乱的灾难之后，麦哲伦终于率领余下的三条船绕过美洲最南端，横越太平洋到达东南亚。麦哲伦航线在横越太平洋时，麦哲伦的一个同伴发现了两个位于南天的星系，后来被称为大、小麦哲伦云。它们是离我们的银河系最近的河外星系。大麦哲伦星云1521年，麦哲伦本人因干预菲律宾当地居民的内讧而丧生，但他的追随者终于在1522年回到西班牙。麦哲伦航行用实践证明了人类居住的大地是球形的。3文艺复兴与宗教改革同在1500年前后，附着在十字军身上而得以从阿拉伯地区重返欧洲的希腊文明，已逐渐传播开来。有学识的欧洲人在古希腊文明、中国文明、印度文明和地理大发现面前惊呆了。集科学家和艺术家于一身的达·芬奇开始跳出圈子，不再绘制君主和神灵，而是去创作生动活泼的

人，例如名画“蒙娜丽莎”。现代电影《达芬奇密码》现代艺术家恶搞的《蒙娜丽莎》文艺复兴“文坛三杰”和

“艺术三杰”作品的着眼点不再是神，而是人。他们用文笔和画笔歌颂普通人的内心美、形体美和健康美，揭露封建社会的黑暗腐朽，反映人民对自由、正义和思想解放的渴望，呼唤新世纪和新社会的来临。最后的审判然而当时黑暗、腐败的教会仍在欺骗和盘剥民众。那时的《圣经》是用拉丁文写的，一般人都看不懂，主教和神父们利用这一点，在传教过程中曲解《圣经》，向人们兜售“赎罪卷”。谎称只要买了教会的“赎罪卷”，便可在上帝面前赎罪。《圣经》德国的青年神学家马丁·路德在学会拉丁文后，发现民众由于不识拉丁文，看不懂《圣经》而被教会所蒙骗。他写下95条指控教会的声明贴在教堂外面。这个声明如惊雷一般引起了社会的震荡，使全德国乃至整个欧洲爆发了大辩论和宗教战争。马丁路德年轻的哥白尼在波兰的克拉科夫大学度过了自己的大学生涯，这所大学是当时欧洲著名的学术中心。然后，他又到意大利留学，动荡的校园生活和社会生活解放着哥白尼的思想。4哥白尼与日心说哥白尼哥白尼发现托勒密的地心说不仅复杂混乱，而且漏洞百出，他知道古希腊曾经有过日心说。毕达哥拉斯曾经提过一个富有启发性的模型，认为宇宙是一个球体，位于宇宙中心的，叫中心火。包括太阳、地球在内的所有天体，都围绕中心火转动。毕达哥拉斯经过长期反复地思考，日心说在哥白尼的头脑中逐渐成熟。他在《天体运行论》的第一卷中写道：“…我终于发现，如果认为地球和行星都围绕太阳运动，一切就变得简单而清楚了”。日心说布鲁诺是神学院的学生。他深受文艺复兴思想的影响，主张思想自由，甚至宣传无神论。5布鲁诺与无限的宇宙布鲁诺布鲁诺突破了宇宙有限的思想：不论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的球体。布鲁诺则声称宇宙在空间和时间上都是无限的。宇宙不仅在空间上无边无限，在时间上也没有开始和结束。教会的头头们对布鲁诺的理论感到极大的恐惧和愤怒，于

是，28岁的布鲁诺逃出了自己生活的修道院，并多次躲过教会的追捕，最后终因有人出卖而被捕。他被监禁了7年，从不屈服。最终被教会判处火刑。布鲁诺被处以火刑布鲁诺勇敢地离去了，但后人永远不会忘记他。300年后，他的宇宙观得到了公认。布鲁诺的学说和精神象闪闪的明星一样，永远照耀着后人。布鲁诺塑像伽利略从青年时代起就对天文和物理有兴趣。当他听说荷兰有人制造出望远镜的时候，就依靠自己的光学知识，设计制造了最早的天文望远镜。6望远镜与土星的光环伽利略发现银河是由大量恒星组成的，月亮表面凹凸不平，太阳有斑点，而木星居然有卫星，这使得教会及其追随者感到震惊和愤慨!明亮光洁的月亮怎么可能凹凸不平呢?光辉神圣的太阳怎么可能有斑点呢?这肯定是玻璃产生的幻影。不信?你把望远镜上的玻璃取掉，就看不到月亮的凹凸和太阳的斑点了。伽利略还看到了土星的光环，但由于当时的望远镜分辨率不高，伽利略觉得似乎土星两侧各有一颗“伴星”。他想公布自己的发现，又怕弄错了闹笑话。土星光环伽利略认为土星的光环是卫星，并发表了自己的见解，今天，我们知道土星确实有两颗卫星。土星卫星由于宣传哥白尼的日心说，伽利略在1616年受到宗教裁判所的警告。冒然出版了宣传日心说的《关于两大世界体系的对话》后，他受到宗教裁判所的审判，在1633年被判终身监禁。他被迫跪在法庭上做了“认罪”声明。7伽利略的“认罪”声明伽利略受审第谷是以观测精密而著称的丹麦天文学家。他做天文观测认真细致、持之以恒，对星体运动的观测精度比哥白尼高出

20倍。8第谷的精密观测第谷在观测，丹麦国王腓特烈二世怕这位天文奇才流失到天文学发达的德国去，就专门为他建立了一座天文台。这是当时世界上最先进的天文台第谷在那里工作了差不多20年。1577年第谷仔细观测了天空出现的一颗巨大彗星（即后来命名的哈雷慧星），更为重要的是，第谷通过精密观测发现，彗星轨道不是正圆。第谷本人不同意哥白尼的日心说，于是他提出了折中的混合说：地球位于宇宙中心不动，太阳、月亮和恒星天围绕地球转，但金、木、，水、火、土五大行星不是围绕地球转，而是围绕太阳转，再跟太阳一起围绕地球转转动轨道都是正圆。第谷宇宙观，第谷在长期稳定的工作环境中，积累了大量的精确观测资料，为世界的历法改革奠定了基础。腓特烈去世后，即位的新国王不能容忍第谷的脾气，不再资助他的天文研究。德国皇帝鲁道夫二世得知这个消息后非常高兴马上邀请他到德国。于是，在

1597年第谷来到布拉格工作。开普勒非常喜欢数学和天文，并显示出惊人的才华。开普勒的一位天文学老师是日心说的拥护者，公开宣传哥白尼的日心说，这对开普勒的宇宙观产生极大的影响。9开普勒与正多面体宇宙开普勒长期致力于寻找各行星轨道之间的数学联系。通过反复地计算，他惊奇的发现，用柏拉图的5种正多面体，刚好可以给出6大行星轨道半径之间的关系。

如果把土星轨道画在一个正6面体的外接球上，那么木星轨道就恰在此6面体的内切球上；

如果把这个6面体的内切球看作一个正4面体的外接球,那么火星轨道就在此4面体的内切球上；

如果把这个4面体的内切球看作一个正12面体的外接球，那么地球轨道就在此12面体的内切球上；

如果把这个12面体的内切球看作一个正20面体的外接球，那么金星轨道就在此20面体的内切球上；

如果把这个20面体的内切球看作一个正8面体的外接球，那么水星轨道就在此8面体的内切球上；开普勒给出的行星轨道。开普勒牢记第谷临终前的忠告：“一定要尊重观测事实”他发现用圆周运动来解释火星

轨道，与第谷的观测值总有8分的偏差不能消除。10行星运动定律的发现第谷与开普勒开普勒迈出了关键的一步：火星轨道是椭圆而不是圆。接着，他又把这一认识推广到所有的行星，得到了以自己名字命名的两条定律：

开普勒第一定律：行星运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。

开普勒第二定律：行星轨道的矢径在单位时间内扫过的面积相等。现在开普勒发现了行星运动定律，做出了重大的成就，并改造了天文望远镜。可以说，伽利略与开普勒是天文望远镜的两位鼻祖。开普勒猜测行星运动的快慢，可能与行星轨道的半径有某种关系。他把地球的轨道半径定义为1，地球的公转周期也定义为1，然后给出其它行星轨道半径与周期对地球的相对值。他画出了一张表，但没有看出表中数据间有什么关系。行星T(轨道周期)R(轨道半径)水星0.2410.387金星0.6150.723地球1.0001.000火星1.8811.524木星11.8625.203土星29.4579.539开普勒坚信宇宙是和谐的，上述数字之间应该存在某种联系。他日日夜夜地思考，又算出了这样一张表：行星T2R3水星