第二章 近代自然科学的诞生和发展

第二章：近代自然科学的诞生和发展

第一节近代科学革命

1.1天文学革命

哥白尼的日心地动说

哥白尼(NicolausCopernicus,1473—1543)是波兰数学家兼天

文学家，于1543午发表了《天体运行论》一书，全面地阐述了他的

日心地动说。其要点是：太阳是宇宙的中心，所有行星在以太阳为公

共圆心的圆形轨道上绕日旋转；地球是一颗普通的行星，它有自转并

与其他行星一样绕太阳公转。根据这两个基本观点，哥白尼指出，太

阳的东升西落不是太阳绕地球旋转，而是地球自转的表现；天球上恒

星位置每年所发生的周期性变化也不是恒星运动所致，而是地球绕太

阳公转的结果。以现代的观点来看，哥白尼的学说并非完美无缺，但

是它从根本上纠正了自古流传并为基督教会所支持的地心和地静说

的错误，当哥白尼的学说为世人所接受之后，它就不可避免地动摇了

教会的权威，从而解放了人们的思想。

当代著名的科学史与科学哲学家库恩(T.S.Kuhn,1922-1996)称

哥白尼日心体系的诞生为“西方人知识发展的划时代的转折点”，因

为它不仅是天文学基本概念的变革，而且是人对自然的理解的根本变

革，甚至是西方人价值观念变更的一部分。但也有些人断言，哥白尼

革命只不过是提出了地球每日绕自身轴旋转一周，每年绕太阳公转一

周，甚至有些科学史家根本否认存在一场“哥白尼革命”。我们认为，

尽管哥白尼体系有很多旧理论的痕迹和不完善之处，甚至在得到观测

证实的精确程度上一度比托勒密理论还逊色些，但是它用日心、地动

说代替统治天文学界多年的地心、地静说，是在重大理论问题上用正

确认识取代了谬误的认识。哥白尼理论的意义至少有两方面：

其一，它引起了整个宇宙观、世界观的巨大变革。长期以来，

教会利用地心说来说明上帝创造世界，说明上帝创造一切都是为了地

球上的人类，所以有意把地球摆在字宙的中心。而现在，在宗教教义

中被说成是宇宙中心的地球已沦为一个普通行星，于是，上帝这个不

可动摇的偶像也就随之而倒台了。日心说动摇了宗教的自然观支柱，

也就是动摇了宗教世界观的基础。从社会文化心理层面讲，日心说对

地心说的背叛也是对近千年形成的精神生活方式和浓厚宗教情结的

挑战。

其二，哥白尼日心理论引起了人类认识史上的变革。因为哥白尼

的著作宣布不服从权威和教条，不把宗教所尊奉的托勒密学说视为神

圣的；同时，宣布了自然科学就是要按自然界的本来面目来认识自然,

也就是说，凡是不符合自然界本来面目的东西，都要加以批判和修正。

正因为如此，恩格斯称哥白尼的《天体运行论》是自然科学从宗教下

面解放出来的“独立宣言二正是在它的带动和影响下，整个自然科

学各个领域都纷纷与宗教教义相决裂，并大踏步地前进着。可以说，

这部著作是近代自然科学思想革命的起点。

在一定意义上可以说，哥白尼日心理论在哲学世界观方面的价值

大于其在科学上的价值，对于思想解放的意义大于其方法论的意义。

也正是因为如此，这本书一发表就被列为禁书，教会对它极端仇视和

恐惧，直到200多年后的1758年才被开禁。

二.布鲁诺和伽利略捍卫和发展日心说

哥白尼学说经过近两个世纪才被牢固地树立起来。尽管哥白尼学

说一开始就遭到天主教、路德教和加尔文教的反对,甚至弗兰西斯・培

根也不接受这一理论，但这一学说还是被广泛地传播到整个欧洲。其

中，布鲁诺和伽利略在哥白尼之后对日心说的捍卫和发展作出很大的

贡献。

虽然作为天文学史可以不涉及，但作为近代宇宙观史，决不能忘

记为哥白尼理论的传播而献出生命的意大利哲学家布鲁诺

(GiordanoBruno,1548—1600)的名字。布鲁诺年轻时就读过《天体

运行论》，并成为哥白尼学说的传播者。但他比他的先师更进一步，

即抛弃了恒星固定在以太阳为中心的最高天球的信念。他在1584年

出版的《论无限、宇宙和世界》中阐述了他的字宙无限、世界无限的

观念，并做了哲学上的论证。

他指出，宇宙是无边际的，因而没有中心；太阳是太阳系的中心

而不是宇宙的中心，宇宙中存在着无数个太阳系一样的天体，恒星就

是散布在无限空间中的一个个太阳。他关于类似太阳系这样的世界有

无数多个的思想，先于牛顿关于天上、地上都遵守同一运动规律的发

现。

意大利科学家伽利略(GalileoGalilei,1564〜1642)对近代天文

学革命的贡献就在于他借助望远镜和力学(主要是动力学)思想证实

和捍卫了哥白尼日心体系。

伽利略根据他对光的折射的知识制作了可将物体直径放大30倍

的望远镜，于1610年在《星际使者》中公布了由此得到的若干重大

发现。

其一，他发现木星有四个较小的“行星”（后来被开普勒称为“卫

星”）围绕它旋转，这就好像一个缩小了的太阳系模型，这四个卫星

各有其可量度的周期。这就用科学事实推翻了地球之外只有7个天体

（恒星除外）的传统观念，并且向世人表明，地球不可能是宇宙中所有

天体绕之旋转的中心。

其二，他还发现月球表面并不是乎坦、均匀的圆球形，而是凹凸

不平和粗糙的，有的山脉高达4英里。这个发现加上他后来观测到的

太阳黑子（记叙于1613年发表的《关于太阳黑子的书信》一书中）存

在的事实（其面积大于地球亚非两洲面积之和），打破了中柏拉图、亚

里士多德以来关于天上事物是完美无瑕的神话，驳斥了“月上世界”

与“月下世界”属于截然不同的两个世界和“天贵地贱”的神秘主义

的观点。

其三，银河在以往用肉眼看上去好像是延绵不绝的一片光区，而

从望远镜中他分辨出这不过是数以万计单独恒星（其中包括用肉眼连

细微的光线都看不见的成千上万个恒星）分布较为集中的结果。这个

发现使人们不禁要怀疑：如果上帝为人类利益而创造了宇宙，那为什

么把如此之多不可见的东西放在天上？

尽管伽利略在理论上没有给哥白尼的宇宙体系增加什么内容，但

上述发现以其为日心体系提供的强有力的证据而沉重地打击了经院

哲学和传统教条。当时惟一公开支持伽利略的科学家只有开普勒，他

在《同星际使者的对话》一书中指出，这些新发现同他本人的理论是

一致的。但教会却把日心说视为洪水猛兽。1616年教会把哥白尼著

作列为禁书，并警告伽利略，让他放弃地动说。伽利略经过长期准备

和精心构思，在16年之后的1632年发表了《关于托勒密和哥白尼两

大世界体系的对话》，在这部著作中最重大的贡献在于他成功地分析

了反对日心说的两个主要理由即没有恒星视差和地上物体垂直坠落

的问题，从而使哥白尼日心体系得到进一步论证。

1.2医学革命

近代初期，在医学领域中，希波克拉底的“四体液”之类空想仍

占重要地位，因此治疗人的疾病，通常还是试图重新调整人体中体液

的比例，而不大注意对疾病的专门化研究。然而到了16、17世纪，

在用经验主义代替思辨的科学变革的影响下，比较明智的医生开始密

切注意各种疾病的差异及其不同要求，在文献中出现了对不同疾病的

仔细观察和详尽描述的记载。

在近代科学诞生之前，在医学生理学中居统治地位的是罗马名医

盖伦的生理学说。他的生命元气等学说尽管距真理很远，却由于基督

教的思想统治使他的学说在整个中世纪欧洲，人的眼中比他的自由探

讨精神更为重要，从而堵塞了生理学探索的道路。第一个敢于起来批

判盖伦学说的是比利时医生、近代解剖学奠基人安法勒斯・维萨里

(A.Vesalius,1514—1564)。他于1543年发表了《人体的构造》一

书，他以多年从事人体解剖之所见，揭露了古代权威盖伦等人的某些

结论缺乏根据。接着就是西班牙医生塞尔维特(MichaelServetus,

1511〜1553)于1553年发现了人体血液的小循环，他指出静脉血是通

过肺部为空气“净化”之后变为动脉血的。其后，英国医生哈维

(WilliamHarvey,1578~1657)在1628年发表的著作中系统地阐述

了他所发现的人体血液运动的大循环。他指出：血液在人体中是沿着

心脏一动脉一静脉f心脏这样的路线循环流动的；在动脉和静脉之间

必定还有人们看不见的细微通道相连；流回心脏的静脉血经过小循环

(即在肺部经过空气的作用)变为动脉血，接着由心脏流出；心脏是血

液循环的出发点，又是血液循环的归宿，心脏的脉动是血液循环的动

力。动脉血和静脉血是分别流经心脏的左、右两部分房、室，这两部

分并不直接沟通。哈维的学说彻底推翻了盖伦的观点，同时给了教会

的神学说教以沉重打击。哈维的学说有大量事实为据，虽然还有不完

善之处，但终究为科学的生理学奠定了基础。

1.3科学方法革命

伽利略开创实验方法

伽利略发明了光学望远镜，用大量天文观测事实论证哥白尼日心

地动说。1609年，伽利略用自制的望远镜观察天空，发现了一系列

前所未知的现象，如月球表面凹凸不平，犹如地球表面的山岳和湖海,

太阳表面有黑子；木星至少有四颗卫星等等。这些发现证明了天界并

非有如亚里士多德所说的那样圣洁无瑕，宇宙中也并非只有一个中

心。

伽利略开创了实验力学，标志着科学实验方法的诞生。伽利略是

第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确

定了一些重要的力学定律。通过实验，伽利略发现了自由落体定律：

物体从静止开始的自由下落是一种匀加速运动，物体下落的速度与其

经历的时间成正比，下落的距离与其经历的时间的平方成正比。根据

这个定律，在忽略空气阻力的情况下，从同一高度自由下落的轻重不

同的物体应该同时到达地面，因为物体下落的速度与它们的质量无

关。伽利略还从逻辑上论证了重物先到达地面的不合理性。从而彻底

地批判了亚里士多德的错误观点。

在研究落体运动的基础上，进一步的实验使伽利略想到：沿斜面

滚落的小球，如果再沿一无限光滑的平面继续滚动的话，这时既没有

使小球加速的因素，也没有使小球减速的因素.它必将在这个平面上

保持原有的速度匀速前进，永不停止,这就是惯性运动。惯性运动指

出运动的物体具有维持原有运动状态的特性，这就是说，亚里士多德

认为必须有外力才能维持物体运动的观点也是站不住脚的。

伽利略通过观察匀速前进的船舱内舱顶水滴下落和舱内苍蝇飞

行的状况，发现它们都没有因船只的航行受到干扰，它们的运动状况

与静止的船舱毫无二致。据此他提出了运动的相对性原理：在匀速运

动系统内的力学现象与静止系统内的力学现象并无区别。这个原理告

诉我们，不能根据地面上的力学运动来判断地球是处在静止状态还是

在作惯性运动（假若我们把地球近似地看作一个惯性系统的话）。

二.经验论与唯理论

英国弗兰西斯•培根的《新工具论》倡导归纳法，成为近代科学

的主要方法。弗•培根在他的经验主义认识论的基础上，首创了科学

中的排除——归纳法。弗•培根在《新工具论》中多处批评了自亚里

士多德以来，仅仅根据少数观察、用简单枚举法匆忙地从感觉和特殊

中抽象出最普遍公理的传统作法；认为这种抽象由于“没有采取对自

然作排除和分解或分离的方法”，其所得出的概括必定“是不确定的

和含混的”。为此，应当用科学归纳法取而代之。他提出的排除——

归纳法的基本思路是：

1.通过实验观察获得有关某类现象的一切事实知识，其中包括

对该类现象的肯定事例、否定事例和该类现象所具物理性质的程度不

同的表现；

2.然后将全部事例编制成肯定事例表、否定事例表和程度表（即

比较表）；

3.借助逐步归纳和排除法，从事例中抽象出最低层次的公理（假

说）；

4.应用同样方法从低层次的公理（假说）中构造出较高层次的公

理（假说），直至最终达到普遍性程度最高的公理（即“形式”）。

其中最重要的方法是逐步归纳法和排除法。而归纳法与排除法乃

是同一过程的两个相反相成的方面。弗•培根把事实之间以及低层次

公理之间的相关，区分为偶然相关和必然相关（即本质相关）；不论是

由系统的实验观察材料概括出普遍性有限的真理，还是从普遍性程

度低的真理上升到内涵更丰富、概括性更强的真理，都要通过比较鉴

别，以发现并排除偶然的非本质的相关，从而抽取出必然的本质的相

关，作为进一步归纳概括的合适题材。只有如此才能牢固地建立起科

学理论的“金字塔”。有人认为弗・培根“否定抽象概念”，其实，培

根仅仅反对借简单枚举法，根据少数观察贸然作出不恰当的“抽象”,

他并不反对、而且竭力主张以系统观察为基础、以排除和舍弃偶然相

关（即非本质相关）为关键程序的科学抽象。科学抽象原则是弗•培根

科学归纳法的灵魂。

近代科学尽管在很大程度上得益于实验观察和归纳方法，但要建

立逻辑上完备而自恰的科学理论体系，单靠经验方法是无能为力的。

笛卡尔最早看到了这个问题，在科学方法论上提出了以“普遍怀疑”

为前奏、以直观——演绎法为核心、以事实验证为补充的科学发现与

科学说明的逻辑模式。

在笛卡尔看来，要使科学取代统治人们思想达儿个世纪的经院哲

学，就必须把科学知识大厦及其每一组成部分都建立在“理性”的基

础之上，为此就要“尽可能地把所有事物都来怀疑一次"。这一语道

破了新哲学与传统哲学的本质区别。笛卡尔认为，感觉有可能会欺骗

我们，理性也往往会判断错误，故而一切凭感官得到的知识、一切先

人之见与偏见、一切传统教条和信念，都应毫无例外地通通放到理性

的法庭上加以审判。在笛卡尔那里，怀疑本身不是目的，而是手段；

怀疑不是消极的、虚无主义的，而是积极的、富于建设性的。因此他

的怀疑论是一种方法论的怀疑论，是构筑科学知识大厦的否定性准

备。它不仅是每一个别的科学认识发生的前奏，更是科学作为系统整

体而发生的初始环节。这种怀疑论是新兴资产阶级社会理想和价值观

念在认识论领域的反映，是近代史上推动人类理性解放的一面旗帜。

笛卡尔认为，科学的最高成就是一种命题金字塔，其建构顺序是

由上而下即由一般到个别。那么处于金字塔顶端的作为科学理论体系

大前提的最一般原理（即公理）从何而来?笛卡尔的“天赋观念”论是

对这个问题的唯心主义的、但又是当时相对成功的一种解决。笛卡尔

认为，来自外界的关于事物的感觉观念是不可靠的，而由人的心灵自

由虚构和臆想的观念是个别的和偶然的，只有来自理性本身的“天赋

观念”才是一切普遍性、必然性知识的惟一可靠的来源。这种观念作

为真理性认识的标准在于其无可怀疑的确定性和自明性；由于它既不

依赖于感觉经验，也不依人的自由意志为转移而具有客观实在性，因

此，以这种观念作为最普遍原理，可以成功地解释一切自然现象。

在笛卡尔科学方法论中，最核心的乃是作为其知识哲学中心内容

的直观——演绎法。所谓直观“既不是指感觉的易变表象，也不是虚

假组合的想像所产生的错误判断”，而是靠人的认识普遍性、必然性

知识的天赋能力而获得对于基本的、清楚明白的、不证自明的真理的

直接了解。所谓“演绎”，是指运用数学中的推理方法从直观得到的

第一原理出发所进行的全部带必然性的推理。它相对于“直观”来说,

是认识自然的“补充方法”。笛卡尔认为，传统的三段论只能说明已

知的真理，而对于那些要发现真理的人来说则毫无价值。作为演绎推

理大前提的第一原理是运用理性直观的力量而发现的，第一原理的创

造性保证了由它所推演出的知识的新颖性。因此直观——演绎法不单

是说明的逻辑，而主要是一种发现的逻辑。这是它同亚里士多德三段

论的本质区别。

笛卡尔接受了亚里士多德关于科学是演绎陈述系统的思想，并试

图用他的直观——演绎法构造一个庞大而包罗万象的人类知识金字

塔。但是，并未成功。因为仅仅根据一般定律的考虑，人们不可能确

定物理过程的进程。于是，他为了克服直观——演绎法的局限和困难,

不得不给实验观察和归纳方法以一席之地，运用这些方法对定律和推

论进行事后的验证或经验批准。但这些仅仅是科学研究中的辅助性的

补充手段。

第二节经典力学体系的建立

2.1近代力学知识的积累

伽利略的力学贡献

近代力学产生之前，亚里士多德关于运动学的自然哲学理论占据

统治地位达1900年之久。而亚里士多德的运动学大多属于哲学猜测

与常识的混合物.特别是由于中世纪后期托马斯•阿奎那等人把他的

著作奉为经典，而使他的错误的运动学理论成为严重束缚力学发展的

桎梏。伽利略是在力学上第一个向亚里士多德提出挑战的科学革命

家。

首先，伽利略驳斥了亚里士多德的落体理论。亚里士多德认为物

体运动的快慢与运动物体自身的重量有关，并把这个思想用于落体运

动。他指出，体积相等而重量不同的两个物体认同一高度自由落下时

其速度比等于这些物体的重量比；比如，两物体重量比为I：10,则

其下落速度比也是I：10。伽利略运用思想实验和归谬法反驳了这些

错误理论。他指出，若两个重量、大小不同的物体捆在一起，其下落

速度有两种相反的可能：（1）由于两物体总重量均大于其中任何一物

重量，故捆在一起时下落速度比两物体中较重的物体单独下落时速度

要快；（2）由于两物体一轻一重，捆在一起时较轻者牵制较重者的下

落速度，因此联合体下落速度大于较轻者而小于较重者。通过分析相

同比重物体在同一介质（如空气）中下落的种种情况和介质密度对物

体下落的影响，以及经过“冲淡重力”斜面实验，伽利略最终得出三

个结论：第一比重相同而重量不同的物体在空气中以同样的速度运动

（下落）；第二.在完全没有阻力的介质（即真空）中所有物体以同样速

度作自由落体运动；第三，物体均以匀加速运动自由下落，而下落距

离与时间的平方成比例地增加。据传伽利略作过比萨斜塔实验，但没

有原始记录作证据。但在1586年以前，斯台文（SimonStevin,1548

—1620）确实做过反驳亚里士多德观点的落体实验：从30英尺的高

处，同时让两只铅球自由下落，其中一只是另一一只重量的10倍，而

到达地面上发出的清晰响声好像是一个声音。

伽利略在《关于两种新科学的对话》（Thedialoguesconcerning

twonewsciences）中不仅反驳了亚里士多德的运动观念，而且讨论了

匀速运动、加速运动、单摆和抛射体运动的规律。关于匀速运动，他

给出了以下定义：“我们称运动是匀速的，是指在任何相等的时间间

隔内通过相等的距离。”关于匀加速运动，则是指“运动质点在相等

的时间间隔里获得相等的速率增量”。在这两个概念的基础上，再引

入“合成速度”的概念，就可以容易地解释抛物体的运动。伽利略将

抛物体运动分解为水平方向的匀速运动和垂直方向的匀加速运动，从

而证明了意大利数学家塔尔塔利亚（NiccoloTartaglia,1499〜1557）

早期的发现：抛物体仰角为45•时可有最大射程。他第一个成功地证

明了炮弹的运动轨迹是一条抛物线。

伽利略在单摆实验和小球在相对的两斜面上滚下与滚上运动的

实验中发现类似机械能守恒定律的思想，由此得出惯性的概念，从而

否定了亚里士多德“力是运动原因”的错误，建立了“力是改变运动

的原因”的思想。这些思想连同他对匀速和匀加速运动的定义一起，

为牛顿的运动第一和第二定律的最终表述奠定了基础。

伽利略通过对单摆的研究发现：单摆的摆动周期与振幅无关。传

说这是1582—1583年他在比萨大学学习时，在比萨教堂观察吊灯时

发现的。但据考证，比萨教堂的吊灯是1587年制造的，此时伽利略

早已离开了比萨。但在1602年信件中他的确提到了单摆实验，而在

《关于两种新科学的对话》中他详细地描述了这些实验及其结果，证

明单摆周期不依赖于摆的重量和材料，而和摆的长度的平方根成比

例。不过，单摆周期严格的表达式？'"'l是惠更斯首先提出的，其

中T表示单摆周期，L表示单摆的摆长，g表示重力加速度，据说伽

利略于1638年也得到了这一结果。

由于伽利略想要发现的不是物体为什么运动（降落），而是怎样

运动（降落），并通过实验揭示厂其中的数学关系，这就使得从他开始,

时间与空间在物理科学中具有了根本性的意义。不过，由于他认为惯

性定律只有在水平面上才成立，因此他的力学停留在重力影响占绝对

优势的地面力学上，而未能扩展到天体力学，只有笛卡儿和牛顿才把

惯性定律作为普通的力学基本原理来把握。

二.开普勒三定律的发现

1609〜1619间,德国天文学家开普勒(JohannesKepler,1571〜

1630)利用他的老师、丹麦天文学家第谷•布拉赫(TychoBrahe,

1546〜1601)遗赠的大量准确的观测数据研究行星运动的规律，先后

发现了行星运动的三条定律，科学史上习称为开普勒三定律。

开普勒第一定律亦称行星轨道定律。这一定律指出，行星运行的

轨道不是正圆形而是椭圆形，它们围绕各自椭圆轨道的一个焦点运行

(椭圆有两个焦点)，而这些焦点又都重合在一起，那就是太阳之所在。

开普勒第二定律又称行星运动面积定律，它指出在相等时间内行

星与太阳联线所扫过的面积相等。

开普勒第三定律即行星运动周期定律，它指出任何两颗行星公转

周期的平方与它们轨道长半径的立方成正比。

开普勒的工作以准确的观测数据为依据，他的结论无可争议。在

西方流行了两千年的行星必定沿圆形轨道匀速运行的传统观念终于

被打破了。开普勒因此被誉为“天空的立法者二行星三定律的发现

是天文学上又一重大突破。同时，它更进一步把天体运动的物理机制

问题摆在人们面前：行星的运动轨道为什么是椭圆形?维持这些运动

的力是什么？如此等等。开普勒的同辈人中曾有人猜测，太阳和行星

可能是由于磁力作用而联系在一起的。在他们的启发下，开普勒提出

了天体磁性引力假说。他考虑，既然地球是一块大磁石，太阳以及其

他行星很可能也是大磁石，是太阳和行星之间的磁力作用使它们联系

起来并且使行星围绕太阳沿椭圆形轨道运行。开普勒的假说虽然并不

正确，但他揭开了天体力学研究的序幕。

三.惠更斯、胡克等人的贡献

同一个科学问题往往会由来自不同侧面的研究而得到解决，这种

现象在科学史上很是常见。天体力学的问题得到了有关地面上的物体

运动的研究成果的启发，这就是惠更斯和胡克等人的工作。惠更斯

(ChristianHuygens,1629〜1695)是荷兰科学家，他对物体围绕一个

中心旋转的问题进行了研究，于1673年确认：一个围绕中心作匀速

圆周运动的物体之所以不会沿切线方向飞去，是因为有一个向心力作

用于该物体。这个向心力的大小与该物体的运动速率的平方成正比而

与圆周的半径成反比，即向心力〃厂(这里m是物体的质量，v是

物体的旋转速率，r是圆周的半径)。这就使人们认识到，必定是太

阳给了行星一个引力，这个引力作用于行星，使行星围绕太阳旋转。

英国科学家胡克(RobertHooke,1635~1703)就是这样想的。1674

年他在一次演讲中说到，在太阳吸引行星的同时，行星也同样吸引着

太阳，从而提出了物体之间有相互的吸引力的想法，他说这种引力与

磁性无关。1680年他更提出了这种引力的大小与距离的平方成反比

的猜测。但是，引力与距离平方成反比的猜测是否能与行星依椭圆形

轨道绕太阳旋转的事实相一致？这个问题一时难住了许多人。

2.2牛顿力学体系的建立

一.近代最伟大的科学家——牛顿

伊萨克•牛顿(IsaacNewton,1642—1727)诞生在一个农民家庭，

幼年身体很弱。他12岁进入文科中学读书时就显示出制造机械工具

及其模型的天才。中学毕业后，在舅父推荐下他进入剑桥大学三一学

院深造。在念文学士学位过程中，他完全依靠自修而攻读了数学与光

学的名著以及天文学和力学等方面的最新成果，并于1665~1666年

在家乡躲避伦敦一带的瘟疫期间发明了二项式定理的流数法，实现了

对光的分解，并向万有引力定律的建立迈出了头几步。鉴于他的数学

天才，他的老师巴罗于39岁就毅然辞去“数学卢卡斯讲座”教授的

职位而让牛顿接替。不久他制造了反射式望远镜。这促使天文学家瓦

尔德于1671年提议选牛顿为皇家学会会员，并当即被通过人选。但

牛顿的光微粒说却受到主张波动说的胡克的批评，由此引发了科学史

上著名的波动说与微粒说之争。在此期间，他还发展了流数法，同时

花费巨大精力研究引力问题，并于1684年将证明引力平方反比定律

的手稿交给哈雷。在哈雷和皇家学会的推动下，他从此进入了对理论

力学进行紧张研究的时期，并以1687年7月他的《自然哲学的数学

原理》一书的出版而达到高潮。此后，牛顿还做过一些化学实验，可

惜他的化学手稿于1692年的一次大火中与他的光学手稿一起被全部

焚毁。加之他的《自然哲学的数学原理》不提上帝和蕴涵“反神创论”

倾向受到宗教界和部分科学家的抨击和反对，以及胡克1692年向皇

家学会提出万有引力定律发现权问题，导致性格孤僻而内向的牛顿因

过度苦恼而神经哀弱以致失常。以后的牛顿除了从事货币改革、研究

炼金术和注释圣经外，从1703年当选皇家学会主席至去世，还做过

一个时期的议员。但近40年当中，他儿乎没有什么突出的科学成就。

牛顿以85岁高龄在主持一次皇家学会会议时突然发病，两周之后去

世。他是英国历史上第一个获得国葬待遇的科家家。1731年牛顿的

亲友在安葬牛顿的威斯敏斯特教堂建立了一座纪念碑，碑上刻着一首

诗：“这里躺着牛顿爵士，他以超人的智力首先证明了行星的运动和

图形、彗星的轨道和海洋的潮汐。他孜孜不倦地研究光线的各种折射

率及其所产生颜色的种种性质。对于自然、考古和圣经是一位前所未

有的勤奋、敏锐而忠实的诠释者。他的哲学中确认了上帝的尊严，他

的行为中展现了真正的纯朴。让人类欢呼曾经生存过这样伟大的一位

人类之光吧！”

二.牛顿经典力学体系的创立

牛顿经典力学体系，是以绝对化的四个基本概念空间、时间、质

量、力为基础，以著名的三大定律为核心，以万有引力定律为最高的

综合，用微积分来描述物体运动的因果律的一个结构严谨、逻辑严密、

以实验和观察对结果进行验证的科学体系。《自然哲学的数学原理》

就是这个体系的集中表现。

牛顿发现万有引力定律的过程前后历经20年之久。此间他受到

当时一些著名物理学家（如哈雷和胡克）的帮助或启发；并借助了一些

重要的天文观测结果，如皮卡特1679年关于纬度对应的地球表面长

度的测定值，从而在伽利略地面力学和开普勒天体力学成就的基础上

发现了万有引力定律。

牛顿有一句名言：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨

人们的肩上。”的确如此。作为万有引力定律概念基础之一的“离心

力”、“向心力”思想早在1632年伽利略的《对话》中就提出来了。

不仅如此，1666年牛顿还从伽利略的抛射体运动中得到启发，去思

考“月亮为什么不下落”的问题。而作为万有引力定律概念基础之二

的“引力平方反比”思想也早在1645年就为布里阿德所提出。牛顿

的探索是在上述思考基础上，以1665〜1666年离心力定律

(R)的提出而宣告开始的。(这一定律在1673年也为惠更斯

独立地得出。)紧接着，他从这一定律和开普勒第一与第三定律中推

出了圆形轨道上天体的引力平方反比关系。1669年他又把圆轨道上

的引力平方反比关系近似地用于行星的椭圆轨道的研究中，但是这种

研究尚存重大的障碍和困难：其一，缺乏关于地球半径的足够精确的

数据。其二，天体是实体，怎样来计算所有物体的任何部分所产生的

吸引力的联合作用？其三，牛顿当时还不能肯定是否应该由地心开始

计算月地距离，因为这牵涉到地球对月球的引力是否行同地球的全部

质量都集中于地心。在经受一系列困难的折磨之后，牛顿于1684年

利用皮卡特关于地球半径的测定值，成功地验证了在平方反比于距离

的力作用下，行星必定在椭圆形轨道上运动。然后，在发现运动第二

定律的基础上，把它用于万有引力问题，从而得出万有引力与相互作

用物体的质量乘积的正比关系。最后于1685年春至1686年夏得出了

关于重力或万有引力与质量乘积成正比、而与距离的平方成反比的完

整表述，并发表在《自然哲学的数学原理》的第三编中。

运动三定律所描述的是物体（包括天体和地上的物体）力学运动

的规律，它和万有引力定律一样是经典力学的基本定律。这些定律的

确立虽然经过几代科学家的努力，但最终是由牛顿完成的。牛顿是经

典力学的集大成者，所以经典力学又称牛顿力学。

运动第一定律运动第一定律又称惯性定律。伽利略虽然提出了

惯性运动的思想，但是他相信宇宙是一个球形的封闭的空间，因此不

能设想一个无限大的平面。他所考虑的惯性运动是沿着地面的运动

（其实是围绕地球的圆周运动），他对于向心力也还没有认识。牛顿

突破了伽利略的局限，终于发现了惯性定律。

惯性定律指出：如果没有外力的作用，任何物体将保持其精致状

态或匀速直线运动状态。这就是说，力是改变物体运动状态的原因,

或者说，力是使物体的运动状态发生变化，即产生加速度的原因。当

我们发现一个物体从静止变为运动，或者在运动中有加速、加速（可

看作是负的加速），或者是运动方向发生变化时，就可以断定必有外

力作用于这个物体。在自然界中，物体不受任何外力作用的情况实际

上是不存在的，但只要它所受到的外力相互平衡，便可看作是外力为

零，此时该物体或者是保持静止不动，或者是保持原油的运动状态。

所以，如果我们看到一物体静止不动或者作匀速直线运动，我们就知

道它没有受到外力作用或者作用在它上面的外力相互平衡（合力为

零）。在日常生活中，物体的运动必受阻力（如摩擦力）的制约，要

维持等速运动就得有一个力来克服阻力，这个力与阻力必定是大小相

等而方向相反的，其实这时作用于该物的外力应视为零。人们往往只

注意到要给物一个力来维持它的运动，却忽视了这个力的作用只在于

与阻力相抵消而使其总的外力为零。

运动第二定律运动第一定律所表述的是力的概念和力与物体

运动关系的定性的认识，运动第二定律给我们展示的则是力与物体加

速度之间的定量关系。

为了从量上考察力与物体加速度的关系，牛顿研究了比较简单的

物体的碰撞运动，得出了这样的看法：碰撞运动中作用于一物体的外

力与它的运动量的变化成正比。（他把物体的“运动量”定义为该物

体的质量与它的速度的乘积。）在碰撞过程中冲力所引起的运动量变

化是在极短时间内所产生的效应，牛顿把这个过程表述为

产•At=△"/

f

亦即R

也可以写成“="H

（户是碰撞时的作用力，&是作用的时间，△应即运动量的改变量）

这个式子表明，物体运动量（亦称“动量”）的变化与作用力的

大小成正比，力作用时间越长，它所产生的冲量（齐•&）越大，物体

的动量改变量就越大，物体动量的改变量=合外力的冲量，动量变化

的方向与作用力的方向相同。对于匀加速运动，

Z即单位时间里速度的变化，这也就是伽利略所引入的加速度的概

念。于是，运动第二定律又可以写成

F=ma

我们现在常用的就是这个表达式。

根据运动第二定律，我们就可以很容易解释为什么一切物体的自

由下落都有相同的加速度了。对于自由落体而言，作用于该物体的力

F就是地球对这个物体的万有引力。由万有引力定律，可知

（M是地球的质量，m是该物体的质量，R是地球的半径。）

依运动第二定律F=ma可得

/,M

从这里便可以看到，因为G、M和R都是常数，所以a也是一个常数。

这就表明一切自由落体的加速度a都是相同的。通常我们用g来表示

这个加速度，称为重力加速度。

有了运动第二定律，只要我们知道作用于一物体上的力，就可以

据此求出此物体所获得的加速度，即可以知道这个力使该物体所产生

的运动状态的变化（包括它的大小和方向）；反之，如果我们知道一个

物体的运动状态发生了某种变化，也就可以断定必有一个力作用于该

物体，并且可以准确地计算出这个力（包括它的大小和方向）。力与物

体运动状态变化互为因果，它们之间的关系是确定无疑的。

运动第三定律运动第三定律也是在碰撞运动的研究中弄清楚

的。惠更斯已经发现，若两个质量相等的小球以大小相等而方向相反

的速度在同一直线上相向运动，在发生完全弹性碰撞后，这两个小球

便以与原来大小相等的速率在该直线上相背运动。这就告诉我们，在

碰撞前和碰撞后两个小球动量的变化量在数值上是相等的。我们假定

第一个小球运动量的变化为：

△gV|=viW|v/

第二个小球运动量的变化为：

Am2v>=m>v>m2v'o

已知m2»Vi=-%,必'=一犯',

可知即15=—Ant”飞

两球碰撞时它们相互作用的时间是相同的，即&相等。根据运动第

二定律就可以得出它们之间的作用力大小相等而方向相反的结论。牛

顿据此进一步指出：当物体A施力于物体B时，物体B同时也施一反

作用力于物体A,作用力与反作用力大小相等，方向相反，并且作用

在同一条直线上。这就是牛顿所确立的运动第三定律。

运动第三定律告诉我们，自然界中没有孤立存在的单个的力，一

个孤立的物体无所谓施力或受力，力总是存在于两个相互作用的实体

之间，不管力是通过直接接触（如推力、拉力）还是不通过直接接触（如

磁力、万有引力），它总是成对出现，同时出现，它们作用在一条直

线上，大小相等，方向相反，这两个力分别施加于相互作用的两个物

体之上，它们的力学效应并不互相抵消。

在日常生活中，我们很容易看到运动第三定律所描述的现象。例

如我们用一根绳子牵一头牲口，就会感觉到这头牲口通过绳子在拉我

们。但也有些时候我们容易产生错觉。比如物体自由下落，我们知道

这是因为地球的引力作用于该物体的原故。其实，与此同时该物体也

对地球施加一个大小相等方向相反的引力，不过比较起来地球的质量

大得很多，这个物体对地球的引力显不出来罢了。月球围绕地球旋转

是因为它受到地球给它的引力，月球同样也有一个大小相等方向相反

的引力施加于地球。月球引力就是海洋潮汐现象产生的主要原因之

O

在发现万有引力定律和运动三定律的基础之上，牛顿仿效古希腊

人的作法，把力学知识整理成为一个演绎知识体系，1687年出版了

《自然哲学之数学原理》这部名著，标志着经典力学的成熟。

三.牛顿力学的重大历史意义

经典力学的成就在科学史上具有划时代的意义。它表明人类关于

自然界的认识已推进到一个新的阶段，标志着自然科学已形成了自己

独立的知识体系。

经典力学的科学意义

(1)经典力学彻底打破了亚里士多德学派严格区分月亮以上和月

亮以下两个忖界的旧观念，杷天上和地上的运动统一了起夹.证明了

万有引力辛律和活动三定律是宇宙间一切机械运动(即物体位置的变

化)的普遍规律，从力学的角度论证了自然界的统一性，实现了人类

对自然界认识的一次伟大的综合。

(2)经典力学把人们对机械运动的研究从运动学提高到动力学的

水平。运动学只考虑物体运动的速度、加速度、时间、距离等因素及

其关系，只能描述物体运动的过程和状态。动力学的任务则在于揭示

物体运动的力学原因及其力学后果。在历史上，虽然亚里士多德曾经

探讨过动力学的问题，但他走入了歧途。牛顿成功地完成了建造动力

学的任务，从而使人们能够全面地把握机械运动的规律。

3）经典力学把对物体机械运动状态的描述与研究提高到瞬时状

态的水平。过去人们只能把握运动的某一个过程，这对于处理匀速运

动、匀加速运动（如自由落体运动）或加速度的大小不变而方向均匀变

化的运动（如圆周运动）这类比较简单的运动尚可，对于加速度复杂变

化的运动便无能为力。如今牛顿引进了微积分的方法，原则上便可处

理任何复杂机械运动的过程与瞬时状态的问题。

（4）经典力学把原来只能孤立地研究的力学事件联系了起来，使

它们成为因果的链条。运用经典力学，只要我们知道某物体的运动状

态以及它在某时刻所受的力，就可以得知这个物体的运动状宜所要发

生的变化。反之，如果我们发现某物体的运动状态发生变化以及它的

变化状况，我们也就知道它受到一个力并且知道它受到的是什么样的

力（包括它的大小和方向），而且也知道它必定对外界施加了一个什么

样的力（包括它的大小和方向）。力与运动组成了一个无穷无尽的因果

链条，这就大大地提高了我门对物体运动前因后果的认识，提高了我

们的预见与推想的能力。

（5）我们说过，以往的自然知识都包容于自然哲学之中。虽然牛

顿仍然把他的著作称为《自然哲学之数学原理》，但实际上它表明自

然科学不仅已摆脱了神学的束缚，亦已从哲学中分化出来.开始建设

自己的知识体系与科学思想和科学方法，表明自然科学已经成熟。

第三节经典物理学的全面发展

物理学是自然科学最重要的基础学科之一。经典物理学所研究的

范围包括力学、光学、热学、分子物理学、磁学、电学等许多分支。

至18世纪，只有经典力学已趋成熟，儿何光学也有了一些轮廓，其

他分支则还未成形，基本上还得从收集事实、积累材料做起。到19

世纪，经典物理学各分支便都有了巨大的进展，整个经典物理学体系

逐渐形成。经典物理学的许多成果转化为前所未有的技术，深入到生

产、生活各个领域，迅速地改变了整个人类社会的面貌，表现出了科

学的巨大威力。

3.1光学的进展

古希腊时期已知道光的直进和反射规律；托勒密在光折射实验基

础上提出入射角与折射角成正比的思想；而关于视觉的本质，伊壁鸠

鲁和亚里士多德等提出过一些哲学猜测。中世纪伟大的数学家、天文

学家伊本•海赛姆用实验测定了折射率。但总的来说，古代与中世纪

的光学知识是极其有限的。因此近代光学基本是从零开始的。

开普勒是近代光学的奠基人，其地位如伽利略之于力学和吉尔伯

特之于磁学。他在1611年出版的《屈光学》中解释了荷兰望远镜或

伽利略望远镜及显微镜所涉及的光学原理，并提出了改良望远镜的建

议，他的建议在近代导致远距照相透镜组合的发明。开普勒第一次明

确提出光度学基本定律，即光强与离光源的距离平方成反比地变化。

他还研究了球面像差一类复杂现象，为巴罗等后人的儿何光学研究提

供了基础。关于视觉理论，他还提出视网膜上的成像本身不构成整个

视觉行为的正确思想。他对折射规律的研究虽方法正确但未获成功。

第一位提出精确的折射定律的是荷兰人斯涅尔(W.Snell,1591

-1626)。根据他于1621年的结果，可容易地推出现代形式的折射定

律：

不过是笛卡儿于1637年第——个发表了折射定律，并尝试给它一

个物理证明，但是否与斯涅尔独立地发现该定律则尚存疑问。在发表

有关折射定律的这本《屈光学》中，笛卡儿还提出丁关于光的本性的

微粒假说。他在《气象学》中对虹霓理论的研究成为牛顿对虹霓解释

的前提。

关于光的本性的波动说，在达・芬奇的著作和伽利略书信中已有

迹象。但正式认真地提出光具有周期性的是意大利数学家格里马力迪

(F.F.Grimaldi,1618—1663)。他从波动观点出发解释了似乎同光

的直线传播定律相悖的衍射现象。他还指出，颜色的不同乃是眼睛受

到速度不同的光振动刺激的结果，这个思想对后来的光学发展具有根

本性意义。他的光学著作，在他死后两年被发表。在同一年(1665),

胡克的科学著作《显微术》问世，其中光学部分对多种透明薄膜的闪

光颜色现象进行了实验和理论的探讨。他注意到，在一定的厚度范围

内，云母薄片里会出现虹霓的色彩，不同厚度的部位颜色不同。虽然

他未能确定厚度与颜色之间的精确关系，却为牛顿对•“牛顿环”现象

的研究奠定厂基础。胡克认为光是一种振动，发光体的每一次振动或

脉动必将以球面向外传播。不过，比较系统地提出光的波动理论的还

是荷兰物理学家惠更斯（1629〜1695）。他认为，构成一个发光体的微

粒把脉冲传送给邻近的种弥漫媒质的微粒，每个受激微粒都变成一

个球形子波（即次波）的中心。这就是1678年提出的著名的惠更斯原

理。用微分儿何的语言来表述，即：波阵面所及的任意点均可看做是

新的次波源（即子波中心），而新的波阵面则是所有次波源向外发出的

半球面次波的包迹。

牛顿在大学时期就对光学有浓厚兴趣，为了制造一种能消除色差

的望远镜而开始研究颜色理沦。1672年在《哲学学报》上发表的他

对色散现象的研究成果，是他第一次公开发表的科学论文。他对色散

的解释立即引起他与胡克等人的争论。牛顿最初吸取了胡克的波动思

想，倾向于把微粒说和波动说结合起来，1675年他提出弹性以太的

思想以解决微粒说的困难。但他拒绝纯粹的波动理论。而在1704年

他的《光学》中，牛顿则彻底主张光的微粒假说。由于他在科学界的

巨大影响，而使惠更斯提出的较系统的波动说被埋没百年之久，以致

整个18世纪光学处于停顿状态。直至19世纪初由于偏振、于涉等

现象的发现和研究，才使波动说占据了统治地位。

3.2热学的成就

在近代，对热现象的研究是从测量“热度”开始的。在科学地定

义温度概念以前，人们往往将温度的变化和物体所含热量的多少混为

——谈，均用“热度”来表示。为了能精确地测量热度，许多科学家

都致力于温度计的研制。我们在伽利略时代的测温器中看到了温度汁

的原始形式，与之相比较，法国的吉永・阿蒙顿大约在1700年发明

的空气温度计，是一个相当大的进步。德国人丹尼尔•加比尔•华伦

海特(DanielGabrielFahrenheit.1686—1736)是华氏温度计的制

造者。以水的冰点和沸点作为固定点的百分温标，是1742年由瑞典

人安德斯•摄尔絮斯(AndersCelsius,1701—1744)采用的。至于在

0和100之间插入数值的精确性问题，19世纪才被提出和加以研究。

直到18世纪，自然科学才区分开热量和温度；而“冷”这个术

语，直到19世纪才从科学的词汇中最后消失。力学已经达到能够计

算行星运动的阶段时热学理论仍然处在原始的水平。对于热的本质问

题，整个17世纪相当普遍地认为是由物体的最小粒子的运动而形成

的。培根在《新工具》中正确地指出：“热是向外扩张而又受了限制

的一种运动，热的精英和本质就是运动，并不是别的。”约翰•洛克

也说明：“热是物体中各部分难以察觉的非常活泼的搅动，我们所感

觉的热，除了物体中的运动以外，别无其他。”，这个热的概念是非常

现代化的但又是思辨的，因此不难理解它为什么会在18世纪被热质

说所代替。

在对热现象进行大量研究的基础上，英国化学家布莱克等人提出

了热质(素)说。这种学说认为：热是一种流体，它可以渗透到物体中

去并在热交换中从一个物体流向另一个物体；加热就是给一定物体增

加热质，而冷却则是从该物体放出热质；尽管在热交换前后，物体中

的含量有所改变，但它们的总量是守恒的。

热质说能解释许多已知的热现象，因而在18世纪成为一种主流

的理论，它的确立和当时的科学发展水平和机械自然观有很大的关

系。直到19世纪，热质说才让位于热是能的一种形式的观念。

今天已成为热力学的基本课题一一热的定量测定，直到19世纪

才开始。苏格兰的约瑟夫•布莱克(JosephBlack,1728—1799)在温

度和热量之间，画出一条明显的界限；他引入了卡路里、比热、热容

量、熔解热和潜热等术语。他的研究是按照热质说进行的，并使热质

说儿乎得到完全普遍的承认。与此同时,热的唯动说还没有完全被放

弃。丹尼尔。伯努利(DanierBernouli,17伯一利82)的《流体动力

学》(1738)与当时流行的观点相反，它把热归结为分子的相互排斥。

他利用数学推理，成功地推导了波义耳和马略特定律，论证了压强和

分子速度的平方成比例，证实了阿蒙顿实验：当密闭的定量气体的温

度增加某一数值时，气体压强的增加和密度成比例。可是当时热质说

占优势，拥护者中包括权威拉瓦锡，他甚至把卡路里纳入化学元素表。

拉瓦锡、皮埃尔•西蒙和拉普拉斯由于用冰量热器进行测量，从而对

量热术作出了贡献。

18世纪末，美国人本杰明•汤姆逊即伦福德(BejaminThomp一

son,即Rumford,1753—1814)批判了热质说。为此，他对摩擦所产

生的热量进行了广泛的测量。焦耳从这些测量数据中，推导出热功当

量的数值。伦福德证明，加热金属球时,其重量不变。他推论，如果

热全然是一种物质，那么无论如何，它必是没有重量的一种物质。汉

弗莱•戴维支持伦福德对热质说的批判，他认为热素是不存在的，热

现象的直接原因是运动。

直至19世纪前10年，热质说和热的唯动说的争论仍未停止，热质说

仍占优势。提出“卡诺循环”概念的卡诺在研究热机效率问题时还用

热素的撞击来解释热机的运转。但后来（1S27—1830年左右）他终于

放弃了热质论，认为热是动力（能量），是改变丁形式的运动。直至克

劳修斯证明理想气体的绝对温度是由分子的平均动能所决定，焦耳确

立了热功当量，以及能量守恒与转化定律的提出，才牢固地确立了热

的唯动说。

能量守恒与转化定律的确立古人已经有过运动不灭的猜测。18

世纪末叶以来，人们相继发现了许多不同物质运动形式相互转化的事

例。人们早就知道摩擦这样的机械运动可以转化为热运动，而蒸汽技

术则是把热运动转化为机械运动的实际应用。1800年人们发现电解

水可以得到氢和氧，知道了电运动可以产生化学变化；同年发明的伏

打电堆（一种原始电池）又表明化学变化能够产生电。1805年人们知

道了电流经过导体会产生热，1821年德国人塞贝克（ThomasJohann

seebeck,1770~1831,制成了温差电偶，又说明热可以转化为电。

摩擦（机械运动）生电的现象是人们早就知道了的，1820年人们又知道

电和磁可以相互转化,次年更知道了电与磁的联合作用能够产生机械

运动。这一切都表明过去看起来似乎是各不相关的、不同的物质运动

形式之间必定存在着某种内在联系。经过一大批科学家的努力，作为

自然科学的基石之一的能量守恒与转化定律终于确立。

1842年德国医生迈尔(JuliusRobertMayer,1814~1878)发

表论文指出，“力是不灭的、可转变的和不可称量的东西。”他是力图

找到机械功与热能在量上的对应关系——热功当量的第一人。经过多

年的努力，他利用别人的实验数据，经过计算先后得出两个数值。他

的数据虽然都不大准确，但有开创性的意义。可是，他以哲学推理为

主的研究方式不受科学家们的欢迎，他的成果没有得到科学界的承

认。遭到冷落的迈尔痛苦万分，甚至愤而自杀，幸而未死，后来又曾

被送入疯人院接受治疗一。直到该世纪50年代末他的工作才逐渐为人

们所赏识。

英国业余科学家焦耳（JamesPrescottJoule,1818~1889）从少

年时代起就对科学有浓厚的兴趣，一生在家里做过许多科学实验。

1840年他在实验中发现了电流通过导体产生热量的规律，即我们现

在所说的焦耳定律，通常表示为P=I2R。（p为热功率，I为电流强

度，R为该导体的电阻。）他为测定热功当量作了400多次实验，勤

奋工作了30多年，意在使所得数据更加精确。1843年他首次公布实

验结果。他发表最后一批报告是在1878年，所公布的数据是1卡=

424.71克•米。（目前国际公认的数值是1卡=427.14克•米。）

他的工作也曾受到持热质说的学者的反对，不过由于焦耳运用了多种

测定方法，重复性又相当好，他的结果令人不得不信服。

热功当量的确认，使人们认识到热量和机械功有着严格的对等的

关系，这是科学史上的重大事件。过去人们只是以思辨的方式推断能

量的守恒与转化，如今有了电一热转化的定量关系，又有了机械能一

热转化的定量关系，这就把能量守恒与转化推向科学的认知的阶段。

其后又经过许多科学家的努力，能量守恒与转化定律才最终得以

确认。这里既需要理论的概括，也需要多方面的实验检验与证明。为

此作出重要贡献的有德国科学家亥姆霍兹（HermannnvonHelmholtz,

1821〜1894）克劳修斯（RudolffJuliusEmanuelClausius,1822〜

1888）,英国科学家W•汤姆孙（WilliamThomson,1822~1888,即

开尔文勋爵，LordKelvin,1824〜1907）等人。到了19世纪纪60年

代，能量守恒与转化定律作为自然界的普遍规律便得到科学界的公

认。“能量”这个概念是W・汤姆孙提出来的，用以取代过去的“力”

那个含混的说法，很快便得到大家的认可。至于“能量守恒与转化定

律”这样一个完整的提法，则源自恩格斯（FriedrichEngels,1820~

1895）的《自然辩证法》。能量守恒与转化定律通常的表述是：在任何

孤立的物质系统中，不论发生何种变化，无论能量从一种形式转化为

它种形式,或从一部分物质传递给另一部分物质，系统的总能量守恒。

在此之前，曾有许多人煞费苦心地试图制造不消耗能量又能作功

的“永动机”，虽然没有人能够成功，但仍有不少人在作这种努力。

1875年法国科学院正式声明不再受理审查任何有关“永动机”的设

计方案。

能量守恒与转化定律的确立给了科学家们很大鼓舞。它被称为物

理学的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克劳修斯）。

恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。运用这个定律研究物质运动

的问题时一，常常可以只从起始状态和终结状态的能量变化上作总体的

把握，不必考虑变化的具体过程和细节，这就给了人们很大的方便。

在哲学上，它为人们对物质世界运动形式的多样性和统一性，对物质

运动在量上和质上的守恒性的认识，都提供了科学上的依据。

热力学三个基本定律热力学是从能量转化的角度来研究热现

象的学科，它的产生与人们对蒸汽机的研究直接相关。蒸汽机的社会

效益广泛地引起了人们的关注，提高蒸汽机的效率一时成了许多人的

研究课题。工程师们着意于从技术上加以改进，而科学家们则主要从

理论上进行探讨，这就产生了热力学。不过它后来的应用范围远远超

出蒸汽机以至一般热机。

（1）热力学第一定律热力学第一定律其实是能量守恒与转化定

律的一种特殊形式，它的建立是一批科学家的贡献，其中最主要是克

劳修斯。1850年克劳修斯首次提出了热力学第一定律：当一个系统

的工作物质无论以任何方式从某一状态过渡到另一状态时，该系统对

外作功与传递热量的总和守恒。若以公式表示，可以写成：

公=4+Q

公式中的，表示系统内能（当时克劳修斯称为“潜热”）的变化，A表

示系统所作的功（A为正值时表示外界对系统作功，为负值时表示系

统对外界作功），Q表示系统与外界的热量传递（Q为正值时表示系统

从外界吸收热量，为负值时表示向外界释放热量），换一种说法.热

力学第一定律也可以表述为：一个物质系统与外界之间所传递的热量

等于该系统内能的变化与系统所作的功之总和。用公式可以写成

Q=纯，+A

上面两种表述是完全等价的。克劳修斯所说的“潜热”指的就是物质

系统内部的运动所包含的能量，不过他用语含混，后来人们改用“内

能”这一科学表述。

我们原先已经有了热功当量的概念，它准确地告诉我们机械功一

热能转化的关系。现在热力学第一定律又准确地告诉我们机械功-一

热能转化的双向关系，并且还告诉我们在处理热能和机械功转化的问

题时必须考虑到系统的内能的变化。热力学第一定律现在已经成为热

机研究以至于其他许多学科(如化学)研究的理论基础之一。

(2)热力学第二定律热力学第二定律所描述的是一个孤立系统

中热功转化的问题，所关心的只是该系统变化前后温度的关系。最早

研究这个问题的是法国人卡诺(NicolasLeonardSadiCarnot,1796〜

1832)o卡诺曾是一位军事工程师，退役后便潜心研究热机理论。他

于1824年提出了“理想热机”的概念。所谓理想热机，是不管它的

工作物质是什么，也不管它是什么样的机器，只考虑它是靠热来作功

的机器。这是对热机的抽象。热机千差万别，建立这样一种“理想模

型”来加以研究有利于揭示一般热机的本质。那时大多数人仍然相信

热质说，卡诺也不例外。他认为可以想像热机有如瀑布，热从高处流

向低处，热能便转化为机械功，同量的热量产生同量的功，热质的总

量并没有变化，由此他得出结论：热机必须工作在高温热源和低温热

源之间。比如说，蒸汽机必须工作在高温蒸汽和被冷却的蒸汽这两种

物质状态之间。热机的效率取决于两个热源的温度差，温差越大，热

机的效率越高。他的另一个结论是：在两个固定热源之间工作的热机

以“可逆机”的效率最高。所谓可逆机也是一种想象中的热机，这种

热机经过一个循环之后，热机系统和外界都完全恢复原状，这在实际

上是不可能做到的。这就等于说，热机效率的提高是有上限的，我们

不可能使热能全部转化为机械功。卡诺只是为热力学第二定律的建立

奠定了基础，真正建立热力学第二定律的功劳属于反对热质说而主张

热是一种运动的学者。

1850年，克劳修斯首次提出了热力学第二定律的基本思想：“在

没有任何力消耗或其他变化的情况下，把任意多的热量从冷体传到热

体是和惯常行为矛盾的。”1854年他又再次阐明他的观点，并把热力

学第二定律表述为：“热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引

起其他关系的变化克劳修斯的工作并没有到此为止，他还提出了

“燃”的概念。嫡是表征物质系统热学状态的物理量，它只与物质系

统的热学状态有关，而与工作物质的种类无关。某一物质系统的热学

状态为一定时，它的燃为一定值，其热学状态发生变化时，嫡值也发

生相应的变化。在不可逆循环煽的值总是增加的。他说:W所表明是在

一个物体中由热所促成的它最小组成部分之间的分散与远离已发生

到何种程度，“在一切自然现象中，嫡的总值只能增加而不能减少。”

因此，热力学第二定律也可以称为“燃增加原理”。境的概念后来更

被推广到热力学以外的广阔领域，成为一个重要的科学概念。

比克劳修斯晚一年，W♦汤姆孙于1851年也独立地提出了热力学

第二定律，他的表述是：“不可能从单一热源取热使之完全变为有用

的功，而不产生其他影响。”他们两人的说法虽然不同，但是所表达

的意思则是一致的。W•汤姆孙一再声称发现热力学第二定律的优先

权属于克劳修斯而不属于他自己，其实他们两人同样作出了贡