21世纪的牛顿力学- (1).pdf

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第一章准确理解基础物理学

一、历史的回顾
2001年是人类社会告别20世纪,进入新千年的第1年。纵观已经过去
的科学发展历史,人类对自然世界的理解经历了极其曲折的认识道路。
公元前500年之前,人们对自然世界的认识已经历了很长久的岁月时间,
但仅仅是获得非常少的零碎经验。直到公元前500年间,人们才正式建立
起系统的理论体系。亚里士多得在公元前300年之前建立的物理学,曾经
被人们延用到公元后的17世纪。在整整2000多年的人类社会发展过程中
经院学者都认为自己掌握的系统理论是正确的科学知识。
一直到17世纪,伽利略对亚里士多得总结出的"物体越重,下落越
快"的古典物理学定律提出质疑,并用实验证明不同重量的物体在下落时
都是同样快的结果后,亚里士多得所建立的古典物理学才从根本上受到
冲击动摇。伽利略从1589年开始研究落体运动,到1638年发表他的力学
作《关于有关力学和位置运动的两种科学的数学证明和谈话》,经历了
年时间。此后,牛顿在伽利略的研究基础上,继续发展完成了运动力学
系统理论。1687年,在哈利的赞助下,牛顿出版了不朽的著作《自然哲
的数学原理》一书。从1589年到1687年,关于物体的运动力学的创建时
整整持续了1个世纪的时间。
伽利略是首先提出"惯性原理"和研究力学定律的人,后人却没有用
利略的名字来命名惯性定律,原因就在于,虽然伽利略根据运动不灭思
想,结合在水平面上所做的小车滑动"理想实验",已经得出"不受外力作
用的物体将永远保持着原来的静止或匀速运动状态"的结论,可是伽利略
对什么是不受外力作用的判断认识还只是停留在受到地球重力场作用的
球水平面之上。是牛顿把"惯性原理"的应用条件进行了无限的推广。这
样,当人们在研究行星的运动时就会想到:行星在没有受到外力作用的
况下,应该是在空间保持作匀速直线运动。行星之所以会环绕着恒星转
动,一定是有一个与行星运动前进方向不重合的作用力使行星从其他直
ebook: 2009-4-4
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路线偏转到了环绕着恒星转动的曲线路径上来。
牛顿根据这个分析思路,进一步发现了万有引力定律。而先于牛顿
前研究天体现象的开普勒,虽然在1630年之前就已经总结出了著名的"开
普勒三大定律",但是他对于行星之所以会环绕着恒星转动的分析,还是
认为应该有一个力沿着行星轨道作用于行星之上,不断地驱使行星沿其
道穿过太空。开普勒对行星环绕着恒星转动受到的作用力的思考,乃是
据亚里士多得建立的古典物理学中提出的"凡是运动着的物体都要受到某
个作用力的推动"得出来的猜想。"凡是运动着的物体都要受到某个作用
的推动"与"运动不灭" 是完全相反的世界观。
人们根据亚里士多得建立的古典物理学定律,在继亚里士多得之后
2000多年时间中,仅仅是对自然现象做出了某种看起来似乎也有点道理
解释。正是在牛顿总结完成物体"运动力学"的系统理论之后,特别是在
顿与其他数学家一起研究出微积分数学工具之后,才为现代物理学的全
发展打下了坚实的基础。为了纪念牛顿对现代物理学做出的巨