4、牛顿力学体系的建立
 

物理学史　　加入时间：2010/11/21 16:43:45　　 　　点击：5371

艾萨克·牛顿（Isaac Newton）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。

牛顿在大学学习的是亚里士多德的运动论，但一般认为对牛顿起积极且很大影响的是伽利略和笛卡儿。在笛卡儿和惠更斯的力学理论中，没有系统研究过行星运动、地面落体运动和开普勒提出的太阳行星间的力的概念与规律，或者说没有形成一个统一完备的理论来阐明力学现象。填补这个遗留下来的巨大空白，建立经典力学体系基础，完成物理学世界第一次伟大综合的则是牛顿。

首先，他接受了伽利略重视实验和数学结合的研究方法，掌握并运用了落体规律和运动合成法。牛顿从笛卡儿处继承过来的有三个研究成果：惯性定律、碰撞问题的公式表示和动量守恒、圆周运动的解析。

在牛顿1665-1666年的手稿中，已经提到了几乎所有的力学的基本概念和定律。对动量的定义和笛卡儿一样，动量的守恒也是按照笛卡儿的形式表述的。对于惯性定律，牛顿虽有继承，但却超过了笛卡儿。他给动量以方向性；引进了力的概念。牛顿认为，所谓力就是使物体运动状态发生变化的动力，力是和动量的变化成比例的。这里已隐隐约约地包含了牛顿力学的第二定律。至于第三定律，在手稿中也有叙述，可以说是牛顿的独创。在碰撞时，两个物体相互以同等的力压迫对方。在这个时期的手稿中，牛顿对圆周运动问题作了研究，求出了离心力所产生的加速度。还是在这期间，牛顿也许把使月亮保持在轨道上的力和地球的重力进行了联系与比较。至于由牛顿本人晚年或者亲属说出来而流传很广的因苹果落地而发现万有引力的故事，如果不是为争夺优先权而编造的话，也是过分夸大了的。

万有引力的发现

在1665—1666年期间，牛顿在力学方面取得了丰硕的成果，但他的力学研究到此突然中断了，且中断长达十几年之久，这是什么原因呢？现在有种种的猜测和观点。但有以下几个方面可以肯定：⑴牛顿陷入围绕光和色的理论的争论之中；⑵开普勒第一、第二定律只被认为是一种推测，牛顿暂时不可能注意到开普勒定律的重要性，因而没有进一步的天体力学研究。

十七世纪以来，试图从动力学的角度解释天体运动的思想和理论普遍萌发出来。英国医生吉尔伯特（W.Gilbert,1544-1603）根据他的磁球实验猜测行星围绕太阳运转是靠磁力来维系的。开普勒进一步发展了吉尔伯特的观点。法国天文学家布里阿德（I.Bulliadus,）1645年提出了一个假设：从太阳发出的力，和离太阳距离的平方成反比。意大利的科学家博雷利（A.Borelli,1608-1678）1666年提出：行星受到的向心引力和离心力平衡，使行星绕太阳轨道稳定运动。同年，胡克也叙述关于太阳引力的观点，并在1674年归纳性地提出了三条假设：⑴所有天体具有向其中心的引力；⑵做匀速直线运动的物体，只要没有某种力使其拐弯，就会继续沿直线运动；⑶物体距离越近，引力越强。胡克的想法必须要通过数学解析的力量才能实现，而最终完成使命的只有牛顿。也是胡克促使牛顿重新回到力学研究上来。

1679年，胡克担任了英国皇家学会秘书，为了改善牛顿同皇家学会以及他个人疏远的关系，与牛顿重新建立通讯联络，讨论天体力学方面的问题。在胡克的启发下，牛顿注意到开普勒定律的重要性，并在年底对开普勒第一、第二定律作出了力学上的证明，即天体在平方反比力作用下的轨道是一个以吸引体为一个焦点的椭圆；反之必意味着平方反比力。然而，牛顿不想发表这些结果。

1684年初，英国科学家哈雷（E.Halley,1656-1742）、胡克及雷恩（C.Wren,1632-1723）在伦敦相遇，讨论怎样以力和距离的平方反比关系来导出椭圆轨道问题，但谁也没有解决这个问题。雷恩为此设立一笔悬赏金，期限是两个月以内，哈雷和胡克都未能得到它。同年5月，哈雷访问了牛顿，想请牛顿解决这个问题。牛顿回答说，这个问题早在5年前他就已经解决了。在哈雷的要求下，牛顿于11月完成了题为《论运动》的论文，并送交皇家学会。又是在哈雷的热心劝说下，牛顿开始着手把他的理论写成一部系统性的著作，即《自然哲学的数学原理》。这部伟大的著作于1687年4月完成，同年7月以拉丁文初版出版。

划时代的巨著

牛顿的《自然哲学的数学原理》是一部划时代的巨著，它不仅奠定了经典力学的基础，还展示了近代科学上最早的理论体系。英国著名科学家贝尔纳（J.D.Bernal,1901-1971）这样评价道：“这部书，坚持阐发了物理的说理，在全部科学史上是无与伦比的。就数学而论，只可以拿欧几里德的《几何原本》来和它相比；就它洞察物理的卓识和理想上的影响而论，就只有达尔文的《物种起源》比得上它。”

《原理》正文共分三编，前两编的标题都是“物体的运动”，分别论述力学的基本原理和流体力学问题。第三编是“宇宙体系”，论述天文学问题。在这三编之前，有标题分别为“定义”和“运动定律”的两节导论性论述。 牛顿《原理》的出版，反映了人类对自然认识的一次大飞跃，标着了物理学发展的第一次伟大综合的完成。

使牛顿引力理论取得最辉煌验证的是海王星和冥王星的预言与发现。天文学家根据牛顿的引力理论进行计算，先后预言了海王星和冥王星这两颗当时未知行星的存在，并观察到它们。这被认为是牛顿引力理论的一次伟大胜利。著名物理学家劳厄对此评论说：“的确，没有任何东西象牛顿对行星轨道的计算那样如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国.没有任何权威可以忽视它而不受惩罚……”经典力学把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上运动和地上运动统一起来，实现了天上力学和地上力学的综合，从力学上证明了自然界的统一性，这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合，它开辟了一个新时代，并对学科发展的进程以及后代科学家们的遮蔽生了极其深刻的影响。

经典力学的适用范围及其局限性

　　事物总是辩证统一、一分为二的。虽然科学家在运用牛顿经典力学方法及成果时使自然科学得到了长足发展，但当时人们在接受和运用牛顿的科学成果之时，没有搞清它的适用范围，也作出了不适当的夸大。例如，当初有科学家认为所有涉及到的物理学问题都可以归结为不变的引力和斥力，因而只要把自然现象转化为力就行了。结果到后来，“力”成了对现象和规律缺乏认识的避难所，把当时无法解释的各种现象都冠以各种不同力的名称。因此，牛顿经典力学的内容及其研究方法在推动自然科学发展的同时，也产生了很大的消极影响。对经典力学，我们要辩证地看待其得与失。

经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动的速率接近真空中的光速时，经典力学的许多观念将发生重大变化。如经典力学中认为物体的质量不仅不变，并且与物体的速度或能量无关，但相对论研究则表明，物体的质量将随着运动速率的增加而增大，物体的质量和能量之间存在着密切的联系。但当物体运动的速度远小于真空中的光速时，经典力学仍然适用。

　　牛顿运动定律不适用于微观领域中物质结构和能量不连续现象。19世纪和20世纪之交，物理学的三大发现，即X射线的发现、电子的发现和放射性的发现，使物理学的研究由宏观领域进入微观领域，特别是20世纪初量子力学的建立，出现了与经典观念不同的新观念。例如：量子力学的研究表明，微观粒子既表现为粒子性又表现为波动性，粒子的能量等物理量只能取分立的数值，粒子的速度和位置具有不确定性，粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述等。但量子力学的建立并不是对经典力学的否定，对于宏观物体的运动，量子现象并不显著，经典力学依然适用。

　　现代物理学的发展，并没有使经典力学失去存在的价值，只是拓宽了人们的视野，经典力学仍将在它适用的范围内大放异彩。