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第4章 力学的历史及发展(4)

当然,威廉的说法并不等于惯性原理,但是却是走向惯性原理的重要步骤。因为,如果运动不需要原因,一旦发生就要永远持续,亚里士多德的推动说就要从根本上受到动摇。

巴黎大学校长布里丹(1300—1358)也是批判亚里士多德运动学说的先行者。他反对空气是抛射体运动的推动者,亚里士多德对抛射体的解释是:在抛射体的后面形成了虚空区域,由于自然界惧怕虚空,于是就有空气立即填补了这一虚空区域,因而形成了推力。”布里丹反问道:“空气又是受什么东西的推动呢?显然还有别的物体在起作用,这样一连串的推动根源何在呢?”他又举出磨盘和陀螺为例,它们转动时无前后之分。两支标枪:一支两头尖,另一支一头尖一头钝,然而投掷时并不见得前者慢后者快。水手在船上,只感到迎面吹来的风,而不感到背后推动的风。这些都说明:“空气持续推动抛射体”的说法不符合事实。于是他提出“冲力理论”,认为:“推动者在推动一物体运动时,便对它施加某种冲力或某种动力。”

布里丹的工作有两个人继续进行,一位是Saxony的阿尔伯特(1316—1390),另一位是奥里斯姆(1320—1382),他是布里丹的学生。他们发展了冲力理论,阿尔伯特运用冲力来说明落体的加速运动,认为速度越大,冲力也越大,他写道:“根据这个(理论)可以这样说,如果把地球钻通,一重物落入洞里,直趋地心,当落体的重心正处于地心时,物体将继续向前运动(越过地心),因为冲力并未耗尽。而当冲力耗尽后,物体将回落。于是将围绕地心振荡,直到冲力不再存在,才重又静止下来。”

请注意,阿尔伯特这个例子后来伽利略在《两大世界体系》中也有讨论,可见布里丹、阿尔伯特、奥里斯姆等人的早期工作为伽利略和牛顿开辟了道路。不论是伽利略,还是牛顿,都在自己的著作中留下了冲力理论的烙印。

伽利略的研究

伽利略在自己的著作中多次提出类似于惯性原理的说法,例如在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(1632年)中,他写道:“只要斜面延伸下去,球将无限地继续运动,而且在不断加速,因为运动着的重物的本性就是这样。”

再请读他的作品中的另一段对话:

“萨:……如果没有引起球体减速的原因……你认为球体会继续运动到多远呢?

辛:只要平面不上升也不下降,平面多长,球体就运动多远。

萨:如果这样一个平面是无限的,那末,在这个平面上的运动同样是无限的了,也就是说,永恒的了。”

在另一本著作《两门新科学》(1638年)中,伽利略再次表述了惯性定律。

但是,伽利略又同时认为,等速圆周运动也是惯性运动,并进而论证行星正是由于按圆周轨道作等速运动才能永恒地运转,而他的直线运动实际上只限于沿着水平面的运动,所以并没有正确地表达惯性定律。

笛卡儿的工作

1644年,笛卡儿(1596—1650)在《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足。他明确地指出,除非物体受到外因的作用,物体将永远保持其静止或运动状态,并且还特地声明,惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动,而只保持在直线上运动,他表述成两条定律:(一)每一单独的物质微粒将继续保持同一状态,直到与其它微粒相碰被迫改变这一状态为止;(二)所有的运动,其本身都是沿直线的。

他在给友人麦森的信(1629年)中就已断言:“我假设,运动一旦加于物体,就会永远保持下去,除非受到某种外来手段的破坏。换言之,某一物体在真空中开始运动,将永远运动并保持同一速度。”

笛卡儿比其他人高明的地方就是认识到惯性定律是解决力学问题的关键所在,是他最早把惯性定律作为原理加以确立,并视之为整个自然观的基础,这对后来牛顿的综合工作有深远影响。

然而,笛卡儿只停留在概念的提出,并没有成功地解决力学体系问题,而牛顿对惯性定律的认识也经过了一番曲折,直到1687年撰写《自然哲学的数学原理》之际,才摆脱旧观念的束缚,把惯性定律作为第一原理正式提了出来。

(五)万有引力定律的发现

牛顿在1687年发表了《自然哲学的数学原理》。这部巨著总结了力学的研究成果,标志了经典力学体系初步建立。这是物理学史上第一次大综合,是天文学、数学和力学历史发展的产物,也是牛顿创造性研究的结晶。在这里我们主要想追溯牛顿作出人类史上如此丰功伟绩的渊源和他的创造过程。

苹果的故事

提起牛顿,我们自然就会想起关于苹果落地的那个脍炙人口的故事。根据牛顿的信件,可以证明在他年轻的时候(1665—1666年)因瘟疫在乡下居住时,确曾研究过数学和天文学,并思考过引力问题,他写道:“在1665年的开始,我发现计算逼近级数的方法,以及把任何幂次的二项式归结为这样一个级数的规则。同年5月间,我发现了计算切线的方法,……11月间发现了微分计算法;第二年的1月发现了颜色的理论,5月开始研究积分计算法。这一年里我还开始想到重力是伸向月球的轨道的,同时在发现了如何来估计一个在天球内运动着的天体对天体表面的压力以后,我还从开普勒关于行星的周期是和行星轨道的中心距离的3/2次方成正比的定律,推出了使行星保持在它们的轨道上的力必定要和它们与它们绕之而运行的中心之间的距离的平方成反比例。而后把使月球保持在它轨道上所需要的力和地球表面上的重力作了比较,并发现它们近似相等。所有这些发现都是在1665年和1666年的鼠疫年代里作出来的。”

这封信写于1714年,200多年来,人们都是根据这封信以及其他一些文献资料来说明牛顿的创造经过的。这封信虽然没有提到苹果的故事,但是说明至少在《原理》发表22年以前,牛顿就已经开始了引力问题的思考。

人们要问:既然在1665—1666年牛顿就已经推算出了引力的平方反比定律,为什么迟了20多年才发表?过去流传了种种解释。

有人说,牛顿当时推算的结果由于地球半径的数据不够准确误差过大,出于谨慎等待了20年。

有人说,牛顿的推算只是证明了圆形轨道的运动,而行星的轨迹是椭圆,他当时无法计算,只有等到他本人发明了微积分之后,才能有效地解决这个问题。

也有人说,牛顿观察苹果落地的故事也许确有其事,因为牛顿晚年至少向四个人讲到这件事,而他当时也确在思考引力问题。他肯定想到要把重力延伸至月球。

还有人说,牛顿1714年的那封信有意歪曲历史,是故意编造的,同样,苹果落地的故事,也是出自牛顿本人和他的亲属的编造,他们大概是出自辩护优先权的需要。

长期以来,有关牛顿的著作甚少。牛顿的手稿一直被搁置一边,既未得到研究,也未公开发表,直到近几十年,对牛顿的研究才活跃起来,牛顿的书信和手稿陆续整理出版,研究牛顿的书刊不断问世,出现了好几位以研究牛顿闻名于世的科学史专家以及他们的学派。他们对过去的一些误传进行了考证,对《原理》一书的背景作了系统的研究,对牛顿的生平和创造经过进行了分析。现在我们可以更全面地、更正确地也更深刻地阐述牛顿的工作了,这里仅就牛顿发现万有引力定律的经过作些介绍,读者也许会发现,这一经过要比苹果落地的故事更富有戏剧性。

牛顿的早期研究

牛顿在大学学习期间,接触到亚里士多德的局部运动理论,后来,又读到伽利略和笛卡儿的著作,受他们的影响,开始了动力学的研究。开普勒和布里阿德(1605—1694)的天文学工作启示了他对天文学的兴趣,使他产生了证明布里阿德的引力平方反比关系的想法,布里阿德曾在1645年提出一个著名假设,从太阳发出的力,应与距太阳的距离的平方成反比例;而开普勒则猜想太阳与行星之间靠磁力作用。1664年上半年,牛顿摆脱了亚里士多德的影响,转而接受伽利略重视实验和数学的观念。笛卡儿关于寻求“自然的第一原因”的思想,也大大激励了牛顿。惯性定律、碰撞规律和动量守恒、以及圆周运动的解析,就是直接从笛卡儿的著作中学习到的成果。

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