科学技术史-5.1物理学的全面发展(图文教程)

第五章：现代科学的大发展

第一节 物理学的全面发展

1.1经典力学形式的发展及外展式应用

在牛顿《原理》出版后的近半个世纪中，除了流体力学和弹性理论之外，没有人提出过新的力学原理，万有引力理论乃至理论天文学本身也没有什么重要进展。这也许是因为消化一种造成自然科学革命的理论需要时间的缘故。力学由“革命时期”的质变而转入“常规时期”的量变，这是理论自身不断完善的过程，它主要表现在两个方面：其一，是力学“在牛顿定律基础上的一种演绎的、形式的和数学的发展其二，是牛顿力学的外展式应用。

有人讲牛顿的威望反而使英国此后的科学毫无成果，这是英国人的保守态度所致。从历史来看，牛顿的《原理》没有用他发明的数学分析方法——微积分方法，而是用几何方法表述与论证的；加之他的流数法在符号上的不方便，不仅使得他的分析法甚至在英国都没有很好地普及，同时也使他的《原理》本身的传播和普及受到阻碍。英国著名哲学家G．贝克莱(G．Berkeley，1685～1753)就是激烈攻击牛顿数学分析的代表人物之一。不过，他的批判后来却在法国刺激了达兰贝尔(d’Alembert，1717～1783)和柯西(A．LCauchy，1789—1857)等人，使之在发展微积分和极限理论的同时，实现了牛顿力学的形式化发展。18世纪中叶以后，达兰贝尔的《力学原理》(1743)、欧拉(Leonhard Euler，1707—1783)的刚体和流体运动方程(1759，1761)、拉格朗日(J．L．La—grange，1736～1813)的《解析力学》(1788)和拉普拉斯(Laplace，1749～1827)的《天体力学》等相继问世，这些著作高度的展开并完善了牛顿理论，其中数学分析方法成了理性向自然界逼近的锐不可挡的武器。

自《原理》发表以后，如此众多的现象通过经典力学、特别是引力理论的应用而被解释。牛顿理论证明了为什么物体在不同高度和纬度，其下落速率会发生变化。它还解释了月球的规则运动和不规则运动问题。它提供了理解和预报潮汐现象的物理基础，并揭示了地球的岁差率现象是月球对地球赤道隆起处吸引的结果。对牛顿理论的最成功的应用，是哈雷彗星的预言。哈雷(E.Halley，1656～1742)通过对1682年大彗星的观测与研究认为，不仅是行星，而且彗星同样在万有引力作用下运动。他发现1531年、1607年、1682年的三个彗星的轨道非常相似，而推断它们是同一个彗星，并计算出其接近地球的周期为75～76年，因此预言下一次彗星出现在1758年。尽管在此之后的1740年他以87岁的高龄去世了，但后来以他的名字命名的这颗大彗星于1758年圣诞之夜如期地光临地球上空。然而，比哈雷彗星的成功预言更加辉煌和振奋人心的还是海王星的发现。英国青年亚当斯和法国青年勒维列分别独立地根据万有引力定律和摄动理论研究推导出未知行星的位置。在计算结果送给柏林的加勒(1812—1910)的当天晚上，就在预测的位置上找到了这颗后来被命名为海王星的行星。这一事件宣告了牛顿力学的最终胜利，使它成为所有科学的模式；而在科学外部，则逐渐表现出牛顿的革命意识。

1.2 经典力学作为形而上学模式

牛顿和他的同时代人约翰•洛克(JohnLocke，1632～1704)是伟大的新思想的象征。这种新思想孕育了在思想信仰和习惯势力领域中的革命，它标志着以启蒙运动为起点的新时代的到来。正如一位学者所说：“牛顿思想的影响是巨大的。整个启蒙运动的纲领(尤其是在法国)是自觉地建立在牛顿的原理和方法的基础上的，这在后来则转变为西方现代文化。道德、政治、技术、历史、社会等等的某些中心概念和发展方向，没有哪一个思想和生活地域能够逃脱这种文化转变的影响。”。一般说来，牛顿的经典力学的形而上学模式有三个特点：

首先，牛顿模式中包含一种依靠一个个事实的实证与归纳达到原理方法，这种方法的实质是只能问“怎么样”(How)，而不能问“为什么Why)。因为问原因归根结底就是问第一原理，那就等于探索创造的神秘。正如法国启蒙运动领袖之一伏尔泰所说：“任何第一原理，我们也可能认识。”尽管牛顿晚年为了解释造成行星椭圆轨道的切向力来源，曾提出“上帝的第一推动”的神学思想，但他认为创造后的宇宙不再受神的任何统制。因此牛顿模式的形成客观上有助于启蒙运动的领袖们切断神学与自然科学联结的纽带。

除了实证与归纳之外，牛顿模式的又一精髓则是把数学作为开启宇宙秘密的钥匙，因为数学结论的优点在于它的普遍性。在这种模式看来，整个自然界的符合机械原理的有规则的运动完全可用数学来描述，空间与几何学领域变成了一个东西，时间则与数的连续变成了一个东西。外部世界于是成为一个量的世界，一个可用数学计算的运动的世界。这种由伽利略奠基而由牛顿完成的模式统治自然科学达三个世纪之久。

最后，由于牛顿经典力学是当时自然科学惟一上升为理论层次的学科，加之它所取得的辉煌成功，使力的概念以及由波义耳开始到牛顿完成的关于物质理论的微粒(素)学说被众多学科所运用，“力”和“素”的概念超出了力学、光学和化学领域而被赋予一般方法论意义。比如，用热素来解释热的本质，用燃素来解释燃烧的本质，以及用弹性素、磁素等莫须有的“素”来解释振动和磁等各种现象的物质基础；又比如，在运动的原因问题上，以各种不存在的“力”(化学亲和力、电接触力、生命力等)来解释各种运动过程的本质，这是统治一个时代的形而上学自然观的机械论特征。

1.3 真空与流体力学

除了刚体力学外，近代力学的又一分支是流体力学。在流体力学方面作出贡献的主要代表人物有西蒙•斯台文、托里拆利(E.Tofricelli，1608—1647)、帕斯卡、盖里克(O．Guericke，1602—1686)和波义耳(R．Boyle，1627—1691)等人。

斯台文作为近代力学先驱曾发现过若干重要的流体静力学定律。

例如，他用实验演示了所谓“流体静力学悖论”：液体对盛放液体的容器的底所施的力只取决于承受压力的面积大小和它上面的液柱的高度，而与容器的形状无关。此外，他还隐含地假设了后来由帕斯卡提出的原理：流体中任何一点处的压强各向相等。最后，他还研究了浮动物体的平衡条件，他发现这种物体的重心必定和所排开的流体的重心(即“浮心”)在同一垂直线上。

这个时期的流体力学与技术发展联系密切。伽利略在1638年注意到，在超过18腕尺(约10米)的深井里，泵就不能起作用了。他说这里显现了对自然真空的抵抗力的限度，从中不难看出亚里士多德关于“大自然厌恶真空”的观点的痕迹。对这种现象第一个作出科学解释的是伽利略的学生托里拆利。他抛弃了亚里士多德的学说，也没有依靠与其相对立的同样形而上学的原子论解释。他与伽利略的另一学生维维安尼(V．Viviani，1622～1703)一起于1643年使用比水的比重大13．6倍的水银，反复进行实验，说明管内水银柱上部形成的真空是大气压力起作用的缘故。托里拆利认为，汞柱高度日常的微小变动是大气压变化的结果。这个假设由于他的早逝而未能证实。他们用来做实验的设备后来称为“托里拆利气压计”或“托里拆利管”，管子顶部留下的空间被称为“托里拆利真空”。托里拆利还创立了流体动力学。他在1644年《几何学著作》一书中证明了，从一个充满水的容器侧壁的一个孔喷出的水柱的路径呈抛物线状，射流的速度及单位时间流量和一个物体从水面高度自由落到孔的高度时所达到的速度成正比，因而也和水柱在孔上面的高度的平方根成正比。

帕斯卡在托里拆利逝世不久，不仅用汞和水重复做了托里拆利实验，而且于1648年即托里拆利逝世后的第二年在其姻弟佩里埃的帮助下沿着海拔1 648米的多姆山的山坡从山脚到山顶设置若干观测站，每站安装一个托里拆利气压计。他们发现，汞柱的高度随着站的高度的增加而递减，同时，即使在山脚下的气压计也不时有微小变化。这个实验有力地证实了托里拆利的假设。佩里埃建议用数字列表表明气压计汞柱高随着海拔高度的变化。帕斯卡提出把气压汁作为测量高度的仪器，此外，帕斯卡对流体力学的主要贡献是提出了著名的“帕斯卡定律”，即：流体中任何点上的压强必然按原来的大小向各方向传递。

在同一时期，法国马德堡市市长盖里克尝试了用泵排除空气形成真空的实验。他先后发明了三种抽气机，其中最后设计的改良抽气机同波义耳发明的抽气机之间有相互启发的关系。抽气机的发明与改进，对于气体物理性质的研究具有至关重要的意义。1654年盖里克公开表演了用16匹马拉开排除了空气的两个铜半球(被命名为“马德堡半球”)。波义耳得知此实验后利用自制的抽气泵进行多种实验，从而创立了“空气的收缩与压缩的力成正比”的波义耳定律。哈雷以这一定律为根据终于实现了佩里埃的建议，列出了第一个气压对高度关系表；而牛顿把气体粒子假定为静止的弹簧从而推导出了波义耳定律。此外，盖里克还制造了高达四层楼左右的水气压计。他还根据气压变化同天气变化之间的关系，预报了1660年的一次严重风暴。

1.4 热学的起步

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(Daniel Gabriel Fahrenheit．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，1 9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，并使热质说几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(Danier Bernouli，1700—1782)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—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(Bejamin Thomp—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。

1.5 从静电到动电的研究

古代人类就已经发现摩擦生电的现象，但直至17世纪上半叶对电的认识仍无新的进展。1672年奥•冯•盖里克在一本书中描述了一台早期的摩擦起电机；1709年弗•豪克斯贝（F.Hauksbee,1687-1763）在《物理数学实验》中谈到摩擦旋转着的玻璃球、封蜡或硫磺球会产生火花的实验。1729年英国的斯蒂芬•格雷（Stephen Gray,1670-1736）对这些观察结果作出了解释，并把物体分为导体和绝缘体。1746年荷兰莱顿大学教授马森布罗克（1692-1761）在18世纪起电机和法国杜菲（C.F.Dufay,1698-1739）发明验电计的基础上，制造了能蓄电的工具莱顿瓶，为静电学的研究创造了实验条件。

18世纪对电现象的研究中更值得一提的是曾作为美国《独立宣言》起草人之一的弗兰克林（Benjamin Frankin,1706-1790）。他提出了关于单电流体的一元论，认为所有物体都包含有一种电流体，这种电流体超量则物体带正电，这种电流体不足则物体带负电。他于1749年向英国皇家学会送交了《论天空闪电与地下电火花相同》一文，并在1752年5月一次著名的“风筝实验”中证实，闪电同实验室的电火花是本质相同的放电现象。弗兰克林因此而获得英国皇家学会授予的金质奖章。此后他又研制了避雷针。这种新技术以其显效的事实驳斥了教会的蛊惑宣传，很快在欧洲流行，最终甚至连教堂的屋顶也高高耸立起避雷针。

虽然18世纪电学理论仅局限于静电学，但毕竟比力学之外的其他学科要先进。值得注意的是，近代科学史上最早的科学史著作正是介绍电学领域的，这就是英国的普里斯特列（Joseph Priestley，1733-1804）所著的《电学的历史和现状及最初的实验》（1776）

18世纪末叶，电学从静电研究向流电研究发展。其中最重要的是意大利动物学家伽法尼（Galvani,1737-1789）于1780年在解剖青蛙时发现的动物电流。但把这个物理现象从生理学范畴中分离出来并做出物理学解释的是伏打（1745-1827）。他在电堆实验和发明原电池的基础上，提出了接触理论，认为任何物体中都含有电流质，只是其紧张程度不同；当两种不同金属接触时，电流质就可从一种金属流向另一种金属。尽管这种解释逐渐取代了伽伐尼的动物电观点，但这两种解释均未触及到电流产生的真正本质。然而这两种解释之间的争论，客观上促进了电化学的发展。不管怎样，从静电到流电的研究毕竟标志着电学认识上的一次飞跃。

1.6 1 7—18世纪的声学

人类对声学的研究起源于音乐。从古代到17世纪，主要从算术(比例)的角度对谐音的音程进行研究。17世纪科学家中不少人提出过音程的汁算原则。如伽利略、笛卡儿、默森(Marin Mcrscnne，1588-1648)、胡克等人均证明了—个律音的音调由产生它的振动之频率所决定。特别是伽利略的法国学生默森在1636年著的《普通声学》中提出弦的律音的频率和弦的张力的平方根成正比，而和弦的长度及单位长度上的质量成反比的定律。继伽利略之后，默森、沃利斯(1616—1703)、W．诺布尔和丁．皮戈特等人研究了伽利略提出的“和应振动”及其规律。法国物理学家J．索维尔(JOseph SauvcLit，1653—1716)对共鸣进行了观察，对弦的谐音作了研究，进行过振动频率的测量，并且第一次在驻波理沦中引入了科学术语——“波节”与“波腹”。牛顿在计算空气中所产生声波的波长时曾利用了索维尔的测定频率装置。

18世纪的许多数学大师如达兰贝、丹尼尔•伯努利、布鲁克•泰勒(Brook Taylor，1685—1731)、欧拉(1 707—1783)、拉格朗日和拉普拉斯等都曾对弦振动的数学处理做出了贡献。其中欧拉于1739年根据泰勒1713年的研究结果提出了更为精确的确定音调的方法，即一根弦的振动频率（n）与其长度（l）和单位长度质量（m）之间的关系。此外，拉普拉斯在牛顿研究的基础上引入了拉普拉斯因子，从而精确地解释了声速与气体温度变化的关系。

关于声音的传播媒质，在亚里斯多德时代人们就已猜到空气是声音的通常媒质。音的通常媒质。但在抽气机发明之前，这仅仅是猜测。17世纪中叶，作为抽气机发明人的盖里克最早进行了关于空气和我们对声音的感知两者间关系的实验。他将一容器中放人可用时钟机构敲响的铃，并用抽气机抽去容器中的空气。随着容器中空气的稀薄，铃声越来越小。而18世纪初，F．豪克斯贝则沿着相反的思路改进了上述实验，他发现当容器中的空气为一个大气压时，铃声可传到30码以外；两个大气压时，铃声可传到60码以外；三个大气压时则可传到90码以外。在做这一实验的1705年，他还用实验证明了声音可在水中传播。后来普利斯特列证明声音可在空气之外的其他气体中传播。

18世纪末由于德国科学家恩斯特•克拉尼(Ernst Chladni，1756 —1827)所进行的对弦、杆、薄膜和板的振动研究，使声学从数学的或音乐的研究方法上升到物理声学的高度。他于1802年发表的《声学》中记载了他在1785年前后的一些重要实验。拿破仑看了他的声图实验后，说：“克拉尼使声音变得可以看见了。”此外，克拉尼还研究过纵波，以及声音在不同气体中的传播速度比等问题。

1.7 光学

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，为巴罗等后人的几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．Sncll，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—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。用微分几何的语言来表述，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1 9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。