力学知识体系的建立历史

论近代力学知识体系的建立历史

摘要

经典力学是近现代物理学的基石，其作用之大不言而喻。本文从力学的起源与发展、力学与其它科学的关系、力学研究方法、力学与科技等方面阐述近代力学体系的发展历程，旨在还原历史并且反思，以探索出更好的力学研究认识论。

关键词：力学、起源、跨学科、研究方法、科技

引言

物理学【1】是一门研究物质世界运动规律的科学，可以毫不夸张地说，物理学时其他一切科学的基石。它包罗万象，对整个科学的发展有深远影响。而在物理学众多的分支中【2】，力学则是它发展的最早的一个分支，它和人类的生活及生产最为密切。早在有人类活动的时代，人类就在劳动生活中应用了杠杆、螺旋、滑轮、斜面等简答的力学机械。而力学的发展也是历经波澜，积淀着前人的智慧。一段历史的回顾，亦是心灵受到科学精神熏陶的过程。 力学起源与发展

科学孕育于雅典，这与雅典的学术氛围是分不开的，由古希腊另一城邦斯巴达可以印证。在雅典，涌现了一大批具有创新思想的哲学家，如苏格拉底、柏拉图，自由的氛围弥漫着。要知道，物理学也是属于自然哲学范畴的。

谈到哲学，自然要说被誉为“百科全书”的亚里士多德。“吾爱吾师，但吾更爱真理”，亚里士多德在众多学科方面都有建树，如哲学（狭义）、美学、数学，他被认为是最早研究力学的人。然而，他的研究方法却值得商榷。亚里士多德对力学的研究，大多建立在他的主观臆断和经验逻辑主义之上，所以他真正在力学方面作的贡献并不非常突出，有些错误甚至因为他的名气而误导了后世几百年。

如果以研究力学方法的合理性为标准来评定谁是力学的创始人，头脑中第一闪现的就是伽利略的身影。然而事实并非如此。力学的真正创始人【3】是公元前287年～前212年的阿基米德。在研究力学方面，他克服了亚里士多德单纯依赖直觉和思辨的观点，把观察、实验和数学方法很好地结合在了一起。他的浮力原理、杠杆原理，初步奠定了静力学，即平衡理论的基础。

至于伽利略（1564~1642），他的最主要贡献则在于它对相对性原理的阐述，主要著作是《关于力学和位移两门新科学的讨论及数学证明》。伽利略奠定了经典力学中运动学和动力学的基础，并创造了一套完整的科学研究方法，将实验方法与数学方法相结合，即将观察、实验、理想化条件、物理思想和数学工具结合起来，他比阿基米德更系统地阐述了力学研究的方法，更具推广意义。伽利略也因此而被誉为“近代物理学之父”。

而在进入17世纪中期后，力学有得到了迅速的发展。在此期间，一大批科学家如笛卡尔、费马、哈雷、胡克纷纷涌现，科学活动层出不穷，有力地推动了物理学的发展。惠更斯（1629~1695）研究了碰撞、摆、向心加速度等课题，开普勒则通过16年的苦心数据研究，总结出了行星运动三定律。

在力学史上，最伟大的人莫过于艾萨克·牛顿。他总结前人经验提出的牛顿三定律是力学发展史上里程碑式的结论，而他提出的万有引力定律【4】则深刻地揭示了宇宙万物间所遵循的引力规律，打破了人们头脑中认为天体运动与地上物体运动有天壤之别的鸿沟，把天上和人间和谐地统一了起来。

牛顿的主要著作即是1683年出版的《自然哲学的数学原理》，它被誉为划时代【5】的作品。牛顿为了研究力学，自创了一套数学研究体系，像如今的极限、微积分、无穷数级，都是牛顿智慧的结晶。

经典力学的建立在很长一段时间内都正常地运行，还曾一度被牛顿等人认为可以诠释大自然所有的现象，然而它仅仅局限于低速、宏观的体系。19世纪末20世纪初黑体辐射，光电效应等一系列经典力学难以解释的问题逐个出现，对于高速微观的物体，经典力学的理论遭受到了阻碍。为此，新的理论亟待建立。从1900年普朗克提出量子学说开始算起，量子力学就开始发展了。而后，爱因斯坦的相对论也为此注入了活力。经过薛定谔，海森堡，玻尔等一大批物理学家的共同努力，量子力学逐步完善并与爱因斯坦的相对论一起构成了现代物理的基础。 力学与其它科学的关系

力学作为物理学的重要分支，与其他科学也有着密切的联系。在一定意义上，两者可以说是相辅相成，然而客观的讲，力学更具有基础意义。如果没有力学，或许就没有其它科学的蓬勃发展了。这里需要明确的是，数学并不属于科学【6】，因为它不是用实验来检验的。下面举两个例子：

生命科学【7】。每种生物均由不同形态、不同性质及不同功能的组织构成。而这些组织又由有机物质和无机物质所构成。从力学的观点来看，这些生物材料的运动变化同样遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等一些基本的物理定律。因此，通过力学可以初步了解生命活动，更深层次的化学来研究。

化学【8】。上个例子中提到了化学，其实化学是属于大物理这个范畴的。原则上，无机化学的理论都可以用量子力学来解释。而涉及大量原子的化学反应，则需要用将统计学方法应用于力学定律起作用场合的统计力学来解释。

力学研究方法和模型的建立

从亚里士多德时期算起，力学的研究方法逐步趋于完善，而其中又以伽利略的逻辑推理和牛顿的归纳演绎推理为重，需要强调的是，这两种推理是包含实验验证的，它们基本构成了现代力学研究体系，力学研究方法遵循认识论的基本法则【9】：实践——理论——实践。此外，模型的建立亦是值得推崇的做法，这种理想化的做法是伽利略实验方法与数学方法结合的延伸。物理研究上的模型大致可分为理想模型，数学模型，理论模型等几类。运用模型，能够省时省力，简化实验；能够超越实际物质条件的限制，推动研究工作的开展；能够指导实践并预测实验未来的发展。

力学与科技【9】

力学在科技方面的应用在力学不胜枚举，最突出的有：以建立空间站、航天飞机等为代表的航天技术；以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t 、尺寸达大半个足球场的民航机为代表的航空技术；以单机功率达百万千瓦的汽轮机组为代表的机械工业，可以在大风浪下安全作业的单台价值超过10亿美元的海上采油平台；以排水量达5×105t的超大型运输船和航速可达30多节、深潜达几百米的潜艇为代表的船舶工业；在地震多发区建造高层建筑；正在陆上运输中起着越来越重要作用的高速列车，等等，甚至如两弹引爆的核心技术，也都是典型的力学问题。

力学发展到今天已经构建成了宏伟的大厦，能够解决我们生存空间内的许多问题，但也有解释和解决不了的问题，需要继续探索，为其添砖加瓦，使其更完善。

总结启示

回顾经典力学的发展历史，可以惊奇地发现先人们在这条道路上的留下的曲折的足迹。对于未知的探索与尝试、失败后的反思、敢于质疑权威的勇气、坚持不懈的信念，都是先人们留给后来者的礼物。站在巨人的肩膀上，我们能看得更远，更能了解力学的神奇。超越不是推动力学发展的目的，拥有一份科学的严谨，努力追求真理才是心中的永恒。

参考文献

【1】【4】【7】吴翔 文明之源：物理学（第2版）上海：上海科学技术出版社，2010,1

【2】【3】葛兆强，张学恭，唐玉海 自然科学发展概论：自然科学思想方法与人文教育 西安：西安交通大学出版社，2007,7

【5】桂起权，沈建 物理学哲学研究 武汉：武汉大学出版社，2012,1武汉大学丛书

【6】【8】Richard P. Feynman / Robert B. Leighton / Matthew Sands 费曼物理学讲义第1卷 王子辅、李洪芳、钟万蘅等译 上海：上海科学技术出版社 2005，06

【9】力学OL 百度百科

2013.10.09