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§三近代科学的诞生（第1页）

§三、近代科学的诞生

近代物理学之父——伽利略

1564年，伽利略出生在意大利西海岸比萨城一个破落的贵族之家，父亲是很有才华的音乐家，爱好数学，精通希腊文、拉丁文和英语。17岁时，按照父亲的意愿，伽利略进入比萨大学学医，不过他本人的兴趣却不在此。由于听了几次关于欧几里得几何学的演讲，很快对数学着迷，倾心于研究欧几里得的几何学和阿基米德的物理学，朋友们都称他为“新时代的阿基米德”。

伽利略善于观察和思考，据说他18岁时到比萨教堂去做礼拜，注意到教堂里挂的那些摇摆不定的油灯，尽管摆动幅度不同，但住复运动的时间（他按自己的脉搏计时）却是相同的，从而发现了摆的等时性。1585年伽利略放弃学医，离开比萨大学回到佛罗伦萨，在家自学数学和物理，攻读欧几里得的《几何原本》和阿基米德的著作。1588年，他发表了题为《固体的重心》论文，从此以数学和实验著称的伽利略名闻全国。从这时候开始，他在比萨大学担任数学教授，但是真正使伽利略成为科学史上巨人的是他的重物实验。

亚里士多德认为物体下落速度与其重量成正比例关系。这一理论没有人会怀疑，比萨大学的教授是这样讲的，学生也是这样接受的。在当时学者们的跟中，除了上帝之外，只有亚里士多德是对的。但只有25岁的青年伽利略，出于追求真理的愿望，以科学实验为根据，公然反对被人们崇拜了1700多年的希腊圣人之教。这就是后人传说的1590年他在比萨斜塔做的重物实验。1604年，为了寻求落体速度和距离、时间的关系，伽利略又通过斜面落体实验求出自由落体运动规律和近似结果。他把复杂问题简单化了，伽利略称之为“分析法”、“综合法”。

1592年，伽利略被聘为帕多瓦大学数学教授，当时他只有二十多岁，他研究支配粉碎机、扬水机、起重机等机械的共同规律，写成《机械学》一书。当时很多人认为，机械省力，就是机械产生力量。他在书中却提出不同意见，井解释了力矩的科学涵意。

1608年，他听说荷兰米德尔堡眼镜店有人做成一个可以把远处物体放大的镜子，他研究了这个镜子放大物体的原理，做出了世界上第一台望远镜。它能把远处物体放大32倍，能看到月亮上的高山低谷，还看到银河是由许多星体集合而成的。1610年1月8日到10日他又发现木星有四颗卫星，并且每天变换位置，土星也有卫星，金星有盈有亏，后来他还发现太阳有黑子和自转。此外，望远镜可用于战争侦察敌情，还可以提前3小时发现将要靠岸的船，所以引起军界、航海者和政府的重视，轰动了上层社会，受到人们的重视和赞赏，给予“特等教授”、“首席科学家”的荣誉称号。1610年，他在《星界的使者》一书中公布了他这一系列天文史上少有的重要发现。这些事实是对亚里士多德学说的否定。

伽利略另一重大贡献是确认了惯性定律，即不受外力的物体将保持惯性运动的状态不变。其实古希腊的德谟克利特和伊壁鸠鲁以及后来牛顿都有这样的想法。然而，当时在欧洲占统治地位的是亚里士多德的观点——力是物体运动的原因。伽利略则认为“维持”运动不需要力，“改变”物体的运动状态才需要力。他再次利用理想实验的威力：斜面实验表明，倾斜度越小，小球的加速度也越小。如果把斜面完全放平，并且斜面无比光滑，小球的加速度将会变为零，小球也将永远沿直线做匀速运动。因此，伽利略得到了惯性定律。

伽利略名声大振，但却受到教会的压制。他的一系列天文发现使他坚信哥白尼的太阳中心说是对的，但在罗马教皇的**威之下，哥白尼学说被列为禁书，伽利略也不得不沉默了。1638年他以间接隐蔽的笔法，以通俗易懂的三人对话形式发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，详细论证了哥白尼的“太阳中心说”，批驳了“地球中心说”，成为近代科学思想史上重要学术著作。伽利略早在1597年开普勒送给他《神秘的宇宙》一书时就已经是一个太阳中心说的拥护者，但是他亲眼看到布鲁诺之死，没有勇气诉诸于世。直到68岁的时候，才把心里话在《对话》一书中说出来，他说清楚了哥白尼没有说清楚的问题。但此事成为教会神父和学者们组成“反伽利略联盟”的开始。不久他被召到罗马，接受异端裁判所的残酷审讯。经过三个月的审讯和种种严刑拷问，伽利略“悔罪”之后被放了出来，这时他已是一位风烛残年的老人了。

他在晚年失去自由又失去了唯一的女儿后，仍然进行科学研究。他说：“我的脑筋是不肯让我闲着的，我现在写一本《新科学对话》。”这就是他关于力学知识的总结，成为后来牛顿据以提出力学三定律的基础。当1636年这本书写完的时候，他已经双目失明，四年以后就逝世了。直到300年后，罗马教皇保罗二世提出为伽利略平反，1980年正式宣布当年教会压制伽利略的意见是错误的，伽利略终于沉冤昭雪。这也说明，真理是不可战胜的。

伽利略把实验事实和抽象思维结合起来，运用理想化的模型突出事物的主要特性，化繁为简，总结其规律性，留给了后人宝贵的精神财富。爱因斯坦评论说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”伽利略首开实验科学的先河，从无休无止的“为什么”转向地球上的物体是“怎么样”运动的；从漫无边际的大讨论转向局部的、简单的、有限的问题研究。这就是近代西方科学成功的道路。

流体静力学的奠基人——帕斯卡

帕斯卡于1623年生于法国奥维涅省的克莱蒙特，在兄弟姊妹中排行第三，也是家中唯一的男孩。帕斯卡没有受过正规的学校教育。他4岁时母亲病故，由受过高等教育、担任政府官员的父亲和两个姐姐负责对他进行教育和培养。他父亲是一位受人尊敬的数学家，在其精心地教育下，帕斯卡很小时就精通欧几里得几何，他自己独立地发现出欧几里得的前32条定理，而且顺序也完全正确。12岁独自发现了“三角形的内角和等于180度”后，开始师从父亲学习数学。1631年帕斯卡随家人移居巴黎。父亲发现帕斯卡很有出息，为了让他开阔眼界，在他16岁那年，满心欢喜地带他参加巴黎数学家和物理学家小组（法国巴黎科学院的前身）的学术活动。17岁时帕斯卡写成了数学水平很高的《圆锥截线论》，在这篇论文里，他提出了投影几何的一个重要定理，即圆锥曲线内接六边形，其三对边之交点共线，后来被称为帕斯卡定理，并成为投影几何学上的基本定理之一。这个神秘的六边形题目即帕斯卡定理连同帕斯卡本人，从此扬名于数学界。

1641年帕斯卡又随家移居鲁昂。1642年到1644年间帮助父亲做税务计算工作时，帕斯卡发明了加法器，这是世界上最早的计算器，现陈列于法国博物馆中。1646年前帕斯卡一家都信奉天主教。由于他父亲的一场病，使他同一种更加深奥的宗教信仰方式有所接触，对他以后的生活影响很大。帕斯卡和数学家费马通信，他们一起解决某一个上流社会的赌徒兼业余哲学家送来的一个问题，他弄不清楚他赌掷三个骰子出现某种组合时为什么老是输钱。在他们解决这个问题的过程中，奠定了近代概率论的基础。

帕斯卡的主要成就还是在于对流体力学和大气压强的研究，被称为流体静力学的奠基人。帕斯卡通过对**静力学的研究，提出了著名的帕斯卡定律，指出，盛有**的容器壁上所受的由于**的质量所产生的压强仅仅与深度有关。传说他曾做过一次生动的实验：取一个大木桶，把它密封起来，再在盖面上开一个小孔，接上一根细长的管子，在桶里预先酒了水，然后取来一杯水，当众把水灌注到细管里，由于水面一下子升得很高，桶内压强急骤增大，木桶不胜负载，水便破壁四溅。这个实验引起了观众的莫大兴趣。

1646—1647年，帕斯卡准备了几根长几米的各种形状的玻璃管，把他们固定在船桅上，分别用水和葡萄酒做实验。实验前，很多人认为酒易挥发，在挥发气体作用下，其液柱要比水柱低些，但实验结果却相反，这是因为葡萄酒的密度比水的密度大，所以它的液柱比水柱低。帕斯卡根据这次实验的结果，在1647年10月出版的《关于真空的新实验》一书中指出，倒立玻璃液管顶端出现的空间就是真空。

1648年9月，帕斯卡让他的内弟佩里埃把气压计带到克莱蒙特附近的高约1000米的多姆山上进行实验，看到大气压因高度的增加而减小（山顶比山脚的水银柱高度低8。5厘米）。也正在上述一系列的实验中，帕斯卡发明了注射器。帕斯卡还发现大气压强的数值跟天气有关，这在气象学上具有重大意义。他还做了虹吸实验，并用大气压来解释虹吸原理。其实，帕斯卡有关大气压强的研究工作在1653年就写在《论空气的重量》论文中，而此论文一直到他死后10年（1672年）才发表。

帕斯卡在文学和哲学方面也极有造诣，他的文字婉约，流利而有力，极为世人称赞，对法国的文学颇有影响，他的许多哲理名句常为后人所传诵，比如他所著的哲学名著《思想录》里的一句名言：“人只不过是一根芦苇，是自然界最脆弱的东西，但他是一根有思想的芦苇。”《思想录》和《致外省书》，对法国散文的影响也很大。1962年，世界和平理事会曾推荐帕斯卡为世界文化名人而予以纪念。

帕斯卡从小就体质虚弱，又因过度劳累而使疾病缠身。然而正是他在病休的1651—1654年间，紧张地进行科学工作，写成了关于**平衡、空气的重量和密度及算术三角形等多篇论文，后一篇论文成为概率论的基础。在1655—1659年间还写了许多宗教著作。晚年，有人建议他把关于旋轮线的研究结果发表出来，于是他又沉浸于科学兴趣之中，但从1659年2月起，病情加重，使他不能正常工作，而安于虔诚的宗教生活。1662年，帕斯卡在巨大的病痛中逝世，年仅39岁。后人为纪念帕斯卡的贡献，用他的名字来命名压强的单位，简称帕，符号是Pa。

经典力学之父——牛顿

英国著名诗人波普曾经写过一首赞美牛顿的诗：自然和自然的规律，隐藏在黑夜里，上帝说：“让牛顿去吧！”于是，一切都光明了。17世纪后期，经过伽利略、开普勒等一批科学巨匠们一个多世纪的努力，经典力学的基础工作已经完成。但各种力学的知识和理论基本处于“各自为战”的状态，显得有些杂乱无章。这时牛顿出现了，他用优美得无与伦比的数学语言，描述并统一了地面、天空的力学理论，创立了经典力学体系。

1642年12月25日，牛顿出生在英国林肯郡，是一个小农的遗腹子。牛顿出世时，给他接生的接生婆说：“咳！这么一个小不点儿，我简直可以把他塞进一只杯子里去。”由于母亲再嫁，从两岁起，他就与年迈的外祖母过着贫困孤苦的生活。在小学时他就非常爱科学，经常制作一些灵巧的小机械，如水钟、风筝和日晷等。他的兴趣很广，时而作诗，时而绘画。他是一个意志坚强的孩子。因为经济困难，14岁就离开学校回家务农。劳动之暇，他独自躺在草地上聚精会神地钻研数学。牛顿的舅父是剑桥大学三一学院成员，发现牛顿热爱科学，很有钻研精神，就帮助他重新回到学校读书。1661年，牛顿18岁时作为公费生进入剑桥大学学习。剑桥是英国最古老、最有威望的大学之一。这是一所思想比较自由、学术气氛浓厚的高等学府。他在这里学习数学、天文学和物理学。读到三年级时，一位游历过欧洲大陆的学者巴罗来剑桥担任“鲁卡斯讲座”的首任教授，给剑桥带来了科学的新曙光。他向学生介绍哥白尼、开普勒、伽利略和笛卡尔等人的先进思想、科学理论以及研究方法，使牛顿大开眼界。巴罗发现牛顿的才华，举荐牛顿为研究生，让他继续在剑桥深造。

1665年秋季到1667年春季期间，伦敦市区瘟疫流行，各校停课，学生被遣散回家。牛顿也回到农村老家住了18个月。表面看来，牛顿隐居穷乡僻壤田舍山庄之中，但他的头脑正掀起科学革命的巨浪，成为牛顿一生划时代的创造的岁月。在这期间，23岁的牛顿首先发现了数学中的二项式定理，然后建立微分学，第二年又建立积分学；他用三棱镜研究光学，发现了白光的组成，还考虑过引力问题。

1667年，牛顿回到剑桥大学三一学院继续他的学业，于1668年获得硕士学位。1669午，由巴罗推荐，任剑桥大学教授，接替巴罗担任了鲁卡斯讲座的第二代教授职务。这时，牛顿年仅27岁。可以这样认为，如果没有舅父和巴罗教授的热情帮助，牛顿这匹千里马就不可能驰骋在科学的大道上。

牛顿在剑桥大学讲授的第一门课程是光学，他公开发表的第一篇论文也是研究光色来源的。牛顿对光学有着经久不衰的浓厚兴趣。早在1668年，他就亲自设计并动手制作了一架反射望远镜模型。这架望远镜虽然不大（长6英寸，直径1英寸），但是却可以放大40倍，能够清楚地看到木星的4个卫星和金星的盈亏现象。这架反射望远镜的观测效果，大大超过了同样大小的折射望远镜。英国皇家学会极为赞赏，并要求他正式做一架。于是牛顿在1671年制造了一架更大的反射望远镜。同年秋天，这架当时世界上最好的望远镜又被送给了英国皇室，受到赞扬。这架望远镜至今被作为珍品保存在英国皇家学会，上面标着“牛顿爵士亲手所造的世界上第一架反射望远镜”的字样。

由于反射望远镜的发明，牛顿被提名为英国皇家学会的候补会员。不久，于1672年1月，又被推选为正式会员。牛顿的第一篇论文《关于光和色的新理论》，就是这一年在《皇家学会哲学杂志》上发表的。在这篇论文中，不仅总结了他在光学方面所进行过的实验结果，更为重要的是提出了光的本质问题。牛顿认为，光是与以太相互作用而产生波的高速度粒子流。这种见解，在光学史上称为“微粒说”。牛顿对光学的发展作出了巨大的贡献。后世科学家评论说：“单凭他在光学上的成就，牛顿就已经可以成为科学上的头等人物。”

当然，牛顿最重要的成就并不是在光学上，而是发现了万有引力定律。它的发现是牛顿力学的最高成就，而且就源自那个几乎人尽皆知的“苹果落地”的故事。这只苹果引起了牛顿的注意，他想苹果为什么不向天上飞，也不向前后左右落，而偏偏垂直地落到地上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引离地面这么高的苹果树上的苹果，那它也肯定在吸引着月亮。在长时间的思考中，牛顿逐渐认识到，地球吸引地球表面物体的力（如吸引苹果落地的力），与地球吸引月球的力，以及太阳吸引行星的力，是同一种力。这种力是任何物体、任何物质都有的，因而是万有的。于是，牛顿就发现了万有引力定律，这是人类认识上的一个重大飞跃。

后来，牛顿又通过对地球对月球的引力研究，发现了地月间的引力与其距离平方成反比的关系，并认为，这一引力并非磁力，本质上就是重力。不过，牛顿对引力的这些研究结果一直没有发表，直到多年后的80年代才重新提出。这一点颇令人费解，据后来科学史家考证，主要的原因是牛顿无法肯定天体的全部质量是否集中在其中心，这样也就无法确定两个天体之间的距离精确值。虽然在一般天体情况下，这一点影响并不大，但牛顿是一个非常谨慎的人，对此他是不会冒然下结论的。后来，在1685年他的微积分创立后，这个问题才得到完满的解决。这样万有引力定律也才完美地提出来。