第6讲 科学革命（1） 近代数理科学的诞生.

Presentation on theme: "第6讲 科学革命（1） 近代数理科学的诞生."— Presentation transcript:

1 第6讲 科学革命（1） 近代数理科学的诞生

2 要目 时代背景：技术革命、文艺复兴、宗教改革、地理大发现 哥白尼革命：宇宙观的变革 新物理学的诞生：牛顿力学

3 时代背景 世界历史的剧变，恩格斯说： 这个时代，我们德国人由于当时我们所遭遇的民族不幸而称之为宗教改革，法国人称之为文艺复兴，而意大利人则称之为五百年代（即十六世纪），但这些名称没有一个能把这个时代充分地表达出来。这是从十五世纪下半叶开始的时代。……拜占庭灭亡时抢救出来的手抄本，罗马废墟中发掘来的古代雕像，在惊讶的西方面前展示了一个新世界－－希腊的古代；在它的光辉的形象面前，中世纪的幽灵消逝了；意大利出现了前所未见的艺术繁荣，这种艺术繁荣好象是古典古代的反照，以后就再也不曾达到了。……旧的世界的界限被打破了；只是在这个时候才真正发现了地球，奠定了以后的世界贸易以及从手工业过渡到工场手工业的基础，而工场手工业又是现代大工业的出发点。教会的精神独裁被摧毁了，德意志诸民族大部分都直截了当地接受了新教，……

4 技术革命 农业革命，重犁、马蹄铁 水力、风力的运用，以及水车、风车，齿轮机构、传动装置的发展，导致了机器文明的出现
火药与大炮，摧毁了骑士阶层和封建体制，中央集权制和民族国家开始出现；侵略、扩张和殖民成为欧洲文明的主题 造船

5 钟表的出现 13世纪，在修道院出现机械钟，摆轮钟，以重锤的重力做动力 所有的大教堂尖顶上都安装这种摆钟，1232－1370年间，出现了39座
最早的钟只有一根时针 1550年左右增加了分针 1760年左右出现秒针 16世纪出现怀表 工业时代的关键机械不是蒸汽机，而是钟表

6 文艺复兴（1） 以意大利为中心的复兴古典文化运动
歌颂人性、反对神性，提倡人权、反对神权，提倡个性自由、反对宗教禁锢，赞颂世俗生活、反对来世观念和禁欲主义 文学家：但丁（1265－1321）、彼特拉克（1304－1374）、塞万提斯（1547－1616）、莎士比亚（1564－1616）

7 文艺复兴（2） 艺术家：达芬奇（1452－1519）、米开朗基罗（1475－1564）
莎士比亚：人是一个什么样的杰作呀！人的理性多么高贵！人的能力无穷无尽！人的洞察力多么宛若神明！

8 宗教改革 神恩、天启、权威，罗马教廷的至高无上的地位
马丁·路德（1483－1546）于1517年贴出95条论纲，反对赎罪券，反对罗马教会的权威 因信称义，信仰高于一切

9 地理大发现（1） 马可波罗（1254－1323）游记，1275到达中国 1487年，狄亚士到达非洲的最南端，葡萄牙国王裘安二世取名“好望角”
1497年7月8日，葡萄牙人达伽马离开里斯本开始探索由非洲到印度的航路，次年3月1日到达非洲东岸莫桑比克，5月到印度，于1499年9月返回葡萄牙

10 地理大发现（2） 意大利人哥伦布1492年8月3日由西班牙巴罗士出发，一直西航于11月12日到达巴哈马群岛的圣萨尔瓦多，他以为自己到了印度群岛，但没有找到黄金 意大利航海家亚美利哥认识到哥伦布发现的是一块新大陆，法国地理学家误认为是他发现的 麦哲伦1519年9月由西班牙起航，12月到达巴西，1520年10月通过南美最南端进入太平洋，1521年3月到达关岛，4月麦哲伦被杀，11月到达摩鹿古群岛，1522年9月回到圣卢卡尔港，少了一天

11 哥白尼革命（1） 中世纪的宇宙图景：层层相套的天球，地球位于宇宙的中心 哥白尼（1473－1543），波兰人
托勒密体系面临的问题：轮子越来越多，体系越来越繁；地球实际并不处在宇宙的中心，只保持了静止 哥白尼的出发点：对于哲学家们不能对造物主为我们造成的美好而有秩序的宇宙机构提出正确的理论而感到气愤

12 哥白尼革命（2） 托勒密体系的4个前提： 哥白尼反对地心和地静说，主张地动和日心说
天球、地球、地心、地静 哥白尼反对地心和地静说，主张地动和日心说 内行星（均轮运行周期为1年）与外行星（本轮运动周期为1年）得到自然的解释 问题：相对运动问题、恒星的周年视差问题 优点：轮子减少；正圆运动得以维护 革命：天地界限；运动相对性；走向无限的宇宙

13 布鲁诺 乔尔丹诺·布鲁诺（1548-1600)，生于意大利那不勒斯，死于罗马鲜花广场
1583写作《论原因、本原和太一》、《论无限的宇宙和多世界》 1592年在意大利威尼斯被捕 “我愿做烈士而牺牲”

14 第谷·布拉赫 布拉赫（1546－1601），丹麦人，天才的观测家 1572年11月11日，新星（nova)
1577年，发现彗星，而且彗星不是正圆轨道，对天球概念提出怀疑 1580年，皇帝专为他在维文岛上造了一个天文台，工作了近20年 格里高里历得益于第谷的材料 1597年，第谷去了德国布拉格，收开普勒为徒

15 第谷体系与哥白尼体系 第谷体系：折衷，太阳带动行星围绕地球转动 右为第谷书中的插图，图中彗星被看成一个真实的天实

16

17 开普勒 开普勒（1571－1630），德国人，早年求学于图宾根大学 狂热的毕达哥拉斯主义者，哥白尼学说的同情者
《宇宙的神秘》：土星（正六面体外接球）、木星（正六面体内切球）、火星（内接正四面体的内切球）、地球（内接正12面体的内切球）、金星（内接正20面体的内切球）、水星（内接正八面体的内切球） 1600年开普勒来到布拉格成为第谷的学生 继承第谷的观测数据

18 开普勒三定律 第一定律：行星运动的轨道是椭圆 第二定律：面速度均匀（1609，以火星为例）
第三定律：周期的平方与距离的立方成正比（1618） “天空立法者”：三定律彻底消除了本轮和均轮 三定律废除了水晶天球的概念 太阳真正成为轨道中心，建立太阳系的概念，预示着引力问题

19 开普勒的意义 用椭圆代替正圆，阿波罗尼成就在先，怀特海有言：物质未曾来到，精神先已出现
爱因斯坦：“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”

20 开普勒 开普勒：保留恒星天球，有限的宇宙 《鲁道夫星表》（1627）以答谢德王鲁道夫二世的一贯支持
一辈子穷困，曾编占星历书以养家糊口。“作为女儿的占星术若不为天文学母亲挣 面包，母亲便要挨饿了。” 1630年死于索取薪水的路上

21 天文学革命留下的问题 1，恒星视差问题 2，地球运动所引起的眩晕问题 3，太阳何以牵制诸行星的运动

22 伽利略生平 1564.2.15生于意大利的比萨，米开朗其罗3天前逝世，文艺复兴转折的象征 新时代的阿基米德 1589年，比萨大学数学教授
1592年，帕多瓦大学 1610年回到佛罗伦萨 1624－1630写作《两大世界体系的对话》，1632年出版，1633年监禁 1638年出版《两门新科学的对话》 1642年1月9日去世，次年牛顿出生（新历）

23 运动理论 亚里士多德：速度与重量成正比 逻辑推理 比萨斜塔实验：木球与铁球 摆的等时性与斜面实验：落体下落的时间的平方与下落距离成正比
加速度的概念 合成速度与合成力的概念 抛物体运动

24 望远镜天文学 望远镜的诞生，荷兰眼镜商利帕希1608 1609年伽利略造出第一台望远镜，20倍，发现了月亮上的环型山
1610年发现木星的四颗卫星，轰动一时 1612年发现太阳黑子 为哥白尼辩护（直到1579年才开始相信），与教会冲突

25 教会的判词 大家一致认为，根据《圣经》经文和神父、神学博士的一般解释，“太阳是宇宙的中心”这个命题在哲学上是愚蠢和荒谬的，它在许多地方与《圣经》所表达的意见相抵触，因此在形式上是异端；大家一致认为，“地球既非宇宙中心也非不动，而是作周日和周年运动”这个命题在哲学上也是愚蠢和荒谬的，考虑到神学的真实性，它至少在信仰上是错误的。

26 伽利略的贡献和局限 惯性运动定律 抛物体和自由落体运动定律 天际并非纯粹不变，支持哥白尼体系 以地球的运动解释潮汐现象
不了解开普勒的行星运动理论，没有采纳开普勒的行星椭圆轨道 因此，未彻底打破天地之别 对教会的妥协（1633年6月教庭判他终生监禁）

27 自然数学化运动的宣言 哲学被写在宇宙这部永远在我们眼前打开着的大书上，我们只有学会并熟悉它的书写语言和符号以后，才能读懂这本书。它是用数学语言写成的，字母是三角形、圆以及其它几何图形，没有这些，人类连一个字也读不懂。

28 伽利略的历史地位 爱因斯坦：“伽利略的发现以及他所应用 的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”
爱因斯坦：“伽利略的发现以及他所应用 的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。” 1980年，罗马教会正式为伽利略平反

29 吉尔伯特的磁学研究 威廉吉尔伯特（1544－1603），英国贵族，后为御医
1600年出版《论磁》，确认地球是一个大磁石，磁针的北极所指当是南极 质量与重量的区分。磁石的磁力强度与其质量成正比。 提出电力的概念，创造了electricity(elektron希腊文琥珀） 普遍的力，力的灵魂解释 推广哥白尼理论

30 真空问题 亚里士多德：自然界厌恶真空 意大利人托里拆利，伽利略的学生，临终时伴其侧。水泵泵水的高度问题，托里拆利实验（1643），760mm汞柱 法国人帕斯卡（1623－1662），天才的数学家、作家、思想家，设计了酒精柱高度随海拨高度变化的实验 马德堡半球实验，由该市市长盖里克（1602－1686）设计。1654年当着德皇和议员们面演示大气压力，16匹马才将 1.2英尺直径的铜球拉开

31 胡克 英国物理学家胡克（1635－1703）心灵手巧，曾经是波义尔的助手，帮助造出了精致的抽气机
《显微图》，提出过光的波动学说，与牛顿相对立 弹性定律（1678）：弹性力的大小与离开平衡位置的距离成正比 弹簧伸缩的时间间隔相等，可用于计时

32 惠更斯 荷兰物理学家惠更斯（1629－1695）出身高贵 1656年发现猎户座星云，和土星的光环和卫星
1656年制造第一架摆钟，1658年出版《钟表论》 碰撞问题：活力（能量）守恒原理 离心力公式：离心力与速度的平方成正比，与运动半径成反比 1690年出版《论光》主张光的波动说，但误认为光跟声音一样是纵波

33 牛顿（1） 伊萨克·牛顿生于旧历1642年12月25日（新历43年1月4日），早产、遗腹子 在数学上，发明微积分
在天文学上，发现了万有引力定律 在力学上，系统总结了运动三定律 在光学上，发现了太阳光谱，发明了反射式望远镜

34 牛顿（2） 喜摆弄小玩具、小机械，做过风车、灯笼、日晷 性情孤僻 12岁进中学，因寄宿在药剂师家里而学会了化学实验
1661年，18岁的牛顿进入剑桥大学深造 卢卡斯设立一个数学教席，首任教授巴罗。在巴罗指导下牛顿阅读了开普勒的《光学》、笛卡尔的《几何学》和《哲学原理》，伽利略的《对话》，胡克的《显微图》

35 牛顿（3） 1665年初大学毕业，伦敦瘟疫，停学回家。是年初，二项式定理（任何幂的二项式化为一个展开的级数）；11月，发明流数运算法（微分运算） 1666年1月，颜色理论，5月反流数运算（积分），同年推出平方反比力公式 1667年回到剑桥 1669年接任卢卡斯教席，时年27岁。是年发现太阳光并非单色光 1671年向皇家学会提交反射式望远镜，成为会员。与胡克闹矛盾。

36 牛顿（4） 为什么行星总是绕太阳做封闭的曲线运动，而不是跑离太阳呢？
1684年1月，胡克宣布发现了平方反比力作用下的行星运动规律是椭圆，但给不出数学证明。11月，牛顿写了《论运动》，证明了平方反比力与椭圆运动的关系。 由开普勒三定律＋惠更斯向心力公式可以推出平方反比力（胡克、雷恩、哈雷），牛顿给出了逆命题。

37 牛顿（5） 万有引力：苹果落地的故事 1685年，使用微积分证明了，地球吸引外部物体，恰像全部质量集中在球心一样。
在哈雷鼓励下，1686年写出《自然哲学的数学原理》，哈雷出资于1687年出版 《原理》分导论和三篇。 导论包括定义、基本定理和定律，及相关的说明。绝对时空概念、运动合成法则、运动三定律、力的合成与分解法则、伽利略相对性原理

38 牛顿（6） 第一篇，解决引力问题，共14章 第1章，无穷算法 第2章，推导引力的平方反比式 第3章，反推
第4、5、6章继续讨论圆锥曲线的几何问题 第7章，扩充伽利略的落体运动定律 第10章，摆的运动 第11章，引力与质量成正比 第12章，球体质点的等效性证明 第14章，运用力学讨论光的折射和反射问题

39 牛顿（7） 第二篇，讨论物体在介质中的运动。批评笛卡尔的宇宙旋涡假说。 第三篇，论宇宙体系 论宇宙体系的原因 论月亮 论潮汐 论岁差 论彗星

40 牛顿（8） 英国诗人波普诗赞： 大自然和它的规律 隐藏在黑暗之中 上帝说：让牛顿去吧 一切使灿然明朗

41 牛顿（9） 如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上
我不知道世人怎么看，但在我自己看来，我只不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为比别人找到一块更光滑、更美丽的卵石和贝壳而感到高兴，而在我面前的真理的海洋，却完全是个谜。

42 本讲参考书 《科学的历程》第13－15章 丹皮尔《科学史》第3章 韦斯特福尔《近代科学的建构》 狄博斯《文艺复兴时期的人与自然》