近代科学革命

近代科学革命第六章近代科学革命一、什么是科学革命二、天文学革命：从日心说到行星运动三大定律三、力学革命：从伽利略到牛顿第2页,共35页，2024年2月25日，星期天一、什么是科学革命1.科学革命(ScientificRevolution)指的是16、17世纪在欧洲发生的一场思想巨变，从此人们的世界观和获取自然知识的方式发生了根本的变化。自古希腊以来人类思想所完成或经受的一场最为意义深远的革命。——柯瓦雷(1943)科学革命使基督教兴起以来的一切事物相形见绌，使文艺复兴和宗教改革降格到纯粹的插曲之列……它是现代世界和现代精神的真正起源。

——巴特菲尔特(1949)第3页,共35页，2024年2月25日，星期天对“科学革命”提法的反对意见科学革命是对哲学和科学的研究对象的一次先验性的再定义。——霍尔(1954)根本就不存在科学革命。……17世纪人口的压倒性多数并不生活在欧洲，也不知道他们生活在“17世纪”，更没有意识到一场正在发生的科学革命——夏平(1996)第4页,共35页，2024年2月25日，星期天2.天文学革命的主要事件(前后约100年)哥白尼(NicolausCopernicus,1473－1543)《天球运行论》(1543)第谷(TychoBrache,1546-1601)发现新星(1572)、观测彗星(1577)、提出第谷体系(1588)开普勒(JohanesKepler,1571-1630)《宇宙的神秘》(1596)、《新天文学》(1609)、《宇宙的和谐》(1619)伽利略(GalileoGalilei,1564-1642)《星际使者》(1610)、《关于太阳黑子的书信》(1613)、《试金者》(1623)、《关于两大世界体系的对话》(1632)、《关于两门新科学的对话》(1638)——《哥白尼革命(CopernicanRevolution)》，托马斯·库恩(1957)第5页,共35页，2024年2月25日，星期天二、天文学革命：

从日心说到行星运动三大定律第6页,共35页，2024年2月25日，星期天1.第谷的天文观测第谷的主要贡献1563年开始进行天文观测1572年11月1日发现新星(Nova)是恒星而非行星，打破了天上星体永恒不变的教条1577年观测彗星，证明比月亮遥远，打破了水晶天球结构第谷在他的天文台里观测(1587)1580－1597，在丹麦国王腓特烈二世赐给他的封地维汶岛有两座大天文台，还有自己的图书馆、实验室、造纸厂和印刷厂第7页,共35页，2024年2月25日，星期天1588年，提出第谷体系地球处于宇宙中心，月亮和太阳绕地球转动五大行星绕太阳转动不用考虑恒星视差不用考虑运动问题与哥白尼体系在数学上完全等价第8页,共35页，2024年2月25日，星期天第谷与开普勒1597年，第谷去德国治下的布拉格任神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的宫廷数学家1600年收开普勒为徒1601年10月24日去世第9页,共35页，2024年2月25日，星期天开普勒（Kepler，1571－1630)第10页,共35页，2024年2月25日，星期天2.开普勒行星运动三大定律早年的研究狂热的毕达哥拉斯主义－柏拉图主义者，崇拜太阳，崇拜数学的简单性，哥白尼学说的同情者《宇宙的神秘》(1596)：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特别是火星第11页,共35页，2024年2月25日，星期天行星运动三定律的提出1609年《新天文学》第二定律：面速度均匀(1609，以火星为例)第一定律：行星运动的轨道是椭圆1619年《宇宙的和谐》第三定律：周期的平方与距离的立方成正比。此定律对于方位天文学并无实际的意义第12页,共35页，2024年2月25日，星期天开普勒学说的意义“天空立法者”：用椭圆代替正圆，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。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。”第13页,共35页，2024年2月25日，星期天开普勒的重要贡献1618年《哥白尼天文学概要》，1627年《鲁道夫星表》，标志着天文学上的哥白尼革命已经完成一辈子穷困，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。第14页,共35页，2024年2月25日，星期天3.天文学革命留下的问题恒星视差问题地球运动所引起的眩晕问题太阳何以牵制诸行星的运动第15页,共35页，2024年2月25日，星期天三、力学革命：从伽利略到牛顿Galilei（1565-1642）第16页,共35页，2024年2月25日，星期天1.伽利略：“新时代的阿基米德”伽利略，1564.2.15生于意大利的比萨，原本学医，但却爱好数学，被誉为新时代的阿基米德；1589年25岁，比萨大学数学教授，1592年，帕多瓦大学数学教授。1642年1月9日去世，次年1月4日牛顿出生(新历)，乌尔班八世禁止为他树碑立传，1980年，罗马教会正式为伽利略平反。第17页,共35页，2024年2月25日，星期天1609年45岁，制造20倍望远镜1610年《星际使者》，月亮上的环形山，4颗木星卫星第18页,共35页，2024年2月25日，星期天伽利略与教会的冲突1611年，列入黑名单，1615年被人向宗教裁判所举报1613年《关于太阳黑子的信》宣称证明了哥白尼学说。1616年宗教裁判所把《天球运行论》确定为禁书，红主主教贝拉明本来对哥白尼学说作为一种数学工具表示理解1616年，伽利略收到贝拉明签署的一份证明，要求他不能“坚持或支持”哥白尼学说，但没有禁止“讲授”。第19页,共35页，2024年2月25日，星期天伽利略的重要著作1623年《试金者》。“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。”第20页,共35页，2024年2月25日，星期天1624－1630写作《两大世界体系的对话》意大利文书写三个人物的对话为哥白尼学说辩护，对亚里士多德－托勒密学说精彩的反驳总结了望远镜下的新发现，提出相对运动的概念。用地球的运动来解释潮汐1632年2月下旬，经过反复审查得以出版1632年秋传讯伽利略1633年4月12日受审，定为可疑的异教徒6月22日，当众悔罪7月监禁，12月送回佛罗伦萨由女儿照料，半盲第21页,共35页，2024年2月25日，星期天1638年《两门新科学的对话》在荷兰出版亚里士多德：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第22页,共35页，2024年2月25日，星期天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。”伽利略提出了思想实验，开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维（科学假设，数学推理和演绎）相结合，获得了突破性的进展。他被后人誉为近代物理之父、物理实验之父，是近代自然科学的创始人。第23页,共35页，2024年2月25日，星期天牛顿(1642－1727)第24页,共35页，2024年2月25日，星期天2.牛顿经典力学的确立牛顿的主要成就在数学上，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，发现了太阳光的复合性，发明了反射式望远镜缔造了牛顿式的机械自然观最后的炼金术士宗教狂热分子，神秘知识的信奉者牛顿发明反射望远镜第25页,共35页，2024年2月25日，星期天牛顿的科学发现历程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5月反流数运算(积分)，同年推出平方反比力公式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。第26页,共35页，2024年2月25日，星期天万有引力定律的发现万有引力：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。第27页,共35页，2024年2月25日，星期天《自然哲学的数学原理》（1687）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。就像一部数学专著一样《自然哲学的数学原理》第28页,共35页，2024年2月25日，星期天第一篇，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第29页,共35页，2024年2月25日，星期天第二篇，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第30页,共35页，2024年2月25日，星期天3.牛顿经典力学的评价牛顿经典力学的意义第一、实现了第一次物理学大综合。牛顿把地球上的物体运动与天上的天体运动都统一到万有引力定律基础之上，实现了人类对自然界的认识的“第一次大飞跃”。第二、导致了力学科学的革命。牛顿在建立力学体系的过程中的确继承了前辈和同时代科学家的诸多科学成果，是科学大综合，更是科学革命。第31页,共35页，2024年2月25日，星期天第三、推动了力学和其他学科的全面发展。它使天文学、力学的分支得以产生，对地质、机械等学科都有深远的影响。到了十八世纪和十九世纪上半叶，形成了“分析力学”、“固体力学”、“弹性力学”、“流体力学”等多种力学分支。第四、开创了理性新时代。它是文艺复兴以来科学革命的伟大成果，标志着古代人从对自然界的感性直观的认识进入到近代人的抽象理性认识的阶段。十八世纪法国哲学家伏尔泰把牛顿的《原理》巨著带到法国，法国百科全书派把牛顿力学作为唯物主义的自然科学基础。第32页,共35页，2024年2月25日，