牛顿时代的中国与欧洲天文观测与知识.doc

牛顿时代的中国与欧洲天文观测与知识摘要回顾了牛顿的一生，并对其所处时代做了一定的阐述，由此可看出，任何一种文明的产生都具有其实力的必然性。以此为线索，粗略介绍了17世纪至18世纪初，欧洲与中国在天文学方面的观测与知识，包括这时期伟大的天文学家以及他们所使用的先进的科学的观测仪器与方法，并对当时中国天文学状况做了一定分析。最后，通过品读那一时期的伟大的天文学家，对比当时欧洲与中国天文学领域的不同，反思当下中国发展，谈论了自己的一些看吧。一.牛顿其人及其所处时代牛顿，全名艾萨克牛顿（Isaac Newton），英格兰国籍，世界历史上最伟大最具影响力的科学家之一，是物理学家、数学家、哲学家。主要成就有万有引力定律和牛顿运动定律的提出，微积分的创立等。1.1.牛顿生平简介1643年1月4日（旧历1642年12月25日）出生于林肯郡乌尔索普。 1655年12岁 入格兰瑟姆中学学习。 1661年19岁 6月15日入剑桥大学三一学院学习。 1665年24岁 发现二项式定理。 1665年1666年24岁 因鼠疫流行回到家乡，对光学、力学、数学有多方面的研究突破。 1668年26岁 制成反射式望远镜。 1669年27岁 著论用无限项方程所作的分析，任卢卡斯讲座教授。 1671年29岁 著级数和流数方法论著。 1672年29岁 1月当选为皇家学会会员，宣读关于光和颜色的理论的论文。 1684年42岁 会见哈雷，证明引力平方反比定律。 1686年1687年44岁 著自然哲学的数学原理。 1689年47岁 母亲去世 1700年57岁 发明六分仪。 1727年3月20日84岁 逝世1.2.牛顿生活时代简介1.2.牛顿生活时代简介1.2.1政治方面牛顿生活时代为十七世纪中期到十八世纪前期，此时是殖民主义迅速发展的一个阶段。在1640年，英国率先发起资产阶级革命，历时十多年终于建立了全世界范围内第一个君主立宪制的资本主义国家，确定了相对较为完善的资本主义制度。随后，英国开始发起大规模的殖民侵略，相继打败荷兰，葡萄牙，法国成为最大的殖民国家。尤其在海上，英国树立了其霸主地位，开始在世界范围倾销货物，大肆聚敛财富，为18世纪的工业革命爆发奠定了殷实的基础。1.2.2文化艺术方面17世纪的欧洲文化艺术在文化发展史上也是非常重要的一个阶段，上承文艺复兴，下启欧洲19世纪文化大繁荣。其中， 巴洛克艺术影响了后来的罗可可艺术，影响了19世纪的浪漫主义、印象主义以至20世纪的野兽派和表现派 ；学院派古典主义影响了后来的新古典主义和立体派美术等；现实主义艺术倾向，对后来的18世纪市民艺术、19世纪的现实主义也都有着明显的影响。 1.2.3自然科学方面17世纪的欧洲，漫长的中世纪已经结束，文艺复兴带来了人们的觉醒，束缚人们思想自由发展的烦琐哲学和神学的教条权威逐步被摧毁了。封建社会开始解体，代之而起的是资本主义社会，生产力大大解放。资本主义工场手工业的繁荣和向机器生产的过渡，促使技术科学和数学急速发展。在天文学，首先是丹麦天文学家第谷与开普勒进行大量的天文观测，总结出了行星运行三大定律，随后牛顿提出万有引力定律。在数学方面，意大利科学家伽利略主张自然科学研究必须进行系统的观察与实验，充分利用数学工具去探索大自然的奥秘，在当代一些数学家共同努力下提出了小树虚数对数极大发展了代数学，尤其是变量数学以解析几何的简历为起点，接着是微积分学的勃兴。几何学方面，尤以笛卡尔为代表，引入了革命性的思想，对后世数学作出了巨大贡献。1.2.4宗教与哲学16世纪到17世纪的欧洲，基督教进行了一次宗教改革，分割成了新教与旧教两派。这一改革对于整个欧洲来说无疑具有极其伟大的意义，在宗教改革之前，教会不仅控制了普通民众的思想，还高高凌驾于世俗王权之上。宗教改革打破了罗马天主教会的转转局面，衍生了许多不同的新教教派，并和不同民族的国家相结合，使各个王国迅速发展壮大。例如，英国的圣公会的建立使英国的民族国家和君主专制得到强化，为后来的英国资产阶级革命奠定了社会基础。欧洲的各个国家也因为各自的宗教信仰而加强了民众的民族意识和国家的精神凝聚力。虽然宗教改革派进行改革的初衷只是反对罗马天主教会，但是这场改革无形中给欧洲带来了自由、宽容的新气息，从最初对不同信仰的包容到后来对不同政见的包容，这场宗教改革促进了欧洲政治、经济等方面的进步。在哲学方面，由于自然科学的极大发展，相当大程度影响了哲学体系。首先，哲学广泛吸取了试验自然科学的成果，丰富了自己的内容，克服了古代哲学的朴素性。但还不可能完全正确解决物质和意识的关系等问题，带有神学上的不彻底性。其次哲学家门把当时自然科学中流行的分析方法提升为哲学方法论，是这个时期的哲学具有形而上学的性质。再次，力学的发展，使这个时期的唯物主义哲学具有机械性的特点。自然科学对哲学发展的另一个重大影响，是极大的促进了哲学认识论的研究二.牛顿对世界贡献牛顿，英国皇家学会会员，是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在1687年发表的论文自然哲学的数学原理里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒之原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿发明了微积分。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。在2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比爱因斯坦更具影响力。牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿原理一书中集中体现了以下几种科学方法：实验理论应用的方法。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。 分析综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。归纳演绎方法。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。物理数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。三.牛顿时代欧洲天文观测与知识牛顿时代，即十七世纪中至十八世纪初，欧洲的天文学得到了空前的发展，这其中涌现出了大量天文学家，并创立了一些列先进的科学的严谨的天文观测方法与仪器，他们为天文学的发展作出了不朽的贡献。3.1.著名天文学家17世纪的欧洲在历史舞台上，揭开了近代史的序幕。这一时期，天文学、物理学、数学等科学都取得了很大发展。在创立天文学方面，有四位杰出的科学家：波兰的哥白尼、德国的开普勒、意大利的伽利略和英国的牛顿。哥白尼的天体运行论标志着自然科学从神学中分离出来。“科学的发展从此便大踏步前进”（马克思语）。开普勒是继哥白尼后第一个采纳太阳中心说的重要科学家，他证明、发展和修正了哥白尼的设想，发现了行星运动的三条定律，总称“开普勒定律”。而伽利略则是第一个把望远镜用于观察天空的人，他从望远镜的观察的结果证实了哥白尼的设想。牛顿的万有引力定律更是将天文学推向一个全新的领域。除上述等人，另外还有一大批天文学家在此时作了大量工作，对天文学的发展添上浓重的一笔。例如赫维留对太阳黑子作辛勤观测，因而定出相当准确的太阳自转周期。他提出的光斑一词一直沿用至今。1647年发表第一幅比较详细的月面图 ；1701年出版了他编制的赫维留星表。荷兰天文学家惠更斯发现了土星的光环和第一颗卫星。他的关于向心力的工作对牛顿万有引力的发现起了重要的作用；他创造的天文摆钟、复合目镜等对天文仪器的进展有重要意义 ；他还阐明了布鲁诺提出的恒星都是宇宙里的太阳的正确主张。原籍意大利的法国天文学家卡西尼虽然不接受哥白尼学说，但是仍然致力于行星的卫星观测。他发现了土星的四个卫星和土星光环中的暗缝，刊布了第一份木星卫星历表，为在海上测定经度的工作提供了重要条件。罗默这位丹麦天文学家在巴黎天文台工作期间，通过对木卫掩食的研究发现光速的有限性，并首次测得光速值。在这个基础上，后来布拉得雷才能发现光行差为日心说提供了有力的证明。这些科学家都摈除了对权威和演绎推理法的依赖，而强调对自然的直接观察与实验。对天文学的发展科学的推进作出了不可磨灭的贡献。3.2.各种观测仪器与方法在上述这些伟大的天文学家对浩瀚的宇宙尝试做出一定解释的时候，势必需要借助于各种观测仪器与方法，我们且来看看。3.2.1第谷的天文台与仪器第谷布拉赫（Tycho Brahe），1576年在丹麦王腓特烈二世的资助下，他在汶岛上建立一所宏大的天文台，称之为天文堡。在那儿他坚持了二十多年的天文观测。1599年到布拉格，任鲁道夫二世的御前天文学家。第二年，他邀请开普勒来当助手。1601年10月24日第谷逝世。在最后日子里，他将自己生平积累的观测资料赠给开普勒。 第谷曾提出一种介乎托勒密的地心体系和哥白尼的日心体系之间的宇宙体系。他认为地球在宇宙中心，静止不动,行星绕太阳转,而太阳则率领行星绕地球转。3.2.2赫维留的仪器赫维留(Jahannes Hewelius，1611-1687)，波兰天文学家。于1641年在但泽建立了自己的天文台。赫维留星图中恒星的位置全部来自他自己的观测资料，他还出版了包括1564颗肉眼可见的恒星的星表。赫维留的星图和星表的精度达到了肉眼观测的极限，他的星表也是最后一部用肉眼观测的星表。赫维留星图的绘制极为精美，造型极为生动，具有极高的艺术价值。赫维留在其星图之中设立了10个新的星座，其中狐狸座、小狮座、盾牌座、蝎虎座、山猫座、六分仪座、猎犬座一直延用至今，另外3个星座已经消失了。3.2.3计时器计时器在14世纪中期就已出现，但不够准确可靠。后来伽利略想到把单摆的均匀性用于改进时钟。1657年惠更斯取得了摆钟专利，并于1659年设计了用于精准计时确定经度的航海钟。1660年，胡克发明了游丝。1675年克雷门特发明了锚状擒纵器。时钟的精密化为天文学家提供了一种准确测定赤经的方法。3.2.4望远镜一般认为荷兰眼镜制造商利佩希和詹森发明了望远镜。伽利略在1609年访问威尼斯时听说荷兰人制成了自己的望远镜，回到意大利很快利用光学原理制成自己的望远镜，在1609年到1610年期间，他用自制的望远镜做观测，发现了金星相位等。从此，几乎每位天文学家都想拥有自己的望远镜。1610年球，开普勒设计出了天文望远镜。1618年前后，耶稣会士沙伊纳制成了观测日斑的投影望远镜。1668年，牛顿采用球状镜面制成了没有色差的反射望远镜。3.2.5测微仪测微仪的发明使观测者能够在望远镜的视场中测量微小的距离。按照弗拉姆丝提（1646-1719）得的说法，盖斯科因在1640年将螺旋测微计引入5f铁象限仪的望远镜。在盖斯科因早逝后，汤利该种这种测微计，采用双重螺纹的螺旋。螺旋和刻度盘的制造精度决定了测微计的读数效果。3.2.6象限仪的发展、天顶仪17世纪，观测赤纬的象限仪装上了望远镜和测微仪。巴黎的朗格炉瓦的作坊在1732年味卡西尼第二制成了6f墙象限仪，1742年为卡西尼第三制成了6f象限仪和50天顶仪。为了做视差和光行差等观测，格雷厄姆于1725年为莫利纽克斯制造了一架高质量的24f天顶仪。3.2.7子午仪、中星仪、显微镜读数等罗默在1681年回到哥本哈根，为了观测恒星，他非常重视测定赤经和赤纬，1689年请人帮他制造了machina domestic，即子午仪，用于测定赤经和赤纬。格雷厄姆在1730年前后制造了做弧度测量的中星仪。到1770年，只有少数天文台没有中星仪了。3.3.取得的成就17世纪，由于其特殊的时代背景，在欧洲诞生了许多伟大的科学家与科学研究。这其中就包括了天文观测知识。归结起来看，当时的天文学重大成就在于全盘否定了教会用以统治人民的地心说，人们开始接受地心说这一正确理论。在此基础上，自然科学与宗教与哲学彻底分家，人们的思想也获得空前的解放，开始崇尚科学热爱科学研究科学，于是也就有了后来第谷伽利略等人继续的努力，有了开普勒的行星运行规律，有了牛顿的万有引力定律，有了哈雷彗星的研究，并由于天文学复杂庞大的计算所需，产生个一系列数学新方法，最具影响力的属牛顿莱布尼兹的微积分。应该说，这段历史，不光在天文学，在整个科学史，甚至在人类发展史上，都具有非常重要的意义，具有卓越的贡献。四.牛顿时代中国天文观测与知识17世纪的欧洲已经发生了翻天覆地的变革，在天文学领域取得了如此巨大的成就，科学开始飞速发展，让我们目光回到中国，看看当时的中国是怎样的情形。4.1.背景简介 我们知道，17世纪，正值中国内战，明朝灭亡，代之以清政府的建立。这期间生灵涂炭民不聊生，思想文化经济科学都受了极严重的摧残。好在清政府于1644年入关以后，积极发展生产，经济文化都有了一定程度的发展，尤其在康熙年间，统治者们放宽政策励精图治，使得清朝成为了当时世界上幅员最辽阔，人口众多，经济最富庶的帝国。在科学方面也取得了一些成就，这其中就包括了天文学。随着传教士的大量到来，将西方的科学技术带入中国，致使中国少数士大夫开始认识到西学之中有其优于中国之处，尤其是其中的天文历法，算术等在当时社会广为流行。4.2.十七世纪中国天文学发展早期来华的意大利人利玛窦(1583年来华)，曾多次向欧洲报告中国对天文知识的兴趣和需要。在他的影响和请求下，后来来华的耶稣会士大都懂得一些天文学知识，有些甚至受过专门的训练。他们所介绍的欧洲天文学知识受到当时进步知识分子的欢迎，并加以翻译和介绍。早期出版的有关欧洲天文学知识的著作有：浑盖通宪图说(1607年)、简平仪说(1611年)、表度说(1614年)、天问略(1615年)、远镜说(1626年)等。这些著作多数是介绍欧洲的天文仪器。中国学者除参与翻译和介绍欧洲天文知识外，还向耶稣会士学习了欧洲天文学的计算方法。因此，万历三十八年(公元1610年)，徐光启得以用西法预报这一年十一月朔(12月15日)的日食。经观测证明，这个预报比较准确，因而引起人们对西法的注意。崇祯二年五月乙酉朔(公元1629年6月21日)日食，钦天监的预报又发生明显错误，明朝政府决心改历，命令徐光启在北京宣武门内组成百人的历局，聘请耶稣会士邓玉函、罗雅谷、汤若望等参加编译工作，经过五年的努力，成书137卷，命名曰崇祯历书。崇祯历书与中国古代天文学体系最显著的不同是：采用第谷的宇宙体系和几何学的计算系统；引入地球和地理经纬度概念；应用球面三角学；采用欧洲通行的度量单位，分圆周为360度，分一日为96刻，24小时，度和时以下采用60进位制。崇祯历书于1634年编成后，未曾颁行。1644年清军入关后，汤若望把这部书删改压缩成103卷，更名为西洋新法历书，进呈清政府。清政府任命汤若望为钦天监监正，用“西洋新法”编算下一年的民用历书，命名为时宪历。从此以后，除了在康熙三年到七年(公元16641668年)，因杨光先的控告，汤若望被钦禁时期外，直至道光六年(公元1826年)为止，清政府都聘用欧洲传教士主持钦天监。这期间钦天监做的主要工作有以下三项：康熙八年到十二年，南怀仁(1659年来华)负责制造了六件大型第谷式古典仪器（现存北京古观象台），并编写了一部说明书，即灵台仪象志；康熙六十一年，在修改西洋新法历书的基础上，编成历象考成一书；乾隆七年(公元1742年)又编成历象考成后编10卷，第一次应用了开普勒行星运动第一、第二定律，但是在椭圆焦点上的是地球而不是太阳。清政府除组织钦天监主编这些图书以外，在康熙和乾隆年间还组织过两次大规模的测量工作。康熙四十七年到五十七年间进行的一次，在全国测量了630多个地方的经纬度，建立了以北京为中心的经纬网；决定以工部营造尺为标准，定1800尺为1里，200里合地球经线1度，这种使长度单位与地经线1度的弧联系起来的方法，在世界上是一个创举，比法国制宪会议关于以地球经圈的四千万分之一弧长为1米的决定早80年。在这次测量中还发现，3839之间每度的弧长较4147之间每度的弧长短，6内就相差258尺：就是在4147之间，每度弧长的里数也不相同。这是世界上第一次通过实地测量获得的地球为椭球体的资料。在清代，还有一批民间天文学家，他们采取严肃的治学态度，无论是对于古代的东西，还是外国的东西，都细心钻研，有所批判，有所发展，在中西天文学的融合上作出了应有的贡献。其中著名的有薛凤柞、王锡阐、梅文鼎、薛凤柞，他们在翻译西方天文学著作的基础上，著有历学会通等十余种书，除介绍一般理论外，还系统地、详尽地介绍了各种计算天体运动的方法。为了计算方便，他把60进位制改成10进位制，为此重新编出三角函数等数学用表。王锡阐与同时代的薛凤柞有“南王北薛”之称，但王的成就比薛要大，他著有晓庵新法和五星行度解。在前一书中他提出金星凌日的计算方法，并改进了日月食的计算方法；在后一书中推导出一组计算行星位置的公式，计算结果准确度较前为高。梅文鼎著述较多，在普及天文知识方面很有贡献。他和江永等人在研究行星运动的过程中萌发了引力的思想，江永说得尤为清楚：“五星皆以日为心如磁石之引针。”梅文鼎以后的乾嘉学者，在天文学方面的主要贡献是运用当时的天文知识对经书和史书中的天文资料进行训诂、校勘、辨伪、辑佚等考据工作，使许多疑难混乱的资料得到一番清理。其中重要的有李锐对汉代三统历、四分历和乾象历进行了研究；顾观光对古六历和周髀算经进行了研究。此外，阮元等编撰了畴人传，汪曰祯著有历代长术辑要。这些都是有益于天文学史研究的工具书。此外，与此同时，欧洲的先进的天文观测仪器与方法也传入中国，中国的天文观测仪器也开始欧化。这其中就包括，1669-1674年耶稣会士南怀仁为北京观象台设计制造了六架欧洲式天文仪器，使中国天文仪器的精度达到了空前的水平。1713-1715年，纪理安为观象台添造了一架欧洲风格的地平经纬仪。1745-1754年，戴进贤、刘松龄和他们的中国合作者制造了一架玑衡抚辰仪。它遵循中国浑仪的结构旧制，采用了南怀仁用过的刻度制、零件结构和制造技术，本质上属于复古的设计。4.3.对十七、十八世纪中国天文学盛况的分析天文学一向是中国古代自然科学中最发达的学科之一，但在明代却趋于衰落。然而从明末开始，天文学又再度繁荣，而且在规模、程度等方面都远出历代之上。这其中表现出了三个特点：第一，天文学研究空前盛行；第二，天文学重心第一次转入民间；第三，与传统信念产生激烈冲突。就地一个特点来看，在清代，天文历法之学风靡一时，上至皇帝下及布衣，凡知识分子皆以通宵天文为荣。在随后1772年编纂的四库全书中收录的天文学著作中，74%产于17世纪至十八世纪中期，且远高于其他学科。当时社会对天文学的偏好可见一斑。从第二个特点天文学重心第一次转入民间来看，这是一大进步。中国古代把天象观测和星宿占卜成为天文，历朝都禁止民间私习。而从清朝开始，这一禁令被取消，导致当时出现两种现象：一是清代声望最高、成就最大的天文学家竟然都是布衣，如王锡阐，梅文鼎，江永，薛凤祚等，宫廷中能与他们比肩者竟无一人。二是民间天文学家人数在天文学家总数中所占比超高，80%以上天文学家出自民间。第三个特点与传统信念激烈冲突。西方天文学在明末输入中国，至清初取代了传统的天文学方法，在此过程之中产生中西优劣之争是很自然的。按照中国传统，颁布历法是一个王朝实施其统治的象征，是一件极神圣的事，只有用中国文明教化改变异族，而决不能相反。由此也就引发了冲突。值得一提的是，摆脱这一冲突的方法颇为巧妙：论证“西学中源”说。这种学说认为，西方的天文学和数学是中国古代“周髀盖天之学”传入西方后发展起来的。既然西方天文学源于中国，他之所以比中法先进，只是因为中国古法失传而在西方得到了发展，那么现在在使用西方天文学就不是“用夷变夏”，而成了“旁搜博采以续千百年之坠绪，亦礼失求野之意也。”这套说法受到许多士大夫的热烈欢迎，并陶醉其中。五.个人陋见解读历史人物，每次都为他们所倾倒。除了深感自己卑微，就是对他们无限的崇敬与怀念。当然这并非让我们品读历史人物的初衷，解读历史，解读伟人，最具现实意义的莫过于从中领略和学习那些经实践检验过了的正确的哲理与方法，引古博今、古为今用这才是我们的初衷。通过最近的了解与学习，就牛顿时代的科学与世界，我个人有以下几点陋见。第一，但凡大科学家无一不是十分勤奋的。正如爱迪生所说：“所谓天才，那都是假话，勤奋的工作才是实在的。”“ 天才就是1%的灵感加上99%的汗水，相应地天才常常是那些做好了所有功课的人。”(Genius is one percent inspiration and ninety-nine percent perspiration. Accordingly, a genius is often merely a talented person who has done all of his or her homework.)个人认为，在那些能够影响几个世纪的伟大科学家众多品质之中，勤奋是排在第一位的。没有勤奋的思考，勤奋的实验，勤奋的观察记录，莫说是改变世界，能改变自己也困难。第二，正确的认识论和方法论是必不可少的。前者是你对事物的认识，后者是对这一事物怎么办。在17世纪之前，由于各种局限，人们不能够正确认识客观世界，认为世界是神创造，是上帝在掌控等等，从而迷信于其中导致思想的禁锢，生产力得不到大的发展。纵观人类发展，如今是21世纪，我们从17世纪分割，17世纪之前