《科学思想史》PPT课件.ppt

科学思想史 科学思想史 第五章16至18世纪的科学思想 第一节近代自然科学产生的历史背景 第二节天文学革命和新的宇宙观 第三节牛顿的科学思想 第四节机械论思潮及其在科学领域的影响 第六节科学的社会建制 第五节化学和生物学 医学思想 第一节近代自然科学产生的历史背景 二 古典学术的复兴 三 宗教改革 近代科学产生的两个前提 1 在人类认识活动中恢复人的主体地位 充分运用人的理性 排除神的干扰 2 研究对象有神学转向自然 依靠人的力量认识自然 一 地理大发现 一 地理大发现 地理大发现 是西方史学对十五到十七世纪欧洲航海者开辟新航路和 发现 新大陆的通称 地理大发现是由四次著名冒险远航开始的 好望角 1 1487 1488年 葡 迪亚士 2 哥伦布 克里斯托弗 哥伦布 145l 1506年 是西班牙著名航海家 是地理大发现的先驱者 他在1492年到1502年间四次横渡大西洋 发现了美洲大陆 他也因此成为名垂青史的航海家 公元1492年 意大利人哥伦布 公元1451 1506年 受西班牙国王之命 另辟路途向西横渡大西洋发现加勒比海诸岛 西印摩群岛 接着是三次西航 踏上中南美大陆的一些地方 他误认为那里就是印度 后来西班牙人得知这里并不是印度 而是一片新发规的大陆 好望角 1492年 意 哥伦布 America America America 哥伦布的远航是大航海时代的开端 新航路的开辟 改变了世界历史的进程 它使海外贸易的路线由地中海转移到大西洋沿岸 从那以后 西方终于走出了中世纪的黑暗 开始以不可阻挡之势崛起于世界 并在之后的几个世纪中 成就海上霸业 3 达 伽玛 瓦斯科 达 伽马约公元1460 1524年 系15世纪未和16世纪初葡萄牙航海家 也是开拓了从欧洲绕过好望角通往印度的地理大发现家 由于他实现了从西欧经海路抵达印度这一创举而驰名世界 并被永远载入史册 1497年7月8日 瓦斯科 达 伽马奉葡萄牙国王曼努埃尔之命 率领四艘船共计140多水手 由首都里斯本启航 踏上了去探索通往印度的航程 4月1日当船队抵达今肯尼亚港口蒙巴萨 5月20日到达印度南部大商港卡利卡特 新航路的开辟 1497 1498 葡 达 伽马 好望角 4 麦哲伦 公元1519年 西班牙人麦哲伦 公元1480 1521年 率领一支艇队做环球航行 绕过美洲大陆南端 经麦哲伦海峡 横渡太平洋 到达菲律宾群岛 麦哲伦本人在一次同当地士著居民的冲突中被杀 他的同伴继续前进 经马鲁古群岛 大体上循葡萄牙人所经过的航线 于公元1522年回到了西班牙 1519 1522年 葡 麦哲伦 好望角 麦哲伦海峡 麦哲伦的突出贡献不在于环球航行本身 而在其大胆的信念和对这一事业的出色指挥 他是第一个从东向西跨太平洋航行的人 他以3个多月的航行 改变了当时流行的观念 从新大陆乘船向西只消几天便可到达东印度 麦哲伦船队的环球航行 用实践证明了地球是一个圆体 不管是从西往东 还是从东往西 毫无疑问 都可以环绕我们这个星球一周回到原地 这在人类历史上 永远是不可磨灭的伟大功勋 4 地理大发现在科学思想史上的意义 1 地理大发现大大增加了人类的知识 哥仑布发现了新人种 新植物及其他新现象 麦哲仑发现了麦哲仑星云 哥仑布发现了指南针的指向会随地点而变化 2 地理大发现带动了许多学科的发展 地理学 地图学 航海学 天文学 3 地理大发现拓宽了人们的视野 为即将发生的科学革命扫清了心理障碍 二 古典学术的复兴 1 文艺复兴运动 从14世纪中期到16世纪末 文艺复兴最初出现在意大利的城市 国家中 后来向欧洲其他地区扩散 持续时间大约在两个半世纪左右 新文化建立在重新大量发掘希腊文 拉丁文著作 传播重大科学成果和优秀艺术作品的基础之上 文艺复兴开始 文化的觉醒就首先表现在重新返回古代 对古典的希腊 罗马价值观进行深入研究 重新肯定人的价值 表现出前所未有的对人的注意 描写人 歌颂人 把人放在宇宙的中心 文艺复兴 名义上是为了恢复古典的文学艺术 实际上是当时新兴资产阶级借此名义来发展科学技术 要求在思想上摆脱封建主义的束缚 要求关心人 尊重人 一切以人为中心 给人以个性自由和人身自由 强烈反对以神为中心的封建教义 反对人一出生就有罪的说法 认为人是伟大的 人应享用人生的快乐 人应该掌握自己的命运这样 人们的思想从教会的精神枷锁中终于解放出来了 人们终于可以充分自由地发挥自己的聪明才智了 人们在学习古希腊文化的基础上 注入自己的思想感情 创造出许多辉煌的艺术精品 当时文艺复兴的最大中心是意大利的佛罗伦萨 以意大利为中心 文艺复兴的浪潮席卷了全欧洲 在一些著名的文学家 艺术家 科学家的推动下 文艺复兴使中世纪的文化失去了光彩 极大地推动了社会历史的进程 文艺复兴预示中世纪 黑暗时代 的结束 也表明人类对自由平等的美好社会的永恒追求 文艺复兴增进了人对自然观察的兴趣 通过对自然的研究 科学研究开始走向重视实验的道路 所以 它不只是一场复兴古典文化的运动 更是一场新时代的启蒙运动 导致了欧洲历史转折 思想解放 学术发达 巨人辈出 开创了人类历史长河中的一个光辉时代 这幅图描绘了文艺复兴时期科学的发展情况 从图中可以看出 当时算术已经很进步 人们可以进行复杂的运算 图中右上角人手中拿的三角板 圆规等 它象征着几何学的进步 现收藏在佛罗论萨的国家中央图书馆 2 达 芬奇 莱昂纳多 达 芬奇 Leonardodavinci 1452 1519 是意大利文艺复兴时期第一位画家 也是整个欧洲文艺复兴时期最杰出的代表人物之一 他是一位思想深邃 学识渊博 多才多艺的艺术大师 科学巨匠 文艺理论家 大哲学家 诗人 音乐家 工程师和发明家 他在几乎每个领域都做出了巨大的贡献 后代的学者称他是 文艺复兴时代最完美的代表 达 芬奇反对经院哲学家们把过去的教义和言论作为知识基础 他鼓励人们向大自然学习 到自然界中寻求知识和真理 他认为知识起源于实践 只有从实践出发 通过实践去探索科学的奥秘 他说 理论脱离实践是最大的不幸 实践应以好的理论为基础 在天文学上 达 芬奇认为地球不是太阳系的中心 更不是宇宙的中心 而只是一颗绕太阳运转的行星 太阳本身是不运动的 达 芬奇还认为月亮自身并不发光 他只是反射太阳的光辉 在物理学方面 达 芬奇重新发现了液体压力的概念 提出了连通器原理 他发现了惯性原理 使亚里士多德的落体学说产生了动摇 他发展了杠杆原理 除推导出作用力与臂长关系外 还算出了速度与臂长的关系 他指出了 永动机 作为能源的不可能性 达 芬奇还预示了物质的原子原理 形象生动的描述了原子能的威力 达 芬奇在解剖学和生理学上也取得了巨大的成就 被认为是近代生理解剖学的始祖 他掌握了人体解剖知识 从解剖学入手 研究了生理学和医学 他最先采用蜡来表现人脑的内部结构 也是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人 他发现了血液的功能 认为血液对人体起着新陈代谢的作用 他说血液不断的改造全身 把养料带到身体需要的各个部分 再把体内废物带走 达 芬奇研究过心脏 他发现心脏有四个腔 并画出了心脏瓣膜 他认为老年人的死因之一是动脉硬化 而产生动脉硬化的原因是缺乏运动 后来 英国的威廉 哈维证实和发展了达 芬奇的这些生理学成果 达 芬奇的研究和发明还涉及到军事和机械方面 他发明了飞行机械 直升飞机 降落伞 机关枪 手榴弹 坦克车 潜水艇 双层船壳战舰 起重机等等 他还在数学领域和水利工程等方面作出了重大的贡献 可以说 达 芬奇的研究涉及到自然科学的每一部门 他的思想和才能深入到人类知识的各个领域 他是世界上少有的全面发展的学者 但是达 芬奇的大多数著作和手稿都没有发表 直到他逝世后多年才被世人所发现 科学史家丹皮尔这样评论达 芬奇 如果他当初发表他的著作的话 科学本来一定会一下就跳到一百年以后的局面 3 文艺复兴运动对科学发展的影响 1 人文主义文化对人的价值和人性的赞扬 使人摆脱了对神的力量的恐惧和依赖 并建立起依靠自己的力量认识自然 驾驭自然的信心 人的高贵 就其许许多多成果而言超过了天使的高度 但丁 2 文艺复兴运动中的自然主义倾向把认识的对象和引证的内容由神转向自然 在科学中排除了神的干扰 自然是一切可靠权威的最高向导 达 芬奇 3 人文主义文化推崇理性反对蒙昧的斗争 使人在认识中的主体地位得到重新确认 知识是信仰的奴仆 经院哲学家安瑟伦 4 人文主义文化开创了研究自然的新发现 补充了观察 实验的新气氛 三 宗教改革 宗教改革是16世纪首先在德意志爆发 随后席卷西欧的社会政治运动 倡导者 马丁 路德 马丁 路德像 克拉纳赫 油画 1472 1553 马丁 路德所译德文 旧约 卷首插图 1517年 当教皇派人到德意志兜售免罪符时 马丁 路德起来戳穿了免罪符的欺骗性 从而引发了宗教改革运动 免罪符 又叫赎罪券 是16世纪天主教会为敛取金钱而印发的一种符券 教士宣场说 买了它 有罪的人就得到了教皇的赐福 因而免于 上帝 的征罚 还说只要买者的钱落入钱柜 叮当一响 已死罪人的灵魂马上就飞升天堂 宗教改革对科学发展的影响 1 新教对科学研究采取宽容的态度 认为研究自然哲学和信仰上帝并不矛盾 不研究上帝 怎么赞美他老人家呢 2 新教要求人们重视世俗活动 强调人类经验和理性是信仰和行为的基础 第二节天文学革命和新的宇宙观 一 哥白尼革命 二 天文学革命的完成 一 哥白尼革命 一 哥白尼简介哥白尼 NicolausCopernicus1473 1543 波兰人 哥白尼是杰出的天文学家 同时 他兴趣广泛 精通多种语言 对神学和教会法也有深刻的了解 他还是著名的医生 机械师 在数学 地理学 文学 绘画方面也是第一流的学者 他对经济学也颇有研究 哥白尼18岁时到波兰首都克拉科夫的雅盖隆大学学习 23岁时到文艺复兴的中心意大利求学 在此期间他曾访问过达 芬奇 1506年回到波兰 此后的30余年 他一直在教会任职 在这一期间 他完成了著名著作 天体运行论 天体运行论 初稿曾于1512 1516年 1525年和1540年作了三次重大修改 1543年正式出版时 他已神志不清 不久便与世长辞了 在 天体运行论中 哥白尼深刻地剖析了托勒密的学说 澄清了许多错误的认识 同时对亚里士多德的运动理论也在全面分析的基础上加以否定 他认为 地球同其他天体一样 都具有引力和匀速圆周运动 并无特殊之处 二 天体运行论 与日心说 1 哥白尼论述了地动说 哥白尼的日心说认为 太阳是宇宙的中心 并规定地球有三种运动 即绕轴的自转 绕太阳的公转和用以解释二分岁差的地轴的回转运动 2 太阳是宇宙的中心 3 哥白尼确定了太阳系各行星的排列次序 4 哥白尼指出月亮是地球的卫星 三 哥白尼学说的科学意义 哥白尼的日心说完成了近代科学观点的第一次重大转变 影响了人们的思想和信仰 引起了人们观念的变革 一 日心说向人们证实了观察 实验在科学中的作用 二 日心说体现了希腊理性主义的传统和追求简单性 完美性的原则 三 哥白尼树立了敢于藐视权威 挑战权威的榜样 歌德 哥白尼的学说撼动人类之深 自古无一种创见 无一种发明可与之相比 自古以来 没有这样天翻地覆地把人类的意识倒转过来 因为若地球不是宇宙的中心 那么 无数古人相信的事物将是一场空了 谁还相信伊甸的乐园 赞美诗的颂歌 宗教的故事呢 四 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 GiordanoBruno 1548 1600 二 天文学革命的完成 从十六世纪哥白尼的革命开始 天文学逐步的摆脱了宗教的束缚 开始形成一门近代科学 它从主要单纯描述天体位置和运动的古典方位天文学 天体测量学 向着寻求这种机械运动的内在规律及其力学原因的天体力学发展 一 第谷 布拉赫 第谷 布拉赫 TychoBrahe1546 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 1597年 第谷去了德国布拉格 收开普勒为徒 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 第谷体系与哥白尼体系的比较 二 开普勒 开普勒 JohannesKepler 1571 1630 是德国近代著名的天文学家 数学家 物理学家和哲学家 他以数学的和谐性探索宇宙 在天文学方面做出了巨大的贡献 开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说 并在天文学方面有突破性成就的人物 被后世的科学史家称为 天上的立法者 1 开普勒其人 2 开普勒三定律 第一定律 轨道定律 所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运动 第二定律 面积定律 行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积 1609年 2 开普勒三定律 第三定律 周期定律 行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方 1618年 我就是为了这个而同第谷合作 现在我终于揭示了它的真相 认识到这一真理 真是超出我最美好的期望 大事告成 书已经写出来了 可能当代就有人读它 也可能后世才有人读 甚至可能要等待一个世纪才有读者 就像上帝等了6000年才有信奉者一样 开普勒 3 开普勒的意义 开普勒的成就的取得 一是因为他坚持科学应独立于一切哲学和神学之上的信念 二是他推崇假说及推论必须经过实践检验的实证精神 不少科学史家把天文学革命的发端归功于开普勒而不是哥白尼 因为哥白尼虽然打碎了上帝的统治 却没能突破旧哲学的框架 是开普勒采用椭圆和非均匀运动 从而从根本上权威和传统 1 开普勒克服了哥白尼学说的先天不足 抛弃了毕达哥拉斯先入为主的观念 丰富和发展了哥白你的天文理论 建立了新的方法论体系 2 开普勒以数量关系为基础 解释天体的本质 开辟了一个广阔的研究领域 天已动力学 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 三 伽利略 伽利略 1564 1642GalileoGalilei 意大利物理学家 天文学家 数学家 被称为 近代科学之父 1564 2 15生于比萨 米开朗其罗3天前逝世 1589年 比萨大学数学教授 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 同年牛顿出生 1 运动理论 在1590年 伽利略做了两个相同大小的铁球和木球 从4562m的斜塔顶上使两球同时下落 结果铁球和木球同时落地 他又从不同高度重复这一实验 都证实了下落运动与物体的具体特征无关 伽利略利用如图1 1所示的图解方法求出了从静止开始的匀加速运动的距离s与时间t的关系 图1 1匀加速运动的图示 图中AB表示时间 横线表示各时刻的速度 面积ABE表示所通过的距离 显然这个面积与矩形ABFG的面积相等 FB为末速度的一半 即平均速度 这里不包含任何瞬时值 这样 只要直接测定s和t就行了 由此不难得出 匀加速运动通过的距离与时间的平方成正比 即 伽利略发现落体的运动速度越来越快 他希望知道速度的加快遵循怎样的数学规律 但因落体运动太快 当时没有相应的测时仪器 无法直接研究落体的运动 因此 他大胆地设想了一个间接的证明方法 斜面实验 在伽利略的落体运动定律的形成过程中 斜面实验起过重要的作用 为了 冲淡重力 减缓下落运动 意即 减小 引力对小球的运动方向的作用 为了取得更精确的结果 伽利略进行了著名的斜面实验 他在一个11m长一指多宽厚约了指的板条上刻出一条直槽 贴上羊皮纸尽可能使之平滑 让一个光滑的黄铜小球沿直槽下落 并用他精心设计的水钟测定下落时间 并记录了在相等时间间隔上小球的达到的位置 为了测量时间 他把一只盛水的大容器置于高处 在容器底部焊上一根口径很细的管子 用小杯子收集每次下降时由细管流出的水 不管是全程还是全程的部分 都可收集到 然后用极精密的天平称水的重量 由这些水重之差和比值就给出时间之差和比值 精确度如此之高 以至重复许多遍 结果都没有明显差别 伽利略让不同重量的小球自同一高度的斜面上滚下 在斜面成不同的倾斜角和铜球滚动不同距离的情况下作出了上百次测定 发现 一个从静止开始下落的物体在相等的时间间隔经过的各段距离之比 等于从1开始的一系列奇数之比 即为1 3 5 7 对于不同的时间比1 2 3 4 物体下落的距离比为1 4 9 16 当斜面变陡时 相应的距离变长 但它们的比值不变 从而完全证实了落体 所经过的各种距离总是同所用时间的平方成比例 证明沿斜面下降的物体正在作匀加速运动 这样终于揭开了自由落体动之谜 伽利略总结他的这一实验方法时说 我运用数学演算 然后用手和眼检验 如果得出相同的答案 这个答案就是正确的 为了把斜面实验的结论推广到竖直情况下的自由落体运动 伽利略提出了 等末速度假设 即静止物体不论是沿竖直方向还是沿不同斜面从同一高度下落 到达末端时具有相同的速度 这就是说 物体在下落中所得到的速度只由下落的高度决定 而与斜面的倾斜程度无关 他论证说 如果情况不是这样 那么只要把过程反转过来 物体就可以利用下落中得到的更大的速度上升到比由之下落的更高的高度 而这是与我们的经验相违背 伽利略用一个单摆实验检验了这个假设 如图1 2所示 拉至 放开的摆球会升到对面同一水平高度上 如果在 或 处钉上小钉子 摆球仍然沿不同的圆弧上升到同一水平高度的各点 图1 2摆的升高实验 反过来 如果让摆球从这些点下落 它同样会升到原水平高度的 点 这说明 沿不同倾斜度的斜面 不同弧线 下落 其末速度是相等的 根据这个假设 就可以得到沿斜面长度 下滑 的加速度g1与沿斜面高度 自由下落的加速度 之间的关系 图1 3沿斜面方向与竖直方向下落的加速度的关系 如图1 3所示 物体自顶端沿斜面下滑和竖直下落所用的时间分别为t1和 末速度同样为 则由 和 得到 再由v g1t1和v gt 得到 由这个关系 就不难从斜面上的加速度g1求出自由下落的加速度 不过 伽利略并没有给出加速度 的精确数据 他只是根据这个关系明确得出了自由落体作匀加速运动的结论 等末速度假设 和单摆摆球的等高性实验 把伽利略引向另一个理想实验 如图1 4所示 一个光滑坚硬的小球从 点沿光滑斜面 下落 它将以获得的速度沿任何对接斜面 BC BD BE等 上升到 的同一水平高度 4 伽利略的理想实验 图1 4伽利略对接斜面的理想实验 正如沿DB下落比沿CB下落具有较小的加速度 小球沿BD上升比沿BC上升也将有较小的减速度 所以随着斜面倾斜度的减小 小球上升的减速度也越小 小球运动的时间也越长 在水平面BF上 减速度将减小到零 小球将以恒定的速度永远运动下去 伽利略写道 任何速度一旦施加给一个运动着的物体 只要除去加速或减速的外因 此速度就可保持不变 不过 这是只能在水平面上发生的一种情形 这就是伽利略关于惯性运动的思想 早在 谈话 一书中 他已经表达过这个思想 惯性观念的改变是古代与中世纪的自然哲学过渡到近代物理学的最重要的标志 惯性定律完全否定了亚里士多德的速度决定于力的 力学规律 他认为静止状态和匀速直线运动都是没有作用力的状况 这就是说 力的作用就是改变运动状态或者说产生现在所说的加速度 它推翻了亚里士多德关于力及力与运动的关系错误分析 从而为牛顿理论铺平了道路 不过 伽利略还不能想象不受重力作用的物体 正是为了避免重力对运动的影响 他才不得不把物体放在水平面上 这给他的结论带来很大的局限性 在谈到小球从水平桌面边缘的下落时 伽利略指出这时小球将在它原来水平方向的匀速运动之上再增加一个向下的匀加速运动 他把重力的作用作为这个加速运动的原因 这样 伽利略就把力的作用同运动状态的变化联系起来 从而把动力学的研究引上正确的方向 2 望远镜天文学 在天文学方面 伽利略的贡献是极其巨大的 他的宇宙观的核心是维护和坚持 发展了哥白尼学说 他的日心说观点是完全建立在对天文的长期观测所获得的大量新发现的可靠事实基础之上的 望远镜的诞生 荷兰眼镜商利帕希16081609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 GalileoGalilei stelescope copyoftheoriginalinFirenze 1616年由于他宣传地动说 受到了宗教法庭的传讯 并受到警告 这并没有使伽利略放弃自己的观点 1633年 他再次受到了罗马宗教裁判所的传讯 并被教廷圣职部判处终身监禁1979年11月10日 罗马教皇正式承认 对伽利略的审判是不公正的 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 3 伽利略在科学史上的地位 1 伽利略对于力学的研究 奠定了经典力学的基础 以后经牛顿 出生恰与伽利略逝世同年 发展完善 建立了近代经典力学的系统理论 伽利略所建立的摆的定律 惯性定律 落体运动定律 以及对抛体运动的研究和他提出的相对性原理 建立了动力学的主要基础 2 伽利略不屈不挠的努力 奠定了近代实验物理学的基础 他的建立在科学的方法论基础之上的一系列科学活动 以及由此而获得的一系列发现 发明和创造 无疑地证明了他是一位伟大的实验科学家和伟大的思想家 3 在方法论的问题上 伽利略继承和发展了阿基米德的方法论 注重科学实践的唯物主义世界观 勇敢地向被奉为权威的亚里士多德的传统观念 仅仅强调观念 注意主观思考和单纯的推理的唯心主义 挑战 伽利略认为数学是人类思维的一种完全可靠的逻辑形式 他把物理学与数学紧密结合起来 以准确的数学证明寻求物质运动的规律 用数学语言表达物理的定律 他是第一个用坐标表示物理量来研究物体运动规律的人 他注重归纳法 也注重演绎法 并且数学证明达到了极其严谨和巧妙的境地 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 伽利略 一 牛顿其人 第三节牛顿的科学思想 二 牛顿的科学贡献 三 牛顿的科学思想和方法 四 牛顿在科学史上的影响 一 牛顿其人 1643年1月4日出生 少年时的牛顿并不是神童 他资质平常 成绩一般 但他喜欢读书 喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物 并从中受到启发 自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意 如风车 木钟 折叠式提灯等等 牛顿于1661年进入剑桥大学三一学院 1665年获学士学位 1665 1666年伦敦大疫 学校停课 牛顿于1665年6月回到故乡乌尔斯索普 1665年初他创立级数近似法以及把任何幂的二项式化为一个级数的规则 同年11月 创立正流数法 微分 次年1月 研究颜色理论 5月 开始研究反流数法 积分 这一年内 牛顿还开始想到研究重力问题 并想把重力理论推广到月球的运行轨道上去 他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比 1667年牛顿重返剑桥大学 1669年10月27日巴罗便让年仅26岁的牛顿接替他担任卢卡斯讲座的教授 1672年起他被接纳为皇家学会会员 1703年被选为皇家学会主席直到逝世 1705年 他被安妮女王封为爵士 成为依萨克 牛顿爵士 获此殊荣的第一位英国科学家 1727年3月20日 艾萨克 牛顿逝世 他被埋葬在了威斯敏斯特教堂 他的墓碑上镌刻着 自然界和自然规律隐藏在黑暗中 上帝说 让牛顿去干吧 于是一切变得光明 蒲伯 Natureandnature slawlayhidinnight Godsaid letNewtonbe Andallwaslight 在三一学院的战争纪念馆前以及在他长眠的威斯敏斯特大教堂前都有他的塑像 他的形象曾同莎士比亚 威灵顿公爵一样出现在英国的一便士面值钞票上 公制中 力 的单位也带有他的名字 牛顿 年 为纪念他的 原理 一书出版三百周年 英国发行了四种牛顿邮票 位于华盛顿特区的史密森学会所属的美国历史博物馆也在同一年为 原理 举办了为期 个月的展览 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 二 牛顿的科学贡献 一 数学 1 他数学生涯中的第一项创造性成果就是发现了二项式定理 微积分的创立是牛顿最卓越的数学成就 他将自古希腊以来求解无限小问题的各种技巧统一为两类普通的算法 微分和积分 并确立了这两类运算的互逆关系 从而完成了微积分发明中最关键的一步 为近代科学发展提供了最有效的工具 开辟了数学上的一个新纪元 2 创立微积分 牛顿对解析几何与综合几何都有贡献 他在1736年出版的 解析几何 中引入了曲率中心 给出密切线圆 或称曲线圆 概念 提出曲率公式及计算曲线的曲率方法 并将自己的许多研究成果总结成专论 三次曲线枚举 于1704年发表 此外 他的数学工作还涉及数值分析 概率论和初等数论等众多领域 3 其他数学成就 二 经典力学体系 开普勒的三条定律 解决了天体运动学方面的问题 但没有解决天体动力学方面的问题 开普勒的信友伽利略 发现了自由落体定律 惯性原理和抛射体运动轨迹理论 奠定了运动学的基础 但他在天文学方面却坚持天体运动沿圆周作匀速运动的旧观念 在他们之后的惠更斯 ChristianHuygens 1629 1695 通过摆钟研究 发现了物体作圆周运动的向心加速度公式和离心力定律 只要将它们同开普勒第三定律联系起来 便有可能发现引力的平方反比定律 可惜他没有这样做 虽然开普勒 伽利略 惠更斯这些科学巨匠末能发现万有引力定律 但他们的工作却为这个定律的发现奠定了基础 继之而起的科学家胡克 RobertHooke 1635 1703 哈雷 EdmundHalley 1656 1742 雷恩 ChristopherWren 1632 1723 等人 与牛顿同时展开了引力问题的研究 当时他们都已知道了引力平方反比定律 特别是胡克 试图证明这一定律 只是由于数学才能不足而没有得出令人信服的结果 数学 力学 天文学 梅尔顿学派 奥里斯姆 笛卡儿 布里丹 达 芬奇 斯梯芬 伽利略 牛顿 哥白尼 第谷 开普勒 哈雷 吉尔伯特 布里阿德 玻可利 虎克 引力思想 牛顿力学第一定律 惯性定律 和第二定律 是对伽利略研究成果的继承和发展 牛顿力学第三定律即作用和反作用定律 是在笛卡儿 雷恩 惠更斯研究的基础上 牛顿独到发现的 并把它同前两条定律联系在一起 形成一个整体 作为经典力学的基石 1687年 牛顿发表了 自然哲学的数学原理 牛顿在这部书中 从力学的基本概念 质量 动量 惯性 力 和基本定律 运动三定律 出发 运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具 建立了经典力学的完整而严密的体系 把天体力学和地面上的物体力学统一起来 实现了物理学史上第一次大的综合 它的出版 标志着一个完整的普遍的经典力学基本理论体系的建立 原理 一书共分两大部分 第一部分仿照欧几里得的方法 首先提出了定义和动力学原理 为建立经典力学的逻辑体系提供前提 第二部分是这些基本原理的应用 包括三篇 在第一部分的 定义和注释 中 他提出了8个定义和4个注释 首先明确定义了当时人们常常混淆的几个概念 如质量 惯性 外力 向心力 时间 空间等 然后提出了运动的基本定理和定律 即牛顿力学三定律 接着牛顿给出了六条推论 包括力的平行四边形法则 力的合成与分解 动量守恒定律 质心运动定理 相对性原理 以及力系的等效原理 这部分虽然篇幅不大 但它是全书的基础 在 运动的基本定理或定律 中 牛顿总结出了机械运动的三个基本定律 这就是著名的牛顿运动三定律 应该指出 在定律2中 牛顿只指出了力 的作用同动量 的变化成正比 即 三 光学 在光学方面 牛顿也取得了巨大成果 他利用三棱镜试验了白光分解为的有颜色的光 最早发现了白光的组成 他对各色光的折射率进行了精确分析 说明了色散现象的本质 他指出 由于对不同颜色的光的折射率和反射率不同 才造成物体颜色的差别 从而揭开了颜色之迷 牛顿还提出了光的 微粒说 认为光是由微粒形成的 并且走的是最快速的直线运动路径 他的 微粒说 与后来惠更斯的 波动说 构成了关于光的两大基本理论 他还制作了牛顿色盘和反射式望远镜等多种光学仪器 牛顿的研究领域非常广泛 他除了在数学 光学 力学等方面做出卓越贡献外 他还花费大量精力进行化学实验 他常常六个星期一直留在实验室里 不分昼夜的工作 他在化学上花费的时间并不少 却几乎没有取得什么显著的成就 为什么牛顿没有在化学领域取得显著的成就 三 牛顿的科学思想 一 牛顿科学思想的特点 第一 科学观与宗教观的互补 牛顿对于科学与宗教的对立 采取了极其谨慎与温和的策略 牛顿采取了一种使宗教与科学基本互相独立而互不干涉的哲学思想模式 使宗教与科学各得其所 各司其职 凡是在当时科学水平下可以认识或控制的对象与领域 牛顿即用科学的观点来处理 凡是超出当时科学认识能力之外的事情 牛顿则将其交给神秘的上帝 上帝 我不知 第二 机械论与目的论的互补 牛顿哲学思想中的机械论部分 坚持用力学基本原理去解释世界 说明世界 从细节上补充和发展了霍布斯的唯物主义哲学纲领 使粗糙的唯物主义框架得以发展成为精细的机械唯物主义体系 牛顿哲学思想的经验论特色 主要表现在以下两个方面 一是强调与实验现象直接相连的描述性的唯象理论或浅层本质理论 而忽略逐层揭示隐藏在实验现象背后的深层本质理论 二是过分强调直接整理经验事实的归纳法 而忽视强调理论思维的假说法 第三 经验论和唯理论的互补 二 牛顿的科学方法的特点 牛顿的研究方法继承了伽利略方法的许多特点 又吸取了佛兰西斯 培根的方法论思想 其主要特点是 第一 对观察和实验中了解到的错综复杂的自然现象敢于简化 善于简化 从而建立起恰当的物理模型和数学模型 第二 善于运用思想实验或理想实验 即在绝对简化 纯化的理想条件下 运用思维中的逻辑演绎推理过程 第三 在物理学中应用了数学来描述和数学推理 再由实验以及严格的观察去检验所揭露出的真实外部世界 归纳起来 牛顿科学方法的主要观点是 从观察和实验中取得科学资料作为出发点 建立恰当的物理模型和数学模型 然后通过逻辑演绎和数学推理 导出某种科学结论或预测 再去接受科学实践的检验 这种将实验与数学相结合的方法就是著名的牛顿方法 一 牛顿完成了科学史上的第一次理论大综合 使人类对自然的认识从零乱的知识达到科学的形式 牛顿运用数学工具对天体及地面物体运动作了整体考察 打破了传统的地上和天上世界的划分 第一个认识到地面运动和天体运动都手相同规律制约 建立起了在天体和地面普遍适用的法则 四 牛顿在科学史上的影响 二 牛顿力学在宏观领域建立起统一的因果关系链 代表了一种成熟的科学形式 牛顿通过定义理想化的质点 运用微分表示变化的运动 设想力与位置的关系揭示了力与运动的内在联系 是物理学进而是整个科学建立了统一的因果关系链 三 牛顿力学为近代科学和机械论哲学提供了完整的范畴体系 被牛顿系统化的科学方法和思维方法受到科学家的竞相模仿 成为近代科学固定的思维模式 道尔顿 Dalton1766 1844 d的原子论 库仑的静电学公式 安培的平行导线作用力 门捷列夫的元素周期律 卢瑟福的原子模型 四 牛顿力学的成功 实现了人类对自然界的认识 让人类第一次看到了科学的巨大威力 成为后来的科学主义的理论先导 拉普拉斯 牛顿力学原理已穷尽自然界的一切基本真理 宇宙未来的任何变化与发展都早已由初始条件所绝对决定 1942年爱因斯坦为纪念牛顿诞生300周年而写的文章 对牛顿的一生作如下的评价 只有把他的一生看作为永恒真理而斗争的舞台上一幕才能理解他 第四节机械论思潮的形成及其在科学领域的影响 一 前牛顿时期 初具雏形 二 后牛顿时期 系统化 三 对科学的影响 在牛顿完成了科学史上的第一次理论大综合的同时 英国哲学家霍布斯 ThomasHobbes 和洛克 JohnLocke 等把机械论从自然科学移植到哲学领域 对机械论作出了更高层次的抽象和概括 一 前牛顿时期 初具雏形 一 钟表的出现 二 弗兰西斯 培根 知识就是力量 三 笛卡尔 数学和上帝一样精确 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 一 钟表的出现 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 罗梵迪诺怀表 工业时代的关键机械不是蒸汽机 而是钟表 1 弗兰西斯 培根 FrancisBacon1561 1626 主要著作有 新工具 和 新大西岛 2 培根是现代第一个实用主义者 他认为希腊人的学问是有争议的学问 批评希腊人 从未进行过一项旨在改善人类生存条件的实验 二 弗兰西斯 培根 知识就是力量 3 所有科学的真正目标是 赋予人类以新的发现与力量 4 科学将 大大拓宽人类帝国的疆域 并将是无所不能 将使人类 驾驭自然万物 包括人体 医药 机械力量等等一切 培根刚刚打开通往一个新世界的大门 数学家勒奈 笛卡尔就对这一新世界观提出了进一步的设想 紧接着 伊萨克 牛顿又带来了让现代科学开张营业的一切必要工具 三 笛卡尔 数学和上帝一样精确 1 笛卡尔 ReneDescartes1596 1650 2 笛卡尔说 我坚信数学是迄今为止人类智慧赋予我们的最有力的认识工具 他是万物之源 Ithink thereforeIam 3 笛卡尔成功的把自然界整个地转化为简单物质 把质量转化成了数量 给我空间和运动 我就可以造出宇宙来 4 笛卡尔的数学世界无色 无味 无臭 滴水不漏 天衣无缝 在他的世界里 万物各得其所 一切精确无误 和谐有序 5 笛卡尔就这样把上帝巧妙的请出了舞台 因为 他不能容忍一个能在任何时候随心所欲地改变万物运行规律的神的存在 二 后牛顿时期 二 洛克 对自然的否定 就是通往幸福之路 三 拉美利特 人是机器 四 霍尔巴赫 一切现象都是必然的 一 霍布斯 世界上一切运动都受机械原理支配 一 霍布斯 世界上一切运动都受机械原理支配 托马斯 霍布斯 1588 ThomasHobbes 英国政治法律思想家 近代机械唯物主义的奠基人之一 15岁即进入著名的牛津大学 他担任过弗朗西斯 培根的秘书 出版了著作 利维坦 霍布斯将力学范畴引入哲学 确立了物体 运动因果性等基本概念 霍布斯将机械运动观引入哲学 认为世间一切事物都可用机械原理来解释 人和自然也无本质区别 霍布斯将牛顿的物理因果联系的思想引入哲学 提出了机械决定论的因果论律 二 洛克 科学让社会更美丽 洛克 JohnLocke1632 1704 英国哲学家 经验主义的开创人 他同时也是第一个全面阐述宪政民主思想的人 在哲学以及政治领域都有重要影响 约翰 洛克毕业于牛津大学 他原是学习古典文献的 但对亚里士多德和经院哲学感到厌恶 转向实验科学 他精通医学 化学 1688年成为皇家学会会员 后任辉格党领袖莎夫茨伯利伯爵的家庭教师和秘书 随之参加辉格党活动 詹姆士二世复辟期间 流亡法国 五年后因 光荣革命 成功回国 任政府部长等职 著有 人类理智论 政府论 论宗教宽容的书信 等著作 1 社会领域之所以没有规律 是因为人们把社会秩序建立在非理性的传统和习俗上 这些陈规陋习来源于神权统治 2 宗教可以合情合理的成为个人私事 但不能成为公共事务的基础 3 就这样 洛克把上帝驱逐出人类舞台 人类也遭受到培根 笛卡尔 牛顿让自然遭受的同样命运 沦为在冰冷的机械宇宙中与其他支离破碎的物质发生关系的纯物理现象 4 彻头彻尾的个人利益 是建立社会的唯一基础 每个人都应该从事职业 努力工作 积累财富 对自然的否定 就是通往幸福之路 无止境的财富积累是可以允许的 拥有财富是社会权利 创造财富是社会责任 洛克就这样决定了现代人的命运 人类的需要和欲望 梦想和渴求 都被限制在运用科学对物质利益的无尽追求中 洛克 不给地球上每一条河流安上水坝 不让每一个自然之迷一览无余 不把每座高山敲成碎片 榨出石油 是不会善罢甘休的 美 杰里米 里夫金 第五节化学和生物学 医学思想 一 从炼金术到化学二 近代生命科学的诞生 帕拉塞尔苏斯 炼金术向实用医药化学转变 标志是帕拉塞尔苏斯特奥弗拉斯特 博姆巴斯特 冯 荷恩海姆 1493 1541 生于瑞士 父亲是来自德国的医生 1527年成为巴塞尔大学医学教授自负而又傲慢 自称 帕拉塞尔苏斯 将盖仑和阿维森纳的著作连同硫磺和硝石一起放在黄铜盘子里烧掉 被迫离开巴塞尔 成为德奥等地的游医 帕拉塞尔苏斯 2 把炼金术定义成 将不纯净物质变为纯净物质的技艺 改变了传统炼金术狭隘的功利目的 引进矿物质做药物 研究了许多金属的化学反应 引导人们注意化学对医药学的重要性人体中实际起作用的三要素 硫 汞 盐 精神 灵魂 身体 发现锌 称之为劣等金属 正式给酒精命名 alcohol 阿格里科拉 炼金术与矿物冶炼 阿格里科拉 1494 1555 德国医生 受帕拉塞尔苏斯影响对矿物感兴趣 论金属 1556 精致的插图 完整的采矿和冶金技术欧洲有悠久的采矿历史 和相当成熟的采矿冶炼技术 但由于行业保密和手艺人不识字 采矿和冶炼术没有文字传世 近代矿物学之父 赫尔蒙特 从炼金术向化学的过渡赫尔蒙特 1577 1644 比利时贵族出身 医学博士着迷于化学实验 自称 火术哲学家 区分了 空气 air 与 气体 gas 但当时收集气体的实验技术尚未成熟 他只能给出粗略的气体分类 用实验证明 土源于水 烧瓶实验 用实验证明 木源于水 著名的柳树实验 开辟了定量研究的思路 波义尔 波义尔 1627 1691 爱尔兰贵族后代 家庭富有 先是周游列国 1644年回到英国 接受一大笔遗产 雇胡克为实验助手 胡克替他制造了抽气机 1662年皇家学会成立 成为第一批重要会员 1668年移居伦敦 建立了一家私人实验室1661年 怀疑的化学家 开始了近代化学的历程 脱去实用的改善金属或制备药物的目的 化学成为哲学的分支 是一门理论科学 是一种化学论的自然哲学 波义尔 2 确立化学元素概念 我所说的元素是指某些原初的和单纯的即丝毫没混合过的物体 它们不由别的物体组成 而一切物体由它们所组成 而且最终分解成它们 元素不会只有四个或三个 区别混合与化合 正确评价 火 作为化学解析工具的作用 火不是如炼金术所说万能的燃烧研究 在真空中做燃烧实验 发现空气而且只是一部分空气对于燃烧是必要的 他也意识到动物的生命靠空气来维持 可惜他没有意识到这两种情况本质上是一回事 但胡克意识到了 近代生命科学 植物学和动物学归属于博物学生理学归属于医学实验生理学传统的建立是近代生命科学发展的第一个标志 维萨留斯 维萨留斯 1514 1564 比利时世代名医之后 1533年进入巴黎大学盖仑的解剖学支配着当时的巴黎大学课堂 教授们不屑于亲自动手解