中科大科技史讲座讲义

科技史讲座第一讲近代科学的起源与李约瑟难题破解问题（一）近代科学的起源问题的普遍提法应当是“为什么近代科学没在任何一个古代文明发达的国家产生？”。它的反提法是“近代科学有必要一定产生在像中国这样的某个古代文明古国吗？”。这样看来，这两个问题讨论重要意义还在于对历史事实的认知和汲取经验以图振兴中华科学的未来。近代科学起源的因素很复杂，但却是个系统论的问题。一、何谓近代科学？问题缘起何谓近代科学？近代科学实际上应理解为近代基础科学。3.近代科学的主要科学要素：近代科学的思想和方法的来源1.物质观和物质组成思想的起源：2.方法论的起源：（1）实验和公理化的重要性（2）形式逻辑和数学推理法的来源和重要意义案例：Galeleo的斜面落体定律和抛物体落体定律Newton的《原理》和《光学》的全部论证系统都采用了欧式几何的推理体系。（3）欧洲解剖学和近代医学传统的来源。（4）各种数学的来源：代数、三角学、珠算、阿拉伯数字、零和十进位制、欧氏几何、代数。3.求实和科学化学风的起源：（1）占星术和天文学、炼金术和化学。（2）人体生理和医学。（3）对Aristotle的运动观、Ptolemy的天文观、神创论的批判、扬弃和纠正。4.优秀技术的传入、消化和创新：（1）古代中国的四大发明、丝绸、瓷器、浑天仪、机械钟、水闸、火炮、马具、船尾骨干舵和拱桥等。（2）古印度的铸造、象牙和珍珠装饰品加工技术，香料、稻米、制糖技术；（3）阿拉伯的透镜、光学和炼金术等。传入途径：蒙古军队西征、欧洲十字军八次东征、商业贸易、文化交流。三、欧洲近代科学形成的历史背景1.古希腊前期（公元前6世纪之前）：伊奥尼亚的手工商业，古埃及的土地丈量和几何图形，古巴比伦的占星术和测算技术腓尼基的光学和航海技术Thales学派的物、Pythagoras学派的数、Heraclitus学派的火、Parmenides学派的以太。2.古希腊中期（公元前4-5世纪）：西古希腊的繁荣期，出现了将地中海、北非和阿拉伯科学和文化与古希腊自然哲学融合和创新时期。Democritus的经历说明当时文化交流与回合的情况：“他曾到埃及就教于祭祀，学习几何学，到波斯裘天文知识，到过红海，有些人肯定它与印度仙徒有关系，曾到Ethiopie旅行”，他说过：“在我的同代恩重我曾有过地球的最大部分，研究国最大的问题，见过最多的气候和地方。我聆听过有学问的人的最大多数，在证明配合线特性的技术方面，还无人能与我相比，即使埃及的测量师，我在外国与之过了5年生活，也不能超过我”。Socrates-Plato唯心学派、Democritus-Epicurus原子论唯物学派、动摇于两者之间的Aristotle学派。3.希腊化文化时期：科学和文化中心自雅典东移到现在埃及的Axandria，出现了希腊化文化时期。科学理论的建立：欧几里德几何，Ptolemy的日心说，Aristarchus的日心地动思想，以及Herophilus的解剖学。Apollonius圆锥曲线（椭圆、抛物线和双曲线），并用二次方程表述。应用科学：Archemides的浮力定律、杠杆定律、阿基米德螺旋线、求几何图形的面积、体积和重心等。盖伦（Galen）根据人体解剖知识行医。公元前146年建立罗马帝国。罗马帝国后来又分为东罗马帝国和西罗马帝国。西罗马帝国在公元476年灭亡。东罗马帝国：又称拜占庭帝国，古希腊的文明和科学与阿拉伯的的印度和中国的文化和技术汇合。八次十字军东征、贸易和航海事业，将大部分希腊和阿拉伯文明和科技传到南欧和西欧，使文艺复兴时代的欧洲发现了古希腊的高度文明和中国、印度、阿拉伯的文明精华。恩格斯在《自然辩证法》中精彩地描述过：“拜占庭灭亡时抢救出来的手抄本，罗马废墟中发掘出来的古代雕像，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，中世纪的幽灵消失了；意大利出现了前所未有的艺术繁荣，这种艺术繁荣好像是古典时代的反照；以后就再也不曾达到了。”1453年拜占庭帝国灭亡。案例一：卢克莱修（TitusLucretiusCarus,公元前95-55）因为写了《论物性》长诗，Epicurus的原子论的发现和恢复，对Gassendi、Galilei和Newton的物质观和近代的物理学的重大影响。案例二：Archimedes（公元前287-212）遗著的发现和恢复。他的《力学要义》首次出现在1543年，由意大利人Tartaglia编辑出版，与哥白尼的《天体运行论》和维萨留斯的《人体构造》同年发表，对近代科学影响。5.近代科学形成的背景（1）以古希腊自然哲学和科学知识的萌发为中心：（2）前、中期的汇合：古巴比伦、腓尼基、埃及和印度的科学文化与古希腊中、前期汇合融合，2-12世纪拜占庭帝国和回教帝国时期的汇合。（3）后期的汇合：李约瑟对世界科技和文化融合的看法：他说过：“近代科学实际上包含旧世界所有民族的成就，各民族的贡献源源不断地注入，或者来自古希腊、罗马，或者来自阿拉伯世界，或者来自中国和印度的文化”。F．Bacon对我三大发明西传的评价：“我们还应该注意到发现的力量、效能和后果，再明显不过地表现在较近才发现而其起源还暧昧不清的三种发明上，那就是印刷、火药和磁石。这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了：第一种在学术方面，第二种在战事方面，第三种是在航行方面。由此又引起了难以数计的变化来，竟至任何帝国、任何宗教、任何星辰对人类事物的力量和影响，都仿佛无过于这些机械性的发现了”。（4）传播和融合的途径蒙、元帝国西征欧洲和中亚及传教士，将中国的四大发明、瓷器、火炮、马镫…..传入东、中欧和阿拉伯；古希腊文化和科技在希腊化文化时期广传地中海东部和阿拉伯，在东罗马帝国和回教帝国时期进一步与东方、印度和阿拉伯文化、科技融合；八次十字军东征，欧洲人将这些文化和科技西传到南、西欧洲；东罗马帝国灭亡后，国希腊和罗马的文化遗产及阿拉伯与回教帝国的文化和科技知识，通过商业交流西传到西班牙、德、法和意大利等地，继而传到英国。小结：近代科学（实际上是近代基础科学）是以古希腊自然哲学和科学知识萌发为中心，与世界各地优秀的科学和文化交流和汇合的背景下，经过后面将谈到的条件和机制才形成的。四、近代科学产生的条件1.科学条件：（1）系统的科学实验:：近代科学的指导思想是F.Bacon的实验哲学。F.Bacon说：“最好的论证当然就是经验，只要它不超越实际的实验”，“首先。我们要备妥一部自然的和实验的历史，要充分还要好。这是一切的基础；因为我们不是要去想象或假定，而是要去发现”。（2）严密的逻辑分析：指的是Aristotle总结出的形式逻辑、Leibniz发明的数理逻辑、算术和代数学及欧氏几何的推理和论证体系，以及Newton的微积分和微分方程等。牛顿的“我不做假设”原则本意。（3）逻辑分析与科学实验结合:近代科学的关键要素案例：Copernicus：“从地球运动的假定出发，经过长期的、反复的观测，我终于发现：如果将其它行星的运动同地球运动联系起来考虑，并按每个行星的轨道比例来做计算......一切行星的轨道和天球之大小与顺序以及天穹本身，就全部联系在一起了”。Newton的成功在于他相信“实验哲学”和认为“献身于自然科学的人首先要学习数学”。J．D．Bernal指出“牛顿的贡献是有决定意义的贡献，就在于推求数学方法，把物理学原则转变为可凭观察证实的、可用数量计算的结果，而且反过来说，要从这样的观察来求出物理原则”。李约瑟认为近代科学实际上始于伽利略，“当我们说近代科学是在伽利略时代的西欧发展起来的，我想我们是指将仅在那里产生了数学化的假设应用于自然的基本原理，以及数学在所提出的问题中的应用。总而言之，是数学与实验的结合”。Einstein认为近代科学关键在于形式逻辑系统和系统的实验。（4）公理化的理论体系：用以实验或观测的结果为依据，用严密的逻辑推理或数学计算为推理方法，最后形成公理化的概念、定义、公理、定理、推论，或以定义、定律、原理、公式。2.社会条件近代科学产生条件的关系图表：近代科学的产生是一个复杂的过程，是一个系统工程：古代自然科学哲学和科学思想的启发——————文艺复兴和科技启蒙科学实验和实验哲学的兴起————————实验是检验和破除经院哲学和古代误学说的唯一标准和治学根据地理大发现和政教合一统治的解体——————对外开拓、对内消除壁垒的开放宗教改革——————————中世纪宗教信验和体制的改革科学家群体和科学行业的形成———————科学从宗教和自然哲学中独立出来科学实验与逻辑分析结合————————近代科学方法的出现公理化科学体系的形成————————以伽利略和牛顿为代表的近代基础科学体系的形成（二）李约瑟论题破解问题问题的提出关于著名的“李约瑟难题”有两种说法：“李约瑟难题”（NeehdamPuzzle）。王国忠说法：1930年代中期（一说，初期），已经开始关心中国科学史的英国生物化学家李约瑟（JosephNeedham）博士，就5-14世纪中国的科学技术一直领先于西方，为什么中国没有自发地产生近代科学？而近代科学为什么仅仅在西方兴起？*（王钱国忠，《李约瑟文献50年》，贵州人民出版社，1999，第45页）请教当时中山大学经济教授王亚平，这就是后来广泛流传的“李约瑟难题”。“李约瑟论题”（NeedhamThesis）。《科学史词典》说法：“李约瑟论题”。德国学者EdgarZilsel于1943年在《美国社会学杂志》上发表论文“科学的社会根源”，对近代科学的产生提出新的看法：大学教师和人文主义者的理性与工匠的实验和实践从分离走向汇合，以F.Bacon的实验哲学为代表。JosephNeehdam博士看到后，提出“中国为什么未像15和17世纪的欧洲那样，发展出近代科学文化呢？像EdgarZilsel的看法一样，他从知识社会与生产社会的组织关系基础上寻找答案，在后来的许多讲演和文章中多次谈到这个问题，并作了不同程度的剖析。李约瑟多年来断续地对此问题从科学的和社会的原因，作了大同小异的许多说法。国内外很多著名华人学者以及国际上著名的众多国研究中国科学史和社会史学家，都或多或少地提出自己的看法。李约瑟多年来断续地对此问题从科学的和社会的原因，作了大同小异的许多说法。国内外很多著名华人学者以及国际上著名的众多国研究中国科学史和社会史学家，都或多或少地提出自己的看法。认为“无论是谁想要解释这个问题，都必须从中国社会为何未能发展商业的以及后来的工业的资本主义入手”（《中国科学传统的贫困与成就》），又说：“所有这些问题的答案，首先要到不同文明的社会中去寻找，到知识分子结构和经济结构里去寻找，尤其对中国与欧洲进行比较就更具有启发性”（《东西方的科学社会》）。二、李约瑟、贝尔纳和爱因斯坦的看法1.李约瑟的看法：李约瑟在所谈的大多数情况下，从中国古代的封建官僚体制、科举取士，以及从压抑工商业的观点作过分析：“假如中国曾经历过与西方相当的社会经济变化，则某种形式的现代科学可能在中国发生”，这种近代科学很可能不是西方的“机械式的”，而会是“有机式的”，“在出现有机式的发展很久后，终究还是要受到希腊是科学和数学知识的强刺激”，而发展成今天的公理化体系的科学。2.J.D.Bernal：认同李约瑟的看法：认为特别适用于中国方面的理由是“官僚阶级，即士大夫，这些人受的是文学教育，无意于改进技术，只是关心压制商人，只有靠商业才能促进各项技术”。3.爱因斯坦的看法：1953年爱因斯坦在给加州大学SanMeteo学院的J.E.Switzer教授的信中说：“西方的科学发展基于两大成就，其一是形式逻辑系统（阿基米德几何学），由希腊哲学家所发明。其二是通过系统的实验，能够找出事物的因果关系（奠成于文艺复兴）。我认为中国哲人们不能取得这些成就，一点都不奇怪，如果他们居然有这些成就，才反而是奇怪的事了。”4.李约瑟对爱因斯坦看法的批评:根据香港学者胡菊人为《李约瑟于中国科学》写的跋中所说，李约瑟在得知爱因斯坦的看法后，十分不满，认为“像他这样有名的人，误导世人将很深，简直是遗害无穷。此人如此轻率，影响相当大，为人们盛称和引用。在李约瑟看来，爱因斯坦根本没有资格谈论这个问题，因为他对中国、印度、阿拉伯的文化完全不懂，他应该第一个站出来承认，他对这些文化的科学发展完全是一窍不通”。三、中国未产生近代科学的原因分析近代科学未产生于世界五大文明古国之一，从中国一国的特点寻找原因，必然陷入封建社会长和资本主义社会未产生的循环之中。所以，应有比较普遍性的原因：1.科学原因：（1）万物本原认识论的原因：古希腊的自然主义导致近代物质组成的以太说和粒子说的兴起，并且它能与科学实验和定量化的数学推理结合。我国的元气论传统，缺乏原子论传统，“元气”更多地象以太。元气说和以太说无法定量和计算，在它的基础上无法产生近代科学。（2）系统的观测和实验的原因：我国历史上有丰富的生产和试验经验，但是偏于具体的和零散的经验，绝大多数是技术性的，缺乏实验数据的严密测量和积累，特别是系统的科学实验研究。（3）科学方法原因：中国古代偏重人文主义的传统，纯思辨的哲学思想过多地表现为整体化的和纯抽象的自然观，与注重具体的经验和技术的普遍传统形成两个极端，两者之间缺乏逻辑学的（归纳法和、演绎法、分析法和综合法）和定量的数学分析桥梁。出现了文字表述的算术和初等代数，但未产生几何学，并且它们的表示符号和解题方法比较原始，形不成公理化的治学方法和公式。（4）组织原因：未形成科学行业和科学家共同体：2.社会原因（1）隔离的地理环境：自给自足的自然经济体系，重农抑商。闭关锁国和妄自尊大。郑和七下西洋，到处赠礼和施舍以扬天威。西方地理大发现旨在开辟市场、掠夺资源、占领土地和开放竞争，发展工商业。热力学的热寂说说明，熵增原理会使绝热的和封闭的系统死亡。陆、海丝绸之路打开了两道缺口，中华文明存留下来。近几十年来我国沿海地区的科技和经济大发展，不正是由于海上和空中贸易和文化的内外交流吗？这是客观环境原因。（2）商业在几千年中受到压制和歧视，资本主义经济贫弱：李约瑟：“无论是谁，要阐明中国社会未能发展近代科学，最好从说明中国社会未能发展商业和工业资本主义的原因入手。”贝尔纳：“然而只有商人靠开拓市场才能促进各项技术……”。自然经济和顽强的故土观念，严重阻碍了语言、观念、文化和科技知识的交流，成为近代科学、技术未在中国产生和发展缓慢的经济原因。（3）独尊儒术和漫长的科举取士制度：自汉武帝时期罢黜百家独尊儒术以来，推行儒家的仁治和齐家治国的伦理思想，维系其庞大的封建官僚统治体制。推行学而优则仕的理念。隋朝以后科举取士制度盛行达1318年之久，形成以文学、书法和谋策选择士大夫。明清时期实行严酷的文字狱和八股文体，严重地禁锢了文人和知识分子的思想，科学和技术被视为雕虫小技，自发、自生和自灭这是导致近代科学未在中国产生和至今仍然比较落后的文化原因。(4)漫长而稳定的、结构严密的封建官僚制度，李约瑟指出，欧洲的封建制度是军事贵族的封建主义，呈现“国王—城堡贵族—庄园骑士—人民”的统治系统，一旦战争爆发国王极其需要中下层人士的支持。中国的封建主义则是确实的封建官僚主义，皇帝靠庞大的官僚机构进行统治，他说“其官僚机构之大是欧洲的小王国难以比拟的。当代的研究成果证明，中国的官僚机构在其早期有力地促进了科学的发展，只是到了后期才严重阻碍了科学的进一步发展，特别是阻碍了中国的科学取得欧洲那样的突破”。贝尔纳也认为，“……特别适用于中国情况的理由是出了官僚阶级，即士大夫，这些人受的是文学教育，无意于改进技术……”。这是政治制度原因。（5）科学的价值观和氛围严重缺失：漫长的中国封建统治和皇权至尊的观念，形成了人们以官级高低为社会地位和荣辱的评价标准，由于以文取士科举制度普遍盛行达1318年之久，而儒家学说又成为科举题试和判卷的尺度，于是教学和学术研讨的内容围绕孔孟和朱子学说而盛行，科学和技术成为民间自生自灭的雕虫小技，上不了大雅之堂。清代苏州所以能出了近半数（40多个）的状元，重要的原因在于那里的学子们通过登龙门的经验交流和传袭，而形成了浓重的学而优则仕的价值观、科考经验和治学氛围，以及各种评价标准。相当发达的苏杭工商业和资本主义经济的萌发，并没有使一位江南织造的女儿林黛玉去作数学题和实验来显示才能，就连藐视科举和仕途的贾宝玉也不可能想到去做个鹤立鸡群的算学家和实验员，这与终生闭门研究物理和做实验的HenryCavendish、在家建实验室做声学实验的第三代LordRayleigh,以及推算出热功当量却遭到误解的医生RobertMayer跳楼zheyang的精神和社会氛围相比，差之何止千哩！。由此可见，在中国士大夫阶层和广大民间极其缺乏追求科学真理的科学精神和社会氛围，这样的社会要产生近代科学谈何容易！这是价值观和氛围原因。五大文明国都未产生近代科学，而且在近代甚至今天都比较落后，这说明古代科技发达并不是近代科学产生的必要条件，近代科学未在中国产生并不是值得大经小怪的现象，即使古代科技先进过也不等同于今天就必然发达，关键在于今天人们的努力和实效。

第二讲牛顿的科学成就与历史地位一、牛顿（IsaacNewton）简介：1.经历和著作：2.主要贡献：3.成就的典型评价：爱因斯坦写道：卢瑟福（LordErnestRutherford）J.D.Bernal说：二、牛顿科学思想的核心1.粒子：几何点，物理上：质点和重心，化学上：粒子的结合和分解，天文学上：以质点代天体。2.力、吸引力与排斥力的关系：三、数学上的贡献1664年发明无限级数、收敛级数。1664-1665年发明用极限法作曲线的切线。1665年发明二项式定理4.发明微积分5.关于微积分发明权的争论四、物理上的贡献1.基本概念：质点、惯性、质量、力，绝对运动—相对运动，绝对时间—相对时间，绝对空间—相对空间。2.物质、绝对时间和绝对空间概念提出的历史意义。3.运动三定律的发现历史:4。万有引力定律：椭圆轨道引力平方反比关系：引力与相作用物体的质量成正比问题：万有引力定律的发现：关于万有引力定律发现权的争论：关于引力平方反比定律的争论：关于万有引力传递机制的争论：5。光学上的成就：（1）首先实验发现日光七色光谱（1664-1665，WasteBook）；(2)光的颜色理论：光的颜色决定于光的不同折射率；（3）发明反射式望远镜；（4）提出光的微粒说，导致光的量子论和成为光的波粒二象性来源之一；（5）光的薄膜实验和提出牛顿环理论；（6）首次计算出光的半波长为1/89000英寸=2854Å,与现在测定的黄光的半波长2855Å十分相符；（7）提出光的绕射现象。光学上看法的争论：与笛卡儿学派关于光是微粒还是以太波动的争论与胡克关于光是微粒还是以太振动及颜色来源的争论与笛卡儿-惠更斯学派等关于光的颜色的争论化学上的贡献1.采用大量实验方法、自制仪器设备、自己作实验。2.给出了很多元素和化合物的符号，为JohnDalton后来的工作的先导。3.提出物质组成粒子说和力的观点研究物质组成：4.提出化学亲和力和元素置换次序在炼金术向化学转变过程中起关键的作用问题：J.M.Keynes说Newton是最后一位炼金术士，对吗？流体力学上的贡献流体力学的开创者：阻力与速度的平方成比例，流体中抛射体和圆周运动体的运动阻力计算，弹性流体中运动速度与流体的弹性力和密度的平方分别成正、反比。开创了彗星理论、月球理论和宇宙系统论，发展了伽利略的潮汐理论在科学和文化史上的主要贡献牛顿的科学理论将科学从中宗教神学和神创论的统治下开始解放出来；将自然科学从自然哲学的思辨中分离出来，奠定了机械论和因果轮自然观的基础；发明了微积分和微分方程，实现了数学史上两个最大发明之一；它奠定了近代理论物理和理论力学的基础，提出质点、质量和科学的力概念。在前人静力学的基础上开创了动力学；在人类历史上首次用力学和运动原理，将天上和地上的相互作用和运动规律统一起来，将“神创的”万象纳入科学的探索和理解的轨道；他以牛顿力学体系集近代前期科学的大成，并成为其标志性成就，完成了近代科学革命；他将实验、归纳和分析等方法结合，运用分析与综合的数理方法，使机械为物论和因果论（确定论）系统化，成为近代科学观和方法论的标志。牛顿的原子论物质观、科学的物质组成粒子说、动力学、引力相互作用，以及机械唯物论的方法论，对欧洲和世界的科技界、教育界、文化界和政治界，产生重大影响。它通过法国的启蒙运动和百科全书学派，对法国大革命产生重大影响，一个科学家及其科学理论产生如此重大的社会影响，古今未有。牛顿的科学理论至今仍是课堂上必授的重要内容，是从建筑、桥梁到宇宙飞船、人造卫星设计及航空航天的主要理论和计算依据，发挥着重要的的作用。由于时代的局限性，牛顿的科学观和科学理论适用于宏观的和低速的运动领域，现代科学在将它作为组成部分予以包容和发展。

第三讲：能量守恒定律和热力学三定律的发现不论那种运动形态都只能以热的形态进行耗散，所以热学定律适用于各种运动形态，而且实际上不论那种运动形态的量化定律关系都可以用热力学定律予以理解和衡量。为了能够用统一的概念和尺度比较和度量各种运动形态的运动能力（机械运动、热运动、电力、磁力、声动、生物力、化学力、核力等），在19世纪初ThomasYoung在这些应力、应变和变形能概念的基础上，提出了统一的概念——能态和能量。19世纪中叶，把各种运动能力分别称为机械能、热能、电能、磁能、声能、生物能、化学能和核能等。这些能态的数量关系用双边的等当关系——当量作为换算的桥梁，即以显示在他们各自的特性背后存在统一的共性和量度关系。同一性和统一的量度，永远是科学研究追求的目标，这个追求导致驾驭各种能态的度量之间存在共同的能量转化和守恒定律。能量守恒定律的发现1.能量概念的由来1802年英国物理家ThomasYoung在皇家学院作了系列讲演，其中提出了科学的能量概念。在讲演的力学部分的第8讲中，他认为对于弹性体和非弹性体的碰撞（如弹性变形和塑性变形的能力，子弹打入土或牛脂中）而言：2.能量大小的表示法活力（visviva）:Huygens在1669年，Leibniz在1686年提出用“mv2”，后来科里奥利提出用“1/2mv2”表示得到学术界的赞同。3.对热的本质的认识过程：（1）燃素说：Newton的粒子说居统治地位后，德国的J.Becher在1669年提出油土是燃素，G.E.Stahl在1720年左右的《化学基础》基础中改“油土”为“燃素”，提出系统的燃素理论，后来被A.L.Lavoisier用实验证明质量守恒时，否定了燃素说。（2）热素说：J.Black为了说明热与温度的区别，引入不可见的和无重量的热素概念。（3）热动说：（4）热能说：4.能量守恒定律发现的前提条件：（1）必须从热是粒子的一种运动或能态的思想出发，研究的转化和守恒关系；（2）必须从不同能量形态之间的定量转化关系出发，（3）提出各种形态运动的数量之间、各种力的数量之间转化是不灭的或守恒的说法，不能认为发现了能量守恒定律。（4）各种能态之间的数理计算和用实验确认，两种论证具备，才能认为发现了能量守恒定律。5.关于能量守恒定律发现的几个阶段：能量守恒定律的实际发现过程可大致分为六个阶段:机械能守恒定律热功转化守恒定律热能与电能（磁能）转化守恒定律热能—化学能转化守恒定律化学能—生物能—机械能守恒定律能量守恒定律机械能守恒：1842年R.Mayer提出“落下力（md）与运动（mv2）转化守恒”，1947年Helmholtz提出活力守恒定律:1/2m(v22—v12)=mg（h12—h22）和力守恒定律：1/2m（v22—v12）=∫fds。1951年Rankine提出potentialenergy、actualenergy和机械能概念，1953年他在《能量转化的普遍定律》文中提出机械能守恒定律：宇宙间物体的势能与实际能（即动能）的总和应为常数。他被称为“能学之父”。（2）热功转化守恒：JamesWatt。S.Carnot的热机可逆循环。E.Clapeyron在1834年提出了热功可逆循环图。理论上：通过Gay-Lussac定律P1V1/T1=P2V2/T2。。对于理想气体，PV/T∞R,所以PV=nRT,PV:气体做的功，T：绝对温度。此外，还可用Cp/Cv=1.412,Cp、Cv分别是定压比热和定容比热，根据气体的理想情况和种类，知道它们的R值，从而求出功PV与热量的比值，即热功当量。S.Carnot：370克/卡，R.Mayer1642年：365-367克米/卡。JamesP.Joule测出424.18克米/卡。1878年为424.71克米/卡或4.16焦耳，国际公认的数值为426.935克米/卡。（3）热能与电能的转化守恒：1940年焦耳在《皇家学会议事录》上发表《论用伏打电产生的热》论文中宣布发现了电热转化的焦耳定律：Q=I2Rt。（4）1821和831年，MichaelFaraday通过实验发现了电磁回转现象和电磁感应现象，因而发现了电力与机械力之间、电力与磁力之间的转化关系。(5)电能与化学能转化守恒：1832—1833年间，MichaelFaraday实验发现了电能与化学能的转化，并测定了电化当量。（6）生物能、化学能和机械能的转化守恒：i798年Galvani发现闪电使青蛙腿伸缩现象；Liebig在1840年代曾见实验室研制化肥，使农作物有明显收益；R.Mayer在爪哇发现人的静脉血比在德国是要鲜红，说明热带温度高出进了血液的氧化，他和Helmholtz都举出人体分泌液体将食物化合和分解成营养物，予以消化，最后转化为四肢运动的机械能和热能。（7）能量转化和守恒定律：能量守恒定律是一个通过自然界各种能态之间的转化观察和实验（部分通过数理计算预实验结合），才归纳出的科学定律，严格地说应称为能量守恒原理。上述种种发现和想法都是通过从热素说向热动说转变后才出现的。但是要真正归纳出能量守恒而不是运动守恒，还需要研究者们的观点从热动说上升为朴实的能态和能量概念。1847年Helmholtz发表《力的守恒》长篇论文后，此文从理论和算式上列出活（werke）的守恒和机械能（用krafte一词）守恒表示式，并对电、磁化学亲和力和生物能等用较详细的分析和说明这些能态之间的转化守恒关系。到1951年Rankine第一次提出势能、实际能（即动能）概念和机械能守恒公式。接着，Kelvin用能量的观点表述热力学第一定律和第二定律。作与Joule密切合作，从能量的角度对各种能态之间的转化予以审视和处理，最后归纳成综合的和普适的能量守恒定律。附：介绍（1）Mayer的故事（2）Joule的故事小结：能量守恒定律是在19世纪20-50年代，有不同科学家在不同的国度分别从观察和思想（Grove、Colding、R.Mayer）上，,从理论计算(R.Mayer、Helmholtz、W.Thonson)上，从实验（Joule）上，分别作出自己的贡献，先由Helmholtz用力—功的概念，最后由W.Thomson用能量的概念予以综合和概括，而形成的一个经验性的科学定律，严格地说，能量守恒原理比较更贴切些。驳：能量守恒定律是不同国家的许多科学家几乎同时发现了能量守恒定律的看法。热力学第一定律：Clausius的第一定律为：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成正比。反之，通过消耗同样大小的功将产生同样数量的热”。1954年在《论机械热理论第二定律的一个改变形式》论文中，他第一次提出这个定律的表示式：如果工质为气体，表示式为：Q=U+PV,dQ=dU+APdV,Kelvin提出的热力学第一定律是：“物质系必须以热或机械功的形式给出同它得到的同样多的能量”。这说明他认为热和功应转化为与它们相当的能量，而不论是以什么形式。他提出的表示式为：W+J（H1+H1+……+H1(n-1)+H1(n)）=0W:系统作的外功，J：热功当量，H1：输入高温体与低温体之间的无数个可逆的小部分之一的热量他用能量守恒的观点提出热力学第一定律。热力学第二定律：Carnot的热机可逆循环实际上是不可能存在的，因为从热体传向冷体的热量可能因为热传导、辐射和其他耗散形式而损失，而机械功会由于摩擦而将热量耗散，都是不可返回的普遍现象，绝对的封闭和绝热系统是不可能实现的。所以研究有方向性的热传导规律是极其重要的。Clausius在1850年及其以后的四篇论文中，提出了四种关于的热力学第二定律的说法，中具有代表性的说法有“克氏说法”（1）1854年发表的《论机械热理论第二定律的改变形式》论文中：热力学第二定律为“热不可能由冷体传到热体，如果不因之引起其他关系的变化”。S命名：Clausius提出了热力学第二定律表示式∮dQ/T≤0，按照热功循环的正、反过程，此式可分解为∫21dQ/T+∫12dQ/T≤0,∴S—S0≥∫21dQ/T,对于封闭和绝热过程：S—S0≥0，这说明，在封闭的和绝热系统中，熵增加，故称热力学第二定律为熵增原理。（2）1875年，在《热的动力理论》中，他的新说法是：“热不可能自发地从冷体传到热体”“热不可能无补偿地从冷体传到热体”。开氏说法：1851年他提出的代表性说法为：“不借助外部动因将热从冷体传到热体，制成永动机是不可能的”；“不可能由非生命的作用，将物质冷却到比周围最冷的东西还要低的温度的方法，使物质的任何部分产生机械效应”。他的第二定律表示式为：H1/t+H1’/t+……+H(n-1)/t(n-1)+H(n)/t(n)=0，H：输入热量，他：温度此时说明Thomson在1851年已经认识到H/t是个状态函数熵的组合。王竹溪教授对笔者说过：“热力学第二定律通常是指开耳芬的说法，这个说非常深刻，他明确强调了两个热源的必要性，从这个说法马上可以看到，Carnot发现的热机必须工作与两个热源之间的结论，具有原则意义”。Boltzmann说法：1877年LudnigE.Boltzmann在《机械热理论的第二定律和几率计算之间的关系，兼论热平衡的定律》文中，从热分子的有序和无序运动观点提出，S=klogW,S:系统总熵，W：可能出现的分子组态或无序运动的量度。该式说明，分子无序运动几率越大，则系统的熵将越增大，直至完全无序运动时熵无限大。热寂说与“宇宙死亡”热寂说是指一个封闭的绝热系统的内与外无热量交换，按照热力学第二定律和熵增原理。（1）W．Thomson怎样提出热寂说？W．Thomson在1952年以后形成了各种能量形态都会在与机械能转化中将热耗散，使宇宙的热量持续增加和平衡。这些在自然界中是不可逆转的。1962年他在《论太阳的年纪》文中写道：“热力学第二定律包括了自然界中某种不可逆的作用原理。他显示了机械能虽然是不可毁灭的，却产生了热量的逐渐增加和扩散、运动停止和整个宇宙的势能殆尽。如果宇宙是有限的和服从现有的定律，不可避免的结果是宇宙静止和死亡状态”。但是他又指出，为物质的广延设想个界限是不可能的，科学宁愿选择势能是在无限宇宙中以无限的进程转变成热量，所以得出那种令人沮丧的看法并不是必要的。他提出的热寂说的前提是：第一，宇宙是有限的和封闭绝热的，第二，热力学第二定律用于宇宙是正确的”。可是，他对这些都是心中无底的。Clausius是怎样提出热寂说的？他在1865年4月24日以《关于热动力理论主要方程的各种应用的方便形式》发表的论文中，把宇宙看作一个封闭的绝热系统。热寂说前提条件：熵只包括焓、热的离散度，而未考虑热辐射、以太振动及其传的热量，以及其他非热形式传播的能量形态。今天看来，宇宙空间物质分布极不均匀，高密天体和黑洞就是巨大的负熵发源地。总之，Clausius在这些前提下用数学推理才提出他的“宇宙基本原理”：宇宙的能量是常数；宇宙的熵趋于极大值。1867年9月23日发表的《关于机械热理论的第二定律》的讲演中，他得出“在一切自然现象中，熵只能增加而不能减少，到处都处在不断的变化过程，可用如下的定律表述：宇宙的熵趋于极大值。宇宙越接近这个熵为极大值的极限状态，任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”评价：将热机很小环境中近似得出的封闭的和绝热的系统，在无限地推广到当时只有极其浮浅了解的十分复杂的宇宙，是进行了不恰当的推论。如果说，Clausius在1865年的论文中还谨慎地提到几种尚不了解的问题作为前提，那么1867年9月在一次讲演中在未进行详细的分析和论证条件下，就抛弃了两年前对未知现象的假设条件，而冒然宣布说宇宙会热寂而死亡，显然是个非科学的推论。Maxwell妖与热寂说的破解Maxwell妖：1871年《热力学第二定律的限制》的标题，悖论的模型“Maxwell妖”：Maxwell妖问题的破解：L.Szilard在1929年用分子信息与熵变化的关系，引进信息就是增加负熵。E。Schrodinger在1943-1945年讲演和发表了《生命是什么？》一书，生命在于增加负熵在天体物理上，高密天体如白矮星、脉冲星和黑洞都是产生负熵的巨大开放系统。L.Brilliouin在在1949-1956年发表的《科学和信息论》中指出，用电炬或光发现快速和慢速的分子，以便将它们分开而避免热寂现象发生。这些说明，Waxwell妖应该是个有信息进入的开放系统。三、热力学第三定律绝对温标的特性是“所有的读数有相同的值，就是说从这个温标为T的物体A传单位热量到（T—1）的物体B上，不论T的度数是什么，都将给出同样的机械效果，这可恰当地称为绝对温标，因为它与人和特殊物质的物理性质完全无关”。Nernst定理：哥廷根大学的物理化学家WalterH。Nernst在1905年在12月23日在哥廷根科学协会宣读了论文《论又热测量计算化学平衡》，次年1月在该学会的《通讯》上发表，提出了后来十分著名的“热定理”。他根据Gibbs—Helmholtz方程：A—U=TdA/dT，A：做的最大功，U：化学反应热，按照PierreE.M.Berthelot的化学反应最最大功原理：dA/dT=0,∴A=U,LimdA/dT=limdU/dT,这说明在T=0时A=U=定植，并且在此值上两个曲线相切。按照Nernst定理，定容比热Cv=dU/dT,当limdU/dT=0时，Cv=0,即绝对零度时定容比热是零。因而提出了检验Nernst定理的方法，但是由于实验上的困难，还应等待实验条件的成熟。1906年Einstein的比热公式经过Nernst和Lindmann的检查和修改其偏差后，Nernst等测量了低温的定容比热，并经过几位著名科学家的认定。热力学第三定律：经过像Planck、Einsten和Nernst这样的科学家对比热值的反复修改和订正后，Nernst在1912年2月，在普鲁士科学院的《会报》上发表的论文中提出热力学第三定律为：绝对零度不可达同年稍后，他在发表的《热力学和比热》论文中进一步得出：不可能通过无限范围发生的过程，将物体冷却到绝对零度3.热力学第三定律的熵概念说法：M.Planck在1911年就从熵的概念提出过：化学上均匀材质的凝聚态（即固态和液态）的熵在绝对零度时为零后来由于发现气体在接近绝对零度时，出现简并现象和相变现象，材质呈现不均匀状态，因而在绝对零度时比热和熵就会不是零，为此到1937年Nernst的弟子和合作者FranzSimon提出了热力学第三定律的新说法：在绝对零度时处于内部平衡的各个亚系(subsystem)的熵增为零1956年当时任牛津大学教授的Simon应英国物理学会的邀请，就热力学第三定律发表50周年发表讲演，他终结后说：‘处于物体内部热力平衡的系内的一切因素的熵在绝对零度时消失’，可无例外地用于一切情况，所以它是一个普遍的热力学定律表述。从此这个原理不再有争议地认为热力学第三定律。

第四讲微观物质组成思想和理论一、物质观和物质组成思想对于近现代科学发展的重大意义1.认识论的本体论:2.何谓物质？正反物质、正负能量（通过质能等当定律）和场，只能从哲学上定义为客观实在。Einstein将实在理解为粒子和场，认为实在是场，而Copenhagen学派认为实在是粒子。2.物质是力的载体和场是物质的一种形态。3.时间、空间和运动是物质存在的方式4.实在的本质、属性、相互作用和存在方式是本体论问题。二、古代的原子论和以太观１．古希腊米利都学派和中国先秦时代的物为本原思想３．古希腊的以太观和中国传统的元气说（1）古希腊的以太观。(2)中国古代的元气说：关于元气，有说是能、场，笔者认为更像是以太。４．为什么说在以太和元气的基础上不可能长生近代科学三、古代和近代原子论的判据、种类和特征1.原子论的判据名称本原特征特质属性相互作用物质组成影响代表作德谟克利特原子论原子虚空不可分不可变大小形状次序位置机械嵌合原子—万物很大，原子论始祖《世界之微小法则》《论自然》（残片）伊壁鸠鲁原子论原子虚空不可分不可变大小重量形状次序颜色硬度吸引排斥原子—复合物万物—种子—原子很大，带辩证法的原子论《论自然》《致希罗多德的信》牛顿原子论原子虚空不可分不可变大小重量形状硬度广延性不可入性可动性惯性近吸远斥并在某临界距离相互转变原子—多层次粒子—万物很大，原子论开始科学化并用于科学上《三一学院笔记》《原理》及其序和结论手稿《轮酸的性质》《光学》波斯考维奇原子论原子虚空不可分不可变无广延有质量，无大小和形状的质点无广延不可入性可动性惯性近斥远吸并随距离而周期地衰减原子—多层次粒子—万物在理论物理界有一定影响《自然哲学论著》道尔顿原子论原子虚空不可分不可变质量大小形状重量广延不可入性可动性惯性同牛顿的近吸远斥原子—分子—万物化学的理论基础原子论科学化《实验笔记》几篇论文《化学哲学新系统》法拉第力心原子力心力线或场不可分不可变质量力心大小次序位置广延用力线相吸或相斥原子—物体将原子论与场论融合到一起《给Theyler的信》《给Phillips的信》《电学实验笔记》漩涡原子论以太稳定性质量大小形状次序位置广延二漩涡原子缠绕结合原子—分子—万物19世纪后半叶对理论物理有影响《论漩涡运动》四、古原子论的恢复和发展1.Lucresus《论物性》长诗和Epicurus《给Herododes的信》的发现和简介2.Gassendi恢复Epicurus原子论的重大意义3.F.Bacon和Boyle都是Democritus原子论的观点4.Galileo拥护和采用Epicurus的原子论，比萨斜塔落体实验与Epicurus落体实验的关系。批判Aristotle的落下物体速度与其重量成正比的运动观。。5.Newton应用和发展了Epicurus的原子论，并将它科学化为物质组成粒子说。五、Newton原子论与科学的粒子说1.Newton原子论思想来源：IsaacBarrow和HenryMore影响。Gassendi和W.Charleton的书。《三一学院笔记》：《初始物质问题》和《原子问题》。2.Newton科学思想的核心：粒子和粒子的力。3.将原子论引用到科学概念和科学推理中：（1）原子是最小和最基本的同一单位，上帝将客观物质造成原子。（2）提出了物质组成粒子说：近吸引和远排斥，构成多层次粒子直至物体，达七层次之。（3）质点和质点系：按照力学的需要，提炼成质点和质点系进行力学处理。（4）质量：不过是原子数量的集合。惯性是物质内固有的力学量。（5）光微粒说：在1669年就做了光的七色颗粒混合与分解实验，1672年提出光的微粒说。（6）用粒子和力说明混合、化合、分解、蒸发和三态的转化、云、雾、霜、雪等的形成。（7）运用粒子和质点概念与数学和动力学相结合发明了微积分和万有引力定律。4.对于后来几种原子论有着重大影响,粒子说成为原子论在科学上应用的发端，5.1884年第一次（另两次：Faraday在1844，Einstein在1909）抛弃了以太说。六、Boscovich原子论及其历史意义1.来源：2.原子特征和属性：表示式和曲线3.物质组成：四面晶体和多层次晶体粒子结构。4.影响和应用：英、法等国被广泛采用。七、Dalton化学原子论1.来源：（1）Newton原子论和粒子说的启发（2）原子量概念的来源2.Dalton的元素和化合物表示符号是在Newton的符号的基础上发展而来。3.Dalton通过气压测量和分压定律，发现气体在液体中的吸收系数与气体元素的重量成比例，在1903年提出元素原子量概念。9月6日的实验笔记《物体由终极粒子组成的新理论》中首次提出它的化学原子论，并在10月在曼彻斯特的学术会议上发表。4.Dalton—Avogadro的原子分子说：八、法拉第的力心原子与场概念的起源1.缘起