物理学是研究物质基本结构和物质运动的最一般规律的科学，是其它科学和技术的基础和发源地。一方面，它推动着人们的认识观念与思维方式的变革与发展，另一方面，又通过技术转化为直接生产力，为社会和经济服务。同时，物理学也是一门不断发展的科学，向着物质世界的深度和广度不断前进。 原始的自然观和物理学的起源与发展在第二章中已经谈到一些，本章叙述的主要是经典物理学至现代物理学的发展和相关内容。经典物理学是指19世纪末以前的物理学部分，包括经典力学、热力学、统计物理学、经典电磁学等；现代物理学是指20世纪初发展起来的物理学部分，包括量子力学、相对论、原子核物理、粒子物理学等内容。 4.1 经典物理学的诞生与发展
从16世纪到18世纪，大约有300年的时间，是近代自然科学形成和发展时期。这一时期，在资产阶级民主革命和资本主义生产发展的推动下，自然科学摆脱了宗教神学的束缚和坚持对自然界进行精密的观察和实验的研究，以前所未有的速度发展起来。第谷、开普勒、伽利略、笛卡尔、牛顿等科学家都为新时代科学思想的建立作出了贡献。其中最杰出的成就是牛顿创立了经典力学体系，实现了以力学为中心的科学知识的第一次大综合。
情报分析
4.1.1 经典力学体系的建立
丹麦天文学家第谷·布拉赫（T.Brahe, 1546～1601年）以毕生精力进行观测，获得了大量数据资料，为开普勒（J.Kepler，1571～1630年）行星运动三定律的 108
研究作了充分准备。与此同时，以伽利略(G.Galileo，1564～1642年)为代表的物理学家对力学开展了广泛研究，得到了自由落体定律。伽利略的两部著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》（通常简称为《两门新科学》，所谓两门新科学是指材料力学和运动力学），为力学的发展奠定了思想基础。随后，牛顿（I.Newton，1642～1727年）在总结伽利略和开普勒等人研究成果的基础上，进行分析综合，建立了牛顿力学三定律和万有引力定律。牛顿力学经过伯努利(D.Bernoulli，1700～1782年)、拉格朗日(J.L.Lagrange，1736～1813年)、达朗贝尔(Jean le Rond d’Alembert，1717～1783年)等人的推广完善，形成了系统的理论，并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。到了18世纪，经典力学已经发展成为自然科学中的主导和领先学科。
(一)伽利略对经典力学的贡献
意大利科学家伽利略1564年2月15日出生于意大利的比萨。1581年进入比萨大学学习医学。不久就对数学着迷，他执意不肯学医，未取得学位就于1585年离开了比萨大学。格氏试剂
物理学伽利略倾心研究欧几里得几何学和阿基米德的物理学。伽利略先后在比萨大学、帕多瓦大学担任教授工作。1610年回到了佛罗伦萨，继续从事他的物理学和天文学的研究。因为赞同和传播哥白尼的日心说受到教会迫害，转而专心研究力学，写出了《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》（通常简称为《两门新科学》），对惯性定理作出了更明确的说明，提出了自由落体定律、相对性原理、加速度的概念和“运动量”的概念（动量概念的雏形）。伽利略认为：“匀速运动是指运动质点在任何相等的时间间隔里经过的距离相等”，“匀加速运动是指运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量”。这是伽利略对亚里士多德运动观念的重大改革。更重要的是，伽利略的这些成就不单是靠思辨和逻辑推理得出的，而是以大量的“斜面实验”的结果为基础的。其中对自由落体和抛物线运动规律的研究是他最富有创造性的成果。
在16世纪以前，亚里士多德运动观一直占统治地位。亚里士多德认为：即物体运动的有无和快慢与它是否受到力的作用和力作用的大小有关；体积相等的物体下落的快慢与它们的重量成正比，即较重的下落快，较轻的下落慢。这种观点是错误的，但它比较符合人们的常识，再加上被宗教利用，在当时被人们敬为圣贤之言，不可触犯。对这一错误观点发起冲击的是伽利略。
伽利略用逻辑推理的方法进行论证分析，发现了亚里士多德自由落体观点中的逻辑矛盾。他设想把一个重物和一个轻物捆在一起下落，会发生什么情况。若
造船技术109
按照亚里士多德的观点，一方面，它们的重量是两个物体重量之和，也就是说两物体捆在一起应比重物单独下落的速度快。但另一方面，两个不同下落速度的物体捆在一起，下落快的重物必然被下落慢的轻物拖住而减慢下落速度，同时，轻的物体也会被快的重物所带动下落速度有所增加。这样，捆在一起的两个物体最终以相同速度下落，这个速度比原来重物单独下落的速度慢，比轻物单独下落的速度快，根据亚里士多德的观点推出两个不同的结论。伽利略对亚里士多德的观点提出疑问，他认为解决这一逻辑矛盾的唯一途径是：下落速度与重量无关。伽利略并未满足于逻辑推理，而是通过实验寻求根据。他从单摆运动的研究中得到启发，设计了著名的“斜面实验”。一个小球沿斜面下滑，可以看成“冲淡重力”的条件下的落体实验。物体在垂直地自由下落时，由于地球引力较强，降落速度很快，很难精确测定不同重量物体降落过程；但在斜面上，引起物体下落的只是重力沿斜面的分力，而易于观测。伽利略反复进行实验，终于得到了自由落体是匀加速运动，其下落的速度和时间同物体的轻重无关的结论。
在此有必要说一点，伽利略并没有直接观察自由落体运动状况。因为自由落体加速度太大，而当时的记时装置还未出现，时间无法测量。想一想，伽利略发现摆的运动的等时性时，是用自己的脉搏记时，就可以明白当时科学仪器的缺乏。斜面可以使物体下落的加速度减小，因而可以对其进行观测，在此基础上，伽利略最终用“理想实验”由斜面的情形推到了自由落体和水平运动的情形。传说伽利略曾进行所谓的比斜塔自由落体实验是缺乏事实根据的。
伽利略在发现自由落体定律的基础上，进一步进行分析和实验，又发现了“惯性原理”——即物体在没有外力作用的情况下，不仅有保持其静止状态不变的特性，而且还有保持其匀速直线运动的特性。
尽管伽利略为经典力学体系的建立作出了贡献，但他为避免教会的进一步干涉和迫害，当时只说这些力学原理适用于地上的物体，而不提它是否适用于行星等天体的问题。
除了力学上的贡献，伽利略还有许多发现和发明。例如：他发现了摆的等时性原理；创制了天文望远镜，观察到许多重要天文现象，被称为“天空的哥伦布”；根据物质热胀冷缩的道理，发明了一种湿度指示器；根据浮力原理，发明了一种流体静力学天平，被称为“当代的阿基米德”；他试图用实验方法测定光速，虽未成功，但毕竟是科学史上测定光速的先驱者。
在科学研究方法上，伽利略作为实验物理学的先驱，他把实验方法、分析方法和数学方法综合地运用于力学研究，为近代自然科学开创了一个新时期。爱因斯坦评论说：“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
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大的成就之一，标志着物理学的真正开端。” (二)开普勒对经典力学的贡献
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德国天文学家开普勒（J.Kepler,1571～1630年）生于德国南部瓦尔城。开普勒5岁时得过天花，致使
手眼留下残疾。为了到一份合适的工作，开普勒进入杜宾根大学学习神学。求学期间，他显示了出众的数学才华。开普勒从他的老师——杜宾根大学的天文教授米切尔·麦斯特林（1550～1631年）那里得知了哥白尼的日心说，并成为哥白尼的拥护者。大学毕业后，开普勒到了奥地利，由麦斯特林推荐到格拉茨大学当了一名天文学讲师。开普勒对数学的爱好、对自然界数的和谐的神秘感受，始终支配着他对天空奥秘的探索活动。在奥地利期间，开普勒致力于探测六大行星的轨道大小之间的数学关系，并于1596年发表《宇宙的奥秘》一书，以“太阳磁力说”解释行星运动的原因。 开普勒的才能受到第谷的赏识。1600年，开普勒来到布拉格担任第谷的助手，继续他的天文学研究。在第谷的精确观测所获得资料的基础上，经过多年深入思考和紧张艰苦的工作，他提出了行星运动的三条定律。 第一定律——轨道定律：行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。
第二定律——等面积定律：在相等时间间隔内，行星和太阳的连线（向径）所扫过椭圆的面积相等。即行星的运动不是匀速的，离太阳越近则速度越快。 第三定律——周期定律：行星绕日公转周期的平方，与行星各自离太阳平均距离的立方成正比，即=23T R K （K 为比例常数）。 开普勒的行星运动三定律抛弃了行星沿圆形轨道作匀速运动的传统观念，使行星运动的不均匀性得到自然合理的说明，从而简化了哥白尼体系，使日心说真正体现出宇宙结构的简单性和完美性。 爱因斯坦曾说：“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。” 三定律描述了行星的运动过程，而未解释行星
为什么这样运动。换句话说，开普勒只是解决了天体运动学方面的问题，没有解决天体动力学方面的问题。他认为支配行星运动的这个统一的力量来自太阳，而他发现的这些运动定律，只是更普遍的物质运动规律的结果，但是他未能解决这个问题。他认为引力与磁力相类似，并且断言引力作用随着距离的增加而减少，这说明开普勒已经窥见到万有引力了，他所发现的行星运动定律，已经在敲着万有引力定律的大门，为后人解 111
决这个问题准备了前提条件。
(三)牛顿的综合与经典力学体系的建立
英国物理学家、数学家牛顿（I.Newton，1642～1727年）在物理学、数学、天文学、几何光学等方面都取得了卓越的成就。其中最重要的贡献是为力学建立了一套基本的概念，提出了万有引力定律和力学运动三定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系。
大数据脱敏牛顿出生在英国林肯郡伍尔索普的一个乡村。12岁时被送进格兰瑟姆的文科中学念书。1661年6月，牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院深造，结识了著名第一任卢卡斯教授数学家巴罗(I.Barrow，1630～1677年)。巴罗是一位知识渊博、品德高尚的学者，正是在他指导下牛顿踏进了科学的大门。期间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《关于两大世界体系的对话》以及胡克的《显微图》等书籍，基本上掌握了当时的全部数学和光学知识。1
665年初，牛顿大学毕业获得文学学士学位。
1665到1666年的两年中，是牛顿创造发明的最为旺盛时期。在数学上他发明了级数近似法和微积分；他提出了颜理论；从开普勒的第三定律推出行星维持轨道运行所需要的力与它们旋转中心的距离成平方反比的关系。1667年，牛顿回到剑桥，当选为剑桥大学三一学院的研究员。1669年，在巴罗的举荐下，27岁的牛顿当上了剑桥大学的卢卡斯数学教授。
当时，自行星运动的正圆轨道学说被打破以后，不少天文学家开始探讨行星为什么总是绕太阳作封闭曲线运动，而不是作直线运动远离太阳？伽利略认识到力只是改变运动的原因而不是保持运动的原因，但他只把这一点限制在地面，对天体运动他还是相信沿圆周作匀速运动的“圆惯性”观念。1684年1月，英国物理学家胡克（R.Hooke，1635～1703年）声称自己发现了天体与距离平方反比的力作用下的轨道运行规律，但他不能给出明确的数学证明。皇家学会决定悬赏征解。1684年11月，牛顿写出了《论运动》手稿，就行星运动轨道与距离平方反比的作用力之间的关系作了透彻的数学证明。事实上，从开普勒第三定律和向心力公式，很容易得到这一结论。
此后，牛顿开始全身心投入动力学的研究之中。花了不到18个月的时间，于1686年写成了他的力学巨著《自然哲学的数学原理》。由于当时皇家学会资金不足，不能资助出版该书。英国天文学家、牛顿的好朋友哈雷便决定自己出资出版这部著作。在出版过程中，胡克声称自己是平方反比定律的第一位
发现者，而且牛顿的一系列研究工作都是由他发起的。于是，牛顿在书中插入了一个声明，说胡克也是平方反比定律的独立发现者。这样，《原理》一书于1687年7月以拉丁
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