17世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展

1、哥白尼學(xué)說幾乎被所有的新興科學(xué)家一致接受，教會(huì)的迫害反而使真理的聲音廣為傳播，伽利略方法廣泛受到歡迎，大批實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家涌現(xiàn)。如： 法國的笛卡兒、費(fèi)馬、帕斯卡、馬略特 意大利的托里拆利 荷蘭的惠更斯 德國的萊布尼茲 英國的玻意耳、胡克、哈雷等 而在眾多的科學(xué)家中，當(dāng)時(shí)大體上分為兩大類，一類是主要從事實(shí)驗(yàn)，崇尚實(shí)驗(yàn)歸納方法。例如：帕斯卡、馬略特、胡克等，他們大都十分強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的意義，但不重視數(shù)學(xué)和推理。另一類是以笛卡兒、費(fèi)馬和萊布尼茲為代表，崇尚理性演繹，在數(shù)學(xué)上都有相當(dāng)?shù)某删?。而把?shí)驗(yàn)和理論兩方面結(jié)合得較好，因而成就比較突出的人物，就是介于伽利略和牛頓之間的科學(xué)家惠更斯。 總之，17世紀(jì)是一個(gè)偉

2、大的實(shí)驗(yàn)以及理論活動(dòng)的時(shí)期。 我們著重介紹笛卡兒、胡克、惠更斯和牛頓的主要成就。 （一）笛卡兒： 1、哲學(xué)： 笛卡兒在哲學(xué)上主張二元論，一方面認(rèn)為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是客觀存在的，另一方面又認(rèn)為精神也是實(shí)體。他主張普遍懷疑，但最后發(fā)現(xiàn)“我在懷疑”這一事實(shí)再也不能懷疑了。于是得出“我思故我在”的著名論斷。 2、在自然科學(xué)方面，他的機(jī)械宇宙觀，數(shù)學(xué)演繹方法和某些物理規(guī)律對(duì)后來都有較大的影響。笛卡兒認(rèn)為，物質(zhì)是由微粒這一唯一實(shí)體構(gòu)成的。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的唯一運(yùn)動(dòng)形式。他否認(rèn)真空的存在，認(rèn)為空間中充滿旋渦狀運(yùn)動(dòng)的微細(xì)物質(zhì)（以太），天體間的作用就靠這種旋渦來傳播，而不是超距作用。這些觀點(diǎn)，包括旋渦說，近距作用和無真空

3、等等，構(gòu)成機(jī)械論宇宙觀。這些是用力學(xué)代替神學(xué)對(duì)宇宙作出統(tǒng)一解釋的第一次嘗試，對(duì)于當(dāng)時(shí)及后來的物理思想的發(fā)展起了不小影響。 3、笛卡兒的方法論對(duì)于后來物理學(xué)的發(fā)展也同樣重要。他創(chuàng)立了數(shù)學(xué)演繹法。創(chuàng)立了解析幾何學(xué)。解析幾何學(xué)使變數(shù)進(jìn)入了數(shù)學(xué)，給物理學(xué)的研究方法帶來了直接的便利（如圖解法，為紀(jì)念笛卡兒而命名的直角坐標(biāo)系）?？梢哉f，培根的實(shí)驗(yàn)法和笛卡兒的數(shù)學(xué)演繹法，成為近代物理學(xué)方法論的兩大源泉。 4、在力學(xué)上的主要貢獻(xiàn)： （1）明確地?cái)⑹隽藨T性定律，他在哲學(xué)原理第二章作了如下表述：只要物體開始運(yùn)動(dòng)，就將繼續(xù)以同一速度并沿同一直線方向運(yùn)動(dòng)，直到遇到某種外來原因造成的阻礙或偏離為止。 （2）提出動(dòng)量守恒

4、定律，即物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)的總量永遠(yuǎn)保持不變，笛卡兒是從哲學(xué)上來加以論證的。 （3）碰撞定律：他對(duì)碰撞及離心力進(jìn)行了初步研究，這些研究成果啟發(fā)了惠更斯。 （二）胡克： 胡克從1662年起任皇家學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)主持人，他是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、儀器設(shè)計(jì)師。1678年，他首次公布了固體彈性定律：“有多大的伸長量，就有多大的力?！?，后經(jīng)改進(jìn)才成為胡克定律的現(xiàn)代形式，胡克的實(shí)驗(yàn)技術(shù)精湛，物理思想活躍，涉及面除力學(xué)、熱學(xué)外還有化學(xué)、生物和建筑等。但他不大重視數(shù)學(xué)，因而對(duì)很多重要問題往往不能貫徹到底，加上性格孤僻，好與人爭(zhēng)，因此多疑寡歡，不善于與人合作公事，影響了才能的充分發(fā)揮。 惠更斯在力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)和天文學(xué)方面，是伽利略和

5、牛頓之間的一位重要科學(xué)家，自幼就表現(xiàn)出很強(qiáng)的動(dòng)手能力，13歲曾自制一臺(tái)車床。在阿基米德著作及笛卡兒的影響下，又勤奮地學(xué)習(xí)力學(xué)、天文和數(shù)學(xué)。他的科學(xué)活動(dòng)的特點(diǎn)是善于把實(shí)踐活動(dòng)與理論研究結(jié)合起來，透徹地解決問題，在力學(xué)方面對(duì)碰撞、鐘擺和向心力等問題有突出的貢獻(xiàn)。對(duì)于天文儀器的設(shè)計(jì)制作也很擅長。1663年和1666年，他先后被選為英國皇家學(xué)會(huì)和法國皇家學(xué)院的第一個(gè)國外會(huì)員和院士。在體弱多病的情況下，他一心致力于科學(xué)事業(yè)，終身未婚。 1、碰撞理論： 對(duì)碰撞問題，伽利略和笛卡兒等人都研究過。倫敦皇家學(xué)會(huì)在1668年1669年為了解決對(duì)心碰撞專門進(jìn)行了懸賞征文。結(jié)果，建筑師雷恩、數(shù)學(xué)家沃里斯和惠更斯三人獲

6、獎(jiǎng)，惠更斯的結(jié)果最細(xì)微最全面，盡管只限于完全彈性碰撞。他提出： （1）質(zhì)量相等而方向相反的二物體正碰后交換速度；在彈性碰撞中同方向的動(dòng)量保持不變。他想象一個(gè)人站在以速度u作勻速運(yùn)動(dòng)的船上，用吊起的兩個(gè)相同的鋼球作碰撞實(shí)驗(yàn)。對(duì)船而言，兩球以同樣的速度v相接近而碰撞，在碰撞后（對(duì)船而言）兩球?qū)⒈３峙鲎睬暗乃俣榷粡楅_。這個(gè)過程對(duì)于站在岸上的人來說兩球是以不同的速度uv?和uv?相向碰撞的，碰撞后兩球的速度則分別變?yōu)閡v?和uv?。于是就可以得出上述結(jié)論?；莞惯€指出，這個(gè)情形的特例是：一個(gè)靜止的球同一個(gè)質(zhì)量相同的球碰撞后，后者立即停止，而原來靜止的球則獲得這一個(gè)速度前進(jìn)。 （2）在完全彈性碰撞中?

7、2mv守恒，這一原理對(duì)他自己后來研究擺的理論起了重要作用。 2、擺的研究： 1656年，惠更斯首先將擺引入時(shí)鐘，并在1657、1658、1673年先后取得了擺鐘專利，1673年出版了擺式時(shí)鐘或用于時(shí)鐘上的擺的運(yùn)動(dòng)的幾何證明，這本書中，他指出了著名的單擺周期公式：glt?。其中t為單擺往或返的時(shí)間，即半個(gè)周期。根據(jù)這一公式，他在巴黎用一個(gè)周期為2s 的單擺，精確地測(cè)出擺長，從而計(jì)算出重力加速度為9.22/sm。他還提出了復(fù)擺的完整理論，并求出與復(fù)擺振動(dòng)中心有關(guān)的17個(gè)問題，這是力學(xué)上第一次在給定重力場(chǎng)中求解受約束的質(zhì)點(diǎn)系的問題。在這些理論問題解決后，他利用擺線理論改進(jìn)了擺鐘的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，還設(shè)計(jì)了

8、彈簧振動(dòng)（游絲）代替掛擺的懷表。 另外，精密擺鐘的發(fā)明和廣泛使用，為發(fā)現(xiàn)重量和質(zhì)量兩個(gè)概念的差異提供了一個(gè)條件。1671年，法國的里切爾到南美附近的卡因島作天文觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)他從巴黎帶去的擺鐘變慢了，當(dāng)他把擺長適當(dāng)縮短，走時(shí)就準(zhǔn)確了。惠更斯對(duì)這一現(xiàn)象做了研究，他認(rèn)為這是因?yàn)槌嗟栏浇矬w受到更大的離心力，從而抵消了物體的部分重力。這就得出，同一物體在地球表面的不同特點(diǎn)其重力是不同的。使人們認(rèn)識(shí)到重量概念與質(zhì)量概念的不同。 3、向心加速度定律： 惠更斯引入了向心加速度概念以向心加速度公式：Rva2?，為牛頓萬有引力定律的推證提供了依據(jù)。 惠更斯的治學(xué)方法和重要成果使他成功地解決了質(zhì)點(diǎn)力學(xué)中最初碰到的

9、幾個(gè)難題（碰撞、擺和圓周運(yùn)動(dòng)）并且展現(xiàn)了理論與實(shí)踐結(jié)合的威力，為牛頓的綜合作了最好的準(zhǔn)備?；莞惯€有其他方面的成就，1680年在巴黎研究“行星機(jī)器”，通過齒輪再現(xiàn)出太陽系各行星的周期，這是天文館的雛形。并由此研究出相當(dāng)完整的循環(huán)小數(shù)理論及天文中近似值的求法，在天文望遠(yuǎn)鏡上加裝測(cè)微計(jì)以提高精度等。 （一）牛頓： 恩格斯談到牛頓的成就時(shí)說，牛頓“借助于萬有引力定律而創(chuàng)建了科學(xué)的天文學(xué)，借助于對(duì)光的分解而創(chuàng)造了科學(xué)的光學(xué)，借助于二項(xiàng)式定理和無窮級(jí)數(shù)理論而創(chuàng)造了科學(xué)的數(shù)學(xué)，借助于對(duì)力的本性的認(rèn)識(shí)而創(chuàng)造了科學(xué)的力學(xué)?！边@是自然科學(xué)史上的第一次綜合。 牛頓（1642年）出生在英國，他的誕生和伽利略的死是同

10、一年。童年時(shí)代牛頓就愛動(dòng)手制作機(jī)械模型，也喜歡讀書和思考。在他12歲時(shí)，他的母親送他到格蘭撒姆的公立學(xué)校讀書，在這所學(xué)校里，他造了一架水鐘，一個(gè)風(fēng)磨。1660年他進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院念書。劍橋是牛頓天才的誕生地。開始，清寒的助學(xué)金使他不被富有的學(xué)生同等對(duì)待，他的發(fā)奮努力和數(shù)學(xué)才能受到巴羅教授的精心培養(yǎng)。他讀過開普勒的光學(xué)、巴羅的講義，那個(gè)時(shí)候，他已經(jīng)想到了他的一些最偉大的發(fā)現(xiàn)的初步觀念。1664年即成為研究生的第二年，他因躲避鼠疫回到家鄉(xiāng)，這兩年是他在數(shù)學(xué)、光的顏色理論、引力問題等方面才華橫溢、發(fā)明興趣濃厚的高峰時(shí)代。牛頓晚年的摯友彭伯頓作了如下詳細(xì)的敘述：“當(dāng)他獨(dú)自坐在花園里時(shí)，他沉浸在關(guān)于

11、重力的思考之中；忽然看到一個(gè)從樹上掉了下來的蘋果，他大吃一驚。他發(fā)現(xiàn)重力從地球的中心到我們所能上升到的最遠(yuǎn)距離都不會(huì)有明顯的減弱，不管是在最高的樓頂，甚至在高山的頂峰，也沒有明顯的減弱；在他看來，有理由作出這個(gè)結(jié)論，即這個(gè)力必然可以延伸到比我們通常想象的距離還要遠(yuǎn)；他自言自語道：為什么不能高達(dá)月球呢？如果是這樣，月球的運(yùn)動(dòng)肯定受到重力的影響；或許它因此有可能保持在它的軌道上?！边@個(gè)關(guān)于引力思索的故事，說明牛頓開始產(chǎn)生了把地面上物體的重力和保持月亮在它的軌道上的力看成同一本質(zhì)的力的想法。牛頓以他非凡的洞察力在落體運(yùn)動(dòng)與月亮運(yùn)動(dòng)之間搭起了一座智慧的橋梁，覺察到天體運(yùn)動(dòng)與地球上的運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。在16

12、69年他寫了論圓運(yùn)動(dòng)，在書中，他開始對(duì)引力的平方反比率進(jìn)行地月驗(yàn)證，但是當(dāng)時(shí)得到的結(jié)果是不符合的。直到13年后，牛頓依據(jù)地球經(jīng)度一度之長的新數(shù)據(jù)重新計(jì)算，才使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相符。從而證明了引力與距離的平方反比的關(guān)系是正確的。正如牛頓所猜想的，也如胡克、惠更斯、哈雷和其他人所猜想到的一樣，即如果開普勒第三定律是正確的，那么，地球和太陽系的行星與太陽之間的吸引力應(yīng)反比于距離的平方。但是，開普勒定律的準(zhǔn)確性在那時(shí)是受到懷疑的。證明上述猜想，需要的正是牛頓的天才。 1684年8月10月，牛頓先后寫了論運(yùn)動(dòng)以及論物體在均勻介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，1686年4月他把自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理原稿請(qǐng)求皇家學(xué)會(huì)出版社出版時(shí)

13、遇到了秘書胡克的異議和經(jīng)費(fèi)困難，1687年由其好友哈雷自費(fèi)出版，又過了6年，牛頓成為皇家學(xué)會(huì)會(huì)長（終身制），1672年牛頓發(fā)表了關(guān)于光和色的新理論，與胡克展開爭(zhēng)論，胡克1703年去世。1704年，牛頓出版了光學(xué)，晚年從事化學(xué)研究和埋頭神學(xué)著作。自1693年起擔(dān)任造幣局局長。1727年去世。牛頓說了一段有名的話：“如果我所見到的比笛卡兒要遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟??！迸ｎD所指的巨人，包括歐幾里得的數(shù)學(xué)、笛卡兒的動(dòng)量守恒、惠更斯的向心力等。在科學(xué)方法上，他以培根的實(shí)驗(yàn)歸納法為基礎(chǔ)，又吸收了笛卡兒的數(shù)學(xué)演繹體系，形成了他比較全面的科學(xué)方法： （1）重視實(shí)驗(yàn)，從歸納入手，這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。

14、牛頓本身在實(shí)驗(yàn)上具有高度的嚴(yán)格性和技巧，在原理一書中他描述了大量實(shí)驗(yàn)，例如，為了證明質(zhì)量和重量成正比，用各種同形狀、同阻力、同地點(diǎn)、同擺長但不同物體的擺驗(yàn)證惠更斯公式，結(jié)果證明所有這些擺的周期在1.0誤差內(nèi)都相等。他的實(shí)驗(yàn)記錄如此認(rèn)真，以至后來他在某一擺錘實(shí)驗(yàn)記錄丟失后還能回憶起其中的主要數(shù)據(jù)。 （2）清晰的邏輯頭腦：牛頓在談到自己的工作方法的奧秘時(shí)說“不斷處于對(duì)事物深思”。伽利略、笛卡兒、惠更斯等人已經(jīng)用位移、速度、加速度、動(dòng)量等一系列科學(xué)概念代替了過去亞里士多德模糊不清的自然哲學(xué)概念。牛頓的功績是把它們加以系統(tǒng)化的同時(shí)，貢獻(xiàn)出兩個(gè)關(guān)鍵性的概念：力和質(zhì)量。他把“質(zhì)量”和“重量”區(qū)分開來。并分

15、別與慣性和引力相聯(lián)系。牛頓綜合了天上的月亮運(yùn)動(dòng)與地上的自由落體運(yùn)動(dòng)，形成了自己的體系。 （3）事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通過數(shù)學(xué)方能歸納為可進(jìn)一步測(cè)量、應(yīng)用和檢驗(yàn)的公式或定律。牛頓的巨大數(shù)學(xué)才能幫助他解決了旁人解不開的難題。他創(chuàng)造新的數(shù)學(xué)工具來研究變量和瞬時(shí)的關(guān)系，簡(jiǎn)化復(fù)雜的計(jì)算。沒有這些才能，就不可能建立起運(yùn)動(dòng)三定律和萬有引力定律。 （二）牛頓的主要成就： 1、牛頓自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理： 1687年牛頓發(fā)表了原理一書，全書分為兩大部分，第一部分包括“定義和注釋”和“運(yùn)動(dòng)的基本定理或定律”，第二部分是基本定律的應(yīng)用。這部偉大的著作的出版，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立。 ? 數(shù)學(xué)方法：牛頓從變速運(yùn)動(dòng)的物理

16、模型中抽象出微積分的概念。而德國的萊布尼茲則是從對(duì)曲線的切線的幾何學(xué)研究中引入dxdy的。從此，微積分便成了解決變量及其變化等問題的有力武器，而物理學(xué)問題也就可以不必依靠哲學(xué)方式去解決了。 ? 力學(xué)的理論基礎(chǔ)基本概念和定律：牛頓嚴(yán)格定義了當(dāng)時(shí)人們常?；煜膸?個(gè)基本力學(xué)概念，例如：物質(zhì)的量（質(zhì)量）、運(yùn)動(dòng)的量（動(dòng)量）、慣性、外力、向心力等。其次闡述了他的三條定律和六條推論，六條推論包括了力的平行四邊形法則、力的合成與分解、動(dòng)量守恒定律、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理、相對(duì)性原理等，在后面的附注中，還描述了許多正碰中的恢復(fù)系數(shù)及簡(jiǎn)單機(jī)械的實(shí)驗(yàn)。牛頓對(duì)彈性碰撞的物理過程做了生動(dòng)具體的描述，在碰撞中兩球擠壓，產(chǎn)生瞬間變

17、形，而后恢復(fù)原形，球被彈射出去。他得出結(jié)論：兩個(gè)質(zhì)量相同的完全彈性球，以相同的速度相向運(yùn)動(dòng)碰撞后，兩者都以相同的速度向相反方向運(yùn)動(dòng)。這樣，就把動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)組成了一個(gè)完整體系。原理在后面的三篇中將定理和定律應(yīng)用到許多問題中，包括地上的力學(xué)和天上的力學(xué)。其中最重要的問題是提出與論證了萬有引力定律。 【注】在原理中，第一條定義就是：“物質(zhì)的量是物質(zhì)的度量，可由其密度和體積求出?！痹陉U述這一定義時(shí)，牛頓又說：“我在以后不論在何處提到物體或質(zhì)量這一名稱，指的就是這個(gè)量。”也就是說牛頓把“物質(zhì)的量”、“物體”和“質(zhì)量”這三個(gè)詞當(dāng)同義詞用。他也把質(zhì)量等同與慣性。1876年，馬赫發(fā)表了關(guān)于質(zhì)量的定義一文，提

18、出了用力和加速度的負(fù)比值定義質(zhì)量。1876年麥克斯韋又提出了利用一個(gè)確定的力先后對(duì)兩個(gè)物體施加作用時(shí)所獲得的加速度比值作為它們質(zhì)量反比。即當(dāng)外力相同時(shí)，有： 1221aamm? 即：質(zhì)量大的物體加速度小，慣性大，因此可以說質(zhì)量是物體慣性大小的量度。這樣定義出來的質(zhì)量就叫做慣性質(zhì)量。 2、萬有引力定律： 引力的思想來源于哥白尼，哥白尼認(rèn)為物質(zhì)有一種聚集為球體的趨向。吉爾伯特把磁力說擴(kuò)大到太陽系，認(rèn)為地球是塊大磁鐵，這種說法啟發(fā)了開普勒，他認(rèn)為太陽可能發(fā)出一種類似磁力的引力流。伽利略卻認(rèn)為引力與物體輕重?zé)o關(guān)，他認(rèn)為天體的勻速圓周運(yùn)動(dòng)是慣性的天然表現(xiàn)，不需力來維持。笛卡兒認(rèn)為天體的運(yùn)動(dòng)來源于慣性和以

19、太旋渦對(duì)天體的壓力（成為當(dāng)時(shí)英國法國教科書中的正統(tǒng)觀點(diǎn)，但缺乏科學(xué)的論證）。1661年胡克作了一些實(shí)驗(yàn)，1664年，胡克認(rèn)為彗星軌道在靠近太陽時(shí)彎曲，說明太陽有吸引力。1679年胡克、哈雷都按照?qǐng)A軌道由開普勒第三定律推出向心力與距離平方成反比212221RRFF?，但這種平方反比為什么會(huì)形成橢圓軌道以及橢圓軌道怎么證明向心力與距離的平方反比關(guān)系，大家束手無策。 至此，盡管經(jīng)過前人的努力，萬有引力定律的思想準(zhǔn)備已經(jīng)基本成熟，但在數(shù)學(xué)上還存在困難。牛頓對(duì)引力問題，自己只承認(rèn)有兩點(diǎn)成就，第一是觀念上的。他肯定了地球上的重力和天體間的引力的同一性。打破了亞里士多德“月上”和“月下”兩個(gè)世界的劃分，盡管

20、地面附近的落體運(yùn)動(dòng)與月亮的旋轉(zhuǎn)在形式上完全不同，牛頓卻獨(dú)具慧眼，看出它們之間起作用的都是同一性質(zhì)的力。關(guān)于蘋果圓中的故事只有象征性的意義，這個(gè)故事說明牛頓經(jīng)常沉思的一個(gè)關(guān)鍵問題是要探索天上（月亮）和地上（蘋果）的力之間本質(zhì)是否相同。第二，牛頓用數(shù)學(xué)方法表示出萬有引力。在涉及力、距離、軌道的具體計(jì)算中，曾遭遇了變量和積分計(jì)算等困難，主要困難有三：（1）如何用平方反比律證明行星運(yùn)動(dòng)是橢圓運(yùn)動(dòng)，這需要積分；（2）能否把月球和地球質(zhì)量看成集中于球心，這需要積分；（3）要有精確的地球半徑，地月距離等數(shù)據(jù)以進(jìn)行驗(yàn)算）。由于牛頓創(chuàng)造了新穎的數(shù)學(xué)工具，加上他對(duì)數(shù)據(jù)一絲不茍的嚴(yán)格態(tài)度，他終于克服了困難。他從16

21、66年開始研究這一定律，到1687年最后發(fā)表最后發(fā)表，共21年。事實(shí)上，在1685年以前牛頓自己還一直懷疑這一結(jié)論。 理論的作用不僅要解釋已有的現(xiàn)象，而且要能預(yù)測(cè)未來的事件。事實(shí)上，萬有引力理論，使得人們只憑少數(shù)觀測(cè)資料，就能算出天體運(yùn)行的長周期軌道，免去了過去冗長的計(jì)算，而且十分精確可靠，從而解釋了今后幾百年內(nèi)極多的地面現(xiàn)象與天體現(xiàn)象，例如：哈雷彗星、地球的扇形，后來人們預(yù)測(cè)了海王星、冥王星等等，直到今天，萬有引力仍是最精密可靠的基本定律之一，她是天體力學(xué)和宇宙航行計(jì)算的基礎(chǔ)。 在牛頓以前，無論是東方還是西方，天與地的區(qū)分是根深蒂固的。沒有任何一項(xiàng)成果能說明天上運(yùn)動(dòng)與地上運(yùn)動(dòng)服從相同的規(guī)律。

22、牛頓的引力定律體現(xiàn)了天上運(yùn)動(dòng)與地上運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性，它把開普勒的行星運(yùn)動(dòng)和伽利略的拋體運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了。從而把天體運(yùn)動(dòng)納入到根據(jù)地面的實(shí)驗(yàn)得出的力學(xué)原理中。這是物理史上第一次偉大的綜合。 牛頓代表了人類在認(rèn)識(shí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律方面的巨大飛躍，從而奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)。但是，牛頓力學(xué)相信絕對(duì)時(shí)空觀，這是它的局限。另外當(dāng)時(shí)的自然科學(xué)家還不能僅靠一條萬有引力定律去說明行星軌道的切線速度一開始是從哪里獲得的，牛頓在1692年寫給牧師的信中寫道：“沒有神力之助，我不知道自然界還有什么力量竟能促成這種橫向運(yùn)動(dòng)”。牛頓把一切未知的神奇歸功于上帝，為此花了后半生的心血寫出了150萬的神學(xué)著作。 1、帕斯卡： 在講到液體和

23、氣體力學(xué)的時(shí)候，我們從帕斯卡關(guān)于液體壓強(qiáng)的研究開始。帕斯卡出生在法國，是一位數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。他于1653年寫了一篇文章叫論液體的平衡，在文章中，他闡明了著名的帕斯卡定律，即施加給液體的壓強(qiáng)不減弱地穿透到各個(gè)方向，并以相同的壓強(qiáng)作用在和力成直角方向的所有相等的表面上。他用實(shí)驗(yàn)方法證明了，依靠液體重力得到的正對(duì)表面的壓強(qiáng)僅僅決定于液體的深度。 2、厭惡真空： 除了望遠(yuǎn)鏡外，在17世紀(jì)科學(xué)也發(fā)現(xiàn)了氣壓計(jì)和空氣泵。在物理史上，許多哲學(xué)家，物理學(xué)家都曾經(jīng)說過，真空不存在。亞里士多德，笛卡兒都講過自然界厭惡真空。由于這種厭惡，據(jù)說自然界以容納附近的任何東西并立刻以這種東西填滿任何被弄空了的空間來阻止真空

24、的形成。甚至伽利略也不能使自己完全擺脫這種學(xué)說。伽利略知道：（1）空氣有質(zhì)量（他以平常壓力下的空氣和高壓下的空氣注滿玻璃容器后的重量差使自己相信空氣有質(zhì)量）；（2）“對(duì)真空的阻力”是以水柱的高度來量度的。但是，他沒有把兩個(gè)觀點(diǎn)統(tǒng)一起來，把空氣看作是可以施加壓力的流體，這個(gè)工作尚待他的學(xué)生托里拆利來完成。 3、托里拆利實(shí)驗(yàn)： 托里拆利在耶穌會(huì)學(xué)校開始他的數(shù)學(xué)研究，并在羅馬的卡斯特里知道下繼續(xù)研究。他精通伽利略的著作，并發(fā)表了一些力學(xué)文章。伽利略渴望認(rèn)識(shí)這些論文的作者，并邀請(qǐng)托里拆利和他合作。據(jù)說，他們的交往和談話給晚年的伽利略以極大的安慰。三個(gè)月后，伽利略逝世。伽利略的保護(hù)人托斯卡納大公爵讓托里

25、拆利以學(xué)院數(shù)學(xué)教授的名義作為伽利略的繼承人。 1640年，意大利北部一名大公爵家中的花園建造了一座結(jié)構(gòu)十分精美的噴水池。為了供噴水，挖了一口十多米深的井，裝上了強(qiáng)有力的抽水唧筒，但是一滴水也抽不上來。于是，大公爵就派人去請(qǐng)教當(dāng)代最有名的科學(xué)家伽利略。這時(shí)伽利略已是76歲高齡，又雙目失明，病臥在床。當(dāng)他聽到這種情況，也感到十分驚訝。但他認(rèn)為，自然界厭惡真空可能是一種力，這種力是可以測(cè)量的。他說，井太深了，抽水唧筒內(nèi)水柱受它自身重量壓縮，所以還沒有到井口就被壓了下去。人們聽了似懂非懂?？墒?，這時(shí)的伽利略已經(jīng)沒有時(shí)間和精力來解決這個(gè)問題了。他的學(xué)生托里拆利繼續(xù)研究這個(gè)問題。他認(rèn)為當(dāng)水沿抽水唧筒上升時(shí)

26、，不是什么管子這頭“厭惡真空”造成的，而是管子那頭井水水面上的大氣壓力使水沿管子上升。抽水唧筒只能把水抽到十米高，那是因?yàn)榇髿鉀]有重到可以把水壓到十米以上的緣故。他又想，用水做實(shí)驗(yàn)管子得十多米長，太不方便了，于是改變用水銀做實(shí)驗(yàn)。托里拆利設(shè)計(jì)了以垂直的水銀柱測(cè)定真空阻力的方案。他預(yù)料水銀的長度約相當(dāng)于水柱的141。托里拆利實(shí)驗(yàn)在1643年由伽利略的學(xué)生維維安尼進(jìn)行。他的實(shí)驗(yàn)的具體做法是，把一根約122厘米長的玻璃管一端封閉，從開口一端慢慢地裝滿水銀，再用手指按住這開口的一端，把裝滿水銀的玻璃管倒轉(zhuǎn)過來，然后，將開口端插入一個(gè)盛水銀的盆中。當(dāng)放開手指后，玻璃管中的水銀不斷下降，直至高出盆里水銀面29英寸（約737毫米）為止。這個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)使他們知道如何獲得真空，證明了大氣壓力的存在，也很容易的解釋了抽水唧筒的抽水高度。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置可以認(rèn)為是世界上第一個(gè)壓強(qiáng)計(jì)。但是，托里拆利從未發(fā)表過一篇關(guān)