牛顿之前的科学巨人们

第一节　牛顿之前的科学巨人们

科学革命后，自然科学从宗教神学的禁锢中解放出来，首先发展并成熟起来、形成独立体系的是经典力学。因为，与其他学科相比，力学比较简单、直观。这也符合人类认识从简单到复杂的规律。经典力学也称牛顿力学，是牛顿把地面和天空的力学统一到一个基本的力学体系中而创立的。它实现了自然科学的第一次大统一，是人类对自然界认识的一次大飞跃。

但是，经典力学体系的创立不是一个人的功劳，而是那个时代一批科学家共同努力的结果。牛顿只是经典力学体系的最终完成者。对此牛顿曾有过这样一句名言：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”确实，如果没有这些科学巨人们开创性的工作，牛顿是不可能发现万有引力定律及完成经典力学的综合工作的。这些科学家主要有伽利略、开普勒、惠更斯、笛卡儿、胡克、哈雷等。

伽利略

伽利略是开启近代科学的大师，在近代科学史上占有突出的地位。因为是他开创了实验和数学相结合的科学研究方法。他的生平和在天文学上的贡献这里就不介绍了。而他所以能被誉为科学大师则主要是基于他对力学的贡献，这一贡献为牛顿完成经典力学的综合工作奠定了基础。

青年时代的伽利略，思想就非常活跃。他自幼喜爱机械，学习能力异常惊人。18岁时，他在教堂里看到灯在风中摆动，从而发现了摆的等时性原理，即在摆长固定的情况下，不管摆的幅度多大，它所需的时间相等。后来惠更斯就是根据这个原理制成了钟表。

他根据摆的等时性原理制成了一架脉搏仪，供医生用来测量病人的脉搏。伽利略只读了一年大学就因经济困难而失学。但他勤奋好学，一面钻研古代原子论、欧几里得几何学、阿基米德和亚里士多德的物理学等古希腊名著，一面对物理现象进行独立的研究。

当时，伽利略在比萨大学担任数学教授。但是真正使伽利略成为科学史上巨人的是他的重物实验。这是伽利略向陈腐的传统观念的挑战，正是他的这一行为揭开了近代科学的序幕。

在伽利略时代，人们对物体下落的认识还停留在亚里士多德《物理学》的水平上。亚里士多德有一个著名的“落体运动法则”：落体的速度与重量成正比。这就是说，一个重10千克的物体，其下落速度一定是重1千克的物体的10倍。伽利略觉得这一法则既不符合他平时观察到的现象，也违背了事物的逻辑。他设想，假如把一个10千克的铁球和一个1千克的铁球拴在一起按照亚里士多德法则，就会得出相互矛盾的结果：如果把它们当作两个物体，则下落得慢的小球一定会拖住下落得快的大球，使它们下落的速度小于10千克铁球的下落速度；如果把它们当作一个物体，则总重量达11千克，它们的下落速度应大于10千克铁球的下落速度。

显然，亚里士多德的法则无法成立。然而，正确的结论又是什么呢？伽利略决定通过实验来证明。

根据伽利略晚年的学生维维亚尼的记载，伽利略曾在意大利比萨斜塔上做过自由落体的实验。结果两个重量相差10倍的球同时落地，证明了亚里士多德的观点是错误的。不过经后世史学家考证，伽利略并没有在比萨斜塔上做过落体实验。

其实，是否确有其事这本身在科学史上并不重要。不过人们是宁愿信其有的。不管怎样，比萨斜塔却因此成为意大利的国宝和世界旅游胜地却是千真万确的。这就是科学文化的魅力。

现代史家对落体实验比较一致的看法是这样的：在伽利略之前荷兰工程师斯台文曾做讨一个反对亚里士多德观点的实验，他用两个铅球，其重量一个是另一个的10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下，落在一块木板上，它们发出的声音就像一个声音一样。但该实验不是在比萨斜塔做的。伽利略也曾做过一个类似的实验，但由于空气阻力，效果并不好，但也不是在比萨斜塔做的。不过，确实有一个人于1612年在比萨斜塔做过这样的实验，但这个人是支持亚里士多德观点的，是为了反驳伽利略而做这个实验的。结果并不是同时到达地面，对伽利略是不利的。

事实是，为了通过实验证明，伽利略设计了著名的斜面实验来代替落体实验，使球沿斜面下滑的速度减小到便于精确测量的程度。

伽利略用不同重量的球，在不同的倾斜度下做实验。由此得出以下结果：

（1）当斜面倾角固定时，球通过的距离S与所用的时间T的平方之比为一常数。

（2）改变斜面的倾角，常数值也随之改变。

（3）用质量不同的物体沿相同倾角的斜面运动，它们的加速度相等。

这一结果使伽利略非常满意，因为由此可以确信“落体速度与时间成正比”的假设是正确的，并由此找到了落体速度与下落时间之间的简单关系。

通过实验伽利略导出了自由落体定律。物体做斜面运动，当倾角为90度时即为自由落体运动，速度与时间关系的论断也是成立的，由此得出结论：物体自由坠落的距离与时间的平方亦成正比，自由落体是匀加速运动。

在这里，伽利略使用了“理想实验”的方法。这种科学方法是伽利略首创的奠定了近代科学实验的方法论基础。

伽利略还通过斜面实验，用“理想实验”的方法导出了惯性原理。根据亚里士多德的力学，物体保持匀速运动是靠外力的持续作用。“推一个物体的力不再推它时，原来运动的物体便归于静止。”但是，伽利略认为，运动是永恒的，变化是永远存在的。

他用小球做斜面实验，当小球从斜面滚到平面上，如果平面很光滑，小球差不多保持匀速运动；如果另外接上一个上升的斜面，小球差不多能够达到下落前的高度。伽利略由此推翻了亚里士多德关于外力停止、运动也停止的错误观点，得出了著名的惯性原理。他指出，物体只要不受外力作用，就会保持其原来静止或运动的状态；运动并不需要力来维持，假如没有外力作用于物体，那么该物体将永远保持其原有的运动状态。伽利略的这一正确结论，后来由牛顿总结为第一运动定律，即惯性定律。

伽利略发现了惯性原理，很自然就提出“相对性原理”。他是这样论证的：他假设，在不长的一段时间内，可以认为地球表面上每个点都是作匀速直线运动。位于地球上的物体将与地球表面该点有相同的速度，根据惯性原理，物体将竭力保持这一速度。

伽利略做了一个实验来说明这一点。他使石子从行使中的船舶的船桅顶上落下。尽管船在向前行驶并离开了石子的最初位置，但石子仍然落到船桅脚下，而不是落在船桅后面。发生这种现象的原因，就在于石子开始下落时具有与船舶同样的速度。在下落过程中石子保持着水平方向的速度并随着船舶向前运动。他强调，只有当船做匀速直线运动，并且没有摇晃时，才可能出现这种情况。因此，后来人们把这个原理称为“伽利略相对性原理”或“经典的相对性原理”。

“伽利略相对性原理”还正确解释了哥白尼日心说所遇到的一大困难，即关于地动抛物的问题。因为在哥白尼日心说问世之后，人们根据常识提出：既然地球是转动的，为什么不会出现反向吹来的狂风？为什么把物体抛上去会原地落下，而不是落在地球转动的后面？这些疑问，通过伽利略相对性原理很容易就能得到解释。

伽利略在力学上的成就，集中反映在他的《关于两种新科学的对话》一书中。这是一部物理学名著。在这部著作中，伽利略对力学问题作了一系列精辟的论述。除了速度和加速度外，他还提出了惯性定律，论述了作用力和反作用力的问题。这些论述，后来被牛顿加以发展和完善，提出了著名的运动三大定律。

这本书的出版标志着经典力学作为一门独立学科的诞生。因此，在力学研究方面，伽利略可以说是经典力学的先驱之一。后人习惯上称经典力学为“伽利略—牛顿力学”。

爱因斯坦曾这样评价伽利略在力学上的成就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大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”

开普勒关于天体间引力的研究

我们都知道开普勒在天文学上的贡献。他因发现行星运动三大定律而被誉为“天空立法者”。其实，严格意义上说，开普勒并不是天空“立法者”，而只是天空“解法者”。也就是说，那时开普勒已知道行星是根据他的三大定律运行的，但他并不知道行星这样运行的原因是什么，即对于行星的运动，开普勒还只知其然而并不知其所以然。

回顾哥白尼日心说的传播史，不难发现，从哥白尼到开普勒，只是沉重地打击了宗教神学的地心学说，但还远远没有建立起理论基础稳固的日心说。因为从理论上说，开普勒的行星运动三大定律只能把上帝赶出地球，却无法驱逐出太阳系。只要宗教神学愿意，他们随时可以把上帝从地球挪到太阳上，用上帝来说明行星围绕太阳运行的原因。这样，开普勒的行星运动三定律就完全可能成为“神学的日心说”的理论基础。因而，只有找到行星运行定律背后的科学原因，才能把上帝驱逐出太阳系。当然，我们现在已经知道，这个任务是由后来牛顿发现万有引力定律而完成的。但开普勒在这个问题上也做了很多的工作，开取得不小的成就，为牛顿万有引力的发现打下了基础。

开普勒在接受哥白尼的日心说之后，就开始了对行星绕太阳运行的动力这个问题的思考，并试图解释行星运转时快时慢这个问题。在其1596年出版的《宇宙的神秘》一书中，他首次提出，在太阳上有一个运动着的精灵，能监视行星的运行。行星离太阳近时，太阳对它的控制就严，行星不敢偷懒，所以跑得就快；反之就跑得慢。显然，开普勒已经意识到行星的运行主要是由于太阳对它的作用造成的。

在开普勒发现行星运行定律之后，他通过对支配行星世界运行力量的思考，觉察到行星运行定律只是某个更普遍规律作用的结果。

这是一种怎样的普遍规律呢？他从吉怕的《论磁》中受到启发，设想太阳像地球一样是一个庞大的磁球，它发出一种与磁力流相类似的力，这种力像车轮的轮辐一样，驱动着行星在轨道上运转。这种力一方面使行星保持在它们的轨道上不能跑掉，另一方面又随着太阳的自转迫使行星绕太阳转动。他认为，太阳和行星都像磁石一样彼此有相互作用，但是太阳只有一个磁极，行星则有两极，当行星从太阳的一侧运行到另一侧时，由于它的两极先后靠近太阳，所以若是行星在太阳的一侧受到吸引，在另一侧就受到排斥，因而先是离太阳较近，后是离太阳较远它的运行轨道就从正圆变成了椭圆。

由此可见，开普勒在发现了行星运动三大定律后，在探索行星为什么如此运行中已经看到了引力的影子，感受到了引力的存在。但开普勒的这次探索没有成功，尽管他的目标是正确的。他是第一个试图用物理学的观点来探究行星运动原因的人。他完成了天体几何学体系以后，又试图建立天体力学体系。假如他能再多活几十年，凭着他在数学上的造诣，

惠更斯与向心力

在伽利略、开普勒之后，惠更斯为经典力学的创立作出过重要的贡献。

1629年，惠更斯出生于海牙。1645年起进入莱顿大学，1647年转到布雷达大学学习法律和数学。从1650年起开始研究光，同时对天文观测产生了兴趣。1655年获得法学博士学位。1663年被选为英国皇家学会会员，他是该学会的第一个外籍会员。1666年法国成立“巴黎科学院”，他被选为院士。在巴黎和伦敦，他结识了许多著名的科学家，如牛顿，莱布尼兹等。1681年惠更斯回到祖国荷兰。他一生都是单身。1695年7月8日在海牙逝世，终年66岁。

惠更斯的力学研究成果很多。1656年，他根据伽利略所发现的摆的等时性，制成了第一座机械钟。

1673年，惠更斯根据他所作的摆的实验和一般的圆周运动实验推算出向心力定律，得出了向心加速度公式。只要把向心加速度公式与开普勒的行星运行第三定律联系起来，就有可能早于牛顿而率先找到打开通往万有引力定律的大门的钥匙。但是，由于笛卡儿反对引力说而提出的“物体坠地说”对惠更斯的影响太深，使他没有能够正确地总结向心力定律和把它推向天体运动。他在1669年还声称做过一个实验证明了坠地说。他虽然认识到物体作圆周运动需要一种向心力，但没有认识到行星的运动所需向心力的性质，并且认为行星的轨道是圆形的。这样，他与万有引力定律失之交臂。

另外，惠更斯在数学、天文学、光学领域也有很大的贡献。尤其是光学领域，他提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理，在近代光学中占有极其重要的地位。

胡克

在为经典力学的创立做出突出贡献，为牛顿创建经典力学作铺垫的科学巨匠们中，最接近发现万有引力定律的是罗伯特·胡克。

1635年7月18日，胡克出生于英国怀特岛，上中学时对数学有特殊的爱好。据他自己记述，有一次竟在一周内贪婪地读完了欧几里得《几何原本》的前6本。1653年，胡克进入牛津大学，后在该校成为玻意耳的助手，开始了他的科学生涯1662年任伦敦皇家学会实验所的评议员，次年选为皇家学会会员。1665年，成为格雷沙姆学院教授。1667年任皇家学会秘书长。

胡克是牛顿时代的大科学家，在力学、光学和引力研究方面仅次于牛顿；而作为科学仪器的发明者和设计者，几乎没有人能同他相比。

开普勒发现行星运行三大定律之后，对行星运行规律背后的原因的研究，成为了当时关注的热点。胡克也投入了对这一问题的研究，在研究中他首先受到吉尔伯特的启发。吉尔伯特在《论磁》中，根据地球是个大磁石的认识，设想行星运行是宇宙闻的磁力起作用的结果。

据此胡克认为，行星绕太阳公转的力来自太阳，是太阳的引力使行星的运行轨道发生弯曲，并使彗星的轨道在太阳附近也发生弯曲。这种引力与地面上的重力性质相同，它们都与磁力相类似，是随着物体之间距离的增加而减小的。

1674年，胡克发表《从观察角度证明地球周年运动的尝试》一文。在该文中，他根据惠更斯的物质圆周运动的向心力定律和开普勒的行星运动第三定律，提出要在一致的力学原则基础上，建立一个宇宙学说，并提出了关于天体引力问题的三个假设：任何天体都有一种朝向自身中心的引力；所有物体只要它们作一个方向的简单运动，都将保持其直线运动状态，直至受到其他有效的力的作用方可改变其运动轨道，虽然天体在不受外力作用下，其轨道不变；离引力中心越近，引力越大。胡克在这里提出的三条假设，实际上已经包含了有关万有引力的基本问题，但缺乏数学的定量表述和论述。

1677年，胡克在实验中发现了引力，并对天体的相互吸引做了相当明确的解释。他指出：“我推测，我们所居住的宇宙的中心太阳，对所有星球和地球产生了一种吸引力，使它们围绕太阳运动；同时，这些星球中的任何一个又会产生一种相应的作用力。”同年，胡克又得出了太阳对行星的引力与它们之间的距离平方成反比的关系。这个结果已接近发现万有引力规律。

当然，接近毕竟只是接近，发现引力与距离平方成反比关系对万有引力定律固然重要，但这离真正发现仍有一层关键的“窗户纸”，这就是万有引力中的“万有”，即把地面、天空的力统一起来。这是牛顿首先做出的。后来在胡克与牛顿之间的万有引力定律首创权之争中，胡克没有取得该项优先权是符合史实的。

胡克在其他科学领域还有很多贡献。他曾根据弹簧实验的结果，提出了胡克定律；用自制的显微镜发现了细胞等。

对经典力学的创立做出突出贡献的，除了上面介绍的伽利略、开普勒、惠更斯、胡克以外，还有许多科学家，比如笛卡儿、博雷利、雷恩、哈雷等，在此就不一一做介绍了。