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──《胡锦涛在庆祝我国首次载人航天飞行圆满成功 大会上的讲话》(2003年11月7日) 2.课文注释 哥白尼 波兰天文学家哥白尼(1473—1543)出生在波兰托伦市一个商人的家庭，10岁丧父，由其舅父抚养长大。1491年，18岁的哥白尼进入克拉科夫大学学习。克拉科夫大学是当时全欧闻名的文化中心，也是波兰人文主义思想的主要阵地。这个学校对数学和天文学十分重视。在那里，哥白尼对天文学产生了极大的兴趣，开始钻研2世纪希腊天文学家托勒密以地球为中心的宇宙体系学说，并学会了用天文仪器观察天体。如饥似渴的求知欲促使他学习了拉丁文、希腊文和意大利文等几种外国文字，大量阅读天文学、数学和哲学书籍，并于1496年到意大利留学。1506年，哥白尼在意大利留学后回到波兰。从那时起，他坚持不懈地逐日观察天象，记录了大量数据，进行了大量演算和分析，并对所收集的古今资料进行系统的整理和研究。1510年前后，他开始写《天体运行论》的初稿。同时把其中的基本观点用拉丁文写成一篇《浅说》，抄送给天文学者传阅。大约在1530年，他才最后完成《天体运行论》手稿。 在这部包括六卷的伟大著作中，哥白尼创立了“太阳中心说”。他提出地球是动的，不仅自转，而且和太阳系其他行星一道按各自的轨道绕太阳公转，月亮则是地球的唯一伴侣，绕地球旋转。哥白尼的“太阳中心说”，在天文学中奠定了现代的太阳中心体系的基础。他的学说沉重地打击了当时反动的宗教权威，引发了天文学以至整个自然科学的巨大革命，人类宇宙观也开始发生根本的变革。由于教会压制科学研究，《天体运行论》的手稿完成以后，多年没有出版。从博物馆内展出的《天体运行论》的各种版本看，该书最早版本1543年出现于德意志，1566年出现于瑞士，1617年出现于荷兰。在波兰，直到1854年，即哥白尼逝世后三百余年才得以正式与读者见面。 伽利略 伽利略(1564—1642)，意大利知识渊博的科学家、近代实验科学的奠基者之一，出生于比萨一个没落贵族家庭。17岁进比萨大学学医，但他对物理和数学很有兴趣。他做了大量的实验和研究工作，首次用自制的天文望远镜细心地观察了天体，宣告了和哥白尼学说完全相符的结论。伽利略把他在望远镜中所观察到的壮丽景象，到处宣传，并用观察到的事实和力学原理作了严密的论证，进一步维护和发展了哥白尼的体系。教会向伽利略发出多次警告，但是他无视这一警告，发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的巨著，从实践和理论的高度批驳了地球中心说。伽利略的“异端”活动引起了教会的恐慌，罗马教皇向宗教裁判所带头提出控诉，于是这位体弱抱病的科学家被送进了监牢，遭到审讯，以至被终身软禁。软禁期间，他继续研究物理学，写出《关于两门新科学的谈话和数学证明》。 牛顿 牛顿(1642—1727)是著名的英国科学家，在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。牛顿出生于英国的林肯郡，1665年毕业于著名的剑桥大学三一学院，获得学士学位。三年后又获得文学硕士学位。1669年，开始担任三一学院的教授。牛顿的最突出贡献是在力学方面，他在前人的研究基础上，总结出了机械运动的三个基本定律，还发现了万有引力定律，把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系之中，创立了经典力学体系。这一力学体系正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律，实现了自然科学的一次大综合，是人类认识自然界的一次大飞跃。在光学方面，牛顿也作出了巨大贡献。他在1666年用三棱镜分析日光时，发现了日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，制作了牛顿色盘。他在1704年出版了《光学》一书，创立了光的“微粒说”。同时，他在热学方面也有研究成果，确定了冷却定律，这一定律表明：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温度差成正比。在数学方面，他与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，同时，他还在前人研究基础上，建立了二项式定理。在天文学领域，他在1671年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律;他还解释了潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象。1687年，他发表了著名的《自然哲学数学原理》一书，用数学方式解释了哥白尼的学说和天体运动的现象，阐明了机械运动三定律和万有引力定律等。在哲学思想上，牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长，他还担任过英国议会议员，授予爵士称号。1727年，他病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，这是一种极高的荣誉。 爱因斯坦 艾伯特·爱因斯坦(1879—1955)是美籍德国物理学家。1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1894年举家迁居意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。1901年入瑞士国籍。1902年6月至1909年10月，在瑞士专利局任技术员。1909年10月，任苏黎世大学理论物理学副教授;1911年3月，在布拉格任德意志大学理论物理学教授;1912年10月，任苏黎世工业大学理论物理学教授;1914年4月，在柏林任德国威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授。1933年，因受纳粹迫害，移居美国。1940年入美国国籍。1955年4月18日逝世。 爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。为此荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小的新方法。 近代科学诞生的历史背景 近代自然科学革命发生的历史背景主要包括： 首先，新兴的资产阶级在经济上和政治上对自然科学的迫切需要。14世纪以后，手工工场发展迅速，生产中的技术改造与机器的逐步采用，向人们提出很多新的问题，需要自然科学予以解决，以促进生产力的更大发展。同时，新兴资产阶级要求掌握政治权力，他们需要把自然科学作为反对宗教统治争取思想自由的理论武器。 其次，自然科学自身发展的需要。经过中世纪前期的漫长黑夜，自然科学逐渐复兴。资本主义生产方式的产生和发展，不仅向自然科学提出大量的研究课题，还提供了丰富的经验材料以及新的科学实验条件。 最后，文艺复兴、地理大发现和宗教改革的推动。文艺复兴反对盲从和迷信，提倡独立的学术研究，为资产阶级在政治上取代封建统治作舆论准备，它打破了教会的精神统治，动摇了封建制度的政治思想基础，为把自然科学从神学中解放出来创造了必要的条件。近代自然科学革命就是在文艺复兴运动的高潮中拉开序幕的，首先向宗教神学发起冲击的是天文学。随后的宗教改革摧毁了天主教会的精神独裁，科学革命也产生了巨大的影响。在此期间，地理大发现也有重要意义，它以实践证实了地圆学说，为建立新的天文学和地理学奠定了基础，对近代科学技术的发展有不可估量的意义。更重要的是它所引起的思想观念的革命，它用实践突破了所谓经典知识界限，使人的思维方式从权威的盲目崇拜中解放出来。 伽利略对科学研究方法的贡献 近代科学虽然从古希腊科学发展而来，但在研究方法上与古希腊科学却有很大的不同。古希腊偏重在直观基础上的思辨、演绎而轻视经验，近代却注重实验和归纳，同时也不排斥数学和演绎的作用，因而近代科学又被称为实验科学。实验科学的倡导者是中世纪后期的罗吉尔·培根，他已充分认识到只有实验方法才能给科学以确定性。文艺复兴时期的意大利科学家和艺术家达·芬奇也领会到观察和实验是科学认识的重要方法。近代科学方法的真正形成是在17～18世纪，伽利略创立的实验和数学相结合的科学研究方法是近代自然科学研究问题的一般程序和经典方法。这种方法是在观察实验的基础上，经过逻辑推理和数学计算，对未知的自然现象提出假定性的说明和定量的描写，然后再用实验加以检验的方法。伽利略虽然强调实验、经验和归纳，但又反对狭隘经验论，强调理智的作用，强调数学和演绎方法的重要性，主张运用理智把自然过程加以纯化和简化，并且把寻找自然界的数学关系作为研究的重要目标。正是从数学演绎的观点出发，伽利略非常重视对观察、实验的结果进行定量的计算和分析，这比起古希腊和中世纪的学者只注重定性研究是一大进步。伽利略的实验—数学方法开创了近代自然科学研究中经验和理性相结合、定性和定量相结合的传统，这对物理学乃至整个近代自然科学都产生了深远的影响，在科学方法的发展史上更具有重要的意义。 落体定律对亚里士多德运动观念的重大变革 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。据此理论，一个重10千克的物体，其下落速度一定是重1千克物体的10倍。这种看法在经验中确实可以找到证据，比如一根羽毛就比一块石头后落到地面，但是也不难找到反证，比如一个同样大小的铁球和木球从等高处下落，几乎无法区分哪一个先到达地面。 伽利略决定用实验来反驳亚里士多德的理论。有人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。尽管如此，伽利略还是根据小球沿斜面滚动的实验证实了自己的猜想。他发现小球滚动的加速度与小球的重量无关，只与斜面的倾斜度有关。斜面的倾角达到90度时，物体就成了自由落体。从1602年开始，伽利略着手研究相关的运动问题。1604年，伽利略设计了斜面实验，经过多次努力，终于探清了在斜面上滚动的小球的运动情况，他所面临的困难主要是没有准确的计时装置，他先后用过脉搏、音乐节拍和水钟。他先发现球滚过全程四分之一所花的时间，正是滚过全程所花时间的一半，最后更为精确地知道，在斜面上下落物体的下落距离同所用时间的平方成正比，这就是著名的落体定律。因此他的实验明确的表明自由落体运动的速度与重量无关。这是对古希腊哲学家亚里士多德的运动观念的重大变革。 匀速运动与匀加速运动 伽利略在研究自由落体运动时，首先遇到了概念上的困难，因当时还没有人对速度进行过定量和定义。伽利略虽然发现了落体定律，但却错误地认为速度与距离成正比，后来才认识到速度与时间成正比。因此，对于伽利略来说，重要的是先对匀速运动和匀加速运动进行定量和定义。在《两门新科学》中，这样的概念终于以公理的形式被创造出来。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皆相等，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”。有了这两个新概念，人们就能从斜面实验中获得更多的教益。小球从斜面上滚下后继续沿着桌面滚动，此时斜度为零，重力的作用为零，不再有加速度，因此，球就会永远保持匀速运动。这意味着，外力不是维持物体运动状态的原因，而只是改变物体运动状态的原因，这是对亚里士多德运动观念的重大变革。后来牛顿将之概括为运动第一、第二定律。 地心说与日心说 (1)地心说 中世纪时，基督教会宣扬的宇宙观是宇宙是一个封闭的大盒子或大帐篷，天是盒(篷)盖，地是盒(篷)底，圣地耶路撒冷居盒(篷)底的中央，日月星辰悬挂在盖上，此即所谓的“宇宙帐篷说”。后来，亚里士多德和托勒密所提出的希腊宇宙体系逐渐深入人心，托马斯·阿奎那将亚里士多德理论融入基督教神学之后，地心理论即获得了正统地位。地球居宇宙中心的思想被赋予了宗教意义，人类及其居住的地球被置于上帝的怀抱之中，沐浴着上帝的光辉，并被圣恩所笼罩。上帝位处宇宙的最外层，推动着宇宙的运行，注视着人类的一举一动。 托勒密的宇宙体系还被赋予一种人间的等级结构，即天上高贵，地下卑贱，越往高处越进入神圣美妙的境地。但丁的《神曲》对这一等级宇宙体系作了诗意的描述，在《天堂篇》中，但丁在少女贝亚德的引领下依次上升到了月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天、水晶天(原动天)，并在原动天那里窥见了上帝的景象，沉浸在至高无上的幸福之中。 (2)日心说 随着天文观测技术的发展，地心说体系已是破绽百出。文艺复兴时期已有许多进步思想家和天文学家对它表示怀疑。但真正打破该体系的是16世纪波兰伟大的天文学家哥白尼。 哥白尼发现托勒密的理论虽然可以给出同观测资料相符合的数据，但他描述的天空图景显得复杂凌乱，毫无统一性和规律性。经过多年悉心研究，哥白尼得出了地球不是宇宙中心的结论。他在1510年指出：太阳是宇宙的中心，地球和行星都围绕着太阳运动，只有月亮才真正围绕地球旋转。以后哥白尼又根据亲自获得的20多项新的观测事实和大量复杂的数学计算结果，对上述结论作了许多修改和补充。1530年，终于圆满地完成了日心说的建立工作。在1543年出版的《天体运动论》中，哥白尼向人们描述了他的宇宙图景：太阳位于宇宙的中心，有五颗当时已知的行星和地球围绕太阳旋转。 《天体运行论》发表后，遭到了马丁·路德的反对和责难，他把哥白尼叫做“想要把天文学这门学科弄颠倒”的蠢人。但并未引起罗马教廷的注意。70年后的1616年被罗马教廷列为禁书，300年后才解除禁令。 《自然哲学的数学原理》 牛顿的主要研究成果集中在其不朽的名著《自然哲学的数学原理》一书中。这里所谓的“自然哲学”实际上就是指物理学。在古代，自然科学是以自然哲学的形式出现的。《自然哲学的数学原理》全书分为两大部分。第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的;第二篇是讨论介质对物体运动的影响;第三篇是“论宇宙系统”。在该书的第一部分中，牛顿首先给力学的基本概念如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，说明了绝对时间和绝对空间的含义。接着陈述了他总结和创立的运动三定律和矢量合成原理。牛顿对运动三定律的表述如下： 运动第一定律(又称惯性定律)：任何物体将保持它的静止状态或匀速直线运动状态，直到外力作用迫使它改变这种状态为止。 运动第二定律：运动的变化与所施的力成正比，并沿力的作用方向发生。 运动第三定律：每一个作用总是有一个相等的反作用和它对抗;或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向对方。 《自然哲学的数学原理》以牛顿三大运动定律和万有引力定律为基础，建立了完美的力学理论体系，说明了当时人们所能理解的一切力学现象，解决了行星运动、落体运动、振子运动、微粒运动、声音和波、潮汐以及地球的扁圆形状等各种各样的问题。在此后二百多年中，再也没有人补充任何本质上的东西。直到20世纪量子力学和相对论问世，才使力学扩大了范围。 天王星和海王星的发现 18世纪以前，人们都以为土星就是太阳系的边界。随着观测技术的进步，人类对太阳系的认识有了突破。1781年，英国天文学家赫舍尔在用望远镜观察天空时，发现在土星之外的金牛座群星中有一颗既不像恒星又不是彗星的星星，后来英国天文学家麦斯克雷弄清楚了它是一颗前所未知的行星，新行星以希腊神话中的萨都恩神(土星以此命名)的父亲、天神乌兰纳斯来命名新行星，中文译为天王星。 其后人们按照当时的观测编制了天王星的运行表。但到了1830年，人们发现它的实际运行情况与运行表所推算的数值存在着明显的差别，根据万有引力理论，这种“越轨”现象使天文学家们考虑到在它的附近可能有一颗未知的行星干扰着它的运动，根据万有引力定律，人们可以从天王星的行为中推算出这颗未知行星的位置。1845年10月，英国剑桥大学学生亚当斯首先得出了计算结果，但未被引起重视。1846年8月，法国天文学家勒维烈经过自己的计算，公布了这颗未知行星的轨道参数。三个多星期后，德国天文学家加勒根据勒维烈计算的数据果真找到了这颗行星，这就是海王星。海王星的发现是牛顿力学在天文学运用上的伟大胜利，它标志着天体力学已趋于成熟。 经典力学的历史地位 经典力学作为近代力学革命的最终成果，它的建立在近代科学发展史上具有划时代的意义。第一，为力学学科确定了基本概念和基本定律，使力学形成系统化和理论化的知识体系而达到成熟和完善，并带动了其他学科的发展。第二，把天上和地上的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次大综合。自古以来，天上和地上被看作各自遵从不同的力学运动规律的两个世界，经典力学打破了二者之间的界限，把万有引力定律和牛顿运动三定律视为宇宙间一切机械运动的普遍规律，从力学上证明了自然界的统一性，从而把人类对整个自然界的认识推进到一个新阶段。第三，把人们对机械运动的认识从运动学的水平提高到动力学的水平。经典力学不仅描述了物体运动的图景，而且揭示了运动的原因，使人们既了解物体怎样运动，又能够说明为什么这样运动，这标志着人类对自然界的认识更深化了一步。第四，把对物体运动状态的描述从变化的结果提高到对变化过程的认识。 墨家的力学思想 墨家成员在农业、手工业劳动中，积累了丰富的力学知识。《墨经》说：“动，域徙也。”这句话的意思是机械运动就是物体位置移动。《墨经》还讨论了机械运动的一些形式。一种是平动，一个物体的各个部分要运动就一块运动，要静止就一齐静止。另一种是转动，即物体轴线以上的各个部分都在改变位置。还有一种是滚动，即圆物外表的各部分都能同地面接触。 物体改变位置的原因是什么?《墨经》的回答是：“力，形之所以奋也。”形指的是具体的物体，“奋”就是动的意思。这句话是说力是使物体运动的原因。这同牛顿经典力学对力的看法基本一致。 墨家已经认识到重量对于物体的普遍性，并猜测到物体的重量同物体的运动有着密切的关系。《墨经》说：“重之谓。下，举，重奋也。”这就是说无论物体下落，还是物体举起，都是同重量有关的。 狭义相对论 1905年6月，爱因斯坦完成题为《论运动媒质的电动力学》的论文，提出了狭义相对论。此后，爱因斯坦又连续发表几篇论文，建立起狭义相对论的全部框架。 爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。第一个假设是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关;第二个假设是光速不变原理，即对任何一个参照系而言，光速都是相同的。从两个基本假设出发，爱因斯坦得出如下新的结论：(1)运动物体在运动方向上长度缩短。(2)运动着的时钟要变慢。(3)任何物体的运动速度都不可能超过光速。(4)同时性是相对的，在一个惯性系中同时发生的事情，在另一个运动着的惯性系中测量便不是同时发生的。(5)如果物质速度比光速小得多，相对论力学就变为牛顿力学，比起牛顿力学来，相对论力学具有更普遍的意义。(6)物体的能量等于物体的惯性质量乘以光速的平方。 爱因斯坦的狭义相对论，在我们的日常生活中是很难理解的，因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动，根本无法察觉到爱因斯坦相对论所描述的相对论效应：长度变短、时钟变慢。但如果接近光速的运动能变成现实的话，一个以这样速度运动的人，在另一个静止的观察者看来就可能只是一条线。另外还会出现这样的景象：一个人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去作星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人，而自己还是那样年轻。中国古代传说中的“天上方一日，人间已一年”就可用相对论得到解释。 广义相对论 1915年，爱因斯坦完成了创立广义相对论的工作，并于1916年写成总结性论文《广义相对论的基础》。这篇论文的发表宣告了广义相对论的诞生。 广义相对论实际上是关于空间、时间与万有引力关系的理论，它指出空间──时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布。狭义相对论已指出时间、空间是一个整体，即四维时空。广义相对论进一步指出，物质的存在会使四维时空发生弯曲，万有引力并不是真正的力，而是时空弯曲的表现。如果物质消失，时空就回到平直状态。 广义相对论认为，质点在万有引力作用下的运动，如地球上的自由落体，行星围绕太阳的运动等，是弯曲时空中的自由运动──惯性运动。它们在时空中描出的曲线，虽然不是直线，却是直线在弯曲时空中的推广──短程线，即两点之间的最短线。当时空恢复平直时，短程线就成为通常的直线。 可以打这样一个比方来说明时空弯曲。假如四个人各拉紧床单的一个角，床单这个二维空间就是平的。放一个小玻璃球在上面，如果不去推它，它就会保持静止或匀速直线运动状态不变(假设床单是足够光滑，微小的摩擦力忽略不计)。如果在床单中央放一个铅球，床单就会凹下去，这个二维空间就弯曲了。这时，如果再放置一个小玻璃球，它就会滚向中央的大球。按照牛顿的观点，这是由于大球用“万有引力”吸引小球。按照爱因斯坦的观点，则是由于大球的存在使空间弯曲了，并不存在什么“引力”，小球落向大球乃是弯曲空间中的自由(惯性)运动。 当然，上面这个比喻，说的只是“空间”弯曲，而广义相对论说的则是四维“时空”的弯曲。太阳的存在使四维时空弯曲了。行星绕日运动，就是在弯曲时空中的惯性运动，行星轨道是四维时空中的短程线，根本就不存在什么万有引力。 (责任编辑：admin) |