王玉仓：科学技术史

王玉仓，科学技术史[M],北京：中国人民大学出版社，2004年P247第二篇近代世界科学技术史第二十章第一次科学革命15世纪下半叶，欧洲发生了资本主义制度代替封建制度的社会革命。与此同时，科学领域发生了由古代科学向近代科学过渡的第一次科学革命，其主要标志是近代天文学革命、近代医学革命和经典力学的创立。第一节社会历史条件（一）欧洲资本主义生产方式的产生和发展中世纪后期的欧洲城市商品经济的发展，加速了封建经济的解体。大约从14世纪开始，首先在意大利和地中海沿岸的一些城市中，出现了分散的和集中的手工工场。手工工场是从商业资本控制的家庭手工业中发展起来。手工工场的出现标志着欧洲资本主义生产方式的诞生。这在历史上和逻辑上都是资本主义生产的起点。手工工场的出现促进了生产技术的改进、分工和协作的发展，使操作过程更加专业化，使手工劳动更加熟练，这就为改进技术和使用机器创造了条件。从15世纪起，欧洲各手工业部门都出现了技术上的改革，如纺织业中出现了新式纺车和改进后的卧式织机。采矿业中已有了提升机、碎石机和捣碎机等。冶金业则改进了熔炉和烧铸技术。此外，玻璃、眼镜、造纸、娘酒等轻工业和农副产品加工业在技术上也都有很大进步。生产工具的改进又促进了动力和传动机械的改进和发展。水力和风力的利用在扩大，水轮、风车、曲柄和齿轮联动机等在14世纪已经开始使用，人们还把精心制作的机械钟装在欧洲一些教堂的塔楼上。（二）东方国家先进的科学技术传入后对欧洲社会发展的促进作用赫·乔·韦尔斯评价中国造纸术；英国哲学家佛兰西斯·培根评价中国三大发明马克思评论中国火药、指南针、印刷术三大发明P249第二节哥伦布发现美洲新大陆、麦哲伦完成环球航行远航探险和地理大发现，对欧洲社会和科学技术产生了极大的促进作用。同时“财富”和“空闲”也使一部分人有可能专门从事科学研究事业。它还直接促进了天文学、力学和数学的发展。远航使用并丰富了星表、星图和航海地图知识，从而促进了天文学的发展。造炮、造船促进了力学的发展。天文学和力学的发展又带动了数学的发展。251第三节文艺复兴和宗教改革中世纪后期，任何反封建制度的斗争，都必然首先把矛头指向教会。文艺复兴和宗教改革则是反封建斗争的两个方面，它们有力地冲击了欧洲封建教会的统治，为资本主义生产方式的顺利发展和近代科学技术的诞生开辟了道路。（一）文艺复兴欧洲的文艺复兴兴起于14世纪—16世纪。文艺复兴运动以封建制度的解体和城市的兴起的基础，是新型资产阶级为维护和发展其资本主义经济利益，在意识形态领域反宗教、反神学的思想文化运动，是为资产阶级在政治上取代封建统治制造舆论、制造精神武器的运动，也是一次科学思想解放的运动。这一运动因为是以复兴古典学术和艺术为口号，故称之为文艺复兴运动。第四节文艺复兴的伟大旗手达芬奇第五节近代天文学革命：哥白尼创立“日心说”取代托勒密的“地心说”第一次科学革命首先在天文学（大宇宙）和医学生理学（小宇宙）两大流域取得了突破性胜利。1543年，哥白尼的《天体运行论》和维萨里的《人体的构造》两部伟大的科学著作同时出版问世，成为中世纪科学与近代科学分解线上的丰碑。它标志着科学的发展已进入一个新的历史阶段。第六节从第谷·布拉赫的天文观测到开普勒发现行星运动的三定律第谷·布拉赫（1546—1601）是16世纪有代表性的天文学家（丹麦人）。他创造性地建立了一套天象观测方法，成为近代天文学的奠基者，并为后来开普勒和牛顿的科学工作奠定了坚实的基础，被人誉为近代天文学的泰斗和始祖。开普勒（1571—1630）是一位德国天文学家和数学家。1601年第谷病逝后，开普勒成了第谷意愿的执行人。在整理第谷遗下的大量资料时，他相信自然界是和谐的，天体运动有一定的规律性。他把自己的着眼点首先放到寻找行星运动的规律上。他根据火星运动的真实轨道发现：第谷对火星运动的观测值与由哥白尼学说推算出来的数值有一个约为0.133度即约为8分的差数。开普勒坚信第谷观测值的可靠性，而怀疑古老的圆形轨道有问题。他发现了椭圆形轨道是太阳系行星运动的真实轨迹。行星运动的第一定律：太阳不是处在圆形轨道的中心而是位于这些椭圆轨道的一个焦点上。第二定律：行星的运动服从面积定律，即单位时间内行星的向径所扫过的面积相等。第三定律：任何两行星公转周期的平方与此两行星轨道长半轴的立方成正比（用公式表示为：T2=AR3，式中A为比例系数。）这一定律发表在1619年出版的他的另一部著作《宇宙的和谐》中。这也是自然科学史上第一次用数学语言定量地表述一条物理定律。三定律很好地描述了太阳系的运动学特征，同时也把行星运动的动力学问题提了出来，开普勒在《火星的运动》一书中记述了他所发现的天体之间的引力规律。后来牛顿就是根据这一思想，用数学方法论证了万有引力定律。可以说开普勒看到了万有引力定律的影子，而牛顿则抓住了万有引力定律的本身。第七节伽利略在经典力学创立中的重大贡献伽利略是近代科学史上划时代的人物。他对近代科学的主要贡献表现在以下三个方面：第一，创立了实验与数学相结合的科学研究方法，这对近代科学的产生和发展有着重大意义；第二，在天文学方面，他的工作对哥白尼学说的确立和发展起了关键的作用；第三，在经典力学的创立方面，他做了先导的基础性的工作。伽利略对经典力学的创立的主要贡献有以下三个方面：（一）静力学方面，他研究过物体的重心和平衡，研究过材料的强度问题，利用阿基米德浮力定律制造过流体力学天平，还用实验证明空气是有重量的。（二）动力学方面，他发现了摆的等时性，研究过自由落体和抛物体的运动规律，为牛顿的综合工作奠定了基础。据传伽利略通过观察教堂吊灯的摆动发现了摆的等时性，并用此原理制造了一架脉搏仪，也为荷兰物理学家惠更斯发明机械钟和于1673年发表的动力学著作《摆钟论》做了准备。伽利略对自由落体进行了深入的研究，通过实验他推翻了当时流行的亚里士多德理论。亚里士多德认为在地球附近两物体下落时，较重的物体下落快。伽利略则用实验证明：在真空中一切物体均以统一速度自由下落。大约在1609年，伽利略结果多次实验发现：小球以匀加速运动沿斜面滚下，由此得出了自由落体定律。伽利略还通过斜面实验，发现了惯性定律，证明了物体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状态不变的特性，当物体维持其原有的运动状态——静止或匀速直线运动状态不变时，并不需要施加外力作用，外力只是改变其原有运动状态的原因。这些推论实际上包含了牛顿第一运动定律和牛顿第二运动定律的基本内容。但伽利略并没有进一步把这些结论总结概括成为普遍的自然规律。（三）提出了力学的相对性原理对于一个相对于惯性参照系作匀速直线运动的系统，其内部所发生的一切力学过程，都不会受到系统作为一个整体而作匀速直线运动的任何影响。或者说，不可能借助于任何力学实验来确定惯性参照系作匀速直线运动的速度。这就是伽利略首先提出的力学相对性原理，又称为伽利略相对性原理，是经典力学的一个基本原理。第八节牛顿发现运动三定律牛顿是经典力学的集大成者，他综合、归纳、总结和发展了开普勒的天体力学和伽利略的地上力学成就，为经典力学规定了一套基本概念（如质量、动量、力等），发现了物体运动三定律和万有引力定律，从而，使经典力学成为一个完整的理论体系。牛顿的科学工作标志着经典力学已经成熟。这是人类对自然界认识的第一次大综合。牛顿在动力学方面的工作主要以伽利略的工作为基础。应当指出，伽利略对惯性定律的认识是不彻底的。他只知道在忽略摩擦的情况下，地面上的物体一旦运动起来，则可以保持匀速直线运动不变。牛顿认为，外力是改变物体运动状态的原因而不是维持原有运动状态的原因。这样，牛顿的第一运动定律——即惯性定律就比伽利略前进了一步。为了衡量物体运动状态的变化，牛顿给出了动量的概念，并指出外力的变化与动量的变化成正比。牛顿把这个定律表述为：“运动的变化与所施的力成正比，并沿力的作用方向发生。”这是牛顿提出的物体运动的第二定律，牛顿将它的数学表达式写成：F=d（mv）/dt.关于运动第三定律的思想，曾经在笛卡尔和惠更斯研究碰撞运动时作为前提加以使用，牛顿则第一次把它表述为一个普遍定律。牛顿说：对于每一个作用力，总存在一个与之相等的反作用力和它对抗，或者说，两个物体彼此施加的相互作用力总是大小相等，方向相反，成对出现，同时存在，分别作用在两个物体上。第九节牛顿发现万有引力定律牛顿从1665年开始研究引力问题。牛顿用他自己发明的微积分方法证明任何两个物体间的相互作用力都可以用它们质心之间的作用力来代替。这样，天体之间的引力作用就可以推广到包括地面上一切物体在内的宇宙间的所有物体上去。这一普遍存在的引力牛顿称之为万有引力。他还给除了万有引力（定律）的数学表达式：F=Gm1m2/r2第十节牛顿创立经典力学牛顿发现的万有引力定律、物体运动三定律以及有关的数学证明和详细演算都汇集在牛顿的科学巨著《自然哲学的数学原理》一书。这部科学巨著在哈雷的建议和资助下1687年出版，它标志着经典力学体系的完成。这部著作用拉丁文写成的。直到1729年才有英文译本问世。它被人们称为17世纪物理学、数学的百科全书，这部巨著在全部科学史上有划时代的重大意义，被公认为有史以来最伟大的科学著作之一。它标志着一个半世纪前由哥白尼开创的天文学革命的完成及近代天文学的诞生。牛顿以后的经典力学继续沿两个方向发展，第一是结合生产实际和工程技术不断扩大经典力学的应用范围，从而先后创立了诸如理论力学、材料力学、工程力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、地质力学、土力学等许多应用力学的分支学科；第二是由欧勒（1707—1783）、拉格朗日（1736—1813）和哈密顿（1805—1862）等科学家共同创立了分析力学。分析力学是经典力学的新发展，是由经典力学过渡到近代力学（包括量子力学和相对论力学）的桥梁。P269第二十一章16世纪—18世纪的自然科学第一科学革命带动了16世纪—18世纪数学、物理学、化学和生物学等学科的发展。第一节数学16世纪—18世纪是从常量数学到变量数学的转折时期。这时期数学领域有三项重大发明：第一，笛卡尔和费尔马创立的解析几何学；第二，耐普尔发明了对数；第三，牛顿和莱布尼茨创立了微积分学。第二节物理学16世纪—18世纪物理学中最主要的成就就是创立了经典力学，其他的物理学分支分支学科则必须从头做起，即从观察实验、收集材料做起，它们还仅仅是一门经验科学。（一）热学研究物体的热现象首先是从测温开始的。从伽利略于1593年制成第一个温度计起，陆续制成了多种温度计。18世纪布莱克还提出热质说，他认为热是一种特殊的物质，是一种流体，它可以渗透到物体中去，并在热交换中从一个物体流向另一个物体，但热质的总量守恒。由于热质说能解释许多已知的热现象，因而一度成为18世纪占统治地位的热学学说。（二）电学和磁学这期间的电学和磁学尚处于积累知识的萌芽状态，并且电学和磁学彼此无关、平行地发展着。第五节近代自然可续方法论在第一次科学革命中不但产生了近代自然科学，而且产生了近代自然科学的方法论，形成了形而上学机械唯物主义的自然观。（一）弗朗西斯培根创立归纳法（培根是英国唯物主义和整个现代实验科学的始祖）。（二）笛卡尔创立演绎法（三）伽利略创立观察实验与数学相结合的科学方法（四）牛顿创立分析与综合相结合的科学方法第六节形而上学机械唯物主义自然观的历史定位p283—285（一）形而上学机械唯物主义自然观产生的历史条件近代自然科学的产生和发展，始终是与唯物主义联系在一起的。它要坚持按照自然界的本来面貌认识世界，坚持科学真理，就必然要摆脱神学的桎梏。它要坚持从观察和实验获得感性材料，就必然要从经院哲学的思辨方法中解放出来。但这种唯物主义自然观又带有浓厚的形而上学和机械论的特征。（二）形而上学机械唯物主义自然观的中心思想和它的积极作用其中心思想是认为自然界绝对不变。恩格斯指出，这个时代的特征是一个特殊的总观点的形成，这个总观点的中心自然界的绝对不变性这样一个见解。在这个自然界中，今天的一切都和一开始的时候一样，而且指导世界末日或万古永世，一切都将和一开始的时候一样。机械唯物主义自