了得網自然科學_科學源流譯叢-新物理學的誕生

編輯推薦

本書簡明扼要地介紹了伽利略之後的物理學是如何一步步發展起來的，試圖表明某種觀念在改變整個科學結構方面可能具有的穿透力和深刻影響。
本書適合普通讀者、（研究科學、哲學或歷史的）大中學生、歷史學家、哲學家以及任何願意領略科學的勃勃生機和冒險經歷的讀者閱讀。我希望，‘通過了解科學革命如何達到高峰，牛頓力學和天體力學如何逐步產生，也能使科學家感到愉快和受益。
本書的目的主要不是介紹通俗的科學史，也不是向一般讀者展示新近的科學史研究成果，而是為了從一個側面探討那場發生在16、17世紀的偉大的科學革命，澄清近代科學的性質和發展的某些基本方面。

內容簡介

本書是一部經典的科學史著作。它從地球運動的假設所引起的物理學問題出發，講述了哥白尼、伽利略、開普勒、牛頓等人在創立新物理學過程中面臨的問題和作出的貢獻，揭示了物理科學的整體性，從一個側面討論了16、17世紀的科學革命。
本書是作者為非科學領域的大學生所寫的著作，旨在改進物理教學。曾被譯為十幾種文字，內容通俗易懂，適合大中學生以及所有對科學史有興趣的讀者閱讀。

作者簡介

I·伯納德·科恩（I.Bernardcohen，1914—2003），美國哈佛大學科學史教授，1974年獲得科學史研究的獎薩頓獎。其代表作有《富蘭克林與牛頓》、《新物理學的誕生》、《牛頓革命》、《科學中的革命》等，並於1999年出版了牛頓《自然哲學的數學原理》的新英澤本。

前言
章地動物理學
落到何處
兩種回答
需要一門新物理學
第二章舊物理學
亞裡士多德的常識物理學
物體的“自然”運動
“不朽的”天界
運動的因素
空氣中的落體運動
地球不可能運動
第三章地球和宇宙
哥白尼與近代科學的誕生前言
章地動物理學
落到何處
兩種回答
需要一門新物理學
第二章舊物理學
亞裡士多德的常識物理學
物體的“自然”運動
“不朽的”天界
運動的因素
空氣中的落體運動
地球不可能運動
第三章地球和宇宙
哥白尼與近代科學的誕生
同心球體繫
托勒密與本輪均輪體繫
哥白尼的革新
哥白尼與托勒密
哥白尼宇宙的問題
第四章探索宇宙深處
新物理學的演進
仂Ⅱ利略
望遠鏡：巨大的飛躍
月球景像
地球反照
繁星滿天
木星的證據
新的世界
第五章通向慣性物理學
勻速直線運動
火車煙囪和運動的船
伽利略的運動科學
伽利略的先驅
表述慣性定律
伽利略的困難與成就：慣性定律
第六章開普勒的天體音樂
橢圓與開普勒的宇宙
三定律
開普勒與哥白尼派
開普勒的成就
第七章宏偉的設計——新物理學
牛頓的預見
《自然哲學的數學原理》
慣性定律的終表述
“宇宙體繫”
神來之筆：萬有引力
各方面的成就
關於牛頓第二定律兩種形式的補充注釋
附錄1 伽利略與望遠鏡
附錄2 伽利略“看到”天上有什麼
附錄3 伽利略的自由落體實驗
附錄4 伽利略運動科學的實驗基礎
附錄5 伽利略是否認為勻加速運動的速度與距離成正比
附錄6 假說一演繹方法
附錄7 伽利略與中世紀運動科學
附錄8 開普勒、笛卡爾和伽桑狄論慣性
附錄9 伽利略對拋物線路徑的發現
附錄10 伽利略運動科學的主要發現概述
附錄11 胡克對牛頓的功勞：對曲線軌道運動的分析
附錄12 行星與彗星的慣性
附錄13 對由平方反比律導出橢圓行星軌道的證明
附錄14 牛頓與蘋果：牛頓發現v2／r定律
附錄15 牛頓論“引力”質量與“慣性”質量
附錄16 牛頓提出萬有引力的步驟
進一步閱讀建議
索引

在線試讀

伽利略的運動科學
我們的玩具火車實驗說明了伽利略運動學工作的三個主要方面。首先是慣性原理，這雖然是伽利略努力的方向，但我們在本書後一章中將會看到，直到天纔的牛頓纔給了它終的現代表述；其次，小球在相等時段下落距離的照片表明了他的勻加速度運動原理；後，由火車向前運動時的小球下降速度等同火車於靜止時小球的下降速度，我們可以看到，它例證了伽利略著名的速度矢量獨立性和疊加原理。
我們將逐一考察這三個主題，先討論伽利略關於加速運動的一般研究，然後是他論述慣性的工作，後是他對復雜運動的分析。
伽利略在研究落體問題時，曾經做過落體實驗，著名的就是他年輕時在塔頂上釋放物體。我們不知道那座塔是著名的比薩斜塔還是其他的塔，他所保存的記錄隻告訴我們，他是從某座塔上釋放物體的。後來，他的傳記作家維維亞尼（Viviani）講述了一個傳奇故事。維維亞尼是在伽利略的暮年認識他的，根據維維亞尼的說法，伽利略為了反駁亞裡士多德而登上比薩斜塔，“當時還有許多其他教師、哲學家和學生在場”。他“通過重復實驗”證明，“同樣構成但重量不同的物體通過相同介質時，其速度並不像亞裡士多德所說的與它們的重量成正比，而是以相同速度運動……”由於再也不找到其他資料來證實這一公眾演示，特別是在口耳相傳的過程中，其臆想色彩越來越濃重，學者們對此都抱有懷疑態度。我們不知道這是維維亞尼的杜撰，還是年邁健忘的伽利略的確告訴過他。但事實是，實驗結果並不符合伽利略本人給出的結果，因為我們前面曾經提到，伽利略非常謹慎地指出，重量不同的物體其速度也略有不同，較重的物體會比較輕的物體提前一些觸到地面。
如果做這種實驗，隻可能證明亞裡士多德是錯誤的。在伽利略的時代，僅在某一方面證明亞裡士多德是錯的並不算是偉大的成就。早在數十年前，拉穆斯（Pierre de la Ram6e：或Ramus）就提出亞裡士多德的物理學完全不合乎科學法則。亞裡士多德運動定律的不恰當至少在400年前就已經為人所知，並且自那時起已經有相當多的批評。因此，在塔頂（不論是在比薩斜塔還是在別的塔）所做的實驗雖然再度有力打擊了亞裡士多德，但都不能使伽利略得到正確的新落體定律，而表述出這一定律恰恰是他偉大的成就之一（參見附錄4）。
要想深入理解伽利略的發現，必須認識到抽像思維的重要性，認識到伽利略對它的運用。對於科學來說，完善的抽像思維是比望遠鏡更具革命性的工具。伽利略表明了抽像如何能夠與經驗世界相關聯，如何由對“事物本性”的思考推導出與直接觀察有關的定律。在這一過程中，實驗對伽利略有至關重要的意義。我們近知道，這在很大程度上要歸功於德雷克的天纔研究。現在我們概括一下伽利略在《關於兩門新科學的談話》中思想過程的主要階段。
伽利略說：伽利略的運動科學
我們的玩具火車實驗說明了伽利略運動學工作的三個主要方面。首先是慣性原理，這雖然是伽利略努力的方向，但我們在本書後一章中將會看到，直到天纔的牛頓纔給了它終的現代表述；其次，小球在相等時段下落距離的照片表明了他的勻加速度運動原理；後，由火車向前運動時的小球下降速度等同火車於靜止時小球的下降速度，我們可以看到，它例證了伽利略著名的速度矢量獨立性和疊加原理。
我們將逐一考察這三個主題，先討論伽利略關於加速運動的一般研究，然後是他論述慣性的工作，後是他對復雜運動的分析。
伽利略在研究落體問題時，曾經做過落體實驗，著名的就是他年輕時在塔頂上釋放物體。我們不知道那座塔是著名的比薩斜塔還是其他的塔，他所保存的記錄隻告訴我們，他是從某座塔上釋放物體的。後來，他的傳記作家維維亞尼（Viviani）講述了一個傳奇故事。維維亞尼是在伽利略的暮年認識他的，根據維維亞尼的說法，伽利略為了反駁亞裡士多德而登上比薩斜塔，“當時還有許多其他教師、哲學家和學生在場”。他“通過重復實驗”證明，“同樣構成但重量不同的物體通過相同介質時，其速度並不像亞裡士多德所說的與它們的重量成正比，而是以相同速度運動……”由於再也不找到其他資料來證實這一公眾演示，特別是在口耳相傳的過程中，其臆想色彩越來越濃重，學者們對此都抱有懷疑態度。我們不知道這是維維亞尼的杜撰，還是年邁健忘的伽利略的確告訴過他。但事實是，實驗結果並不符合伽利略本人給出的結果，因為我們前面曾經提到，伽利略非常謹慎地指出，重量不同的物體其速度也略有不同，較重的物體會比較輕的物體提前一些觸到地面。
如果做這種實驗，隻可能證明亞裡士多德是錯誤的。在伽利略的時代，僅在某一方面證明亞裡士多德是錯的並不算是偉大的成就。早在數十年前，拉穆斯（Pierre de la Ram6e：或Ramus）就提出亞裡士多德的物理學完全不合乎科學法則。亞裡士多德運動定律的不恰當至少在400年前就已經為人所知，並且自那時起已經有相當多的批評。因此，在塔頂（不論是在比薩斜塔還是在別的塔）所做的實驗雖然再度有力打擊了亞裡士多德，但都不能使伽利略得到正確的新落體定律，而表述出這一定律恰恰是他偉大的成就之一（參見附錄4）。
要想深入理解伽利略的發現，必須認識到抽像思維的重要性，認識到伽利略對它的運用。對於科學來說，完善的抽像思維是比望遠鏡更具革命性的工具。伽利略表明了抽像如何能夠與經驗世界相關聯，如何由對“事物本性”的思考推導出與直接觀察有關的定律。在這一過程中，實驗對伽利略有至關重要的意義。我們近知道，這在很大程度上要歸功於德雷克的天纔研究。現在我們概括一下伽利略在《關於兩門新科學的談話》中思想過程的主要階段。
伽利略說：
在自然界中，也許沒有什麼東西比運動更古老了；關於運動，哲學家們寫的書數量既不少，部頭也不小。盡管如此，我……發現了運動的許多性質，它們是值得知道的，而且迄今還不曾有人注意過，更不要說演示了。
伽利略認識到，在他之前曾有人注意到下落重物的自然運動是連續加速的，但他說自己的成就是發現了“這種加速所依照的比例”。他很自豪自己次認識到，“從靜止開始下落的物體在相等時段內經過的距離彼此成從1開始的奇數關繫”。他還證明“炮彈或拋射體”並不僅僅描出某種曲線路徑，這一路徑實際上是拋物線。
在討論伽利略關於運動的思考時，我們有兩種非常不同的選擇。一種是通過他的手稿、通信和其他材料追溯其思想發展；另一種則是總結他在《關於兩門新科學的談話》中公開發表的陳述。前一種方案必定是嘗試性的，因為這部分取決於對包含著數據圖表而沒有任何評注或說明的某些手稿的解釋（參見附錄4）；這是一些私人記錄，對它們的解讀從20世紀70年代纔開始。而第二種方案，即公開發表的記錄，則包含著伽利略希望我們學習的內容。在運動領域，從伽利略革命性的新運動學到近代動力學，推動科學發展的實際上正是這些公開發表的說法。我們把伽利略的學科稱為運動學，是因為它在很大程度上是對勻加速運動的研究，而沒有過多地考慮力，而動力學研究的則是產生或改變運動的作用於物體的力，以及將力與力所引起的運動變化相關聯的定律。雖然伽利略知道，加速源於力的作用（例如物體的重力使下落加速），但他並未關注這部分主題。不過，由於伽利略的確在某些特殊的重要情形中考慮了力和運動，我們也許應當把他的學科稱為運動學和某些動力學。牛頓認為，伽利略已經知道並且利用了他的三條“運動公理或定律”的前兩條，此三定律是基本的動力學原理。
伽利略首先討論了勻速運動定律，在勻速運動中，距離與時間成正比，因此速度保持恆定。然後他又討論了加速運動。在伽利略看來，首要問題是“找出並澄清一個符合自然現像的定義”。雖然“任何人都可以發明一種任意類型的運動並討論其性質”，但“既然自然已經賦予下落的重物某種特殊的加速”，因此他“決定探究其性質”，以保證他所使用的加速運動的定義能夠與“自然加速運動的本質”相符合。伽利略還說，“在研究自然加速運動時”，“我們仿佛被親手領著去追隨自然本身在其所有其他作品中的習慣和進程”，“在運作這一切時，她習慣於使用那些平常、簡單和容易的手段。”伽利略在這裡援引了一條著名的原理，它實際上可以追溯到亞裡士多德，即自然總是以簡單或經濟的方式運作。伽利略說：
當我觀察一塊由靜止落下的石頭……不斷獲得新的速度增量時，為什麼我不應該相信這樣的增長是以一種特別簡單而在每個人看來都是顯而易見的方式發生的呢？我們現在仔細考察一下這個問題就會發現，沒有比永遠以同樣方式重復進行的增加或增長更為簡單的了。
簡單的變化即變化本身是恆定的。根據自然的簡單性原則，伽利略說，如果在每一個相繼的時段內都有相等的速度增量，那麼這顯然就是簡單的加速運動。此後不久，伽利略又讓辛普裡丘（亞裡士多德派）提出了另一種不同見解，認為落體的“速度增加與距離成正比”。讀者在評判時，一定會承認它與伽利略的加速運動定義同樣“簡單”。
P70-73

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