第二节 近代科学的兴起

一、科学革命的突破
近代科学首先在天文学和医学生理学两大领域取得了突破性胜利。1543年出版的哥白尼（XXXXpernicus1473一1543）的《天体运行论》和维萨里（A．Vesalius，1514～1564）的《人体的结构》，成为近代科学革命的开端。
(一)天文学革命
天文学是一门古老的学科，它研究广阔空间中天体的位置、分布、运动、形态结构、物理状态、化学组成和演化规律。
古代人为了生产、生活的需要，已经开始有目的地对星体、日、月的运动周期及其相对位置的变化进行观察记录，探寻其变化规律。古埃及、古巴比伦、中国、古印度这些文明古国都已经有了古代天文学。
希腊古代天文学对后来欧洲天文学有很大的影响，希腊古代天文学家特别注意研究行星在星空背景中的运动，力图精确地测量行星的位置和分析行星运动的规律，建立起宇宙体系模型。从柏拉图（Plato，公元前427－347）开始，古希腊天文学形成了自己的特色，用几何系统来表示天体的运动。柏拉图已经提出了地球中心的思想。他的学生亚里士多德（Aristotle，公元前384～322）继承了柏拉图的思想，并从自己的哲学思想体系出发发展了这个思想。后来，有一些学者对于地心学说进行了改进，亚历山大城的天文学家托勒密(XXXXolemy，约85－168）将其系统化，形成了科学史上的"地心说"。
在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，太阳及其他行星围绕着地球运行。为了解释与弥合天文观测的差距，托勒密构造出本轮～～～均轮体系，以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。在西方的中世纪，教会将其纳入到严密而庞大的神学体系中，作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分。这样一来，原本很单纯的天文学理论--地心说--就变成了维护教会权威的一个重要理论支柱。15世纪以来，随着环球航行、地理大发现带来的航海事业的大发展，大量更精确的天文观测暴露出"地心说"与实际的偏差越来越大。
波兰天文学家哥白尼对托勒密的体系进行了研究，他认为该体系存在着严重的缺陷，是难以令人满意的。他设想找出一种更合理的图形安排，使每个天体都绕着它合适的中心均匀运动。在他看来，行星绕中心运动是绝对的，托勒密实际上破坏了这种观念，这是不能容忍的。因而托勒密体系必须要加以改变。哥白尼注意到毕达哥拉斯学派的"中心火"思想，于是他试图从太阳为宇宙中心出发去重新建立宇宙体系。哥白尼经过数十年的观察和研究，终于建立起以太阳为中心的宇宙体系--"日心说"。日心说认为，地球并非静止不动，也不处于宇宙中心，地球是一颗普通的行星，它既有绕自转轴的自转，又与其他行星一起围绕宇宙中心--太阳旋转。这就使得以前看来极不协调的种种天象变得简单而和谐。
在今天看来，虽然哥白尼学说错误很多，但日心说的阐明仍是近代科学史上的一件划时代的大事。它把千余年来一直占统治地位的日地关系颠倒了过来，描述了一种和谐、简单、优美的太阳系结构，从而使得天文学的进一步发展有了牢靠的基础，成为科学的天文学诞生的标志，而由此引发的对于运动机制的探讨，推动了力学研究的发展，从而也就成为近代科学诞生的标志。更重要的是，哥白尼的日心说动摇了神学宇宙观的支柱，或者说，这个学说的提出意味着反对宗教化了的地心说，向人们表明宗教神学观念也不是不可动摇的，因而哥白尼著作的发表成为了自然科学从神学中解放出来的宣言书。
(二)医学生理学革命
自古以来，医学实践一直是人类活动的一个极为重要的方面，研究疾病的产生、性质和治疗以及研究人体的结构和功能，始终是自然科学不可缺少的组成部分。在医学理论和实践上，各种古文明都形成了自己的医学传统。
西方医学中的一个突出的特点是对于外科的研究并注意以解剖学为基础。文艺复兴以来，一批艺术家、医学家不仅从事动物解剖，而且从事人类解剖学和解剖生理学的研究。达芬奇（L.da Vinci Leonado，1452～1519）为了确定人体的正确比例和结构，亲自解剖尸体，画出了许多精细的尸体解剖图。他曾研究过心脏的肌肉并画出心脏瓣膜图，用水的循环来比喻血的运行，表述了血液循环的概念。
在哥白尼发表日心说的1543年，比利时医生维萨里(A .Vesalius,1515～1564) 发表了《人体的结构》。通过解剖，维萨里确定了男女肋骨数目相等，并不像《圣经》所说的女人是用男人的一条肋骨创造的，因而男人比女人少一条肋骨。他的结论动摇了天主教会的教条，宗教裁判所以盗尸和巫师罪判处他死刑，后允许他去朝圣，维萨里困死途中。
维萨里在《人体的结构》这本解剖学著作中，纠正了古罗马医生盖仑（Galen，129－199）的许多错误。他通过解剖实践证明，人的心脏的中隔很厚，由肌肉组成，血液不可能如同盖仑所说是通过中隔从右心室流入左心室。但是，维萨里没有解决血液怎样由右心室进人左心室的问题。西班牙医生塞尔维特（XXXXrvetus，约1511－1553）于1553年提出血液小循环理论。英国医生哈维（W.Harvey，1578一1657）进而提出了血液大循环理论，并在1628年出版了（心血循环运动论），从而标志着人体血液循环理论的建立。
在血液循环理论的建立过程中，由于社会条件的原因，充满着艰辛的斗争。教会为了神学的需要，把盖仑的医学理论绝对化、凝固化，用来论证宗教神学的结论。除了维萨里受到了教会的迫害以外，塞尔维特也因其异端的神学观点被加尔文派新教逮捕并处以死刑，在烧死之前还活活烤了两个钟头。
血液循环理论的建立，具有重要的科学价值，成了临床医学的理论基础，同时也成了近代生理学的重要基础。在哈维以后，比较解剖学、人体生理学、医学等生物学学科逐步建立起来。
二、经典力学的奠基
（一）天体力学
德国著名天文学家、数学家开普勒(Jokipler，1571～1630)受毕达哥拉斯学派中理性主义的影响，认为哥白尼日心体系中，所表现出的简洁的几何秩序与和谐的数字关系，正反映了数学理性主义思想。于是，他把自己的毕生精力投入到完善日心说理论的研究中。他利用第谷o布拉赫（Tycho Brahe,1546～1601）长达20年观测行星运动的精确记录，进行计算后发现：按日心说中行星运行的轨道为正圆所算出的数值与第谷的观测数据相差8弧分。开普勒坚信第谷数据的精确性，并按第谷的数据发现行星运行的轨道是椭圆形，从而建立了行星第一运动定律：所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运行，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。为了指出某行星在某一具体时间所处的位置，开普勒经过一系列计算，发现行星运行线速度有变化，又大胆否定了天体按匀速运行的传统观念，提出了行星运动第二定律：在相等的时间间隔内，行星和太阳的连线在任何地点沿轨道所扫过的面积相等。1609年，开普勒把这两条定律写进《新天文学》一书中并发表。此后，他又用了9年的时间寻找行星之间及行星与太阳之间的关系，终于在各种数据中发现了行星运动第三定律：太阳系中任何两颗行星公转周期的平方与其轨道半径的立方成正比，即：T2=R3（T：运行周期；R：轨道半径）。开普勒的行星运动三定律，正确地描绘了行星运动的轨迹、时间、速度及与太阳的关系，揭示了天体的基本运动规律，为天体力学的诞生提供了坚实的基础，因此，开普勒获得"天空的立法者"的美誉。
(二)运动力学
与开普勒同期的伽利略（GoGalileo,1564～1642）是意大利著名的天文学家和实验物理学家。他开创了近代科学的实验研究方法，强调科学认识必须来自观察和实验，并接受实验的验证。他除了用自制的天文望远镜给日心说提供了一系列确凿的证据外，还用自己设计制造的试验仪器，否定了被宗教奉为权威的亚里土多德运动学思想，揭示了地面物体运动的基本定律。1604年，伽利略设计了斜面实验，以求冲淡重力，定量地观察自由落体速度变化的规律性。他让一小球从斜面顶端沿槽滚下，记下倾斜度和球从木板的顶端到底部所需要的时间，并不断改变倾斜度，进行反复实验。最后发现，物体沿同一高度，从不同倾斜度的斜面到达底端时，所用的时间相同，末速度也相同，由此，伽利略总结了自由落体定律：物体下落的速度与时间成正比，它下落的距离与时间的平方成正比。证明亚里土多德的下落物体的速度与重量有关的结论是错误的。伽利略在斜面实验中还发现，小球从斜面滚下之后，接着可以滚上另一斜面，达到原来出发点的高度。假如把第二个斜面放平，小球将以匀速沿直线方向继续滚下去。从而揭示了力是产生加速度的原因，并导出当物体不受外力作用时，运动的物体作匀速直线运动的惯性原理。这样又纠正了亚里土多德力是产生物体速度的原因的错误观点。有了自由落体定律和匀速直线运动的概念，伽利略又发现抛物体运动是由两种运动合成的，一种是垂直向下的自由落体运动，一种是水平方向的匀速直线运动。从而证明亚里土多德所说的一个物体不能同时有两种以上运动的结论也是错误的。伽利略在运动力学上的一系列开创性工作，打破了亚里土多德运动学思想对物理学的束缚，把近代物理学推上了历史舞台，因而，被誉为近代的物理学之父。
三、经典力学体系的形成
(一)牛顿三大定律
牛顿（XXXXwton，1642～1727）在著名的《自然哲学的数学原理》一书中，给出了一种力的定义，大意是：施加的力是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线运动的状态的一种作用。这几乎就是力的现代定义。事实上，力是代表物体间的一种相互作用，由于这种作用，物体会改变速度，即获得加速度。力有很多种，这由物体间的相互作用的不同方式而决定，如重力、摩擦力、弹性力等等。
在定义了力的概念以后，牛顿在伽利略关于物体运动研究的基础上，总结出地面物体运动的三大定律。
第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到其他任何物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。
这一定律说明，任何物体都具有一种保持原来运动状态的特性。这种特性被称为物体的惯性。因此，第一定律也被称为惯性定律。这个定律也可以这样表述：当且仅当没有一个净外力（未平衡外力）作用在物体上时，每一物体才将保持静止或匀速直线运动不变。这种说法意味着，该定律指出了判定是否存在一个未平衡外力的依据，这就是说，只要存在着偏离直线或沿任一方向作加速运动的物体，就必定存在一个净力，因此力不是匀速运动的原因而是改变速度的原因。
第二定律：物体受到外力时，物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，而与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。写成等式为
F＝ma
式中F为合外力，a为获得的加速度，m为物体的质量。
以微积分形式表达为
F=md2r/dt2
第三定律：当物体A以力F作用于物体B上，物体B也必定同时以F′反作用在物体A上，F和F′在一条直线上，大小相等而方向相反。即
F=～ F?
人们常常将F称为作用力，将F?称为反作用力。因此，第三定律也可以表述为：作用力和反作用力大小相等，方向相反，分别作用于不同的物体上。这就是说，每一作用力总有一个与之对立的相等的反作用力，或者说两物体彼此之间的相互作用总是相等，并且指向对方。
(二)万有引力定律
牛顿在建立了力学的基本概念并发现了力学的基本定律之后，就试图用来解决一系列的问题。他在着手解决太阳系的动力学问题中，进一步发现了万有引力定律。
牛顿发现万有引力的实际历史过程和思路非常复杂，这里只是从论证的角度作一点推导。根据牛顿第一定律，行星和卫星的运动表明，它们处于平衡状态，因而一定有一个净力作用于它们，否则，行星或者卫星就不会绕中心天体运动，将会沿着直线运动，它们之所以绕中心天体作椭圆运动，这就表明一定有一个指向中心天体的力。由于椭圆运动近似于圆周运动，因而行星在任何时刻都受到一个指向太阳的向心力的作用，根据牛顿第二定律，这个力的大小为
F向＝ma向＝mRw2
式中w为该行星的角速度，R是从行星中心到椭圆焦点的距离。这个向心力的大小应为
　　　　　　　　 F向＝ma向＝mRw2=mR(2Л/T)2=4Л2mR/T2
式中T为行星绕太阳旋转的周期。由开普勒第三定律有T2=k R3就得到
F向＝4Л2mR/kR3=(4Л2/k)(m/R2)
上式表明，一个行星在绕太阳旋转时，它受到一个力，此力的大小与该行星的质量成正比，与它到太阳（焦点）的距离的平方成反比，4Л2/k 则是一个对太阳系中的所有行星都相同的常量。对此，牛顿提出了一个大胆的猜想：行星所受的向心力不过是太阳对它的吸引力，围绕行星旋转的卫星所受到的向心力则是行星对卫星的吸引力。通过论证，并与地球上物体受到的重力加以比较，还对天上的和地上物体间的相互作用进行了概括，得出万有引力定律：地球对地球上物体的吸引、太阳对行星的吸引都遵从同一个规律，即任何两个物体间都存在着相互作用的吸引力；引力的方向沿着两个物体联线的方向，力的大小与两个物体质量乘积成正比，与两个物体之间的距离的平方成反比。用等式表示出来：
F引＝G（m1m2／R2）
式中m1和m2为两个物体的质量，R为两个物体间的距离，G为万有引力常量。这个常量经后人测定为G＝6.67 ×10～11 m3／（kg·s2）。
万有引力定律的发现，使天体的运动与地面的运动统一起来，可以统一地加以研究。牛顿将万有引力定律应用于研究天体的运动，也就诞生了天体力学。
牛顿的工作，实现了近代科学史上的第一次重大综合。他的成就鼓舞了18世纪的法国科学家和数学家，他们引入新的数学工具，从而丰富和发展了经典力学体系。