牛顿力学和相对论的建立.pdfVIP

牛顿力学和相对论的建立

牛顿力学的最终建立

在笛卡儿和惠更斯的力学理论中，没有系统研究过行星运动、地

面落体运动和开普勒提出的太阳行星间的力的概念与规律，或者说没

有形成一个统一完备的理论来阐明力学现象。填补这个遗留下来的巨

大空白，建立经典力学体系基础，完成物理学世界第一次伟大综合的

是牛顿。虽然谁都知道牛顿在力学上的成就，但它是怎样发展起来的，

至今还有许多模糊之处。牛顿在世时，除出版两部主要著作《原理》

和《光学》以外，数量非常多的极有价值的研究手稿等都被搁置了，

既未被研究，又未公开发表。直到本世纪中叶以后，牛顿未发表的书

信和手稿才陆续出版，出现了牛顿研究热，许多情况逐渐明朗起来。

但是，迄今仍有许多研究未透彻之处，仍有许多争鸣。

一，牛顿三定律形成的渊源

牛顿在大学学习的是亚里士多德的运动论，但他摆脱了他的影响。

一般认为对牛顿起积极且很大影响的是伽利略和笛卡儿。首先，他接

受了伽利略重视实验和数学结合的研究方法，掌握并运用了落体规律

和运动合成法。虽然他对笛卡儿的以太漩涡说进行了激烈的批判，但

从笛卡儿处，他继承过来三个研究成果，即惯性定律、碰撞问题的公

式表示和动量守恒、圆周运动的解析。

在牛顿1665-1666年的手稿中，已经提到了几乎所有的力学的基

本概念和定律。对动量的定义和笛卡儿一样，动量的守恒也是按照笛

卡儿的形式表述的。对于惯性定律，牛顿虽有继承，但却超过了笛卡

儿。他给动量以方向性；引进了力的概念。牛顿认为，所谓力就是使

物体运动状态发生变化的动力，力是和动量的变化成比例的。这里已

隐隐约约地包含了牛顿力学的第二定律。至于第三定律，在手稿中也

有叙述，可以说是牛顿的独创。在碰撞时，两个物体相互以同等的力

压迫对方。

在这个时期的手稿中，牛顿对圆周运动问题作了研究，求出了离

心力所产生的加速度。根据牛顿的自述，我们推测：还是在这期间，

牛顿也许把使月亮保持在轨道上的力和地球的重力进行了联系与比较。

至于由牛顿本人晚年或者亲属说出来而流传很广的因苹果落地而发现

万有引力的故事，如果不是为争夺优先权而编造的话，也是过分夸大

了的。

二，万有引力的发现

在1665—1666年期间，牛顿在力学方面取得了丰硕的成果，但

他的力学研究到此突然中断了，且中断长达十几年之久，这是什么原

因呢？现在有种种的猜测和观点。但有以下几个方面可以肯定：（1）

牛顿陷入围绕光和色的理论的争论之中；（2）开普勒第一、第二定律

只被认为是一种推测，牛顿暂时不可能注意到开普勒定律的重要性，

因而没有进一步的天体力学研究。

十七世纪以来，试图从动力学的角度解释天体运动的思想和理论

普遍萌发出来。英国医生吉尔伯特（W.Gilbert,1544-1603）根据他

的磁球实验（见第七讲）猜测行星围绕太阳运转是靠磁力来维系的。

开普勒进一步发展了吉尔伯特的观点。法国天文学家布里阿德

（I.Bulliadus,）1645年提出了一个假设：从太阳发出的力，和离太阳

距离的平方成反比。意大利的科学家博雷利（A.Borelli,1608-1678）

1666年提出：行星受到的向心引力和离心力平衡，使行星绕太阳轨道

稳定运动。同年，胡克也叙述关于太阳引力的观点，并在1674年归纳

性地提出了三条假设：（1）所有天体具有向其中心的引力；（2）做

匀速直线运动的物体，只要没有某种力使其拐弯，就会继续沿直线运

动；（3）物体距离越近，引力越强。胡克的想法必须要通过数学解析

的力量才能实现，而最终完成使命的只有牛顿。也是胡克促使牛顿重

新回到力学研究上来。

1679年，胡克担任了英国皇家学会秘书，为了改善牛顿同皇家学

会以及他个人疏远的关系，与牛顿重新建立通讯联络，讨论天体力学

方面的问题。在胡克的启发下，牛顿注意到开普勒定律的重要性，并

在年底对开普勒第一、第二定律作出了力学上的证明，即天体在平方

反比力作用下的轨道是一个以吸引体为一个焦点的椭圆；反之必意味

着平方反比力。然而，牛顿不想发表这些结果。

1684年初，英国科学家哈雷（E.Halley,1656-1742）、胡克及雷

恩（C.Wren,1632-1723）在伦敦相遇，讨论怎样以