《人類科學技術史-230》經典力學體系的建立

經典力學體系的建立

牛頓對力學的研究與天文學的研究是緊密結合、齊頭并進的。可以說，他對天文學的研究促進了他對力學的研究，而他對力學的研究也推動了對天文學的研究，兩者交互作用的產生，便是由他建立起來的天體力學。如果說，萬有引力定律的發現奠定了天體力學的基礎的話，那么這塊基石的支點之一便是力學。

在牛頓之前，比較全面地研究宏觀物體運動的力學現象的代表人物是伽利略，伽利略雖然未能建立起完整的經典力學體系，可是他在受控實驗基礎上對慣性原理的表述，對拋物運動的分析，對落體定律的表述，以及由此形成的地面運動力學的基礎，無疑是牛頓建立經典力學的基本前提。與此同時，刻卜勒的行星運動定律及其天體力學思想的胚胎，同樣也是牛頓建立經典力學的基本前提。此外，笛卡爾和惠更斯等人對力學所作的積極貢獻，也是牛頓建立經典力學的重要借鑒。

牛頓研究了伽利略、刻卜勒等人的力學成果，感覺到，他們倆人在力學中雖然取得了重要成就，而在對力學現象進行定性描述和定量分析時，卻缺乏明確的力學范疇，即沒有明確的力學概念。為此，牛頓首先在力學概念上進行了研究，較為明確地提出了質量、動量、外力等一套力學概念。

對于質量，牛頓吸取了化學家波義耳的質量概念。1660年，波義耳進行了關于氣體容積與壓力的關系實驗時，曾從氣體的密度引出質量概念。牛頓把這一概念引入力學中，指出質量是"用它的密度和體積一起來量度的"物質的量。

對于動量，牛頓以他的質量概念為基礎。指出動量是"它的速度和質量一起來量度的"運動的量。

對于外力，牛頓吸取了當時靜力學中外力的概念，特別是吸取了伽利略的慣性原理中的外力概念，指出外力是"一種為了改變一個物體的靜止的或等速直線的運動狀態而加于其上的作用力"。此外，牛頓還提出了慣性、向心力、加速度、相對運動、絕對運動等力學概念的明確定義。

在建立了質量、動量、外力等一套明確的力學概念以后，牛頓對客觀力學現象進行了廣泛的實驗、觀察與分析，在發現萬有引力運動定律的過程中，同時發現了著名的牛頓力學三定律。

第一定律：在不受外力作用的條件下，任何物體都保持原有的靜止或勻速直線運動狀態。按照牛頓的本來表述是："每個物體繼續保持其靜止或沿一直線作等速運動的狀態，除非有力加于其上迫使它改變這種狀態"。因為這一定律是用來描述物體運動的慣性原理的，因此，這一定律也稱為慣性定律。

第二定律：在外力作用下，"運動的改變和所加的動力成正比，并且發生在所加的力的那個直線方向上。"在一般情況下，也表述為：在外力作用下，物體的加速度與外力成正比，與物體的質量成反比；加速度的方向在外力的作用方向上。其數學表達式為F=ma或a=F/m。其中F為外力，m為質量，a為加速度。

第三定律：作用力與反作用力大小相等、方向相反。按照牛頓本來的表述就是："每一個作用總是有一個相等的反作用和它相對抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠相等，并且各自指向其對方。"其數字表達式為F＝－F。

在發現運動力學三定律的基礎上，牛頓還從三大定律出發，作出了三大定律的一些推論，如關于一個物體同時受兩個力作用時的運動方向與所需時間的推論，關于力的合作與分解的推論等。這樣，牛頓就以他的力學概念、三大定律、基本推論為主要內容，實現了17世紀中期以前的力學的一次大綜合，從而奠定了經典力學的理論基礎。

力學三定律是一個整體，是經典力學的基礎。第一定律從質的方面反應了物體慣性的本質，第二定律是從量的方面說明了作用力與物體之間的關系，第三定律揭示了機械運動的一個矛盾：作用力與反作用力。而慣性與力，是全部牛頓力學中的兩個最基本的概念。

由于萬有引力定律的發現，由于力學三大定律的發現，一個以宏觀低速物理現象為研究對象的經典力學體系，也就由牛頓建立起來。

牛頓的經典力學成果，集中地反應在他的《自然哲學的數學原理》這一巨著中，全書共分三卷。其中第一卷和第二卷均為"論物體的運動"，討論從天體力學到運動力學的一般力學規律問題，第三卷為"論宇宙的體系"，討論行星、月球、慧星、潮汐和歲差等具體的天體力學問題。全書在1687年5月出版。按照自古希臘以后的傳統涵義和當時語義內涵，所謂自然哲學，實際上指廣義的自然科學。因此，所謂《自然哲學的數學原理》，實為《自然科學的數學原理》。牛頓在這一著作中所討論的自然現象的普遍性，以及他所用的數學方法的嚴謹性，使這一著作無愧成為經典力學的奠基工作，經典力學體系由于此書的完成也就初步建立起來。