笛卡爾物理學(xué)思想對經(jīng)典力學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的影響

1、文章編號 :1672 - 058x(2004) 02 - 0190 - 03笛卡爾物理學(xué)思想對經(jīng)典力學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的張 元 方(重慶工商大學(xué) 招生就業(yè)處 ,重慶 400067)摘要 :針對笛卡爾的物理學(xué)思想在物理學(xué)史上沒有得到充分研究的現(xiàn)實 ,論述了笛的慣性思想對牛頓第一定律的形成有直接的影響 ,笛卡爾關(guān)于虹的描述使牛頓在建立他的 理論的時候受到很大的啟發(fā) ;笛卡爾關(guān)于近距作用的思想對近代電磁學(xué)的發(fā)展 ,乃至狹義 論的創(chuàng)立都具有積極意義 ,他的關(guān)于空間是連續(xù)區(qū)的思想對愛因斯坦具有重要的啟發(fā) 。關(guān)鍵詞 :慣性定律 ;虹 ;近距作用 ;連續(xù)區(qū)中圖分類號 :o 04 - 09文獻標(biāo)識碼 :b笛卡爾不

2、僅是哲學(xué)大家 ,而且在物理學(xué) 、數(shù)學(xué) 、醫(yī)學(xué)等學(xué)科都做出過重大的貢獻 ,笛卡爾在中明確地給出了運動的概念 ,提出了運動守恒定律 、物體碰撞的運動思想 ,比伽利略更進一步接 理 ,豐富了力學(xué)的思想 。他的物理學(xué)思想不僅對近代物理學(xué)產(chǎn)生了很大的影響 ,而且對現(xiàn)代物展也產(chǎn)生了積極的作用 。笛卡爾物理學(xué)思想和牛頓力學(xué)1因為牛頓是經(jīng)典物理學(xué)的集大成者 ,所以要談笛卡爾對經(jīng)典物理學(xué)的影響就應(yīng)從笛卡爾物和牛頓物理學(xué)思想的關(guān)系入手 ,這樣得出的結(jié)果才具有代表意義 。1 . 1牛頓第一定律實際上是笛卡爾定律伽利略是科學(xué)史上第一批用嚴(yán)格的科學(xué)論證提出慣性定律的科學(xué)家之一 。伽利略在他的手稿的第 14 章中 ,反駁

3、亞里斯多德將運動分為自然的運動和強制的運動的說法 。他認(rèn)為水平面運動就不具有這種性質(zhì) ,初步提出慣性概念的想法 。他寫道 “: 這樣得出的結(jié)論是在水平面上 動 ,既不是自然的也不是強制的 。但是 ,如果它的運動不是強制的運動 ,那么它就能以一切可能 小的力進行運動 ?！边@個結(jié)論向慣性概念邁出了巨大的一步 。此外 ,在第 21 章中又提出如果自然 限制地持續(xù)運動下去 ,就會呈現(xiàn)為慣性運動 。1 但是 ,伽利略的慣性運動是在圓周上的慣性運動爾則認(rèn)為 ,任何物體的慣性運動是在直線上的慣性運動 ,笛卡爾清楚地表達了物體做直線慣性想 。j ·赫利威爾在牛頓 < 原理 > 的背景一書

4、中一再提出伽利略從未說明或失敗于真正理解慣因為“他沒有將慣性運動與地球上的現(xiàn)象清楚地分開并想象它應(yīng)該發(fā)生在真空中 ,這就必然妨有笛卡爾在哲學(xué)原理第二部分中發(fā)現(xiàn)的圓周運動的清晰性的特點 ?！?笛卡爾早在他的論世界中就指出了慣性運動的直線性特征 ,并把運動明確地定義為一種是在這一點上 ,牛頓受到了笛卡爾明顯的影響 ,正是運動狀態(tài)概念的創(chuàng)立 ,才使笛卡爾能夠 頓能夠 斷言其第一運動定律或運動規(guī)則的有效性 。3 就像物理學(xué)史家丹尼爾·加柏所說的那上如果笛卡爾不能說是第一個 ,也至少是在第一批中的一個涉及了慣性原理 。正因為如此 ,當(dāng)物理學(xué)家阿特·霍布森指出牛頓第一定律實際上就是笛卡

5、爾定律 。4收稿日期 :2003 - 12 - 23 ;修回日期 :2004 - 01 - 14 。作者簡介 :張元方 (1969 - ) ,男 ,安徽省五河縣人 ,研究生 ,從事科學(xué)技術(shù)史研究 。1 . 2解釋虹現(xiàn)象時受到笛卡爾的啟示笛卡爾的光學(xué)思想在牛頓光學(xué)理論的構(gòu)成中有一定程度的體現(xiàn) 。1637 年笛卡爾在屈光學(xué)中推導(dǎo) 出折射定律的現(xiàn)代形式 :在相同的介質(zhì)中入射角的正弦與折射角的正弦之比為常數(shù) 。5 笛卡爾對于光的 本質(zhì)的解釋顯然與他的以太說是一致的 ,提出光是由于充滿宇宙空間的彈性介質(zhì) 以太的瞬時傳遞壓 力而產(chǎn)生的 ,他認(rèn)為顏色是由于這種介質(zhì)的粒子 小球的旋轉(zhuǎn)速度不同產(chǎn)生的 ,折射時小

6、球轉(zhuǎn)速會改變 ,轉(zhuǎn)得最快的是紅色 ,其次是黃 、綠和藍色 。1664 年 ,牛頓學(xué)習(xí)了笛卡爾的屈光學(xué)(1637 年) ,他在 1664年用三棱鏡考察笛卡爾的光學(xué)理論 ,導(dǎo)致他的光與色理論并發(fā)現(xiàn)太陽光譜 。牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光譜為紅 、黃 、綠 、藍和紫五色 ,發(fā)現(xiàn)白色是各種顏色的混合物 ,并提出各種顏色是由不同折射率的光形成的 。1在對虹現(xiàn)象的解釋方面 ,牛頓受到了笛卡爾的啟示 ,在 16651666 年間寫的顏色問題中 ,提出虹是 陽光被云層中的水滴折射后在大氣中產(chǎn)生的彩色環(huán)現(xiàn)象 。在光學(xué)講義中 ,牛頓說 “: 現(xiàn)在仍然保持著笛卡 爾對奇特的虹現(xiàn)象所提供的解釋方法 ,因為由于他我們才知道它是在雨水

7、落下的水滴中形成的 ,關(guān) 于水滴折射及其范圍的一種最巧妙的發(fā)現(xiàn)也是由于他 ?！? 。當(dāng)然 ,牛頓的觀點在許多方面與笛卡爾的觀點不同 ,牛頓學(xué)派與笛卡爾學(xué)派之間的爭論在牛頓力學(xué) 誕生過程中就沒有停止過 。例如 ,笛卡爾把古希臘哲學(xué)的以太概念引入了科學(xué) ,提出了以太旋渦學(xué)說 ,反 對當(dāng)時的原子論觀點 ,并認(rèn)為宇宙充滿了物質(zhì) ,否認(rèn)真空的存在 ;牛頓則持原子論觀點 ,堅持微粒說 ,認(rèn)為 宇宙是由不可分割的最小的微粒和虛空構(gòu)成的 。3 笛卡爾的旋渦理論是近距作用的理論 ,它就必然與超距的引力理論相悖 ;牛頓指出天體現(xiàn)象不能用旋渦理論來解釋 。62場的概念與近距作用近距作用的思想在電磁學(xué)的發(fā)展中起到了舉

8、足輕重的作用 。笛卡爾在哲學(xué)原理中對磁現(xiàn)象進行了大量的描寫 ,他對磁理論的描述是建立在他的近距作用思想的基礎(chǔ)上的 ,而后來磁學(xué)理論的發(fā)展和近 距作用的思想都是分不開的 。笛卡爾第一次把天體運動概念帶進了磁學(xué) ,提出了磁流體旋渦運動的假 說 ,從而最早暗示了磁是物質(zhì)的一種閉合的旋渦運動形式 。 后來產(chǎn)生的磁力線概念和磁場的概念 , 都可以從他的假說中找到最原始的論據(jù) 。直到現(xiàn)在 ,人們還沒有發(fā)現(xiàn)磁運動可以不遵守這條基本原理 的 。7 法拉第從廣泛的實驗研究中構(gòu)想出描繪電磁作用的“力線”圖像時 ,體現(xiàn)了近距作用的思想 。法拉 第認(rèn)為 ,電荷和磁極周圍的空間充滿了力線 ,靠力線 ( 包括電力線和磁力

9、線) 將電荷聯(lián)系在一起 。力線就 像是從電荷 (或磁極) 發(fā)出 ,又落到電荷 (或磁極) 的一根根皮筋一樣 ,具有在長度方向力圖收縮 ,在側(cè)向力 圖擴張的趨勢 。5正是法拉第的力線思想使電磁學(xué)理論在不到 50 a 的時間內(nèi)取得了巨大的進展 ,其中有 w. 湯姆生運 用類比的方法 ,把法拉第的力線思想轉(zhuǎn)變?yōu)槎康谋硎?,后來麥克斯韋在法拉第和 w. 湯姆生的工作的基 礎(chǔ)上進一步完善了電磁理論 。麥克斯韋提出的分子渦旋假設(shè)在磁場作用下的介質(zhì)中 ,有規(guī)則地排列著許 多分子渦旋 ,繞磁力線旋轉(zhuǎn) ,旋轉(zhuǎn)角速度與磁場強度成正比 ,旋渦物質(zhì)的密度正比于介質(zhì)的磁導(dǎo)率 。這個 模型很容易解釋電荷間或磁場間的相互

10、作用 ,并清晰地體現(xiàn)了近距作用 。5 麥克斯韋指出 “: 電磁場是包 含和圍繞著處于電或磁狀態(tài)的物體的那部分空間 ,它可能充有任何一種物質(zhì) ?！?愛因斯坦高度評價麥克斯韋理論 ,狹義相對論的起源主要歸功于麥克斯韋的電磁場方程 ?！? 愛因斯192重慶工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)行對萬有引力定律的證明中 ,就使用了坐標(biāo)分析和二次曲線方程等解析幾何學(xué)的方法 。笛卡爾的幾何學(xué)和折光學(xué)中就是用解析方法進行研究的 。10英國著名的科學(xué)史家丹皮爾 ( w. c. damper ,1867 - 1951) 曾對笛卡爾創(chuàng)立的解析幾何做過 價 “: 有了這個方法 ,許多物理學(xué)的問題 ,從前不能或不易解決的 ,現(xiàn)在

11、都可以解決了 。”11筆者認(rèn)為 ,笛卡爾的解析幾何是數(shù)學(xué)中的巨大成就 ,不僅作為數(shù)學(xué)方法對物理學(xué)有很大作用著深邃的物理學(xué)思想 。愛因斯坦甚至把笛卡爾的解析幾何納入了物理學(xué)的體系 ,這樣建成的幾是一種自然科學(xué) ;事實上可以把它看做是一門最古老的物理學(xué) 。9 在笛卡爾使用代數(shù)的方法去 曲線時 ,在這個方法的背后就隱含了一個思想 : 即空間是連續(xù)的 ,只有在這個前提下 ,才有可能 滑的曲線 。在笛卡爾之前的歐幾里得的數(shù)學(xué)概念體系中 ,不可能出現(xiàn)這種平滑的曲線 ,在那里 直線等相互之間的關(guān)系就是那種理想化了的固體間的關(guān)系 ,而不是無限連續(xù)的關(guān)系 。愛因斯坦 明確的表述 “: 歐幾里得的數(shù)學(xué) 概念體系里

12、根本沒有出現(xiàn)空間是連續(xù)區(qū)的概念 。這概念是空間坐標(biāo)來描述空間中的點時才第一次被引進來”。9在笛卡爾的解析幾何處理方法中 ,所有的空間量 ,比如點 、線 、面 ,在原則上都具有同等的地以用解析幾何方法來處理 。在解析幾何中 ,線 、面等都可以用連續(xù)的曲線 、曲面來表示 。所以說何中三維空間是連續(xù)的區(qū)域 ,愛因斯坦稱之為連續(xù)區(qū) 。 實際上牛頓力學(xué)框架體系中也已存在著這種笛卡爾解析幾何所體現(xiàn)的空間 ,牛頓體系的絕是這種空間 ,牛頓的所有運動定律都是在這種空間中建立起來的 。正如愛因斯坦所說 “: 笛卡爾 整個空間 ,卻是牛頓物理學(xué)所絕對必需 。因為動力學(xué)不是單靠支點和支點之間的距離這些概念 得了的

13、。 只有參照整個空間 ,牛頓的加速度才能設(shè)想或者規(guī)定下來 ?！?在經(jīng)典力學(xué)中 ,四維時空被分為一個三維連續(xù)區(qū) ( 空間) 和一個一維連續(xù)區(qū) ( 時間) ,時間是 恒的一維 ,這就把空間和時間分割開來 。愛因斯坦提出了同時性的相對性的觀點 ,是對絕對時 破 ,同時也是他對伽利略的力學(xué)相對性原理的發(fā)展 ,并把力學(xué)相對性原理推廣到一切物理現(xiàn)象 , 義相對論中的相對性原理 。同時的相對性的發(fā)現(xiàn)使空間和時間成為一個四維連續(xù)區(qū) 。狹義相 到一切慣性系在物理上的等效性 。 揭示了時間和空間的不可分性 。 隨著同時性的相 現(xiàn) ,空間和時間就融合為一個單一的連續(xù)區(qū) ,正像以前的空間三維連續(xù)區(qū)一樣 。物理空間因此

14、 維空間 ,它也包括了時間的一維 。9笛卡爾的空間不但是連續(xù)的空間 ,還是一個實在的空間 。以愛因斯坦為代表的當(dāng)代物理學(xué)家 卡爾在這方面的真知灼見 ,雖然笛卡爾關(guān)于空間的論述有不足之處 ,存在推理弱點 ,即斷定廣延只 在當(dāng)時很難被接受 。9 但是現(xiàn)在 ,廣義相對論卻饒著彎兒來證實了笛卡爾的想法 。9 在廣義相對論 是單獨存在的 ,正如在笛卡爾那里空間不能單獨存在一樣 ,如果我們設(shè)想引力場 (即函數(shù) gik) 被除 留下來的就不是類型 ( i) 的空間 (即物理空間) ,而只是絕對的無 ,而且也不是拓撲空間。因為函述場 ,同時也描述這個流形的拓撲的和度規(guī)的結(jié)構(gòu)性質(zhì) 。9 所以 ,愛因斯坦肯定了笛

15、卡爾在空間理獻 。因此 ,當(dāng)?shù)芽栂嘈潘仨毰懦仗摽臻g的存在時 ,他離開真理并不怎么遠 。如果認(rèn)為物理實只是有重物體 ,那么這種見解確實顯得很荒唐的 。為了揭示笛卡爾觀念的真正內(nèi)核 ,就要求把場的實在的代表 ,并且同廣義相對性原理結(jié)合在一起; 沒有場的空間是不存在的 。9參考文獻 :1 閻康年 . 牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與科學(xué)思想 m . 長沙 :湖南教育出版社 ,1989. 144 、25 、33 、1132 herivel j . the background to newton s principia m . oxford ,1965345678910法 亞歷山大·柯瓦雷 . 牛頓研究 m . 張卜天 譯 . 北京 : 北京大學(xué)出版社 , 2003. 73 、94美 阿特·霍布森 . 物理學(xué) :基本概念及其與方方面面的關(guān)系 m . 上海 :上?？萍汲霭嫔?,2001. 71郭奕玲 ,沈慧君 . 物理學(xué)史 m . 北京 :清華大學(xué)出版社 , 1993 . 155 、139 、144 、147 林德宏 . 笛卡爾學(xué)派與牛頓派之爭的科學(xué)啟示 j . 百科知識 ,1984 ,