物理学中的“福尔摩斯”

日期:2014-05-19 11:02 点击数:6136 

——牛顿第一定律的诞生

重庆巴蜀中学 秦德胜 (重庆市渝中区北区路51号 400013)

摘 要: 在探究运动原因的“侦探小说”里,由明显的线索引出错误判断的案例莫过于亚里士多德关于运动和力的错误判断,而且这个“错案”竟维持了近2000年。直到300多年前,伽利略才创造了有效的“侦查”方法,发现了正确的线索,揭示了现象的本质,在高中物理教科书中,被称为物理学中的“福尔摩斯”。

究竟谁是真正的“福尔摩斯”,本文对此做了别样的分析。

关键词:福尔摩斯 牛顿第一定律 伽利略 理想实验 千古之迷


长期以来,在研究物体运动原因的过程中,人们的经验是:要使一个物体运动,必须推它或拉它。因此,人们直觉地认为,物体的运动是与推、拉等行为相联系的,如果不再推、拉,原来运动的物体就会停止下来。根据这类经验,亚里士多德得出结论:

必须有力作用在物体上,物体才能运动;没有力的作用,物体就要静止在一个地方。

然而,在探究运动原因的“侦探小说”里,这正是由明显的线索引出错误判断的案例,而且这个“错案”竟维持了近2000年。直到300多年前,伽利略才创造了有效的“侦查”方法,发现了正确的线索,揭示了现象的本质,在高中物理教科书中,被称为物理学中的“福尔摩斯”。

1、时代注定亚里士多德必将“误入岐途”

2000多年前,亚里士多德作为古希腊时代伟大的圣人,已经提到摩擦力的概念,又怎么会不知道运动的物体停下来的原因在于摩擦力的作用呢,又怎么还会犯上我们现在看来如此低级的错误呢?

这还要从亚里士多德所处的那个时代说起。

(1)亚里士多德处于奴隶社会,在当时的奴隶主贵族们看来,只有“仰望星空”这种事情才是最高贵的,从事体力劳动是最卑贱的。这就决定了亚里士多德及其同时代的大多数思想家只能靠纯粹的思考和逻辑推演去获取知识,他们不屑走进生活、生产劳动中去亲自体验和做科学实验。

(2)当时人们思考的问题主要是“物体为什么会运动?”而不是“物体是如何运动的?”。前者是形而上的问题,而后者才是真正的科学问题。

(3)亚里士多德所处的时代认为,演绎推理的价值高于归纳推理,但科学的实证本质上决定了科学中的演绎必须建立在原初归纳的基础上,即原命题必须真实、科学、正确。而亚里士多德的原命题“必须有力作用在物体上,物体才能运动”是不真实的,事实是“必须有力作用在物体上,物体才能由静止变为运动”,它反映的是物体运动的改变,而不是运动本身。

(4)在古希腊,人们持有一种有机的自然观,认为运动是“引导一切物体自寻其天然归宿的内在本能”。 认为一切物体的天然归宿就是“静止”,所有运动最终都将以“静止”终结。因此,亚里士多德不可避免要“误入岐途”。

(5)亚里士多德虽然已经提到摩擦力的概念,却没有深入思考它对运动有阻碍作用,特别是没有深入思考在没有摩擦力时,物体又是如何运动的,总认为介质是运动的推动者。这又回到了(2)中提到的历史原因,即当时人们主要思考的问题是“物体为什么会运动?”而不是“物体是如何运动的?”

2、伽利略的理想实验破解“千古之迷”

其实,早在公元6世纪,亚里山大城的约翰•菲洛普纳斯在对亚里士多德的《物理学》评注时就认为,介质与其说是运动的推动者,不如说是运动的阻碍者。

由于信仰的需要,在中世纪,经院哲学家们尝试用亚里士多德的理论来为基督教教义做注解,因此包括托马斯•阿奎拉在内的许多经院哲学家们试图将亚里士多德理论与基督教教义相融合。但是,亚里士多德的哲学与基督教教义在许多方面存在着不可调和的冲突,如亚里士多德哲学认为宇宙是永恒的,世界万物的存在并不依赖上帝。这样,对亚里士多德正统的尖锐批判既因为宗教的关心所促发,又因为宗教的关心而发生偏移,从而导致了与亚里士多德的正统观点相异甚至完全对立的对于世界的不同解释。

这样,就引发了人们对亚里士多德哲学的一系列的质疑,这对后来的哥白尼、伽利略等科学家产生了十分重大的影响。

13世纪的罗吉尔•培根和托马斯•阿奎那、14世纪的神学家佛朗西斯库斯以及之后的约翰•布里丹(John Bu-ridan)等都站出来,明确地捍卫了约翰•菲洛普纳斯的理论,即“介质是运动的阻碍者”。

特别是约翰•布里丹提出了“冲力”(impetus)的概念,他把冲力设想为初始推动者传给物体的一种推动力,并赋予了冲力一种永恒的质,认为它将一直持续下去,除非被外部阻力所减弱或者耗尽。在没有外力作用的情况下,冲力的初始量将保持不变。并且他暗示,如果将运动的所有阻力撤出,那么物体一旦开始运动,很可能将永远沿直线匀速运动下去,它没有任何理由改变自己的运动方向或者初始速度。

这些研究与思考无疑为伽利略的研究提供了重要的启示,只不过他们都只是一种对该问题的形而上的思考,缺乏实验基础。

意大利物理学家、天文学家伽利略(1564年2月25日-1642年1月8日)最伟大的贡献在于,他从实验的角度让人们从形而上的思考转为了真正的科学,使人们心服口服,并且感到特别的有趣和有意义,这是一个真正的伟大转向。

伽利略注意到,当一个球沿斜面向下滚动时,它的速度增大,而向上滚动时,速度减小。他由此猜想:当球沿水平面滚动时,它的速度应该不增不减。但是实际情况却是,即使沿水平面滚动,球也越来越慢,最后停下来。伽利略认为,这唯一的原因就是约翰•布里丹提到的“介质是运动的阻碍者”,即是摩擦起了阻力作用的结果。因为,他同样还观察到,表面越光滑,球便会滚得越远。于是,他推断:若没有摩擦阻力,球将永远滚动下去。

他终于明白,将人们引入岐途的原来是摩擦阻力。但是,要将所有阻力撤出,在实际生活中是根本做不到的,怎样才能让人们更加信服呢?

他设计了如图所示的实验:

事实:让小球沿一个斜面从静止状态开始滚下,小球将滚上另一个斜面。

推论1:如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度。

推论2:减小第二个斜面的倾角,小球在第二个斜面上仍将达到同一高度,但这时它要滚得远些。

推论3:继续减小第二个斜面的倾角,小球达到同一高度时就会滚得更远。

推论4:若将第二个斜面放平,为了找到同样高度,小球只有永远滚动下去,永不停止。

结论:物体的运动可以不需要力,力不是维持物体的速度的原因,而恰恰是改变物体运动的原因。也就是说,一旦物体具有某一速度,如果它不受任何力的作用,就将以这一速度永远运动下去。

至此,千古之迷终被破解。

虽然,伽利略的这种“实验”很难在现实中完成,但却依

据了实验事实作为基础,推理是可靠的,称为“理想实验”。

伽利略第一个将实验引进力学,创立了把实验方法与数学

方法、逻辑论证相结合的科学研究方法,是近代实验科学的先

驱,被誉为“近代力学之父”。

从认识上讲,伽利略的成功在于他采用了“对比”的实验

手法,用两个斜面对比,又对比研究了有摩擦和无摩擦两种情

况,而亚里士多德就没有做这样系统的工作。

3、笛卡尔从“上帝”那里“歪打正着”

其实,伽利略得出“运动的物体,如果不受任何力的作用时,将以这一速度永远运动下去。”,心中却存有疑虑,他知道地球是圆的,如果物体永远运动下去,那是绕地球做圆周运动呢?还是直线运动呢?他着实不敢肯定。

在17世纪,人们普遍相信运动的起源是“上帝”,与伽利略同时代的法国科学家笛卡尔(1596—1650)认为:“上帝在创造物质之初就把各种运动给予了物质片段,现在他又维持着所有物质,使之保持他最初创造它的样子。从这个简单的事实出发,可以推断,上帝也必将在物质中保持相同的运动量。”

笛卡尔相信,运动是物体的一种状态,由于上帝是不可变的,所以,他所创造的物体就必将保持不变的状态,除非它们受到外部原因的影响。

由此,笛卡尔得出结论:运动的物体要尽其所能地保持继续运动。并且,他由守恒性和简单性推知,物体将保持直线运动,而不是圆周运动。运动恰好以它被维持的那一瞬间所具有的形式而继续保持下来。

可见,笛卡尔并不是通过科学的方式,而是从上帝那里“歪打正着”,同样破解了“运动原因之迷”。

4、牛顿统观“全局”,还原“本性”

动力学的奠基者英国物理学家牛顿(1643—1727),他在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中,系统总结了亚里士多德、伽利略、笛卡尔等科学家的观点,认为一切物体的天然归宿应该有两种,一是“静止”,二是“运动”,在没有外力作用时,静者恒静,动者恒动。并且,他还把这一结论外推到了天体运动中,将天上之物与地上之物统一起来,并进行了完整的规范化的表述,也就是说它适用于一切物体,建立了牛顿第一定律,还原了物体的“本性”。

牛顿第一定律的内容是:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

牛顿还把物体具有的匀速直线运动状态或静止状态的这种性质(注:即古希腊人认为的天然归宿)叫做惯性,并且,定义惯性的大小为质量,为牛顿第二定律的建立奠定了坚实的基础。

5、谁是真正的“福尔摩斯”

从以上的研究,我们可以发现,亚里士多德时代,人们实质上只关注到了物体具有“静止”的本性,因此,他们也只能从静止的方面去找到归宿。而伽利略、笛卡尔时代又只关注到了物体具有“运动”的本性,因此,他们也只从运动的方面去寻找归宿。

殊不知,物体的本性皆具“静止”和“运动”两个方面,只有牛顿才真正意识到这一点。因此,从这一点看,真正的“福尔摩斯”应该数牛顿,亚里士多德、伽利略、笛卡尔等都应该属于其侦探所的侦探员。

其实,万物皆具两面性,它们既对立又统一。“静止”和“运动”如此,“惯性”与“力”也如此,“惯性”维持着物体的运动状态,“力”用来改变物体的运动状态,正是它们的既对立又统一,才使整个宇宙万物“静”与“动”是那样的和谐。

由此可知,谁抓住了问题的两面性,谁就是真正的“福尔摩斯”。在探究运动原因的“侦探小说”里,牛顿抓住了事物的两面性,解决了运动原因的“千古之迷”,成为了真正的“福尔摩斯”。

这种例案,在物理学里还有很多很多。如关于“光的本性”的认识,多少科学神探,要么只看到了“光的粒子性”(以牛顿为代表),要么只看到了“光的波动性”(以惠更斯为代表),只有爱因斯坦看到了光的两面性,即既具有“粒子性”又具有“波动性”,从而成为“光的本性”这一千年迷案中的真正的“福尔摩斯”。


参考文献:

1. 人民教育出版社编著,普通高中课程标准实验教科书(物理必修1.选修3-4.北京:人民教育出版社2010.68)

2. 戴维•林德伯格著。王珺等译《西方科学的起源》,北京,中国对外翻译出版公司,2001.312

3. 郭桂周、于海波撰 《物理教师》第33卷第11期2012“牛顿第一定律物理学史辩——兼谈宗教对近代科学起源的推动作用”


本文系:中国教育学会物理教学专业委员会2013年 — 2016年全国物理教育科研重点课题

(课题批号:ZD160)“物理‘333’体验式特色课堂与物理学史特色教育实践研究”成果




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