第四讲物理的初创

3 相对性原理
伽利略第三个重大贡献是提出“相对性原理”。
关于运动的相对性，自古以来各国人民都有粗浅的 认识。我国宋朝的陈与义曾在诗中写道：

飞花两岸照船红， 百里榆堤半日风。 卧看满天云不动，
不知云与我俱东。
伽利略再一次运用 理想实验来阐述思想： 设想把你关在大船的房 间里，招来小动物。再 拿一只盛水的桶, 里面 放一些鱼；船在静止不 动时，我们看到小动物 如何以同样的速度飞向 房间各处；看到鱼毫无 差别地向各个方向游 动。
自由落体
伽利略有一个直观的猜测：真空中的自由落体运 动应该最简单。他用极限的观点来推想这一运动。伽 利略说：“鉴于这点，我认为，如果完全排除空气阻 力，所有的物体将下落得同样快”。
自由落体
伽利略虽然没有做 自由落体实验，但他仔细 做了斜面实验。他正确地 认识到，斜面上小球的下 滚运动，即是“冲淡了” 或“减缓了”的自由落体 运动。伽利略是通过思想 实验得到落体定律的。
现在人们认识到这是一种自然现象。彗星由冰晶、尘 埃与冰冻的气体组成，靠近太阳时，冷冻的水汽和其它气体 蒸发，在太 阳风和光压 下伸展开来， 形成背向太 阳的巨大彗 尾。
大约150年后，人们发现天王星的实际轨道与万 有引力理论算出的不符。两位年轻人——英国的亚当 斯和法国的勒维叶，各自独立地进行了复杂的计算， 都得到了未知行星的轨道。就这样发现了海王星。
斜面
伽利略又认为匀速圆周 运动也属于惯性运动。这是 因为他觉得行星绕日运动没 有受到力，却能永远转动下 去，应该是一个惯性运动。
太阳系
后来爱因斯坦的 广义相对论进一步修 正了开普勒的行星运 动定律，指出行星绕 日的轨道在三维空间 看来不是一个封闭的 椭圆，与封闭的椭圆 略有差异。而在四维 时空看来，此轨道是 测地线。
牛顿墓
行星 水星 金星 地球 火星
n 1 2 3 4 5
R(理论值) R(观测值) 0.4 0.7 1.0 1.6 2.8 5.2 10.0 5.22 9.6 0.39 0.73 1.00 1.53
木星 土星
6 7
但n = 5 处有一个空位，当时没有观测到任何行 星。波德认为：这里应该有一颗行星，它的R值应该在2.8 左右。波德写道：“火星的外面是一片空间„„迄今为止 还没有看见那里面有什么行星。我们能够相信造物主会荒 废这片空间吗?”
7 万有引力定律
在1687年出版的《自然哲学之数学原理》中，45 岁的牛顿终于明确地提出了万有引力定律。万有引力 定律和力学三定律一起，构成了此书的主要内容。
1682年，一颗明亮的彗星出现在天空。哈雷应用牛顿 的万有引力定律 和力学三定律， 算出了这颗彗星 的轨道和周期， 周期约为75年。 这颗彗星被命名 为哈雷彗星。
牛顿
1665年，23岁的牛顿取得学士学位，就在这一年的夏 天，英国爆发了大规模瘟疫，学校不得不停课。牛顿避居乡 下，这一年半(1665－1666年)是牛顿一生中创造力最旺盛的 时期。他一生的主要成果，几乎都是在这段时间里做出的。 根据牛顿本人的说法，力学三定律，万有引力定律，微积分 和色彩理论等等，都是在这段时期构 思而成的。
伏尔泰
伏尔泰和夏特莱夫人在西雷庄园生活了15年。那里不 但成为伏他们研究与写作的天堂，而且逐渐形成了一个小的 文化中心。文人、学者、达官贵人纷纷到这里聚会和拜访， 来聆听伏尔泰先生的各种奇谈怪论。
夏特莱夫人
伏尔泰的作品与言论对法 国人民的启蒙发挥了巨大作 用，为法国大革命作了思想和 文化准备。当然，对于学习和 研究物理的人来讲，还有特别 值得注意的东西，那就是伏尔 泰对牛顿哲学与物理思想的传 播起过重大作用。
牛顿
牛顿的童年是不幸的，他是一个遗腹子，牛顿在学 习上奋发起来，决心与别的同学一比高低，经过艰苦 努力，毕业时竟在全班名列前茅。
牛顿
当时正处于英国资产阶级革命爆发、社会剧 烈动荡的年代。革命后的英国，使平民在一定程度上 获得了受教育的权利。由此经过多方努力，牛顿在18 岁时终于以减费生的身份进入剑桥大学三一学院学习。
1 自由落体定律
许多人都知道一个传说：伽利略在著名的比萨斜塔 上做过自由落体实验。他让不同重量的球，从塔上同时自 由下落，发现它们 同时落地。于是得 到重力加速度与下 落物体的质量无关 的结论。这一结论 被称为自由落体定 律。
然而，经过仔细考查，没有任何可靠的证据表明伽 利略在比萨斜塔上做过自由落体实验。比较可靠的是， 伽利略的反对者曾在比萨斜塔上做过这一实验，两个物 体没有同时落地，结果引发了围观者中伽利略支持者与 反对者的一场争吵。
伏尔泰
9 这片空间会荒废吗？
1766年中学教师提丢斯发现, 太阳系各行星到太阳 的平均距离满足一个经验公式。1772年柏林天文台台长波 德写出另一个与提丢斯理论等价的公式：
R = 0.3×2(n－2)＋0.4 (天文单位)
使用这个公式时唯 一的例外是，对于水星 来说，应把 0.3×2(n －2) 一项用零代替。 右表给出当时已知各行 星R的理论值(波德公式 算出)和观测值:
牛顿
当时担任皇家学会实验总 监的胡克，实验水平很高，但 理论水平差一些。胡克对许多 领域都有兴趣，并有预见，可 是钻研不够深入。牛顿用微粒 说写成的光学论文，遭到胡克 的批评。
胡克
《自然哲学之数学原理》一书被看作经典物理学的 《圣经》。内容包括:绝对时空观，惯性系，相对性原 理，力学三定律，万有引力定律和迭加原理(平行四边形 法则)。
首先传播这个故事的人，是法国 著名文学家、启蒙思想家伏尔泰。这 个故事最早出现在伏尔泰1738年出版 的名著《牛顿的哲学》一书中。
伏尔泰
比较可信的是, 万有引力定律的发现，经历了一段时 间。牛顿做出重大发现是“靠不停地思考”。在长时间的思 考中，牛顿逐渐认识到，地球吸引地表物体的重力，与地球 吸引月球的力，以及太阳吸引行星的力，是同一种力。这种 力是任何物体、任何物质都有的，因而是万有的。
接着，他又给出第 二定律，说明力、质量 和运动之间的定量关系： 物体的加速度与它所受 的外力成正比，与它的 质量成反比。
牛顿第三定律则指 出：两个物体间的作用 力和反作用力大小相等， 方向相反，作用在一条 直线上。
6 牛顿与苹果落地的故事
有一个故事说，牛顿23岁左右在乡下躲避瘟疫时（16651666年），偶然看到苹果落地，促使他思考重力问题，并很 快发现了万有引力定律。
自由落体实验
在伽利略生活的那个时 代，占统治地位的是古希腊 亚里士多德的学说。按照这 个学说，重物会比轻物下落 得快；大小相同重量不同的 小球，如果同时开始下落， 重球应比轻球先落地。
他们设想把一块 重物和一块轻物用带子 捆在一起，让它们自由 下落。捆在一起时的下 落速度，应该比单独下 落的轻物快，而比单独 下落的重物慢。于是， 同样依据亚里士多德的 观点，得到了两个相互 矛盾的结论。
在 n = 5 的位置上为什么会有这么多小行星呢? 它 们果真是大行星的碎片吗? 这个问题，还没有最后的答案。
10 走下神坛的牛顿
应该说，青年时 代的牛顿是一个谦虚、 谨慎的人。他的主要 学术成果，都是在这 个时期完成的。
长期的学术争论和受到的 人身攻击极大地刺激了牛顿， 学术上的成功也使他渐渐变得 傲慢起来，他沽名钓誉而且有 时不择手段。牛顿和莱布尼兹 争夺微积分的发现权。许多科 学家卷入其中，为双方辩护。
第四章 物理的初创
主要内容
介绍物理学中带有根本重要性的三条公理：自由落
体定律；惯性定律；相对性原理
牛顿建立经典物理学的大厦：绝对时空观，力学三 定律 万有引力定律的建立 简介玻特定则 牛顿的成长，成就与缺点
思考题
简述伽利略对力学的几个重要贡献，惯性定律，自 由落体定律和相对性原理 牛顿对时间、空间有什么看法？ 开普勒三定律与牛顿万有引力定律有什么关系？ 有哪些实验证实了万有引力定律？ 经典力学最基本的内容有哪些？
5 经典物理学的《圣经》
牛顿的主要研究成果集中 在《自然哲学之数学原理》一 书中，这本书可以看作经典物 理学的《圣经》。牛顿在此书 中建立了一个完备自洽的物理 学体系。
总之，牛顿认为绝 对空间和绝对时间是客 观存在的、与运动和物 质无关的东西。物体就 在这空虚的绝对空间之 内，就在这均匀流逝的 绝对时间之中，永恒地 运动着。
“相对性原理” 的意思是说，所有 的惯性系都是平等 的。不能用任何实 验来区分一个系统 是静止还是在作匀 速直线运动。
4 上帝说：让牛顿去吧
英国的资产阶级革命 爆发于1640年，清军入关发 生在1644年。就在这两个年 份之间，伽利略于1642年1月 8日逝世。那一年的圣诞节， 牛顿诞生在英国一个农民的 家庭中。
牛顿与莱布尼茨
今天我们已经知道，微积 分是牛顿和莱布尼兹各自独立 发现的。在时间上牛顿略早一 些, 但他没有及时发表自己的 工作。莱布尼兹发表得要比牛 顿早。应该说，他们二人都是 微积分的发现者。
与牛顿的成就相比，他的 缺点犹如太阳的黑子。牛顿对 物理学的贡献是无与伦比的。 1727年牛顿逝世，安葬在伦敦 泰晤士河边的威斯特明斯教 堂，与英国历代君主和名人长 眠在一起，供世人瞻仰。
勒维叶
在《自然哲学之数学原理》发 表之后一百多年，卡文迪什用自己 设计的扭秤，精确测定了G值，认为 G是一个常数，对任何物质，在任何 距离下都相同。在卡文迪什之后， 许多人做了更精密的实验，确认了 他的结论。
引力常量
8 伏尔泰与思想启蒙
伏尔泰是18世纪法国著 名的文学家和启蒙思想家。 他个子矮小，其貌不扬，生 活轻浮，语言尖刻，充满了 叛逆精神，而且才华横溢。 他的作品轰动全国，剧本在 巴黎长演不衰。他用辛辣的 笔锋揭露社会的黑暗，讽刺 教会和王公贵族。
牛顿认为，所有的匀速直线运动都是相对的，我 们不可能通过速度来感知绝对空间的存在。但是，牛 顿断言, 转动是绝对 的! 或者说加速运动 是绝对的。牛顿设计 了著名的水桶实验。