力學(xué)在人類歷史發(fā)展中的作用

2017-07-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

力學(xué)學(xué)科在世界歷史上起過很重要的作用。至少在以下三方面起過作用:

它是最早向權(quán)勢即真理的真理觀發(fā)起挑戰(zhàn),并且取得決定性勝利的學(xué)科

地心說就是羅馬教會所要壟斷的“真理”。他們對一切反對地心說的人加以迫害。力學(xué)學(xué)科特別是其中的動力學(xué),就是在反對地心說發(fā)展日心說中逐漸成熟起來的。

在力學(xué)早期的發(fā)展中應(yīng)當特別提到四本書。它們是:1543年出版的哥白尼的著作《天體運行論》,1632年出版的伽利略的著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界觀的對話》,1638年出版的伽利略的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》和1687年出版的牛頓的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。這四本書就是力學(xué)走向成熟的奠基之作。

日心說戰(zhàn)勝地心說,它的意義不僅是天文學(xué)上新思想的勝利,也不僅在科學(xué)上力學(xué)學(xué)科的成長和成熟。他是人類歷史上真理觀的一次革命。它宣告以往權(quán)勢即是真理的破滅,宣告權(quán)勢可以壟斷真理的破產(chǎn),宣告指鹿為馬的把戲破產(chǎn)。它使中世紀以前傲慢的權(quán)勢不得不向新興的科學(xué)低頭,它警告人們,不管他是多么有權(quán)勢有地位,在科學(xué)面前必須持謙卑的態(tài)度。

隨后,由于科學(xué)的不斷進步(例如進化論學(xué)說對上帝造人學(xué)說的沖擊)和人文精神的不斷取得勝利,當人類進入19、20世紀,科學(xué)得到了空前的繁榮。權(quán)勢即真理的專斷愈來愈不得人心。所以才有羅馬教廷對伽利略審判的平反。以至于基督教會也不得不辦起了以科學(xué)為名的報紙。無論如何,由力學(xué)發(fā)起的對“權(quán)勢即真理”的真理觀的挑戰(zhàn),是代表歷史進步的潮流的。這個潮流在中國,也就是五四運動之后興起的民主與科學(xué)的思潮。順之者昌、逆之者亡。

在我國幾千年的歷史上,很難找到科學(xué)真理戰(zhàn)勝權(quán)勢的胡說八道的案例。所以至今人們?nèi)匀挥小肮俦疚弧焙汀肮俅笠患墘核廊恕钡目捶āＩ贁?shù)力學(xué)家甚至墮落到為權(quán)勢的瞎指揮做“科學(xué)論證”。所以堅持科學(xué)真理,不為權(quán)勢所屈服,不阿權(quán)附勢還是有現(xiàn)實意義的。

推動現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展,成為現(xiàn)代科學(xué)的領(lǐng)頭羊

美國印第安納大學(xué)科學(xué)史教授威斯特福爾(R.S. Westfall)在他所著的《近代科學(xué)的建構(gòu)》一書的序言中,一開頭就說:“有兩個論題左右了17世紀的科學(xué)革命——一個是從幾何意義上來觀察自然,和將宇宙理解為按照數(shù)學(xué)的指令構(gòu)造的畢達哥拉斯傳統(tǒng),另一個是力學(xué)哲學(xué),把大自然理解為一個巨大的機器并且找尋隱藏于現(xiàn)象背后機械論的解釋。”

力學(xué)學(xué)科的成熟與發(fā)展,大大改變了人類認識世界的面貌。首先,天文學(xué)進入了一個新時代。如果說在牛頓之前,研究天文學(xué)的主要工具是幾何學(xué),那么在牛頓之后,力學(xué)成為研究天文學(xué)的主要工具。

至于說到力學(xué)對于物理學(xué)的作用,請聽愛因斯坦的話,愛因斯坦在《物理學(xué)與實在》中的一段話:“盡管我們今天確實知道古典力學(xué)不能用來作為統(tǒng)治全部物理學(xué)的基礎(chǔ),可是它在物理學(xué)中仍然占領(lǐng)著我們?nèi)克枷氲闹行摹！彼€說:“依我看,牛頓力學(xué)的最大成就,在于它的貫徹一致的應(yīng)用已經(jīng)超出了這種現(xiàn)象論的觀點,特別是在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)。在氣體運動論和一般的統(tǒng)計力學(xué)里,出現(xiàn)的就是這種情況。”愛因斯坦還說說:“牛頓的成就的重要性,并不限于為實際的力學(xué)科學(xué)創(chuàng)造了一個可用的和邏輯上令人滿意的基礎(chǔ);而且直到19世紀末,它一直是理論物理學(xué)領(lǐng)域中每一個工作者的綱領(lǐng)。”

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的序言中說:“哲學(xué)的全部任務(wù)看來就在于從各種運動現(xiàn)象來研究各種自然之力,而后用這些力去論證其他的現(xiàn)象?！薄白匀坏囊磺鞋F(xiàn)象,完全可以根據(jù)力學(xué)的原理用相似的推理一一演示出來。”

德國物理學(xué)家赫姆霍茲(Hermannvon Helmholtz,1821-1894)是能量守恒的發(fā)現(xiàn)者,原文叫做“論力的守恒”,他說“一切自然科學(xué)最后的目的,是把自己變成力學(xué)”,“只要把自然現(xiàn)象歸結(jié)為簡單的力這件事情完成了,并且證明了自然現(xiàn)象只能這樣來歸結(jié),那么科學(xué)的任務(wù)將就此終結(jié)了?！?

我們不是說自然科學(xué)是認識自然和理解自然嗎。英國物理學(xué)家開爾文(William Thomson, 1st Baron Kelvin,1824-1907)說:“我的目標就是要證明,如何建造一個力學(xué)模型,這個模型在我們所思考的無論什么物理現(xiàn)象中,都將滿足所要求的條件。在我沒有給一種事物建立起一個力學(xué)模型之前,我是永遠也不會滿足的。如果我能夠成功地建立起一個模型,我就能理解它,否則我就不能理解?！?

以上牛頓、赫姆霍茲和開爾文說的,都是一個意思。就是自然界的一切變化,希圖都歸結(jié)為力學(xué)。這種觀點就是科學(xué)上的“還原論”的方法論,即將復(fù)雜的事物還原為簡單的事物。機械運動既然是自然界最簡單的運動形式,最后把各種運動形式還原為力學(xué)是很自然的了。這種方法論,在今天看來,并不能涵蓋科學(xué)哲學(xué)中的一切方法,不過它畢竟是一種很重要的方法論。在這個意義上說,力學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ),是有一定道理的。

進入19世紀末和20世紀初,力學(xué)還引領(lǐng)人類在揭開大氣、地質(zhì)構(gòu)造、化學(xué)化合與分解、生命現(xiàn)象等的秘密中發(fā)揮了越來越重要的作用。

所以可以說,力學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)最早成熟的學(xué)科,也為現(xiàn)代各門科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),它和數(shù)學(xué)一起成為人類認識自然的兩大重要工具。這就是威斯特福爾在他的著作中表述的基本思想。

奠定了現(xiàn)代工程的基礎(chǔ)

世界上,大學(xué)的工科教育起步很晚。大約只有二百五十年左右的歷史。最早的工科教育當是法國成立于1745年的一所道橋?qū)W院。其后到1794年法國巴黎的綜合工科學(xué)校誕生,工科教育逐漸成熟了起來。后來才有世界各國效法它成立的各種工科大學(xué)或工科系科。其中一個標志性的事件是巴黎綜合工科學(xué)校兩本基礎(chǔ)課教材的出版。一本是1811年分兩卷出版的泊松所著的《力學(xué)教程》,另一本是1826年出版的納維所著的《力學(xué)在結(jié)構(gòu)和機械方面的應(yīng)用》。前一本奠定了理論力學(xué)的教學(xué)基礎(chǔ),而后一本奠定了材料力學(xué)的教學(xué)基礎(chǔ)。實際上,作為材料力學(xué)主要內(nèi)容的梁的理論,是直到納維的這一本書才最后完成的。

早些,在沒有工科教育的情況下,工程知識都是由師傅帶學(xué)徒的方式相互傳授。我們知道的18、19世紀的幾位著名的工程師與發(fā)明家都是學(xué)徒出身。如改進蒸汽機的瓦特(1736-1819),紡織機的發(fā)明者英國人阿克賴特(1732-1792),蒸汽機為動力的輪船的發(fā)明者美國人富爾頓(1765-1815),蒸汽機車的發(fā)明者英國人斯梯文森(1781-1848)等,他們青少年時代都曾經(jīng)當過修表學(xué)徒。只有在工科的基礎(chǔ)課理論力學(xué)和材料力學(xué)基本成熟和定型后,工科教育的需要的最重要的基礎(chǔ)知識體系才基本系統(tǒng)化定型,成批地培養(yǎng)工科人才才成為可能。所以可以說,現(xiàn)代工科教育,或者說,現(xiàn)代工程,是力學(xué)學(xué)科發(fā)展和成熟的直接成果。

從現(xiàn)代關(guān)于工程的定義也能夠看出力學(xué)學(xué)科的作用。一位斯坦福大學(xué)電機工程教授斯密斯(RalphJ. Smith,1907-1997)說:“工程是最優(yōu)地應(yīng)用科學(xué)以自然資源來造福的藝術(shù)行業(yè)?！绷硪晃唤辛仲?S. E. Lindsay)的工程師在1920年說得更加明確,他說:“工程是安全與經(jīng)濟的實踐,它采用服從科學(xué)定律的力和天然的材料,經(jīng)過組織、設(shè)計、施工以滿足人們的普遍利益?！?

從這一點說,力學(xué)是工程的統(tǒng)帥,而不是工程的奴隸。伽利略和惠更斯研究的單擺,開啟了后來整個鐘表工業(yè)領(lǐng)域;瓦特應(yīng)用離心調(diào)速器,是蒸汽機作為現(xiàn)代工業(yè)的動力成為可能。齊奧爾科夫斯基的變質(zhì)量力學(xué),奠定了宇航的基礎(chǔ)。迄今,我們有的人還是有力學(xué)是工程的配角、力學(xué)要服務(wù)與工程的看法,這只是一方面的道理。歷史告訴我們,力學(xué)不僅能夠為工程服務(wù),同時可以統(tǒng)帥工程,指引工程。力學(xué)對工程的這兩方面的作用缺一不可。

歸納起來,力學(xué)的發(fā)展過程說明,它是最早向權(quán)勢即真理的真理觀發(fā)起挑戰(zhàn),并且取得決定性勝利的學(xué)科;它又是自然科學(xué)各門學(xué)科的共同基礎(chǔ),是人類認識自然界的有力工具;它還是現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

在關(guān)于力學(xué)學(xué)科的性質(zhì)的問題上,我國學(xué)者一直有兩種不同的觀點,一種認為力學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科(周培源、錢偉長、談鎬生),一種認為力學(xué)是工程技術(shù)學(xué)科(錢學(xué)森、張維)?；仡櫼陨系恼撌?就會自然地看到他們看問題的側(cè)重點是不同的,主張力學(xué)屬于基礎(chǔ)學(xué)科的,是看到力學(xué)在歷史上發(fā)揮的上面三種作用;主張力學(xué)是工程技術(shù)學(xué)科的,則偏重于看到力學(xué)在歷史上發(fā)揮的第三種作用。

還有一種看法,是認為力學(xué)是服務(wù)于工程的,這種看法,認為力學(xué)對工程只是叢屬作用,這在1952年以前,中國的力學(xué)就一直是從屬于工科教育的,沒有獨立的地位。只有在力學(xué)在我國成為獨立的學(xué)科之后,這種看法的影響范圍慢慢有所縮小。