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(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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

它是最早向權(quán)勢(shì)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(shuō)就是羅馬教會(huì)所要壟斷的“真理”。他們對(duì)一切反對(duì)地心說(shuō)的人加以迫害。力學(xué)學(xué)科特別是其中的動(dòng)力學(xué),就是在反對(duì)地心說(shuō)發(fā)展日心說(shuō)中逐漸成熟起來(lái)的。

在力學(xué)早期的發(fā)展中應(yīng)當(dāng)特別提到四本書。它們是:1543年出版的哥白尼的著作《天體運(yùn)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(duì)話》,1638年出版的伽利略的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)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(shuō)戰(zhàn)勝地心說(shuō),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(zhǎng)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(shì)即是真理的破滅,宣告權(quán)勢(shì)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(jì)以前傲慢的權(quán)勢(shì)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(shì)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(jìn)步(例如進(jìn)化論學(xué)說(shuō)對(duì)上帝造人學(xué)說(shuō)的沖擊)和人文精神的不斷取得勝利,當(dāng)人類進(jìn)入19、20世紀(jì),科學(xué)得到了空前的繁榮。權(quán)勢(shì)即真理的專斷愈來(lái)愈不得人心。所以才有羅馬教廷對(duì)伽利略審判的平反。以至于基督教會(huì)也不得不辦起了以科學(xué)為名的報(bào)紙。無(wú)論如何,由力學(xué)發(fā)起的對(duì)“權(quán)勢(shì)即真理”的真理觀的挑戰(zhàn),是代表歷史進(jìn)步的潮流的。這個(gè)潮流在中國(guó),也就是五四運(yùn)動(dòng)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(guó)幾千年的歷史上,很難找到科學(xué)真理戰(zhàn)勝權(quán)勢(shì)的胡說(shuō)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?jí)壓死人”的看法。少數(shù)力學(xué)家甚至墮落到為權(quán)勢(shì)的瞎指揮做“科學(xué)論證”。所以堅(jiān)持科學(xué)真理,不為權(quán)勢(shì)所屈服,不阿權(quán)附勢(shì)還是有現(xiàn)實(shí)意義的。

推動(dòng)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(guó)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(shuō):“有兩個(gè)論題左右了17世紀(jì)的科學(xué)革命——一個(gè)是從幾何意義上來(lái)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(dá)哥拉斯傳統(tǒng),另一個(gè)是力學(xué)哲學(xué),把大自然理解為一個(gè)巨大的機(jī)器并且找尋隱藏于現(xiàn)象背后機(jī)械論的解釋?！?/span>

力學(xué)學(xué)科的成熟與發(fā)展,大大改變了人類認(rèn)識(shí)世界的面貌。首先,天文學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。如果說(shuō)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(shuō)到力學(xué)對(duì)于物理學(xué)的作用,請(qǐng)聽愛(ài)因斯坦的話,愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)與實(shí)在》中的一段話:“盡管我們今天確實(shí)知道古典力學(xué)不能用來(lái)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??！彼€說(shuō):“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(diǎn),特別是在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)。在氣體運(yùn)動(dòng)論和一般的統(tǒng)計(jì)力學(xué)里,出現(xiàn)的就是這種情況?！睈?ài)因斯坦還說(shuō)說(shuō):“牛頓的成就的重要性,并不限于為實(shí)際的力學(xué)科學(xué)創(chuàng)造了一個(gè)可用的和邏輯上令人滿意的基礎(chǔ);而且直到19世紀(jì)末,它一直是理論物理學(xué)領(lǐng)域中每一個(gè)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(shuō):“哲學(xué)的全部任務(wù)看來(lái)就在于從各種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象來(lái)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(lái)?！?

德國(guó)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(shuō)“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(jiǎn)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(lái)歸結(jié),那么科學(xué)的任務(wù)將就此終結(jié)了?！?

我們不是說(shuō)自然科學(xué)是認(rèn)識(shí)自然和理解自然嗎。英國(guó)物理學(xué)家開爾文(William Thomson, 1st Baron Kelvin,1824-1907)說(shuō):“我的目標(biāo)就是要證明,如何建造一個(gè)力學(xué)模型,這個(gè)模型在我們所思考的無(wú)論什么物理現(xiàn)象中,都將滿足所要求的條件。在我沒(méi)有給一種事物建立起一個(gè)力學(xué)模型之前,我是永遠(yuǎn)也不會(huì)滿足的。如果我能夠成功地建立起一個(gè)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(shuō)的,都是一個(gè)意思。就是自然界的一切變化,希圖都?xì)w結(jié)為力學(xué)。這種觀點(diǎn)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(jiǎn)單的事物。機(jī)械運(yùn)動(dòng)既然是自然界最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式,最后把各種運(yùn)動(dòng)形式還原為力學(xué)是很自然的了。這種方法論,在今天看來(lái),并不能涵蓋科學(xué)哲學(xué)中的一切方法,不過(guò)它畢竟是一種很重要的方法論。在這個(gè)意義上說(shuō),力學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ),是有一定道理的。

進(jìn)入19世紀(jì)末和20世紀(jì)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(lái)越重要的作用。

所以可以說(shuō),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(rèn)識(shí)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(dāng)是法國(guó)成立于1745年的一所道橋?qū)W院。其后到1794年法國(guó)巴黎的綜合工科學(xué)校誕生,工科教育逐漸成熟了起來(lái)。后來(lái)才有世界各國(guó)效法它成立的各種工科大學(xué)或工科系科。其中一個(gè)標(biāo)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(jī)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(shí)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(méi)有工科教育的情況下,工程知識(shí)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(jì)的幾位著名的工程師與發(fā)明家都是學(xué)徒出身。如改進(jìn)蒸汽機(jī)的瓦特(1736-1819),紡織機(jī)的發(fā)明者英國(guó)人阿克賴特(1732-1792),蒸汽機(jī)為動(dòng)力的輪船的發(fā)明者美國(guó)人富爾頓(1765-1815),蒸汽機(jī)車的發(fā)明者英國(guó)人斯梯文森(1781-1848)等,他們青少年時(shí)代都曾經(jīng)當(dāng)過(guò)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(shí)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(shuō),現(xiàn)代工科教育,或者說(shuō),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(jī)工程教授斯密斯(RalphJ. Smith,1907-1997)說(shuō):“工程是最優(yōu)地應(yīng)用科學(xué)以自然資源來(lái)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(shuō)得更加明確,他說(shuō):“工程是安全與經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐,它采用服從科學(xué)定律的力和天然的材料,經(jīng)過(guò)組織、設(shè)計(jì)、施工以滿足人們的普遍利益?！?

從這一點(diǎn)說(shuō),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(lái)整個(gè)鐘表工業(yè)領(lǐng)域;瓦特應(yīng)用離心調(diào)速器,是蒸汽機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)的動(dòng)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?yàn)楣こ谭?wù),同時(shí)可以統(tǒng)帥工程,指引工程。力學(xué)對(duì)工程的這兩方面的作用缺一不可。

歸納起來(lái),力學(xué)的發(fā)展過(guò)程說(shuō)明,它是最早向權(quán)勢(shì)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(rèn)識(shí)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(wèn)題上,我國(guó)學(xué)者一直有兩種不同的觀點(diǎn),一種認(rèn)為力學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科(周培源、錢偉長(zhǎng)、談鎬生),一種認(rèn)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(huì)自然地看到他們看問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)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(rèn)為力學(xué)是服務(wù)于工程的,這種看法,認(rèn)為力學(xué)對(duì)工程只是叢屬作用,這在1952年以前,中國(guó)的力學(xué)就一直是從屬于工科教育的,沒(méi)有獨(dú)立的地位。只有在力學(xué)在我國(guó)成為獨(dú)立的學(xué)科之后,這種看法的影響范圍慢慢有所縮小。