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中西力学发展的不同轨迹 精选

已有 6729 次阅读 2013-12-9 05:50 |个人分类:科技史|系统分类:观点评述|关键词:力学 科学 真理观

中西力学发展的不同轨迹

 

 

早在300年前,法国的思想家孟德斯鸠说过:“一切有权力的人都容易滥用权力,这是万古不变的一条经验。有权力的人使用权力一直到遇有界限的地方才休止。”人类几千年的历史表明,统治者和权势集团一律都是贪婪的。他们不仅要搜刮财富,骄奢淫逸,保持权力。而且还要垄断“真理”。一直要等到他们碰了壁,做不下去了,才休止。

地心说就是罗马教会所要垄断的“真理”。他们对一切反对地心说的人加以迫害。力学学科的特别是其中的动力学,就是在反对地心说发展日心说中逐渐成熟起来的。

在力学早期的发展中应当特别提到四本书。它们是:1543年出版的哥白尼的著作《天体运行论》,1632年出版的伽利略的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界观的对话》,1638年出版的伽利略的著作《关于两门新科学的对话》和1687年出版的牛顿的著作《自然哲学的数学原理》。

其中,哥白尼的《天体运行论》是日心说的奠基之作。它一方面是一本天文学的著作,另一方面也可以看作一本关于星体的运动学的著作。而伽利略1632年的《对话》是从力学上论证了哥白尼日心说的合理性,对哥白尼以有力的支持。1638年第二本《对话》则可以看作牛顿《原理》的前奏,它开启了人类关于动力学的研究。最后,牛顿的《原理》是作为力学学科初步确立的标志,它用天体在太阳的万有引力作用下,论证了行星运动的规律。后由于它预言了1758年哈雷彗星的回归,又有1846年,在按照《原理》建立的理论精确计算预告下,发现了海王星。这些雄辩地证明了牛顿最后总结确立的力学理论体系是正确的。它才是经得起实践检验的真理。

日心说战胜地心说,是一个延续三百多年的漫长过程。1600年罗马教廷烧死了宣传哥白尼学说的布鲁诺,1616年天主教宣布哥白尼的《天体运行论》为禁书。1632年伽利略出版了他的第一本《对话》于次年,即1633年宗教法庭对伽利略进行审判,对他进行管制迫害,并且不允许他的著作流传。直到1830年天主教才悄悄对哥白尼的书开禁。而对伽利略的审判直到1992年10月31日,伽利略蒙冤360年后才终于获得梵蒂冈教皇的平反。  梵蒂冈教皇约翰·保罗二世1031日在梵蒂冈说,当年处置伽利略是一个善意的错误。他对在场的教廷圣职部人员和20来名红衣主教说:永远不要再发生另一起伽利略事件。

日心说战胜地心说,它的意义不仅是天文学上新思想的胜利,也不仅在科学上力学学科的成长和成熟。他是人类历史上真理观的一次革命。它宣告以往权势即是真理的破灭,宣告权势可以垄断真理的破产,宣告指鹿为马的把戏破产。它使中世纪以前傲慢的权势不得不向新兴的科学低头,它警告人们,不管他是多么有权势有地位,在科学面前必须持谦卑的态度。随后,由于科学的不断进步(例如进化论学说对上帝造人学说的冲击)和人文精神的不断取得胜利,当人类进入1920世纪,科学得到了空前的繁荣。权势即真理的专断愈来愈不得人心。所以才有罗马教廷对伽利略审判的平反。以至于基督教会也不得不办起了以科学为名的报纸。

不过,在历史进步的进程中,有时会出现一些逆流。那些没有从地心说失败中吸取教训的新的权势人物,还是以为有权就等于握有真理。二十世纪发生在苏联的有,李森科TDLysenko1898—1976借助斯大林的权势迫害摩尔根学派,在苏联清除摩尔根学派的影响并将摩尔根学派的主将瓦维洛夫下狱后瘐死狱中的事件。在德国,物理学家勒纳德Philipp  Lenard1862-1947)嫉妒爱因斯坦的成名,依附于希特勒的权势,一方面追随希特勒,吹捧希特勒是头脑清晰的哲学家,另一方面成为纳粹在物理学界的代理人,他从反犹太人的种族主义立场出发,从1920年起就诽谤、攻击爱因斯坦和相对论,全力鼓吹建立一种德国物理学,一种没有犹太理论污染的德国物理学,并试图通过新的政治力量达到改写德国物理学的目的,以至于爱因斯坦无法在德国生活只好离开到美国居住。文革中,我们这里不是有人不知天高地厚,要组织批判相对论和热力学第二定律的狂妄做法吗。这都是人类历史进步中的漩涡和逆流,他们都是以为权势就是真理的化身。他们最终都已被历史的洪流所淹没,成为历史上瞬间一过的现象。

无论如何,由力学发起的对“权势即真理”的真理观的挑战,是代表历史进步的潮流的。这个潮流在中国,也就是五四运动之后兴起的民主与科学的思潮。顺之者昌、逆之者亡。

力学在人类历史上的另一种伟大的作用,就是推动现代科学的发展,成为现代科学的领头羊。美国印第安纳大学科学史教授威斯特福尔(R.S. Westfall在他所著的《近代科学的建构》一书的序言中,一开头就说:“有两个论题左右了17世纪的科学革命——一个是从几何意义上来观察自然,和将宇宙理解为按照数学的指令构造的毕达哥拉斯传统,另一个是力学哲学,把大自然理解为一个巨大的机器并且找寻隐藏于现象背后机械论的解释。”

力学学科的成熟与发展,大大改变了人类认识世界的面貌。首先,天文学进入了一个新时代。如果说在牛顿之前,研究天文学的主要工具是几何学,那么在牛顿之后,力学成为研究天文学的主要工具。

至于说到力学对于物理学的作用,请听爱因斯坦的话,爱因斯坦在《物理学与实在》中的一段话:“尽管我们今天确实知道古典力学不能用来作为统治全部物理学的基础,可是它在物理学中仍然占领着我们全部思想的中心。其理由在于,不管从牛顿时代以来所达到的重大进步,我们还是没有达到一个新的物理基础,它可以使我们确信,我们研究的所有各种现象,以及各种成功的局部理论关系,都能在逻辑上从它推导出来。”在总结经典力学发展的历史事实时,爱因斯坦说:“质点这个观念对于力学是基本的。”“力学应用的另一种方法,是所谓连续媒质力学,它不去考虑把物体再分为实在的质点。”最后他说:“依我看,牛顿力学的最大成就,在于它的贯彻一致的应用已经超出了这种现象论的观点,特别是在热现象领域内。在气体运动论和一般的统计力学里,出现的就是这种情况。”爱因斯坦还说说:“牛顿的成就的重要性,并不限于为实际的力学科学创造了一个可用的和逻辑上令人满意的基础;而且直到19世纪末,它一直是理论物理学领域中每一个工作者的纲领。”

德国的物理学家劳厄(Maxvon Laue,18791960)说:“力学这门科学有些什么成就呢?那真是不可胜数啊!它为任何一种技术设计提供理论基础,只要这种技术设计是力学方面的,从而深入地干预了日常生活;它在生物科学中也得到了应用,例如身体运动的力学或听觉的力学。……,力学描述了大至恒星(质量为克)小至超显微粒子(质量为克)的运动过程,并与一切经验相一致;事实上,它甚至部分地证明了我们关于分子、原子、甚至更小的基本粒子(电子等等)的实验。因此,它成了气体运动理论以及玻耳兹曼-吉布斯创建的物理统计学的基础。而所有这些结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂。因此,很长一个时期人们把力学等同于整个物理学,并把物理学的目的完全看作是将一切过程归结为力学,也就不足为奇了。甚至在人们于1900年左右,认识到电动力学不能够归结为力学之后,许多人还错误地认为力学是像数学那样的东西,是超越经验之上的。因此当量子论从1900年开始,使人们逐渐愈来愈明确地认识到力学的有效性的界限时,人们受到的震动是多么深刻啊!可是,甚至就在量子论取代力学的地方,仍然有两个力学定律保持不变:这就是能量守恒定律和冲量守恒定律。”

进入19世纪末和20世纪初,力学还引领人类在揭开大气、地质构造、化学化合与分解、生命现象等的秘密中发挥了越来越重要的作用。

所以可以说,力学是现代科学最早成熟的学科,也为现代各门科学的发展奠定了基础,它和数学一起成为人类认识自然的两大重要工具。这就是威斯特福尔在他的著作中表述的基本思想。

力学的第三种功绩是奠定了现代工程的基础。世界上,大学的工科教育起步很晚。大约只有二百五十年左右的历史。最早的工科教育当是法国成立于1745年的一所道桥学院。其后到1794年法国巴黎的综合工科学校诞生,工科教育逐渐成熟了起来。后来才有世界各国效法它成立的各种工科大学或工科系科。其中一个标志性的事件是巴黎综合工科学校两本基础课教材的出版。一本是1811年分两卷出版的泊松所著的《力学教程》,另一本是1926年出版的纳维所著的《力学在结构和机械方面的应用》。前一本奠定了理论力学的教学基础,而后一本奠定了材料力学的教学基础。实际上,作为材料力学主要内容的梁的理论,是直到纳维的这一本书才最后完成的。

早些,在没有工科教育的情况下,工程知识都是由师傅带学徒的方式相互传授。我们知道的18、19世纪的几位著名的工程师与发明家都是学徒出身。如改进蒸汽机的瓦特(1736-1819,纺织机的发明者英国人阿克赖特(1732-1792),蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿(1765-1815),蒸汽机车的发明者英国人斯梯文森(1781-1848)等,他们青少年时代都曾经当过修表学徒。只有在工科的基础课理论力学和材料力学基本成熟和定型后,成批地培养工科人才才成为可能。所以可以说,现代工科教育,或者说,现代工程,是力学学科发展和成熟的直接成果。

从现代关于工程的定义也能够看出力学学科的作用。位斯坦福大学电机工程教授斯密斯(Ralph J. Smith1907-1997)说:“工程是最优地应用科学以自然资源来造福的艺术行业。”(Engineeringis the professional art of applying science to the optimum conversion ofnatural resources to the benefit of man.)。另一位叫林赛(S. E. Lindsay)的工程师在1920年说得更加明确,他说:“工程是安全与经济的实践,它采用服从科学定律的力和天然的材料,经过组织、设计、施工以满足人们的普遍利益。”(Engineeringis the practice of safe and economic application of the scientific lawsgoverning the forces and materials of nature by means of organization, designand construction, for the general benefit of mankind.)他们的意思都是将力学的规律与自然资源相结合为人类造福,这就是工程。前面引的德国物理学家劳厄的话也是这个意思,即力学是任何技术的基础。

归纳起来,力学的发展过程说明,它是最早向权势即真理的真理观发起挑战,并且取得决定性胜利的学科;它又是自然科学各门学科的共同基础,是人类认识自然界的有力工具;它还是现代工程技术的基础。

力学在人类认识世界和改造世界中起了这样大的作用,但以牛顿力学为代表的现代力学并没有产生在中国。

19世纪末在中国致力于介绍翻译西方科学著作的英国人傅兰雅(J. Fryer18391928)于1890年前后,在他编写的《格致须知》的《重学》一卷的引言中,有如下一段话:

至于重学,不但今人无讲求者,即古书亦不论及,且无其名目。可知中华本无此学也。自中西互通,有西人之通中西两文者,翻译重学一书,兼明格致算学二理。

其中的“重学”是早期对西方力学(Mechanics)一词的译名。傅兰雅的这段话说明,中国古代没有力学,第二,中国的力学是外国人送上门来的。后来的历史发展进一步说明的是,第三,即使是外国人送上门来,中国人接受也不痛快,甚至有时采取排斥的态度,接受的过程是缓慢和曲折的。

在1840年之前,有少量的传教士将力学知识传输到国内。不过中国人对学习力学的兴趣一直只限于极个别人之间,形不成气候。鸦片战争之后,中国的有识之士看到中国的失败和西人的船坚炮利,想办法救亡图存,提出“师夷之长以制夷”的口号。之后从19世纪60年代起形成全国范围的“洋务运动”。它的主要内容是聘请洋技术专家教学生、办工厂、买枪炮、买机器。如1865年成立江南制造总局与金陵机器局,1866年成立的福州船政局。这些活动都需要懂外文的翻译。于是1862年在北京成立的同文馆专门培养翻译。数年后,翻译培养出来了,可是洋枪洋炮的说明书还是看不懂。于是1866年又在同文馆中设天文与算学二馆(1898年京师大学堂成立,同文馆并入)。开始讲授一点力学知识。

为适应洋务运动更进一步的需要,1895年盛宣怀在天津创办了中西学堂(又称北洋西学堂)聘美国传教士丁家立(C.D.Tenncy)任总教习。丁家立以美国的哈佛、耶鲁大学为蓝本,设采矿、冶金、机械、土木等科,聘美国人任教,学制为4年。这所学堂后来在1902年改名为北洋大学,1952年后改名为天津大学。它是我国最早的按照西方模式建立的工科大学。当然作为工科大学的基础课。理论力学、材料力学、水力学等力学课在学校里开始系统讲授。不过它总是处于工科的从属地位。

1898(农历戊戌年),戊戌变法以康有为为首通过光绪皇帝进行的政治改革,主张学习西方,提倡科学文化,改革政治、教育制度,发展农、工、商业等。其内容之一是成立了京师大学堂,即北京大学的前身。京师大学堂共开办经科、法政科、文科、格致科、农科、工科、商科共七科,设十三学门,分别是诗经、周礼、春秋左传(经科);中国文学、中国史学(文科);政治、法律(法政科);银行保险(商科);农学(农科);地质、化学(格致科);土木、矿冶(工科),一个近代意义的综合性大学初具规模。它标志着中国向西方学习不仅限于工科,而要在政治、经济、法律、农业、地学、化学等诸方面全面向西方学习的开始。1913年在京师大学堂内增设了数理门,开始招收数学和物理方面的学生,这是我国物理学科和数学学科教育的开始。后来戊戌变法失败,京师大学堂成为戊戌变法留存下来的唯一的改革成果。民国以后,京师大学堂易名为北京大学。

从1911辛亥革命后到1949年这三十多年间,中国的教育格局,除了增加了一些学校外,在系科设置上变化不大。

1952年国务院对全国高等学校进行了一次大调整。这次调整的主导思想是按照苏联的教育模式来重塑中国的高等学校体制。在苏联的教育模式中,力学专业总是放在综合性大学数学力学系内的一个专业。于是决定在北京大学设置数学力学系,这个系是由原来的北京大学、清华大学与燕京大学三校的数学系合并的,下设数学与力学两个专业力学专业以周培源教授为首的五位教师筹办。力学专业从1952年招收第一届学生。它是中国的第一个力学专业。这是中国成批培养力学人才的开始。

前面,我们简要回顾了西方和中国力学学科的发展轨迹。

简要来说,在西方学术思想早期哲学是众所关心的学科。科学是从哲学分离出来的学科。而科学中最早的学科便是力学,力学诞生的第一个历史使命,便是在战胜权势的统治中打下了自己的滩头阵地,在日心说的确立的和胜利中走向成熟。随后力学又为其他基础学科的发展奠定了基础,为数、理、化、天、地、生诸学科的发展奠定基础。随后在力学学科发展成熟后,又为现代工程教育奠定了基础。力学在西方的发展轨迹,决定了力学在诸学科和工程技术中的重要地位。用西方学者自己的话来说,“我们到处都是力学”。即无论是在基础学科,还是在工程技术学科方面进行教学和研究的人,都必须和力学打交道,甚或他们自己就是力学家。

再来看中国的力学。其发展轨迹恰好与西方相反。在诸学科和工程技术中始终处于从属的地位。最早是为了看懂买洋抢洋炮的说明书服务,然后是为工科教育服务,直到1952年之后才在学习苏联的教育的旗号下成立了第一个力学专业,1956年成立了力学研究所。而力学的大发展是1957年苏联第一颗人造卫星发射之后。应火箭与卫星的发展需要大量成立力学系科。这种发展的轨迹,天生使中国的力学带有急功近利的特点。带有可有可无的特点。当某项技术问题不能过关时,会想到力学学科,而当这类问题并不紧迫时力学又会被遗忘。

力学在中国百年来的发展过程中,应当提到的是两位有长远眼光的学者。一位是曾任中国科协主席的原清华大学的周培源,另一位是曾任台湾中研院院长的原北京大学的吴大猷。他们的主要专业是物理,而且都是做出举世瞩目成就的物理学家,周培源在广义相对论和湍流方面做出了重要贡献,而吴大猷的研究领域涉及原子和分子理论,尤其在原子和分子理论、散射理论和统计力学方面的贡献为世人所推存。然而他们都非常重视力学。他们在研究之余在教学方面都多年讲授理论力学。周培源数十年讲授理论力学,留有《理论力学》教材,吴大猷多年给研究生讲授力学写有《经典动力学》教材。这两本书至今还是这方面教学的重要参考书。周培源则在77事变之后把主要研究精力投入流体力学转向湍流的研究,他在1940年发表的关于湍流的论文,被国际上看作湍流模式理论的开创性著作,他本人也被成为湍流模式理论之父。1952年在他的带领下又成立了我国第一个力学专业,是我国大批培养力学人才的开始。

理论物理和实验物理,长期被我国的某些人认为是无用的东西。既不能吃也不能穿,更不能做出能叫能跳的实际能够使用的东西,所以从民国起留学外国的,大多是学工科的。学理论物理的少之又少。可是岂料想,20世纪最重要的三大技术进展:核工程、计算机、航空航天。起先都是物理学家、力学家和数学家打头阵所取得的成果。以我国为例,我们研制原子弹的主将们绝大部分是这两位物理学家在西南联大所教授过的学生,或学生的学生。可见在发展学术上不可过分急功近利。




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