鄙人写的《力学史》增订本已经由上海辞书出版社出版，现将该书的绪论部分贴在这里，供同行参考。

绪      论

 

科学像一株常青之树，在实验室、图书馆和博物馆中缓慢生长，成千上万的人完成了大量出色的工作，这些人并非具有超常才智，但他们受过良好的训练，掌握了有效的方法并且有很大的耐心。

                          乔治·萨顿[①]

我国已故著名化学家傅鹰（1902－1979）说过：“一门科学的历史是那门科学中最宝贵的一部分，因为科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧。”[②]

英国哲学家弗·培根(Francis Bacon,1561-1626)说：“史鉴使人明智。”[③]

美国以毕生精力从事科学史研究的学者乔治·萨顿(George Sarton,1884－1956)曾说：“科学史的目的是，考虑到精神的全部变化和文明进步所产生的全部影响，说明科学事实和科学思想的发生和发展。从最高的意义上说，它实际上是人类文明的历史。其中，科学的进步是注意的中心，而一般历史经常作为背景而存在。”[④]

了解和研究力学历史就可以了解力学学科的产生和发展、了解力学同其他科学的关系、认识力学发展同技术发展的关系、认识力学同社会进步的关系、了解人类怎样世代为揭开运动之谜而不断探索的过程、提高科学的鉴赏力、把握力学未来发展的脉搏。现今看来，不仅是从事与力学有关的工作的人，应当了解力学史；而且由于力学与各门学科、和人们的社会生活有着愈来愈密切的关系，所以各行各业的人，也应当更多地了解力学史。

力学发展有悠久的历史。它同天文学、数学是人类最早发展起来的不可分割的学科。

 

§1“力学”概念的早期发展

什么是力学，要回答这个问题，必须从它的历史发展的过程来把握。中国古代也有“力学”这个词，但是犹如中国古代“科学”是指科举之学一样，和现在的意思完全不同。中国古时候“力学”是努力学习的意思。如“躬耕力学”当努力种地读书讲。“力学”的现代意义是从西方引进的。中国古时候虽然没有力学这个词，但“力”字却产生得相当早，甲骨文“力”字是一个奴隶弯腰耒地的形状作 。表明是在运力。

    中国最早关于“力”的定义是在墨翟（？468BC－376BC）写的《墨经》中，有两种说法：其一：“力，重之谓。”其二：“力者，刑之所以奋也。”这里，“刑”通形。按照这两种说法已同现在所说的“力”相去不远。

古代的技术，无论是东方还是西方，劳动的相当大的分量是起重和搬运，即同重力作斗争，所以在长期里力学的内容主要是研究静力、平衡、重心和起重的学问。

另一方面，“力”是物体改变运动状态的原因，这是在伽利略以后的理解。按照现在字面了解，《墨经》上的第二种说法好像是，“形”指物体，“奋”指运动，即是说，力是物体运动的原因。可惜，在墨经中“形”是指身体，“奋”是举的意思。按墨经上自己说，“下举重，奋也。”可见《墨经》上的意思是：力是身体举物向上。所以《墨经》上的两种说法，只有一个意思。只有静力学，当时还没有运动。以第二种说法来解释“力”只能认为是随后科学发展所赋予的新的意思。

在西方，“力学”一词是从希腊文μηχανη和μηχανικα 来的。字面上讲，指发明、巧思、机械的意思。后来逐渐充实和演化为包含两重意思的词，即一切工艺的改进和理性的对自然运动规律的探讨，而且后一层含义发展得较晚。

从工程与工艺的角度说，有史以来，人类逐步积累了关于重心、平衡、简单机械、浮力、圆周与直线运动等方面的知识。从远古说，5000－4000BC苏美尔人就发明了车轮，2000BC中国有了独木舟，2500BC在埃及有了船与帆船的发明。这些经验逐步积累，到古希腊有像阿基米德的守城机械，到意大利维特鲁威（Vitruvius，公元前1世纪）的建筑机械。直至17世纪将积累起来的力学知识总结为简单机械（杠杆、轮轴、斜面、螺旋、滑轮）五种。在西方语言里，力学（Mechanics）同机械学（Mechanics）、机械装置、机构（Mechanism）是同一个字根。所以在相当的历史阶段，人们把力学与机械当作一回事。

从对自然规律的探讨角度，人类最早积累了对天体运动的观测资料，并且力图探求其真实运动状态。力学的早期发展是同天文学不可分割的。从古代的历法到古希腊的托勒密地心说，一直到哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿的经典力学。这种探求又紧密地同数学相结合。

后来，人类对工程和工艺的探求与对天体运动规律的探求这两种趋向结合起来就形成力学学科。其研究内容和特点也是随着时代发展而变化着的。

欧洲文艺复兴早期的学者达·芬奇（Leonardo da Vinci,1452－1519）说过： “力学是数学科学的天堂，因为，我们在这里获得数学的成果。”[⑤]

意大利学者伽利略（Galilei Galileo,1564－1642）在《关于两门新科学的对话》（即材料力学与物体运动理论）中说：“你们威尼斯人在著名的兵工厂里，持续的活动，特别是包含力学的那部分工作，对好学的人提出了一个广阔的研究领域。因为在这个部门中，所有类型的机器仪器在被很多手工艺者不断制造出来，在他们中间一定有人因为继承经验并利用自己的观察，在解释问题时变得高度的熟练和非常的聪明。”

差不多与伽利略同时，在中国明末，由西方传教士邓玉函（瑞士人）口授、王徵笔录、并于1627年出版的《远西奇器图说》中，关于力学的定义大致反映了西方当时对力学的认识。书中说：“力是力气、力量。如人力、马力、风力之类。又用力之谓，如用人力、用马力、用水风之力之谓。艺则用力之巧法、巧器，所以善用其力、轻省其力之总名也。重学者，学乃公称，艺则私号，盖文学、理学、算学之类，俱以学称，故曰公。而此力艺之学其取义本专属重，故独私号之曰重学云。”这段话中重学和力艺都是中国早期对力学的译名，它对重学和力艺名称的由来作了说明。由此可见，无论东方还是西方，力学早期的研究内容都大致和起重是分不开的。

这本书还说：“凡学各有所司，如医学所司者治人病疾，算学所司计数多寡，而此力艺之学，其所司不论土、水、木、石等物，则总在运重而已。”这段话则把力学的研究内容作了概括。[⑥]

该书谈到力学与数学的关系时说：“造物主之生物，有数、有度、有重，物物皆然。数即算学，度乃测量学，重则此力艺之重学也。重有重之性。以此重较彼重之多寡，则资算学；以此重之形体较彼重之形体之大小，则资测量学。故数学、度学、重学之必须，盖三学皆从性理而生，为兄弟内亲，不可相离者也。”这里数学是计算的意思，和现今数学的含义不同。度学是指测量学，更宽一点，指的是几何学。

牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书第一版的序言中是这样说的：“由于古人（如帕普斯（Papus,约公元前3世纪）所告诉我们的）在研究自然事物方面，把力学看得最为重要，而今人则舍弃其实体形状和隐蔽性质而力图以数学定律说明自然现象，因此我在本书中也致力于用数学来探讨有关的哲学问题。古人从两方面来研究力学，一方面是理性的，用论证来精确地进行，另一方面是实用的。一切手艺都属于实用力学，力学之得名就是为这个缘故。”

“几何学是建立在力学的实践之上的，它无非是普通力学的一部分，能精确地提出并论证测量的方法。但因手艺主要应用于物体的运动方面，所以通常认为几何学涉及物体的大小，而力学则涉及它们的运动。在这个意义上，推理力学是一门能准确提出并论证不论何种力所引起的运动，以及产生任何运动所需要的力的科学。”

“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他的现象。”[⑦]

1874年基尔霍夫在他的《力学讲义》的第一段话中给出力学的定义是：“力学是关于运动的科学，我们说它的任务是：以完备而又假定的方式描述自然界中发生的运动。”[⑧]

力学和物理学原来是同属一个学科的。实际上，在20世纪之前，整个物理学实际上是以力学为中心所构建起来的结构。即使到了20世纪，如爱因斯坦所说，经典力学“在物理学中仍然占领着我们全部思想的中心。” [⑨]从20世纪开始，力学和物理学逐渐有了明确的分工，物理学的研究的重心逐渐转移到原子内部的微观世界，而力学则一直专门是研究宏观世界的规律。所以在1979年我国著名力学家周培源（1902-1993）教授说：“力学是关于物质宏观运动规律的科学。”[⑩]

大科学家马赫在他的巨著《力学史评》中说：“必须把机械经验与力学科学区别开来，而后一术语的含义是我们现在要使用的。毫无疑问，机械经验是很古老的。如果我们仔细考察古代埃及和亚述的遗址，我们会发现他们用图画表现了许多种类的工具和发明；至于谈到这些民族的科学知识，则要么完全缺少，要么处于一种很低的水平。”

从我们以上摘录的直到20世纪周培源教授的论述，可以归纳出以下几点关于力学的认识：

1．力学起源于工具、工艺的改进，同时也是人类追求认识自然界客观运动的普遍规律，特别是追求对天体运动规律认识的必然归宿。

2．在力学研究上，从古代开始，就有两种传统。如牛顿所说，一方面是理性的或者说是理论的，另一方面是应用的。可见理论力学与应用力学的分工，早在牛顿时代就有了。

3．对力学研究的对象，有一个逐步拓宽的过程。早期着重于重力、平衡即静力学，后来着重于运动，即动力学。到了牛顿，对力学有了最一般的认识，将力同运动相联系，而且这里“运动”是最一般意义的运动，它包含一切变化。

4．数学是同力学密不可分的，牛顿将几何学看作力学，达·芬奇将力学看作数学，而邓玉函将数、度、力三学看为亲密三兄弟不可分离。力学同数学从古以来一直紧密联系，它们是人类认识客观事物运动的质与量的两个不可分的侧面。

5．在20世纪开始，力学和物理开始分工，力学研究宏观世界的规律。

6．把力学作为科学的一个分支，而不单是作为技术，是近代科学界的共识。

 

§2  从知识分科与专业分工的形成来看力学的发展

以现今的眼光来看，人类从文明的开始所积累的知识是分门别类的。有天文、数学、力学、物理、生物、地质、耕作技术、机械制造等等。专门从事研究这些知识门类的人被称为天文学家、数学家、力学家等等。然而，这种知识的分科与人的分工不是从古就有的，更不是一成不变的。由此我们不能以现在的眼光来看古人，说他们是力学家、天文学家等等。即使这样说也只是表明这些人在古代从事过相当于现今力学、天文等学科领域的工作。

知识的分科和研究它的人的分工是概念上不同的两件事，在上一节我们说到力学的概念产生得很早，可以追朔到两千年以前。到西方文艺复兴的早期,在培根关于知识体系的图表中，力学学科已是一门独立的学科了。但是研究力学的力学家成为一个独立的行业却比较晚。

为了说明力学家行业的出现，我们不得不把话稍微拉长一点。人类第一次重要的社会分工是农业和牧业的分工，第二次大概就是出现体力劳动与脑力劳动的分工。大约在三千年前在中国《周礼》这部书中的《考工记》部分的一开头说：“国有六职，百工居其一焉。或坐而论道，或作而行之，或审曲面世以饬五材，以辨民器，或通四方之珍异以资之，或饬力以长地材，或治丝麻以成之。坐而论道，谓之王公；作而行之，谓之士大夫；审曲面世以饬五材以辨民器，谓之百工；通四方之珍异以资之，谓之商旅；饬力以长地材，谓之农夫；治丝麻以成之，谓之妇工。”在这里“坐而论道”的“王公”与“作而行之”的“士大夫”就是脑力劳动者，其他商、农、工、妇各有分工。

在有了脑力劳动的分工之后，最早在脑力劳动者之中分工并不明确。在西方直到文艺复兴时期也还没有完全明确。恩格斯（Friedrich Engels，1820-1895）在《自然辩证法》的《导言》中谈到文艺复兴时说：“那时，差不多没有一个著名人物不曾作过长途的旅行，不会说四五种语言，不在几个专业上放射出光芒。列奥纳多·达芬奇不仅是大画家，而且也是大数学家、力学家和工程师，他在物理学的各种不同部门中都有重要的发现。…。那时的英雄们还没有成为分工的奴隶，分工所具有的限制人的使人片面化的影响，在他们的后继者那里我们是常常看到的。”[11]在那时的自然科学学者，总是同时精通数学、天文、力学的。那时，从事自然科学研究的学者还没有像现在那样可以有薪水支持，而是靠当教员、律师、医生、神父等工作赚钱生活，科学研究只是业余的活动。在中国呢，由于长期的封建社会，几千年来，最重要的分工便是“官”与“民”的分工。在中国的封建社会，只要是“官”或依附于“官”的“民”，便可以有研究问题的条件，而真正的“民”则很少有深入研究问题的条件。

具体地说在西方直到文艺复兴时代，近代教育的开始，大致只分四个专门的方向。即神学、法学、医学和哲学。科学是文艺复兴前后从哲学分离出来的新方向。所以在西方至今还把获得自然科学的博士学位称为哲学博士（简称ph.D）。

在文艺复兴时期，意大利成立了林瑟学院（1603－1630）、英国成立了皇家学会（1662年）。这些科学研究机构成立了，但是它的成员却是一种自愿参加的联合体，入会的人不但没有报酬，还得定期向科学院缴纳数目可观的会费。值得一提的是，法国在1666年成立了巴黎的科学院，法国科学院成立后，向院士们发给薪水，1666年，领薪水的有60人，其中力学家有3名，我们所熟悉的惠更斯和马略特都属于这一批。这是人类有史以来第一次由国家资助科学研究的壮举，也是人类史上，科学家从业余走向专门的开始。专门靠研究力学问题来吃饭的力学行业大概应当从此算起。在20世纪之前，绝大多数科学家的研究工作都是业余的，他们主要靠做医生、律师、神甫、教员等工作的收入来维持生活和研究。国家和企业家大规模资助科学是从20世纪二、三十年代开始的。之后，才有大量专门从事科学研究的科学家出现。

随着历史的发展，专业分工越来越细。20世纪50年代，美国学者维纳（Norbert Wiener，1894-1964）在《控制论》书中说：“从莱布尼兹以后，似乎再没有一个人能够充分地掌握当代的全部知识活动了。从那时起，科学日益成为专门家愈来愈狭窄领域内进行着的事业。在上一世纪，也许没有莱布尼兹这样的人，但还有一个高斯、一个法拉地、一个达尔文。今天没有几个学者不加任何限制而自称为数学家，或者物理学家，或者生物学家。一个人可以是一个拓扑学家，或者一个声学家，或者一个甲虫学家。他满嘴是他那个领域的行话，知道那个领域的全部文献、那个领域的全部分支，但是，他往往会把邻近的科学问题看作与己无关的事情，而且认为如果自己对这种问题发生任何兴趣，那是不能允许的侵犯人家地盘的行为。”[12]

力学学科的形成是很早的，德国的物理学家劳厄（Max von Laue,1879－1960）说：“力学是最早开始的一门科学。”[13]恩格斯说：“在自然科学的历史发展中最先发展起来的是关于简单的位置移动的理论，即天体的和地上物体的力学。”[14]但是在西方语言中，“力学家”这个词却出现得很晚。别的学科专家的专名词出现得都很早，最早是哲学家（philosopher），占星家（astrologer）后来才有，数学家（mathematician），天文学家（ astronomer），物理学家（physicist），生物学家（ biologist），地质学家（ geologist），化学家（ chemist）。早期便有的mechanic与mechanist，却都不是力学家的意思而是机修工与机械师的意思，而后一个词还有机械主义者的意思。在英文中力学家(mechanicist)一词是近几年才出现的。而且大部分字典还没有收入这个词。

力学家这个词出现得这么晚，这是由于什么原因呢？

我国古代有一个成语：北人无弓匠，南人无船工。意思是说，北方人尚武，几乎人人都会制造与修理弓，所以北方人没有专门以制造弓来吃饭的行业，而南方湖多河多，人人会划船修船，所以南方人没有专门划船修船的行业。这个成语正好用来说明力学在各个行业中的地位。在古时候，从事科学技术的人，几乎人人要懂力学。天文、物理、土木、水利、机械、交通、数学、哲学等等，几乎每一行都必须懂得力学。所以相当长的历史时期中力学不是一个独立的行业。所以我们可以说力学是自然科学中最早形成的学科，可是它却是自然科学中最后分离出来的一个独立行业。

 

§3  力学学科与其他学科的关系

在历史的长河中，人类积累的浩繁的知识按照知识内容的相近程度逐渐形成和划分为不同的体系，即不同的学科。这些不同的学科又可以大致分为两类：基础科学和应用科学。这些以自然界基础规律为主要内容的学科，称为基础科学。而像冶金学、土木工程学、营养学、烹调学、机械工程学、自动化、电机学、无线电学、计算机科学等学科，以应用到某一工程技术或医疗目的的学科称为应用科学。

力学是既属于基础科学又属于应用科学的一门学科。

作为基础学科，在力学发展的早期，它帮助人们摆脱愚昧，奠定近代天文学的基础，推进数学和物理学的发展。在中世纪，它帮助科学摆脱经院哲学的束缚，帮助科学战胜宗教裁判所的统治。在20世纪，它又和电动力学一起推动了新的时空观革命。至今，在其他几门基础科学：数学、物理学、天文学、化学、生物学、地学，愈是向前发展，便愈是提出愈来愈复杂的力学问题需要解决。力学方法已经深入地渗透到其他基础科学中了。

恩格斯说：“认识机械运动，是科学的第一个任务”。[15]

恩格斯的这话意味着，如果没有现代力学，科学的其他学科也很难前进。西方现代科学的进程正是从力学开始的。所以美国印第安那大學的牛頓學專家S·韦斯特福尔（R.S.Westfall）在他的著作《近代科学的建构》一书的导言中说：“两个主题统治着17世纪的科学革命——柏拉图-毕达哥拉斯传统和机械论哲学。柏拉图-毕达哥拉斯传统以几何关系来看待自然界，确信宇宙是按照数学秩序原理建构的；机械论哲学则确信自然是一架巨大的机器，并寻求解释现象后面隐藏着的机制。”

力学是研究物质的宏观机械运动的学问，机械运动即简单的位置移动，宏观指的是同人的尺度相去不大的范围。由于各类复杂运动中都包含着这种基本的运动形态，不论是在自然界，在技术过程中力学问题都广泛存在。所以它的研究成果也深刻影响着别的基础科学的发展，当然其他学科的研究成果也丰富与推动力学的发展。力学与其他学科的相互影响主要是通过以下5种途径：

（1）力学是自然科学中精确化最早的学科。力学发展中最早与数学建立起密不可分的联系。历史上最伟大的力学家，也同时是伟大的数学家。将实际问题经过模式化转化为数学问题求解再回到实际，所形成的方法论，深深地影响着整个自然科学。如动力系统从力学中提出，它的要点是给定系统发展所必须遵从的规律及初始状态，去追踪系统的发展。这种方法应用到天文、物理。后来应用在化学中讨论反应过程形成化学动力学，精确化后的经济学的经济动力学也可以看作是这一方法论的延伸。

（2）力学中研究的宏观现象，是自然界最易于直接观察到的现象。许多重要发现和结论都是在力学中首先研究清楚后，才在其他学科中发现和应用。例如，守恒定律是在力学中首先发现的，后来推进到整个自然科学中，并且形成处理自然过程的一种普遍方法。再例如，孤立子波是1834年在浅水渠中发现的一种力学现象。到60年代后发现它同量子力学间的联系，后来在光学中也发现了这种现象，并在光导纤维技术中得到应用等。

（3）由于宏观运动规律广泛存在性，其他基础学科的研究有赖于基本宏观运动规律的认识。如天气预报要遇到大气湍流，而湍流是流体力学中的基础课题，生物学中血液循环。化学中的物质扩散过程等，无不本身就是力学的课题。

（4）力学研究为其他学科提出了挑战性的难题。如对数学提出运动稳定性问题以及各种复杂问题的描述和求解方法。多自由度保守系统，在数学上既是动力系统的研究对象，也是黎曼几何、辛几何的研究对象。

（5）力学吸收其他学科的成果完善发展自己。牛顿运动三大定律就是在丰富的天文观测资料基础上总结出来的。力学的先进的实验与测量技术，就是吸收了光学、电学、电子学与计算机的成果武装起来的。

所以周培源先生说：“只要自然界存在着机械运动，以及机械运动和其他高级运动形式的相互联系，力学就永远有无止境的研究课题，就永远有无限光辉的前景。”[16]正是由于力学研究对象的“普遍的”属性，力学学科发展在诸基础学科发展中往往是举足轻重影响全局的。

力学作为应用科学，在古代力学帮助发明和改进工具。近代的航空、航天、土木、机械、自动控制、水利、化工、电机、动力、采矿、冶金、纺织、食品工业等工业部门的发展无一不得力于力学指导，并把力学作为自己的理论基础。

马克思（Heinrich Marx，1818-1883）说过：力学是“大工业的真正科学的基础”[17]。美国科学院院士J．G．Glimm说过：“40年前，中国有句话说‘枪杆子里面出政权’，从70年代起应当是‘科学技术里面出政权’。”回顾西方发达国家所走过的路，人类的近代工业：蒸汽机、内燃机与机械工业、大水利工程，大跨度的桥梁、铁路与机车、轮船、枪炮，无一不是在力学知识积累基础上产生与发展起来的，无一不得益于力学学科。20世纪，产生的许多高技术也是在力学指引之下发展起来。除航天、航空外，还有高层建筑、巨型轮船、大跨度与新型桥梁（如吊桥、斜拉桥）、海洋平台、精密机械、机器人、高速列车、海底隧道等都是在力学指导下实现的。

钱学森先生70年代说过：“不可能设想，不要现代力学就能实现现代化”[18]。

 

§4  力学历史的分期问题

提到力学发展的历史分期，不同的人有不同的分法。有的人写科学史，是按照年代来划分，如把力学分为16世纪力学、17世纪力学、18世纪力学等等。还有的人按照政治或生产的历史分期来划分力学历史，如写产业革命时期的力学、文艺复兴时期的力学、十月革命后的力学等等。前一种分法类似编年史，后一种分法则失去了力学学科的独立发展特点。力学的发展虽然受政治或生产发展的历史影响很大，但是这种影响并不是简单的、立刻显现的，力学的发展有自己内在的规律，要叙述力学，还得首先考查它的自身的内在规律。

整个力学发展历史，大致可以分为三个阶段。从力学本身发展内部去寻找划分时期的标志，这三个阶段以两个历史事件来分开的：1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》发表，与1900年普兰克的量子力学与随后1905年爱因斯坦的狭义相对论的提出。这两件事，引起了整个自然科学的两次革命。

在1687年之前，力学的发展，是以积累资料为主要特征。而且最主要的资料是天文观测资料，另外还有静力学知识的积累与完善。在这个时期力学、数学、天文学、物理学、乃至哲学，都是同一批人在作。所以我们在写力学史时不可能将力学同天文学、数学分开来写。

在1687年之后到1900年之前，由于在牛顿《自然哲学的数学原理》中动力学的原理已经建立，这一阶段力学研究的主要内容是：寻求力学一般原理的不同形式以及不同条件下的一般原理；将一般原理推广应用于各种不同的复杂情形，如约束运动、流体运动、固体的变形、刚体运动、振动与波动运动的方程等；求解所得到的运动方程，给出各种条件下的特解，或研究带普遍意义的求解方法；回答工业生产中提出的实际工程问题。但是，经典力学的发展也越来越暴露出它对某些问题的失败与内在矛盾，从而导致相对论的诞生。在这一阶段，力学家、物理学家、天文学家、数学家虽然稍有分工，但基本上还是同一批人。

1900年量子论与相对论相继产生，标志着物理学与力学的分家。从此力学分工解决宏观世界的问题，而物理学分工专门从事微观世界的研究，力学家与物理学家、天文学家、数学家便分道扬镳了。这一阶段力学学科的研究特点是，由于力学的基本理论部分在许多方面已经趋于成熟，理论难题仅有像湍流、强度等少数课题，所以理论力学与应用力学相比，应用力学的研究队伍占较大的比重。这同第二阶段形成鲜明的对比。在那时，在整个力学学科的研究队伍中，理论力学的比重相对于现今来说也大多了。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自武际可科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-39472-355802.html

上一篇：钱伟长对我国力学事业的贡献
下一篇：大众力学丛书介绍