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关于力学学科的定义 精选

已有 4038 次阅读 2023-11-19 09:25 |个人分类:科学杂谈|系统分类:观点评述

关于力学学科的定义

 武际可 

        力学是什么? 

        周培源先生给出的定义是:“力学是关于物质宏观运动规律的科学。”[1]

        周培源先生是把较早基尔霍夫的定义稍加变化而成的。 基尔霍夫的定义是:力学是关于运动的科学;我们把它的任务可以表达为:以充分和最简单的形式描述发生在自然界的运动[2]。接着他还解释,运动指的是位置随时间的变化,而且是物质的运动。实际上他的定义前半句就够了,后边是对它的任务和运动做了更多的解释。所以把基尔霍夫的定义可以归纳为“力学是关于物质运动规律的科学。”

         可以看出,周培源先生的定义只是在基尔霍夫定义上加了“宏观”两个字而已。这是有道理的。基尔霍夫(1824-1887)生活的时代原子物理还没有产生,量子力学更是后来的事情。所以他指的运动大致上就是我们现在所说的宏观运动。揭开原子内部的微观世界,即研究原子内的微观世界的粒子在力场之中的运动,也即研究一类崭新的运动形式,基本上是二十世纪的事情。进入二十世纪之后,物理与力学分家,物理学更多的兴趣在微观世界。而力学则仍然是以宏观运动为主要研究对象。所以周培源先生给出的力学定义是符合当今力学实际情况的。

         如上,我们已经有了一个简洁而且符合现今力学发展的力学学科的定义。不过。在现实中,对力学仍然还是有不同的表述。下面列出就中文表述的力学的定义中具有代表性而且有一定影响的的两个例子。 

      “力学是力与运动的科学,它的研究对象主要是物质的宏观机械运动,它既是基础科学,又是众多应用科学特别是工程技术的基础。”[4] 

      “力学是有关力、运动和介质(固体、液体、气体和等离子体)宏、细/观力学性质的学科。”[5]

         对于以上两种定义,我们有以下的评论。

         第一,两种定义表述中都把力和运动作为力学的本质属性。这种表述是有一定的道理的。

        用中文说力学,怎能没有力?另外从历史上看,牛顿对力学的定义,就更强调力了。 

        牛顿说: “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。”“自然的一切现象,完全可以根据力学的原理用相似的推理一一演示出来。”[3] 

        在牛顿时代,科学还没有分得那样细,他说的哲学就是后来的牛顿力学。在他的定义里,只有力。而且说只有把力弄清楚了,一切就都清楚了。他的根据是牛顿三定律的第二定律:    

                                f=mw                               (*) 

        其中力f是给定的,在它的作用下加速度w是可以精确得到的,而质量m是一个由力和加速度导出的量。当时人们经常把它称为物体惯性的度量,后来才又称为质量。从这点来看把力学称为力和运动的学问,是无可厚非的。因为质量是由力和运动派生的。 

       不过时代在发展,人们的认识也随之变化。进入18世纪,人们逐渐要求一切标准化。各种量都要尽量准确定义到可以精确量测。到18世纪末法国带头的度量衡标准化,后来为国际承认。长度、时间都易于标准化,于是随之描写运动的距离、速度和加速度也就随之精确标准化了。(*)式中的三要素中下剩的,质量和力,当然是质量容易标准化了,很快就确定了质量的标准。而力却难于拿出能够经得起推敲的标准。这时按照(*),只能这样来定义力:单位质量得到加速度为单位时,所受的力是一个单位的力。在这样的条件下,力自然就成为质量和加速度的导出量。也就是在力学中质量和运动决定了力,从而在力学定义中要突出物质和运动,因为这两样事定了,其余都是学科内部的事了。

        量的标准化,使当年牛顿对力学的定义处于非常尴尬的境地,于是力学的定义也不得不做出相应的调整。法国度量衡改革后出现较早的出版于1833年的一本理论力学教材,泊松的《理论力学》给出的力学的定义是:“力学是处理物体平衡与运动的科学。”[6]如果把平衡看作运动的特定形式,那么这个定义就没有明确提到力,而强调运动了。到了1876年基尔霍夫在他的《理论力学》中给出的力学定义,也就是在定义中把物质和运动作为力学学科的本质属性,就成为我们现在定义的最早形式。

         因之,在今天仍然用力和运动来定义力学,是落后于时代发展的,落后大约一百五十年。

         第二,另外的第二种表述,则除了把力和运动作为力学学科的本质属性外,至少还有两点是作为力学的定义是不适当的。

         一是把“介质(固体、液体、气体和等离子体)”作为定义的要素,没有“物质”更简洁干净。况且介质的本意是两种物质之间介入的物质,或指传递波动与其他物理量的物质。在这里用词不当之外,外加括弧注解就更没有必要。须知定义是要抓住事物最本质的属性,任何多余的都应当用奥卡姆剃刀加以剪除。所以另外的第一种表述中,后面加的“它既是基础科学,又是众多应用科学特别是工程技术的基础。”是属于力学特点的表述,不是力学定义所必要的。

         另外在表述上也是有语病的。把这句话紧缩一下,就成为“力学是有关......力学性质的学科”。把力学定义为“力学性质”的学科,这不是同义反复吗,在逻辑上是不通的。

         二是在“宏观”之外,又加了一个“细观”,这也是多余的。当今科学界一般认为原子以外的事情是宏观,原子以内的事情是微观。至于把原子以外的事情,又分出细观,这只是研究宏观的人们一种方法,它仍然是属于力学学科内部的事情,所以不是力学的本质属性。

         总之,当今力学最为简洁恰当的定义还是周培源先生给出的:力学是关于物质宏观运动规律的学科。在运动前面加上机械二字也是恰当的,避免了把运动理解为更广泛意义上的运动。 

        我们希望力学界同仁们对自己学科的界定有一个共同的认识,对学科的性质和内涵也有一个大致共同的认识,这对我们学科的研究和教育的健康发展是重要的。 

参考文献 

[1]周培源,谈谈对力学的认识和几个关系问题,力学与实践,1979年第一卷第一期。 

[2] Г.Кирхгоф,Лекции по механике,ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК СССР Москва 1962(俄译本)     Gustav Robert Kirchhoff,MECHANIK,LEIPZIG,1876(原德文本)

[3]牛顿,《自然哲学的数学原理》序言 

[4]郑哲敏、周恒、张涵信、黄克智、白以龙,21世纪初的力学发展趋势,力学进展1995年第25卷第4期

[5]李家春、方岱宁,关于力学学科,2006-2007力学学科报告,北京,中国科学技术出版社:4-6 

[6]S.D.Poisson,A Traite of mechanique,Paris,1833(法文本)  S. D. POISSON,A treatise of     mechanics,London,1842(英译本)



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