力學在人類歷史發展中的作用

2017-07-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

力學學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:

它是最早向權勢即真理的真理觀發起挑戰,并且取得決定性勝利的學科

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。力學學科特別是其中的動力學,就是在反對地心說發展日心說中逐漸成熟起來的。

在力學早期的發展中應當特別提到四本書。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《關于兩門新科學的對話》和1687年出版的牛頓的著作《自然哲學的數學原理》。這四本書就是力學走向成熟的奠基之作。

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

隨后,由于科學的不斷進步(例如進化論學說對上帝造人學說的沖擊)和人文精神的不斷取得勝利,當人類進入19、20世紀,科學得到了空前的繁榮。權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為名的報紙。無論如何,由力學發起的對“權勢即真理”的真理觀的挑戰,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,很難找到科學真理戰勝權勢的胡說八道的案例。所以至今人們仍然有“官本位”和“官大一級壓死人”的看法。少數力學家甚至墮落到為權勢的瞎指揮做“科學論證”。所以堅持科學真理,不為權勢所屈服,不阿權附勢還是有現實意義的。

推動現代科學的發展,成為現代科學的領頭羊

美國印第安納大學科學史教授威斯特福爾(R.S. Westfall)在他所著的《近代科學的建構》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學的指令構造的畢達哥拉斯傳統,另一個是力學哲學,把大自然理解為一個巨大的機器并且找尋隱藏于現象背后機械論的解釋。”

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

至于說到力學對于物理學的作用,請聽愛因斯坦的話,愛因斯坦在《物理學與實在》中的一段話:“盡管我們今天確實知道古典力學不能用來作為統治全部物理學的基礎,可是它在物理學中仍然占領著我們全部思想的中心。”他還說:“依我看,牛頓力學的最大成就,在于它的貫徹一致的應用已經超出了這種現象論的觀點,特別是在熱現象領域內。在氣體運動論和一般的統計力學里,出現的就是這種情況。”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科學創造了一個可用的和邏輯上令人滿意的基礎;而且直到19世紀末,它一直是理論物理學領域中每一個工作者的綱領。”

牛頓在《自然哲學的數學原理》的序言中說:“哲學的全部任務看來就在于從各種運動現象來研究各種自然之力,而后用這些力去論證其他的現象。”“自然的一切現象,完全可以根據力學的原理用相似的推理一一演示出來。”

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

我們不是說自然科學是認識自然和理解自然嗎。英國物理學家開爾文(William Thomson, 1st Baron Kelvin,1824-1907)說:“我的目標就是要證明,如何建造一個力學模型,這個模型在我們所思考的無論什么物理現象中,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,希圖都歸結為力學。這種觀點就是科學上的“還原論”的方法論,即將復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是很自然的了。這種方法論,在今天看來,并不能涵蓋科學哲學中的一切方法,不過它畢竟是一種很重要的方法論。在這個意義上說,力學是一切自然科學的基礎,是有一定道理的。

進入19世紀末和20世紀初,力學還引領人類在揭開大氣、地質構造、化學化合與分解、生命現象等的秘密中發揮了越來越重要的作用。

所以可以說,力學是現代科學最早成熟的學科,也為現代各門科學的發展奠定了基礎,它和數學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。

奠定了現代工程的基礎

世界上,大學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年的一所道橋學院。其后到1794年法國巴黎的綜合工科學校誕生,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或工科系科。其中一個標志性的事件是巴黎綜合工科學校兩本基礎課教材的出版。一本是1811年分兩卷出版的泊松所著的《力學教程》,另一本是1826年出版的納維所著的《力學在結構和機械方面的應用》。前一本奠定了理論力學的教學基礎,而后一本奠定了材料力學的教學基礎。實際上,作為材料力學主要內容的梁的理論,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明家都是學徒出身。如改進蒸汽機的瓦特(1736-1819),紡織機的發明者英國人阿克賴特(1732-1792),蒸汽機為動力的輪船的發明者美國人富爾頓(1765-1815),蒸汽機車的發明者英國人斯梯文森(1781-1848)等,他們青少年時代都曾經當過修表學徒。只有在工科的基礎課理論力學和材料力學基本成熟和定型后,工科教育的需要的最重要的基礎知識體系才基本系統化定型,成批地培養工科人才才成為可能。所以可以說,現代工科教育,或者說,現代工程,是力學學科發展和成熟的直接成果。

從現代關于工程的定義也能夠看出力學學科的作用。一位斯坦福大學電機工程教授斯密斯(RalphJ. Smith,1907-1997)說:“工程是最優地應用科學以自然資源來造福的藝術行業。”另一位叫林賽(S. E. Lindsay)的工程師在1920年說得更加明確,他說:“工程是安全與經濟的實踐,它采用服從科學定律的力和天然的材料,經過組織、設計、施工以滿足人們的普遍利益。”

從這一點說,力學是工程的統帥,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領域;瓦特應用離心調速器,是蒸汽機作為現代工業的動力成為可能。齊奧爾科夫斯基的變質量力學,奠定了宇航的基礎。迄今,我們有的人還是有力學是工程的配角、力學要服務與工程的看法,這只是一方面的道理。歷史告訴我們,力學不僅能夠為工程服務,同時可以統帥工程,指引工程。力學對工程的這兩方面的作用缺一不可。

歸納起來,力學的發展過程說明,它是最早向權勢即真理的真理觀發起挑戰,并且取得決定性勝利的學科;它又是自然科學各門學科的共同基礎,是人類認識自然界的有力工具;它還是現代工程技術的基礎。

在關于力學學科的性質的問題上,我國學者一直有兩種不同的觀點,一種認為力學是基礎學科(周培源、錢偉長、談鎬生),一種認為力學是工程技術學科(錢學森、張維)。回顧以上的論述,就會自然地看到他們看問題的側重點是不同的,主張力學屬于基礎學科的,是看到力學在歷史上發揮的上面三種作用;主張力學是工程技術學科的,則偏重于看到力學在歷史上發揮的第三種作用。

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