物理學中的“福爾摩斯”

                          日期:2014-05-19 11:02 點擊數:20462 

                          ——牛頓第一定律的誕生

                          重慶巴蜀中學 秦德勝 (重慶市渝中區北區路51號 400013)

                          摘 要: 在探究運動原因的“偵探小說”里,由明顯的線索引出錯誤判斷的案例莫過于亞里士多德關于運動和力的錯誤判斷,而且這個“錯案”竟維持了近2000年。直到300多年前,伽利略才創造了有效的“偵查”方法,發現了正確的線索,揭示了現象的本質,在高中物理教科書中,被稱為物理學中的“福爾摩斯”。

                          究竟誰是真正的“福爾摩斯”,本文對此做了別樣的分析。

                          關鍵詞:福爾摩斯 牛頓第一定律 伽利略 理想實驗 千古之迷


                          長期以來,在研究物體運動原因的過程中,人們的經驗是:要使一個物體運動,必須推它或拉它。因此,人們直覺地認為,物體的運動是與推、拉等行為相聯系的,如果不再推、拉,原來運動的物體就會停止下來。根據這類經驗,亞里士多德得出結論:

                          必須有力作用在物體上,物體才能運動;沒有力的作用,物體就要靜止在一個地方。

                          然而,在探究運動原因的“偵探小說”里,這正是由明顯的線索引出錯誤判斷的案例,而且這個“錯案”竟維持了近2000年。直到300多年前,伽利略才創造了有效的“偵查”方法,發現了正確的線索,揭示了現象的本質,在高中物理教科書中,被稱為物理學中的“福爾摩斯”。

                          1、時代注定亞里士多德必將“誤入岐途”

                          2000多年前,亞里士多德作為古希臘時代偉大的圣人,已經提到摩擦力的概念,又怎么會不知道運動的物體停下來的原因在于摩擦力的作用呢,又怎么還會犯上我們現在看來如此低級的錯誤呢?

                          這還要從亞里士多德所處的那個時代說起。

                          (1)亞里士多德處于奴隸社會,在當時的奴隸主貴族們看來,只有“仰望星空”這種事情才是最高貴的,從事體力勞動是最卑賤的。這就決定了亞里士多德及其同時代的大多數思想家只能靠純粹的思考和邏輯推演去獲取知識,他們不屑走進生活、生產勞動中去親自體驗和做科學實驗。

                          (2)當時人們思考的問題主要是“物體為什么會運動?”而不是“物體是如何運動的?”。前者是形而上的問題,而后者才是真正的科學問題。

                          (3)亞里士多德所處的時代認為,演繹推理的價值高于歸納推理,但科學的實證本質上決定了科學中的演繹必須建立在原初歸納的基礎上,即原命題必須真實、科學、正確。而亞里士多德的原命題“必須有力作用在物體上,物體才能運動”是不真實的,事實是“必須有力作用在物體上,物體才能由靜止變為運動”,它反映的是物體運動的改變,而不是運動本身。

                          (4)在古希臘,人們持有一種有機的自然觀,認為運動是“引導一切物體自尋其天然歸宿的內在本能”。 認為一切物體的天然歸宿就是“靜止”,所有運動最終都將以“靜止”終結。因此,亞里士多德不可避免要“誤入岐途”。

                          (5)亞里士多德雖然已經提到摩擦力的概念,卻沒有深入思考它對運動有阻礙作用,特別是沒有深入思考在沒有摩擦力時,物體又是如何運動的,總認為介質是運動的推動者。這又回到了(2)中提到的歷史原因,即當時人們主要思考的問題是“物體為什么會運動?”而不是“物體是如何運動的?”

                          2、伽利略的理想實驗破解“千古之迷”

                          其實,早在公元6世紀,亞里山大城的約翰•菲洛普納斯在對亞里士多德的《物理學》評注時就認為,介質與其說是運動的推動者,不如說是運動的阻礙者。

                          由于信仰的需要,在中世紀,經院哲學家們嘗試用亞里士多德的理論來為基督教教義做注解,因此包括托馬斯•阿奎拉在內的許多經院哲學家們試圖將亞里士多德理論與基督教教義相融合。但是,亞里士多德的哲學與基督教教義在許多方面存在著不可調和的沖突,如亞里士多德哲學認為宇宙是永恒的,世界萬物的存在并不依賴上帝。這樣,對亞里士多德正統的尖銳批判既因為宗教的關心所促發,又因為宗教的關心而發生偏移,從而導致了與亞里士多德的正統觀點相異甚至完全對立的對于世界的不同解釋。

                          這樣,就引發了人們對亞里士多德哲學的一系列的質疑,這對后來的哥白尼、伽利略等科學家產生了十分重大的影響。

                          13世紀的羅吉爾•培根和托馬斯•阿奎那、14世紀的神學家佛朗西斯庫斯以及之后的約翰•布里丹(John Bu-ridan)等都站出來,明確地捍衛了約翰•菲洛普納斯的理論,即“介質是運動的阻礙者”。

                          特別是約翰•布里丹提出了“沖力”(impetus)的概念,他把沖力設想為初始推動者傳給物體的一種推動力,并賦予了沖力一種永恒的質,認為它將一直持續下去,除非被外部阻力所減弱或者耗盡。在沒有外力作用的情況下,沖力的初始量將保持不變。并且他暗示,如果將運動的所有阻力撤出,那么物體一旦開始運動,很可能將永遠沿直線勻速運動下去,它沒有任何理由改變自己的運動方向或者初始速度。

                          這些研究與思考無疑為伽利略的研究提供了重要的啟示,只不過他們都只是一種對該問題的形而上的思考,缺乏實驗基礎。

                          意大利物理學家、天文學家伽利略(1564年2月25日-1642年1月8日)最偉大的貢獻在于,他從實驗的角度讓人們從形而上的思考轉為了真正的科學,使人們心服口服,并且感到特別的有趣和有意義,這是一個真正的偉大轉向。

                          伽利略注意到,當一個球沿斜面向下滾動時,它的速度增大,而向上滾動時,速度減小。他由此猜想:當球沿水平面滾動時,它的速度應該不增不減。但是實際情況卻是,即使沿水平面滾動,球也越來越慢,最后停下來。伽利略認為,這唯一的原因就是約翰•布里丹提到的“介質是運動的阻礙者”,即是摩擦起了阻力作用的結果。因為,他同樣還觀察到,表面越光滑,球便會滾得越遠。于是,他推斷:若沒有摩擦阻力,球將永遠滾動下去。

                          他終于明白,將人們引入岐途的原來是摩擦阻力。但是,要將所有阻力撤出,在實際生活中是根本做不到的,怎樣才能讓人們更加信服呢?

                          他設計了如圖所示的實驗:

                          事實:讓小球沿一個斜面從靜止狀態開始滾下,小球將滾上另一個斜面。

                          推論1:如果沒有摩擦,小球將上升到原來的高度。

                          推論2:減小第二個斜面的傾角,小球在第二個斜面上仍將達到同一高度,但這時它要滾得遠些。

                          推論3:繼續減小第二個斜面的傾角,小球達到同一高度時就會滾得更遠。

                          推論4:若將第二個斜面放平,為了找到同樣高度,小球只有永遠滾動下去,永不停止。

                          結論:物體的運動可以不需要力,力不是維持物體的速度的原因,而恰恰是改變物體運動的原因。也就是說,一旦物體具有某一速度,如果它不受任何力的作用,就將以這一速度永遠運動下去。

                          至此,千古之迷終被破解。

                          雖然,伽利略的這種“實驗”很難在現實中完成,但卻依

                          據了實驗事實作為基礎,推理是可靠的,稱為“理想實驗”。

                          伽利略第一個將實驗引進力學,創立了把實驗方法與數學

                          方法、邏輯論證相結合的科學研究方法,是近代實驗科學的先

                          驅,被譽為“近代力學之父”。

                          從認識上講,伽利略的成功在于他采用了“對比”的實驗

                          手法,用兩個斜面對比,又對比研究了有摩擦和無摩擦兩種情

                          況,而亞里士多德就沒有做這樣系統的工作。

                          3、笛卡爾從“上帝”那里“歪打正著”

                          其實,伽利略得出“運動的物體,如果不受任何力的作用時,將以這一速度永遠運動下去。”,心中卻存有疑慮,他知道地球是圓的,如果物體永遠運動下去,那是繞地球做圓周運動呢?還是直線運動呢?他著實不敢肯定。

                          在17世紀,人們普遍相信運動的起源是“上帝”,與伽利略同時代的法國科學家笛卡爾(1596—1650)認為:“上帝在創造物質之初就把各種運動給予了物質片段,現在他又維持著所有物質,使之保持他最初創造它的樣子。從這個簡單的事實出發,可以推斷,上帝也必將在物質中保持相同的運動量。”

                          笛卡爾相信,運動是物體的一種狀態,由于上帝是不可變的,所以,他所創造的物體就必將保持不變的狀態,除非它們受到外部原因的影響。

                          由此,笛卡爾得出結論:運動的物體要盡其所能地保持繼續運動。并且,他由守恒性和簡單性推知,物體將保持直線運動,而不是圓周運動。運動恰好以它被維持的那一瞬間所具有的形式而繼續保持下來。

                          可見,笛卡爾并不是通過科學的方式,而是從上帝那里“歪打正著”,同樣破解了“運動原因之迷”。

                          4、牛頓統觀“全局”,還原“本性”

                          動力學的奠基者英國物理學家牛頓(1643—1727),他在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中,系統總結了亞里士多德、伽利略、笛卡爾等科學家的觀點,認為一切物體的天然歸宿應該有兩種,一是“靜止”,二是“運動”,在沒有外力作用時,靜者恒靜,動者恒動。并且,他還把這一結論外推到了天體運動中,將天上之物與地上之物統一起來,并進行了完整的規范化的表述,也就是說它適用于一切物體,建立了牛頓第一定律,還原了物體的“本性”。

                          牛頓第一定律的內容是:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態。

                          牛頓還把物體具有的勻速直線運動狀態或靜止狀態的這種性質(注:即古希臘人認為的天然歸宿)叫做慣性,并且,定義慣性的大小為質量,為牛頓第二定律的建立奠定了堅實的基礎。

                          5、誰是真正的“福爾摩斯”

                          從以上的研究,我們可以發現,亞里士多德時代,人們實質上只關注到了物體具有“靜止”的本性,因此,他們也只能從靜止的方面去找到歸宿。而伽利略、笛卡爾時代又只關注到了物體具有“運動”的本性,因此,他們也只從運動的方面去尋找歸宿。

                          殊不知,物體的本性皆具“靜止”和“運動”兩個方面,只有牛頓才真正意識到這一點。因此,從這一點看,真正的“福爾摩斯”應該數牛頓,亞里士多德、伽利略、笛卡爾等都應該屬于其偵探所的偵探員。

                          其實,萬物皆具兩面性,它們既對立又統一。“靜止”和“運動”如此,“慣性”與“力”也如此,“慣性”維持著物體的運動狀態,“力”用來改變物體的運動狀態,正是它們的既對立又統一,才使整個宇宙萬物“靜”與“動”是那樣的和諧。

                          由此可知,誰抓住了問題的兩面性,誰就是真正的“福爾摩斯”。在探究運動原因的“偵探小說”里,牛頓抓住了事物的兩面性,解決了運動原因的“千古之迷”,成為了真正的“福爾摩斯”。

                          這種例案,在物理學里還有很多很多。如關于“光的本性”的認識,多少科學神探,要么只看到了“光的粒子性”(以牛頓為代表),要么只看到了“光的波動性”(以惠更斯為代表),只有愛因斯坦看到了光的兩面性,即既具有“粒子性”又具有“波動性”,從而成為“光的本性”這一千年迷案中的真正的“福爾摩斯”。


                          參考文獻:

                          1. 人民教育出版社編著,普通高中課程標準實驗教科書(物理必修1.選修3-4.北京:人民教育出版社2010.68)

                          2. 戴維•林德伯格著。王珺等譯《西方科學的起源》,北京,中國對外翻譯出版公司,2001.312

                          3. 郭桂周、于海波撰 《物理教師》第33卷第11期2012“牛頓第一定律物理學史辯——兼談宗教對近代科學起源的推動作用”


                          本文系:中國教育學會物理教學專業委員會2013年 — 2016年全國物理教育科研重點課題

                          (課題批號:ZD160)“物理‘333’體驗式特色課堂與物理學史特色教育實踐研究”成果




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