站在坐标原点的伽利略.doc

CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM

论文题目： 站在坐标原点的伽利略

所在院系： 理学院物理系
课程名称： 自然辩证法
考生姓名： 潘 海 亮
学 号： S100061335
专业年级： 10 级
任课教师： 刘 益 宇

完成日期： 2010年 12月 19日

摘要：在充分运用数学和实验手段的基础上，文艺复兴把古希腊哲学家们的自然哲学变成了科学。在此之前，哥白尼建立了数学的天体运行理论，但并没有立即得到运动学的解释。伽利略从单摆运动开始，不仅为天体运行理论找到了运动学解释，也将亚里士多德的运动学送进了博物馆；更重要的是，他为牛顿力学的产生奠定了坚实的基础。
关键词：文艺复兴 伽利略 运动学 力学

一、文艺复兴运动中科学技术的发展
自公元5世纪，欧洲社会开始长达1000年的“黑暗的中世纪”，教会在这一时期的欧洲享有至高无上的权利，整个社会的精神活动及文化活动都必须围绕着宗教这个核心展开，在这样一种背景下，世俗政治事务，人们的思想文化生活不可避免的被压制，而为了维护基督教神学的权威，教会不惜对与正统观念不一致的所谓“异端”，实行残酷的宗教迫害和血腥镇压。在这样一种大环境下，思想的桎梏可想而知。当然，这种专制压迫越是猖狂，人们的脑中那根反抗的琴弦也就绷得越紧，知道有一天，人们的意识觉醒。
黑暗总会过去，黎明终归到来，欧洲大地迎来了文艺复兴（the Renaissance，naissance来自拉丁语 nascentia）。当然，谁也不知道文艺复兴究竟何时开始，何时结束。史学家更多的是以但丁发表《神曲》的代表作为开始的标志，完全以意大利语写作的《神曲》，一方面给中世纪文化以艺术性的总结，另一方面又显现出文艺复兴时代人文主义思想的曙光，这个特征也许是史学家偏爱其作为文艺复兴开始标志的原因。正如恩格斯所说“但丁是中世纪的最后一位诗人，同时又是新时代的最初一位诗人”；以培根发表的《新工具》(1520 年) 和笛卡儿写出的代表作《方法论》(1637 年) 为结束的标志。因为培根是“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖”。笛卡儿被黑格尔称为“是现代哲学的倡导者”。在17 世纪二三十年代培根和笛卡儿的名著问世以后,说明意识形态转型结束,进入了近代时期。
文艺复兴，用近三百年的时间，结束了一千年的宗教专制统治，对近代早期欧洲的学术生活产生了深远的影响，它始于意大利，蔓延整个欧洲大陆，影响遍及文学、哲学、艺术、政治、科学，当然还有宗教。学者在学术研究中开始使用人文主义方法，并在艺术创作中追寻现实主义和人类情感。自然科学在这个过程中也不可避免的受人文主义思潮的影响，渐渐从中世纪宗教神学的枷锁中挣脱出来，加速了人们思想的启蒙。这一时期，数学、医学、生理学、化学、天文学、物理学都取得了显著的成就。
被囚禁在中世纪牢房中的数学，在拜占庭帝国灭亡后终于获得了自由。最先获得自由的是三角学，他不仅为带来了欧洲数学的革命，也成为了哥白尼《天体运行论》的数学基础；其次是对数的发明，数学史家卡约略曾说：“现代计算方法之所以有奇迹般的力量，是由于三个发明，即阿拉伯计数法，小数和对数”，对数计算的出现，正是文艺复兴后期欧洲一项重大的数学成就；当然，文艺复兴时期，求解高次代数方程，解析几何的诞生，微积分学的兴起我们也不应忘记。正是这一系列的成就，显示出文艺复兴对数学的刺激。
文艺复兴时期的医学与生理学同样不容忽视。区别在于，数学、物理学的发展在这一时期呈爆发状态，而医学与生理学的发展表现出更多的是连续性。出生于布鲁塞尔的解剖学家维萨留斯在他39岁时发表的《人体构造论》在解剖学史上是一座里程碑。它结束了流传了1400年之久的盖伦的脑室学说和动物灵气说。当然，我们也不要忘记站在维萨留斯身后的男人——达?芬奇。正是达?芬奇将人体解剖的描绘提高到了前所未有的精细程度，为维萨留斯的标准人体解剖学理论的建立奠定了良好的基础。
哥白尼在教会支持下发动了天文学革命，其“日心说”的发表，将统治中世纪的“地心说踹进了垃圾桶，同时也激怒了以“地心说”作为统治工具的教会，而作为哥白尼宇宙观的忠实追随者布鲁诺则成了时代的牺牲品，同样，对哥白尼理论进行物理学论证的伽利略也难逃厄运。
二、站在坐标原点的伽利略
1564年出生于比萨的伽利略，并没有按照父亲的期望学医，而对数学和自然哲学有浓厚的兴趣，他所向往的是可用实验和数学相互说明的精确的科学，在那个医学还不够严谨的年代，这也许是他不想学医的原因。在比萨大学，他师从当时著名数学家番东尼。1586年发表《论小平衡》，第一次介绍阿基米德的平衡方法。随后，到罗马向克拉维斯学习欧几里德几何学。1589年至1610年，他发现自由落体定律、制造了温度计，设计并制造了测地及军事两用指南针，1594年，他改进了望远镜并用其发现了木星的卫星。1609年起，伽利略开始致力于对哥白尼地动学假说进行物理学说明，力图该学说有纯粹的数学假说变成物理学上有充分论据的理论。然而却遭到了罗马天主教廷的残酷压迫。1632年，他被流放到锡耶纳，次年，被允许归乡“安度晚年”。1638年，伽利略双目失明，在度过了充满黑暗的四年，于1642年死于家中。
晚景凄凉的伽利略，在其辉煌的一生中，为物理学的发展做出了卓越的贡献，他开辟以实验和数学相互说明为标志的新科学时代，在坐标轴上，向后观望，是古代物理学，向前观望，是近代物理学，而他，伽利略，恰恰站在了物理学的坐标原点。
伽利略之前的亚里士多德的物理学，更多的是从归纳日常生活的直觉观察经验出发加上哲学的思辨，后渐渐发展成为经院哲学，这在后来成为了自然科学革命的极大障碍。亚里士多德认为，运动的发生及维持，需要“以太”介质的参与，将运动的维持交给了介质，介质的阻滞作用和连续动力作用，使运动不能以无限大的方式发生和持续。后世的基督教哲学家菲洛波罗斯，提出“冲力说”来重新解释宇宙中物质的运动，最早对亚里士多德的运动学提出了异议；阿维洛伊和阿芬佩斯在菲洛波罗斯冲力学基础上证明了介质对运动的发生并非必不可少，介质对运动仅仅具有阻滞作用；托马斯阿奎那认为，物体在虚空中运动也必然是有限的和连续的。因为虚空和填满物质的空间一样，也是有一个维度有体积、有广延的存在；布拉德沃丁最早发现了亚里士多德运动学不成立，在其发表的《运动速度的比率》中，尝试拯救这个缺陷，文中，他首次将运动学与动力学区分开来。
虽然后人对亚里士多德的运动学进行了批判性的发展，然而，这些新发现并没有得到严格的论证，不具备科学形态，直到伽利略的出现。将亚里士多德运动学彻底推进历史火化炉中的是伽利略单摆运动的发现，在单摆运动实验中，将绳子一端固定在天花板上，另一端系上一颗石头，当石头未被绳子束缚时，石头做自由落体运动，当被束缚时，其自由落体运动由于绳子作用而变成了摆动，这两种运动具备可比性。由于重石头和轻石头下落具有相同的摆动周期可以判断，从相同高度落下，它们会在相同时间达到摆动最低点。这就证明，无论石头重量如何，他们做自由落体运动时速度变化规律相同。由此，亚里士多德运动学理论彻底被推翻。同时，伽利略对抛射运动的物理学解释，将地球表面的运动规律与哥白尼“日心说”理论协调了起来。
如果说伽利略推翻亚里士多德理论是为古代物理学送终，那么他对牛顿力学的奠基则是迎接近代物理学诞生。
经由笛卡尔的研究，力学扩展到从宇宙天体到微观粒子的不同存在形式。在他之后，1638年，伽利略出版了《有关两个新科学的讨论与数据说明》，对其一生的运动学和力学贡献进行了总结，确立了相对性原理，或伽利略相对性原理：在相互间做匀速直线运动的惯性系中，不仅空间和时间的性质是一样的，而且全部力学规律也是一样的。
1668年，牛顿发现了“惯性”：惯性是确保物体的状态不易被一个外力所改变的物体内力。在《自然哲学的数学原理》中，牛顿解释惯性力：vis insita。Vis是拉丁文，相当于英文force（力）。伽利略最早使用这个词来表示力。牛顿沿袭了这个用法。Insita同样为拉丁文，相当于英文inertia（惯性）。牛顿指出：“一个物体，由于物质的惯性，要改变其静止或运动的状态不是没有困难。由此看来，这个固定的力可以用最恰当不过的名称，惯性或惯性力来称呼它。”
伽利略在《关于托勒密和哥白尼两个宇宙体系的对话》中谈到了向心力和离心力存在的可能性：“在圆周运动中，既然运动物体不断地在离开并在接近它的自然终点，那么接近的倾向和抗拒的倾向在力量上就永远相等了。”伽利略之后，牛顿研究了离心力，对于物体做圆周运动时所具有的“接近的倾向的力”，即牛顿后来称之为的“向心力”，而“抗拒的倾向的力”即离心力。
虽然伽利略关于力与运动关系的描述是错误的，但他对牛顿力学大厦的建立所起的推动作用同样显而易见。文艺复兴时期，有许多同伽利略遭遇相同的科学家、艺术家，为推动人类文明发展付出了一生，对于他们，除了致敬，我们还能做些什么呢？！

参考文献：
1.刘景华、张弓耀， 《欧洲文艺复兴史科学技术卷》， 人民出版社2008年第一版， P155-198
2.[美]威尔·杜兰特 《世界文明史之文艺复兴》， 华夏出版社2010年第一版， P3-10
3.[美]桑德拉·塞德尔， 《探寻欧洲文艺复兴文明》， 商务印书馆2009年第一版， P401-423

考试得分

教 师 评 语
（从选题的意义、论文整体思路、论证材料、论文结构、语言表达等方面进行评价，评语字数最少不少于30字）

教 师 签 名：
年 月 日

中国石油大学（北京）2010 —-2011学年第 一 学期
《自然辩证法》课程期末考试试题
一、论文选题要求
1、论文要坚持正确的政治立场，不得有违背四项基本原则的言论，对马克思主义经典作家、重大历史事件的评价必须符合中共中央有关要求。
2、要围绕《自然辩证法》所讲授的主要内容，选题应当多样化，题目具有针对性，做到既是自己有兴趣、关心的问题，又具有现实意义，避免大而空洞的题目。
3、不可抄袭别人的论文和著作，要独立思考，完成论文。特别注意在引用有关的资料时，务必把它变成自己的语言。
二、论文选题范围
根据上述要求，同学们可自拟题目。
三、写作要求：
1、字数：3000-5000字。
2、论文标题最长不超过20字，要有200字以内的论文摘要，关键词3-5个。要列出参考文献。顺序为：序号、作者、著作或刊物名称、出版社名称、出版日期、版次、引文所在页码。有引文而没有标明出处者，最少扣5分。
3、论文要用A4打印稿。页边距：上、下、左、右各2.5cm，正文用5号宋体，行距固定值20磅。
四、评分标准：
1、90分及以上，要求选题有创意，论点有新意，论证材料翔实，论证过程严密，语言简洁流畅，引文出处正确，标点符号和字词出错率符合要求。
2、80-89分，论点公允，论证材料较翔实，论证过程严密。
3、70-79分，论点一般，论证材料较翔实，论证过程较充分。
4、60-69分，论点不明确，论证材料欠缺，论证过程较混乱。
5、60分以下，选题严重偏离课程，论点不明确，占有材料不足，语言表述不清晰，有缺课现象