力学在人类历史发展中的作用

2017-07-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

力学学科在世界历史上起过很重要的作用。至少在以下三方面起过作用:

它是最早向权势即真理的真理观发起挑战,并且取得决定性胜利的学科

地心说就是罗马教会所要垄断的“真理”。他们对一切反对地心说的人加以迫害。力学学科特别是其中的动力学,就是在反对地心说发展日心说中逐渐成熟起来的。

在力学早期的发展中应当特别提到四本书。它们是:1543年出版的哥白尼的著作《天体运行论》,1632年出版的伽利略的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界观的对话》,1638年出版的伽利略的著作《关于两门新科学的对话》和1687年出版的牛顿的著作《自然哲学的数学原理》。这四本书就是力学走向成熟的奠基之作。

日心说战胜地心说,它的意义不仅是天文学上新思想的胜利,也不仅在科学上力学学科的成长和成熟。他是人类历史上真理观的一次革命。它宣告以往权势即是真理的破灭,宣告权势可以垄断真理的破产,宣告指鹿为马的把戏破产。它使中世纪以前傲慢的权势不得不向新兴的科学低头,它警告人们,不管他是多么有权势有地位,在科学面前必须持谦卑的态度。

随后,由于科学的不断进步(例如进化论学说对上帝造人学说的冲击)和人文精神的不断取得胜利,当人类进入19、20世纪,科学得到了空前的繁荣。权势即真理的专断愈来愈不得人心。所以才有罗马教廷对伽利略审判的平反。以至于基督教会也不得不办起了以科学为名的报纸。无论如何,由力学发起的对“权势即真理”的真理观的挑战,是代表历史进步的潮流的。这个潮流在中国,也就是五四运动之后兴起的民主与科学的思潮。顺之者昌、逆之者亡。

在我国几千年的历史上,很难找到科学真理战胜权势的胡说八道的案例。所以至今人们仍然有“官本位”和“官大一级压死人”的看法。少数力学家甚至堕落到为权势的瞎指挥做“科学论证”。所以坚持科学真理,不为权势所屈服,不阿权附势还是有现实意义的。

推动现代科学的发展,成为现代科学的领头羊

美国印第安纳大学科学史教授威斯特福尔(R.S. Westfall)在他所著的《近代科学的建构》一书的序言中,一开头就说:“有两个论题左右了17世纪的科学革命——一个是从几何意义上来观察自然,和将宇宙理解为按照数学的指令构造的毕达哥拉斯传统,另一个是力学哲学,把大自然理解为一个巨大的机器并且找寻隐藏于现象背后机械论的解释。”

力学学科的成熟与发展,大大改变了人类认识世界的面貌。首先,天文学进入了一个新时代。如果说在牛顿之前,研究天文学的主要工具是几何学,那么在牛顿之后,力学成为研究天文学的主要工具。

至于说到力学对于物理学的作用,请听爱因斯坦的话,爱因斯坦在《物理学与实在》中的一段话:“尽管我们今天确实知道古典力学不能用来作为统治全部物理学的基础,可是它在物理学中仍然占领着我们全部思想的中心。”他还说:“依我看,牛顿力学的最大成就,在于它的贯彻一致的应用已经超出了这种现象论的观点,特别是在热现象领域内。在气体运动论和一般的统计力学里,出现的就是这种情况。”爱因斯坦还说说:“牛顿的成就的重要性,并不限于为实际的力学科学创造了一个可用的和逻辑上令人满意的基础;而且直到19世纪末,它一直是理论物理学领域中每一个工作者的纲领。”

牛顿在《自然哲学的数学原理》的序言中说:“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。”

德国物理学家赫姆霍兹(Hermannvon Helmholtz,1821-1894)是能量守恒的发现者,原文叫做“论力的守恒”,他说“一切自然科学最后的目的,是把自己变成力学”,“只要把自然现象归结为简单的力这件事情完成了,并且证明了自然现象只能这样来归结,那么科学的任务将就此终结了。”

我们不是说自然科学是认识自然和理解自然吗。英国物理学家开尔文(William Thomson, 1st Baron Kelvin,1824-1907)说:“我的目标就是要证明,如何建造一个力学模型,这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中,都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前,我是永远也不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型,我就能理解它,否则我就不能理解。”

以上牛顿、赫姆霍兹和开尔文说的,都是一个意思。就是自然界的一切变化,希图都归结为力学。这种观点就是科学上的“还原论”的方法论,即将复杂的事物还原为简单的事物。机械运动既然是自然界最简单的运动形式,最后把各种运动形式还原为力学是很自然的了。这种方法论,在今天看来,并不能涵盖科学哲学中的一切方法,不过它毕竟是一种很重要的方法论。在这个意义上说,力学是一切自然科学的基础,是有一定道理的。

进入19世纪末和20世纪初,力学还引领人类在揭开大气、地质构造、化学化合与分解、生命现象等的秘密中发挥了越来越重要的作用。

所以可以说,力学是现代科学最早成熟的学科,也为现代各门科学的发展奠定了基础,它和数学一起成为人类认识自然的两大重要工具。这就是威斯特福尔在他的著作中表述的基本思想。

奠定了现代工程的基础

世界上,大学的工科教育起步很晚。大约只有二百五十年左右的历史。最早的工科教育当是法国成立于1745年的一所道桥学院。其后到1794年法国巴黎的综合工科学校诞生,工科教育逐渐成熟了起来。后来才有世界各国效法它成立的各种工科大学或工科系科。其中一个标志性的事件是巴黎综合工科学校两本基础课教材的出版。一本是1811年分两卷出版的泊松所著的《力学教程》,另一本是1826年出版的纳维所著的《力学在结构和机械方面的应用》。前一本奠定了理论力学的教学基础,而后一本奠定了材料力学的教学基础。实际上,作为材料力学主要内容的梁的理论,是直到纳维的这一本书才最后完成的。

早些,在没有工科教育的情况下,工程知识都是由师傅带学徒的方式相互传授。我们知道的18、19世纪的几位著名的工程师与发明家都是学徒出身。如改进蒸汽机的瓦特(1736-1819),纺织机的发明者英国人阿克赖特(1732-1792),蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿(1765-1815),蒸汽机车的发明者英国人斯梯文森(1781-1848)等,他们青少年时代都曾经当过修表学徒。只有在工科的基础课理论力学和材料力学基本成熟和定型后,工科教育的需要的最重要的基础知识体系才基本系统化定型,成批地培养工科人才才成为可能。所以可以说,现代工科教育,或者说,现代工程,是力学学科发展和成熟的直接成果。

从现代关于工程的定义也能够看出力学学科的作用。一位斯坦福大学电机工程教授斯密斯(RalphJ. Smith,1907-1997)说:“工程是最优地应用科学以自然资源来造福的艺术行业。”另一位叫林赛(S. E. Lindsay)的工程师在1920年说得更加明确,他说:“工程是安全与经济的实践,它采用服从科学定律的力和天然的材料,经过组织、设计、施工以满足人们的普遍利益。”

从这一点说,力学是工程的统帅,而不是工程的奴隶。伽利略和惠更斯研究的单摆,开启了后来整个钟表工业领域;瓦特应用离心调速器,是蒸汽机作为现代工业的动力成为可能。齐奥尔科夫斯基的变质量力学,奠定了宇航的基础。迄今,我们有的人还是有力学是工程的配角、力学要服务与工程的看法,这只是一方面的道理。历史告诉我们,力学不仅能够为工程服务,同时可以统帅工程,指引工程。力学对工程的这两方面的作用缺一不可。

归纳起来,力学的发展过程说明,它是最早向权势即真理的真理观发起挑战,并且取得决定性胜利的学科;它又是自然科学各门学科的共同基础,是人类认识自然界的有力工具;它还是现代工程技术的基础。

在关于力学学科的性质的问题上,我国学者一直有两种不同的观点,一种认为力学是基础学科(周培源、钱伟长、谈镐生),一种认为力学是工程技术学科(钱学森、张维)。回顾以上的论述,就会自然地看到他们看问题的侧重点是不同的,主张力学属于基础学科的,是看到力学在历史上发挥的上面三种作用;主张力学是工程技术学科的,则偏重于看到力学在历史上发挥的第三种作用。

还有一种看法,是认为力学是服务于工程的,这种看法,认为力学对工程只是丛属作用,这在1952年以前,中国的力学就一直是从属于工科教育的,没有独立的地位。只有在力学在我国成为独立的学科之后,这种看法的影响范围慢慢有所缩小。