自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理（1687年牛頓創(chuàng)作的物理學(xué)著作）
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《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是物理學(xué)哲學(xué)著作，由英國物理學(xué)家艾薩克·牛頓創(chuàng)作于1687年。這本書是牛頓的經(jīng)典力學(xué)著作，被認(rèn)為是物理學(xué)史上的里程碑之一。書中提出了牛頓三定律，以及他對力和運(yùn)動的研究，包括物體運(yùn)動、重力、萬有引力、慣性等概念。這些理論對后來物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，被廣泛運(yùn)用于宇宙學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。 牛頓在這本著作中展示了如何使用數(shù)學(xué)語言和公式描述自然現(xiàn)象，并強(qiáng)調(diào)了數(shù)學(xué)在物理學(xué)中的重要性。他的這種方法不僅改變了人們對自然界的看法，也推動了數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的發(fā)展。因此，《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》被視為現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，是物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)等學(xué)科的重要參考著作。自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理
1687年牛頓創(chuàng)作的物理學(xué)著作
內(nèi)容簡介
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的宗旨是從各種運(yùn)動現(xiàn)象中探究自然力，再用這些力來解釋自然現(xiàn)象。貫穿全書始終的核心內(nèi)容，是三大運(yùn)動定律和萬有引力定律。全書共分五部分，第一部分是寫在正文前面的一個長長的“說明”，對書中用到的一些概念，諸如力、天體、力學(xué)、運(yùn)動、物質(zhì)的量等給出了定義和必要的說明；第二部分是“公理或運(yùn)動的定律”，詳細(xì)介紹了物體運(yùn)動的三大定律：慣性定律、力和運(yùn)動關(guān)系的定律、作用和反作用的定律；第三部分為該書的第一卷，討論了物體在無阻力的自由空間中的運(yùn)動；第四部分為該書的第二卷，對比了不同物體在阻滯介質(zhì)中的運(yùn)動，得出阻力大小與物體速度的一次及二次方成正比的計算公式，還討論了氣體的彈性和可壓縮性，以及聲音在空氣中的速度等問題；第五部分為該書的第三卷，它根據(jù)前四部分的論證，導(dǎo)出萬有引力定律，并以大量的自然事實來說明萬有引力的存在，這些自然事實包括月球運(yùn)動的偏差、海洋潮汐的大小變化、歲差的長短不一等。
作品目錄
定義 |
公理或運(yùn)動的定律 |
第一卷 論物體的運(yùn)動 |
第一章 論用于此后證明的最初比和最終比方法 |
第二章 論求向心 |
第四章 論由給定的焦點(diǎn)，求橢圓形、拋物線形和雙曲線形軌道 |
第五章 論當(dāng)焦點(diǎn)未被給定時求軌道 |
第六章 論在給定的軌道上求運(yùn)動 |
第七章 論物體的直線上升和下降 |
第八章 論求軌道，物體在任意種類的向心力推動下在其上運(yùn)行 |
第九章 論物體在運(yùn)動著的軌道上的運(yùn)動及拱點(diǎn)的運(yùn)動 |
第十章 論物體在給定表面上的運(yùn)動及擺的往復(fù)運(yùn)動 |
第十一章 論以向心力互相趨向的物體的運(yùn)動 |
第十二章 論非球形物體的吸引力 |
第十三章 論極小物體的運(yùn)動，它受到趨向任何大物體的各個部分的向心力的推動 |
第二卷 論物體的運(yùn)動 |
第一章 論所受的阻礙按照速度之比的物體的運(yùn)動 |
第二章 論所受的阻礙按照速度的二次比的物體的運(yùn)動 |
第三章 論所受的阻礙部分地按照速度之比且部分地按照速度的二次比的物體的運(yùn)動 |
第四章 論物體在阻力介質(zhì)中的圓形運(yùn)動 |
第五章 論流體的密度和壓縮及流體靜力學(xué) |
第六章 論擺體的運(yùn)動和阻力 |
第八章 論通過流體傳播的運(yùn)動 |
第九章 論流體的圓形運(yùn)動 |
第三卷 論宇宙的系統(tǒng) |
研究哲學(xué)的規(guī)則 |
天象 |
命題 |
主題索引 |
注釋 |
創(chuàng)作背景
1684年，在牛頓想到了萬有引力問題之后大約過了20年，胡克、雷恩和哈雷等人舉行了一次研討會。在研討會上，“在距離的平方反比的力的作用下，物體的運(yùn)動軌跡將呈何種形狀”成為中心的議題。似乎一致的結(jié)論是軌道為橢圓形的，但卻誰都沒能給出一個滿意的證明。再者，也沒有誰能理解在此種力作用下的物體的相互作用樣式。哈雷想到或許牛頓可以解決這個問題。于是他拜訪了牛頓。結(jié)果是他看到牛頓已經(jīng)解決了這個問題。以此為契機(jī)，在哈雷的鼓動下，牛頓將他在同一問題上的研究成果整理后，于1687年出版了他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。
作品鑒賞
在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中有關(guān)“定義”的部分，牛頓提出了一個假設(shè)實驗：在高山之巔放射炮彈，炮力不足，炮彈飛了一陣便以弧形曲線下落地面。假如炮力足夠大，炮彈將繞地球面周行，這是向心力的表演。在“公理或運(yùn)動的定律”部分，牛頓了提出并論述了“運(yùn)動的定律”，也就是牛頓三大定律。其中第一定律，也叫慣性定律：“每個物體繼續(xù)保持其靜止或沿一直線作等速運(yùn)動的狀態(tài)，除非有力加于其上，迫使它改變這種狀態(tài)?！钡诙蔀椋骸斑\(yùn)動的改變和所加的動力成正比，并且發(fā)生在所加的力的那個直線方向上?！钡谌?，也叫作用和反作用定律：“每一個作用總是有一個相等的反作用和它對抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)相等，并且各自指向其對方?！迸ｎD的運(yùn)動定律，是他對物理學(xué)的一項貢獻(xiàn)。
論物體的運(yùn)動
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第一卷“論物體的運(yùn)動”。在這一卷里，牛頓闡述了物體運(yùn)動的基礎(chǔ)理論，并嚴(yán)密地證明了，在各種不同條件的引力作用下物體運(yùn)動的規(guī)律。也就是在這部分，牛頓第一次正式公布了他發(fā)明的微積分。牛頓用了若干個輔助定理說明極限的意義，導(dǎo)出微積分方法（即流數(shù)術(shù)和反流數(shù)術(shù)）。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的序言里，就開宗明義地宣稱：“由于古人認(rèn)為在研究自然事物時力學(xué)最為重要，而今人則舍棄其實體形狀和隱蔽性質(zhì)而力圖以數(shù)學(xué)定律說明自然現(xiàn)象，因此我在這本書中，也致力于用數(shù)學(xué)來探討有關(guān)的哲學(xué)問題。”在第一卷的證明中，牛頓就用了微積分這種新的分析方法。在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的全書中，都體現(xiàn)了牛頓的這個初衷。他將新的數(shù)學(xué)工具運(yùn)用于分析引力、潮汐、彗星、聲和光、流體阻力，乃至整個宇宙。其中一個最輝煌的戰(zhàn)果就是萬有引力定律。牛頓經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)論證，得出結(jié)論：“萬物彼此都吸引著；這個引力的大小與各個物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比例?！边@就是“萬有引力定律”。牛頓運(yùn)用萬有引力定律，不僅解釋了已有的理論已經(jīng)說明的現(xiàn)象，如伽利略發(fā)現(xiàn)的慣性定律和自由落體定律，而且能說明并解釋已有的理論不能解釋的現(xiàn)象，如圓滿地解釋了開普勒的行星運(yùn)動三定律。更難得的是，它還預(yù)見了新的尚未發(fā)現(xiàn)的天文現(xiàn)象，包括后來證實的天王星的存在。牛頓還引入了絕對時間、絕對空間和絕對運(yùn)動的觀念。
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第二卷“論物體的運(yùn)動”，為第一卷基本定律的具體運(yùn)用，闡述了物體在空或水中受到阻力時的運(yùn)動情況，并涉及聲學(xué)的研究。牛頓有力地批駁了當(dāng)時廣為流行的笛卡爾旋渦理論。牛頓明確指出，在旋禍中轉(zhuǎn)動的行星不可能符合開普勒定律。
論宇宙的系統(tǒng)
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第三卷的標(biāo)題為“論宇宙的系統(tǒng)”。在這一卷中，牛頓提出了四條“哲學(xué)中的推理規(guī)則”，強(qiáng)調(diào)“尋求自然事物的原因，不得超出真實和足以解釋其現(xiàn)象者”，以及“對于相同的自然現(xiàn)象，必須盡可能地尋求相同的原因”等，提出了萬物的普遍屬性。這反映出牛頓深信宇宙萬物是按簡單、和諧和統(tǒng)一的原則構(gòu)成的。牛頓的這四條推理規(guī)則，直到今天都是科學(xué)研究中所遵循的基本準(zhǔn)則。
接著，牛頓討論了太陽系的行星、月球和彗星的運(yùn)行，以及地球上海洋潮汐的成因。他還特別對木星和土星的衛(wèi)星運(yùn)動做了研究，指出它們嚴(yán)格遵循平方反比定律。牛頓運(yùn)用月球引力作用，成功地解釋了海洋潮汐現(xiàn)象。這是當(dāng)時對月球運(yùn)動最為詳盡的解釋。他對地球的形狀做了精確的計算。牛頓根據(jù)幾個實驗數(shù)據(jù)分析指出，地球在南北極比赤道處要扁平些，這是由于地球自轉(zhuǎn)造成的。這同笛卡爾學(xué)說的觀點(diǎn)恰好相反。在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第三卷中，還有關(guān)于彗星的理論。牛頓對已有的大量彗星資料和觀測記錄做了分析，論證了平方反比關(guān)系也適合于彗星和太陽之間。他得出結(jié)論道，彗星與普通行星并沒有本質(zhì)區(qū)別，這不過比它的軌道偏心率大得多而已，這種扁橢圓軌道很接近拋物線。
作品影響
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓所提出的一整套力學(xué)體系為日后力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。也因為人們將該體系成功地運(yùn)用于對天體運(yùn)動的討論。在17世紀(jì)力學(xué)發(fā)展的背景當(dāng)中，一方面有著學(xué)者們在對舊理論所進(jìn)行的批判和反思當(dāng)中提出的一系列富有挑戰(zhàn)性的問題，另一方面又有著人們長期的技術(shù)實踐所積累起來的豐富經(jīng)驗。在正在興起的工業(yè)中，牛頓體系的完成同樣也意味著上述歷史上的學(xué)者和工匠傳統(tǒng)的結(jié)合。這一結(jié)合，為日后技術(shù)問題的解決奠定了基礎(chǔ)，同時又為人們深化對自然的認(rèn)識提供了有力的武器。1842年，海王星的發(fā)現(xiàn)使牛頓的理論威名大振，而光學(xué)、電磁學(xué)、原子、分子的結(jié)合等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，又進(jìn)一步拓展了牛頓力學(xué)的適用范圍。而在哲學(xué)上，牛頓力學(xué)對日后機(jī)械自然觀的形成也產(chǎn)生了影響。
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是人類掌握的第一個完整的科學(xué)的宇宙論和科學(xué)理論體系，其影響所及遍布經(jīng)典自然科學(xué)的所有領(lǐng)域。《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)和哲學(xué)等領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大影響。
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》標(biāo)志著世紀(jì)科學(xué)革命的頂點(diǎn)，就人類文明史而言，它為工業(yè)革命奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，成就了英國工業(yè)革命，在法國誘發(fā)了啟蒙運(yùn)動和大革命，在社會生產(chǎn)力和基本社會制度兩方面都有直接而豐富的成果。
作者簡介
艾薩克·牛頓（1643—1727），英國科學(xué)家。牛頓出生在英格蘭林肯郡小鎮(zhèn)沃爾索浦的一個自耕農(nóng)家庭里。1661年，19歲的牛頓以減費(fèi)生的身份進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院，1665年獲學(xué)士學(xué)位。1667年，26歲的牛頓晉升為數(shù)學(xué)教授，并擔(dān)任盧卡斯講座的教授。1668年，牛頓制成了第一架反射望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)。1671年，牛頓把經(jīng)過改進(jìn)的反射望遠(yuǎn)鏡獻(xiàn)給了皇家學(xué)會，因此名聲大振，并被選為皇家學(xué)會會員。隨著科學(xué)聲譽(yù)的提高，牛頓的政治地位也得到了提升。1689年，他被選為國會中的大學(xué)代表。晚年的牛頓開始致力于對神學(xué)的研究，他否定哲學(xué)的指導(dǎo)作用，埋頭于寫以神學(xué)為題材的著作。1727年3月20日，艾薩克·牛頓逝世，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。
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作者
