牛顿《自然哲学之数学原理》研读
-
牛顿《自然哲学之数学原理》研读
——中央党校哲学部第十九届奇思论坛综述
朱辉宇
2011
年
10
月
18
日,哲学部第十九届奇思哲学论坛暨第八次“经典著<
/p>
作研读”活动于西四会议室举行。科技哲学教研室主任王克迪教授结合
精美的课件,作了“牛顿《自然哲学之数学原理》研读”的主题报告,
全面介绍了牛
顿的生平和创作经历,
系统阐述了
《自然哲学之数学原理》
p>
的总体框架和基本内容。
一、《自然哲学之数学原理》(以下称《原理》)的逻辑体系
王克迪教授指出,牛顿的《原理》大致上是仿照古希腊欧几里德的
《几何原本》来布局的。全书从基本的定义开始,再给出几条推理规则
(运动定律),
经过一系列的推理和演算,得到一些普适的结论,再把
这些结论应用到实际中与实验或观
测数据相对照。
《原理》一开始就是“定义”和“运动的公理
或定律”。其中“定
义”部分共有
8
条
,在随后的附注中又补充了
4
对十分重要的定义。第一
个定义是“物质的量”,也就是我们今天所说的“质量”。在当代物理
学
中,质量是一个最基本的物理概念,但在牛顿时代,这一点还没有得
到公认,也没有国际
公认的质量标准和统一单位制,因此牛顿利用物体
的密度和体积来决定物质的量,这与我
们今天的做法正好相反,我们用
质量和体积来定义密度。第二个是牛顿定义的“运动的量
”,即质量与
速度的乘积,就是我们熟知的动量。第三个是物体的惯性,表述物体保
p>
持其已有运动的大小和方向的本领(当物体不受其他外力作用时)。伽
利略已经知道物体的惯性,今天我们知道,物体的惯性与它的质量是相
等的。随后牛顿
定义了外力、向心力及其度量,然后是向心加速度和向
心运动量的定义。
引起后世人们广泛讨论的是牛顿在附注中所作的
4<
/p>
条补充定义,分
别是绝对时间和相对时间、绝对空间和相对空间、
绝对处所和相对处所
以及绝对运动和相对运动等
4
对范畴,其中后两对是派生概念,而前两
对十分重要。绝对时间和绝对空间是
牛顿力学的基本框架和标志性概
念,由此引伸出后来的宇宙在时间和空间上的无限概念。
这些概念总的来说是我们今天所熟知的,但在当时,正如牛顿
所指
出的,是“鲜为人知的术语”。应该说,牛顿写下的定义,是过去
< br>300
年来所有大科学家、
哲学家、
思想家们寻找灵感的地方,
值得认真研读、
思考。
紧接着定义部分,就是“运动的公理或定律”。在这里,牛顿给出
p>
了每一个中学生都能倒背如流的极为著名的“力学三定律”。可以看
到,牛顿对力学三定律的叙述与我们今天的表述几乎完全一样,反映出
牛顿对有关问题的
思考极为成熟,经得起时间的长期考验。
随后牛顿就三定律做
出了
6
条推论,讨论了力的分解与合成,以及
< br>由此而产生的运动的分解与合成。其中值得注意的是牛顿关于多个物体
的公共重心
所作的讨论,牛顿的公共重心相当于我们今天所说的质量中
心。这一概念的使用,在以后
讨论天体的运动时有着重要意义,也反映
出牛顿从复杂现象中抽象出简单的有代表性的现
象的能力。
二、《原理》的基本框架和内容
王克迪教授分四个部分详述了《原理》的基本框架和内容:
(一)《第一编》
《第一编》共有<
/p>
14
章内容。值得注意的是,牛顿在专门引入数学工
具时,使用的是“引理”,而在论述本书正题时,使用的是“命题”。
引理与
命题都在必要的时候加入推论和附注。
牛顿在第一章首先引入
极限概念、求极限的方法,引入无穷小概念
和求曲线包围的面积以及求曲线的切线的方法
。这一章中的
11
条引理是
牛顿能够成
就《原理》所依赖的最重要的数学手段之一,几乎全是牛顿
自己的发明。第二章论述根据
物体的运动轨迹(轨道)来求该物体所受
到的向心力。这里,牛顿做出的是最一般化的讨
论,曲线的形状包括正
圆、椭圆、双曲线、螺旋线、抛物线等,物体到指定向心力中心的
力与
距离的关系则又有多种情况。在随后的第三、四、五章中,牛顿进一步
详尽考察了物体沿圆锥曲线运动时的有关问题,包括向心力的规律(反
比于距
离的平方)、确定曲线形状等。第六、七两章是求解已知轨道上
物体的运动,相当于我们
熟知的由已知方程求解。其中第七章是“物体
的直线上升或下降”,
把伽利略的自由落体运动定律推广到最一般的情
形。由前面几章的铺垫,牛顿就可以
在随后的几章里运用力和运动的合
成与分解方法,讨论抛体运动、摆体运动、和物体沿轨
道运动时的回归
点运动,以及其他受二种以上力的物体的运动。第十一章“受向心力作<
/p>
用物体的相互吸引运动”是整个第一编的高潮,其中的命题第
66
是整部
《原理》中最长的一个,它讨论了
3
个相互间都有吸引力作用的物体的
复杂的相互运动关系,推
论多达
22
个,几乎讨论了地面物体的运动、各
种天体的运动、天体轨道的运动、潮汐运动等所有形式,差不多可以认
为它就是
一部浓缩的《原理》。但是,这一命题所讨论的还不是严格的
三体问题,对三体问题的正
式讨论出现在第三编的命题
22
。第十二章中
< br>再次出现了极为重要的内容。这一章的标题是“球体的吸引力”。在命
题
76
推论
3
和
4
中,我们看到了今天尽人皆知的万有引力定律的文字表
述。这一定律还将在随后的论述中多次出现,全书最后的总释中也以更
加标准的
形式加以表述。第十三章中,牛顿把由典型的球形物体得出的
引力规律进一步推广到一般
的非球形物体。
第一编的最后一章也是值得
注意并且十分有趣的
。
牛顿讨论“受指向极大物体各部分的向心力推动
的极小物体的
运动”,在这里,极大物体指的实际上是具有平行平面的
光学介质,而极小物体指的是光
线。牛顿认为,光的本性是极其微小的
颗粒,这些微小颗粒受力学规律的支配。这就是在
历史上一度产生巨大
影响的光的本性的“微粒说”。
《原理》的第一编的篇幅巨大,总页数在
200
页以上,它具备了牛
顿力学的全部主要内容,包括基本定义、力学三定律和万有引力定律
、
求极限和无穷小数学手段、
物体的各种运动形式、
物体的各种受力情况、
各种运动轨道与受力的关系,甚至还涉及到光的传播
、海洋潮汐运动等
等。正如有大学者所评论的,即使《原理》没有完整出版,仅仅凭着这
第一编,就足以使牛顿成为有史以来最伟大的人物。
(二)《第二编》
《第二编》主要是
属于第一编的应用部分,牛顿给它的标题与第一
编几乎相同,叫做“物体(在阻滞介质中
)的运动”。这一部分中虽然
没有第一编中那么多君临天下的大规则、大定义,但却也推
导出许多重
要的具体结论,读起来常常令人顿生“原来如此”的感慨。
< br>
其中,值得特别指出的成果有:一是,牛顿在引理
2<
/p>
中介绍了他发
明的求微分或导数的方法,即牛顿流数法。二是,牛
顿演示了在求解极
为复杂的问题时,可以采用近似求解的方法。在命题
< br>10
中,牛顿具体演
示了求解抛体在阻滞介质(空气)中
的运动时,用双曲线来近似替代更
为复杂的抛物线的方法求解。他甚至还就这种方法给出
了
8
条规则。三
是,牛顿通过严格的数
学推导和大量的实验数据演示了怎样通过在介质
(如水、空气)中的摆体的运动来求出介
质的阻力(见第六章,命题
24
—
31
)。四是,在第八章,牛顿通过设想流体由流体粒子所组成,推