基本介紹

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是英國(guó)物理學(xué)家艾薩克·牛頓創(chuàng)作的物理學(xué)哲學(xué)著作，1687年首次出版。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是牛頓重要的物理學(xué)哲學(xué)著作。全書(shū)分為三卷，第一卷“論物體的運(yùn)動(dòng)”，表述了牛頓三定律；第二卷也是“論物體的運(yùn)動(dòng)”，論述了阻力下物體的運(yùn)動(dòng)，為流體力學(xué)開(kāi)先河；第三卷“論宇宙的系統(tǒng)”，討論了宇宙系統(tǒng)。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》總結(jié)了近代天體力學(xué)和地面力學(xué)的成就，為經(jīng)典力學(xué)規(guī)定了一套基本概念，提出了力學(xué)的三大定律和萬(wàn)有引力定律，從而使經(jīng)典力學(xué)成為一個(gè)完整的理論體系。該書(shū)意味著經(jīng)典力學(xué)的成熟，其中所建立的經(jīng)典力學(xué)的理論體系成為近代科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)尺度。

內(nèi)容介紹

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的宗旨是從各種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中探究自然力，再用這些力來(lái)解釋自然現(xiàn)象。貫穿全書(shū)始終的核心內(nèi)容，是三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律。全書(shū)共分五部分，第一部分是寫在正文前面的一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的“說(shuō)明”，對(duì)書(shū)中用到的一些概念，諸如力、天體、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)的量等給出了定義和必要的說(shuō)明；第二部分是“公理或運(yùn)動(dòng)的定律”，詳細(xì)介紹了物體運(yùn)動(dòng)的三大定律：慣性定律、力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的定律、作用和反作用的定律；第三部分為該書(shū)的第一卷，討論了物體在無(wú)阻力的自由空間中的運(yùn)動(dòng)；第四部分為該書(shū)的第二卷，對(duì)比了不同物體在阻滯介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，得出阻力大小與物體速度的一次及二次方成正比的計(jì)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(wèn)題；第五部分為該書(shū)的第三卷，它根據(jù)前四部分的論證，導(dǎo)出萬(wàn)有引力定律，并以大量的自然事實(shí)來(lái)說(shuō)明萬(wàn)有引力的存在，這些自然事實(shí)包括月球運(yùn)動(dòng)的偏差、海洋潮汐的大小變化、歲差的長(zhǎng)短不一等。

背景介紹

1684年，在牛頓想到了萬(wàn)有引力問(wèn)題之后大約過(guò)了20年，胡克、雷恩和哈雷等人舉行了一次研討會(huì)。在研討會(huì)上，“在距離的平方反比的力的作用下，物體的運(yùn)動(dòng)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(shuí)都沒(méi)能給出一個(gè)滿意的證明。再者，也沒(méi)有誰(shuí)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(gè)問(wèn)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(gè)問(wèn)題。以此為契機(jī)，在哈雷的鼓動(dòng)下，牛頓將他在同一問(wèn)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》。

作者介紹

艾薩克·牛頓（1643—1727），英國(guó)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(gè)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(guò)改進(jìn)的反射望遠(yuǎn)鏡獻(xiàn)給了皇家學(xué)會(huì)，因此名聲大振，并被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)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(guó)會(huì)中的大學(xué)代表。晚年的牛頓開(kāi)始致力于對(duì)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。

鑒賞評(píng)價(jià)

作品思想

牛頓三大定律

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(gè)假設(shè)實(shí)驗(yàn)：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(dòng)的定律”部分，牛頓提出了并論述了“運(yùn)動(dòng)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(gè)物體繼續(xù)保持其靜止或沿一直線作等速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有力加于其上，迫使它改變這種狀態(tài)。”第二定律為：“運(yùn)動(dòng)的改變和所加的動(dòng)力成正比，并且發(fā)生在所加的力的那個(gè)直線方向上。”第三定律，也叫作用和反作用定律：“每一個(gè)作用總是有一個(gè)相等的反作用和它對(duì)抗；或者說(shuō)，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(duì)方。”牛頓的運(yùn)動(dòng)定律，是他對(duì)物理學(xué)的一項(xiàng)貢獻(xiàn)。

論物體的運(yùn)動(dòng)

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第一卷“論物體的運(yùn)動(dòng)”。在這一卷里，牛頓闡述了物體運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)輔助定理說(shuō)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(kāi)宗明義地宣稱：“由于古人認(rèn)為在研究自然事物時(shí)力學(xué)最為重要，而今人則舍棄其實(shí)體形狀和隱蔽性質(zhì)而力圖以數(shù)學(xué)定律說(shuō)明自然現(xiàn)象，因此我在這本書(shū)中，也致力于用數(shù)學(xué)來(lái)探討有關(guān)的哲學(xué)問(wèn)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(shū)中，都體現(xiàn)了牛頓的這個(gè)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(gè)宇宙。其中一個(gè)最輝煌的戰(zhàn)果就是萬(wàn)有引力定律。牛頓經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)論證，得出結(jié)論：“萬(wàn)物彼此都吸引著；這個(gè)引力的大小與各個(gè)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。”這就是“萬(wàn)有引力定律”。牛頓運(yùn)用萬(wàn)有引力定律，不僅解釋了已有的理論已經(jīng)說(shuō)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(shuō)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(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)三定律。更難得的是，它還預(yù)見(jiàn)了新的尚未發(fā)現(xiàn)的天文現(xiàn)象，包括后來(lái)證實(shí)的天王星的存在。牛頓還引入了絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)”，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(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，并涉及聲學(xué)的研究。牛頓有力地批駁了當(dāng)時(shí)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(dòng)的行星不可能符合開(kāi)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(shí)和足以解釋其現(xiàn)象者”，以及“對(duì)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(wàn)物的普遍屬性。這反映出牛頓深信宇宙萬(wàn)物是按簡(jiǎn)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(yáng)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(duì)木星和土星的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)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(shí)對(duì)月球運(yùn)動(dòng)最為詳盡的解釋。他對(duì)地球的形狀做了精確的計(jì)算。牛頓根據(jù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(duì)已有的大量彗星資料和觀測(cè)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(yáng)之間。他得出結(jié)論道，彗星與普通行星并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，這不過(guò)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。

后世影響

《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?yàn)槿藗儗⒃擉w系成功地運(yùn)用于對(duì)天體運(yùn)動(dòng)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?cè)趯?duì)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(wèn)題，另一方面又有著人們長(zhǎng)期的技術(shù)實(shí)踐所積累起來(lái)的豐富經(jīng)驗(yàn)。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(wèn)題的解決奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)又為人們深化對(duì)自然的認(rèn)識(shí)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(duì)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(gè)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17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(guó)工業(yè)革命，在法國(guó)誘發(fā)了啟蒙運(yùn)動(dòng)和大革命，在社會(huì)生產(chǎn)力和基本社會(huì)制度兩方面都有直接而豐富的成果。

2020年4月，列入《教育部基礎(chǔ)教育課程教材發(fā)展中心 中小學(xué)生閱讀指導(dǎo)目錄（2020年版）》。