第五讲近代科学的诞生第一次科学革命（1543~1755）概述一、第一次科学革命大事记1543年，哥白尼《天体运行论》出版，提出了日心说；维萨留斯出版了《人体的构造》。

1583和1590年，伽俐略先后发现摆的等时性和落体定律，晚年在监禁中完成两大“对话”。

1599年，开普勒于1609年到1619年间，发表行星运动三定律。

1628年，哈维出版《心血循环运动论》，阐述了血液循环原理，标志着人体血液循环理论的建立。

1666年和1676年，牛顿和莱布尼茨先后各自独立创立微积分。

1687年，牛顿的主要代表作《自然哲学的数学原理》出版，完成了自然科学理论上的第一次大综合。

1738年，伯努利（1700-1782）出版《流体力学》，给出了流体力学中著名的伯努利方程。

1744年，莫泊图（1698-1759年）的《自然规律的一致性》、欧拉（1707-1782）的《求极大极小的方法》，均提出最小作用原理。

1743年，达朗贝尔（1717-1783）发表《力学原理》。

1748年，欧拉发表《无限解析概论》，从数学上完善了经典力学，发展为分析力学，为力学的广泛应用创造了理论前提。

二、第一次科学革命的特点1、近代科学作为一种革命力量，在血与火的洗礼中走上历史舞台，争得了崇高的社会地位。

科学成为新兴资产阶级反封建的革命力量，科学精神成为支撑资本主义社会的强大力量。

2、近代科学作为一种实验科学，在实验和理性认识的基础上实现科学理论体系的第一次变革。

A、开始形成了新的科学传统B、产生了近代自然科学的方法论C、将尽可能排斥目的论解释方法3、近代科学作为一种社会建制，率先在欧洲国家确立起来，开创了科学社会化的发展道路。

第一节哥白尼革命一、哥白尼革命1、哥白尼生平哥白尼（Nicolas Copernicus 1473—1543），生于波兰托伦市一个富裕家庭。

10岁丧父，由兼任主教的叔父抚养。

18岁时就读于波兰旧都的克拉克大学学医学，其间对天文学产生了兴趣。

1496年哥白尼来到意大利，在博洛尼亚大学和帕多瓦大学攻读法律、医学和神学，博洛尼亚大学的天文学家徳·诺瓦拉（de Novara，1454—1540）对哥白尼影响极大，在他那里学到了天文观测技术以及希腊的天文学理论。

后来获得宗教法博士学位。

1505年哥白尼返回波兰，在弗隆堡大教堂任职当一名教士，他的巨著是在业余时间完成的。

在意大利期间，哥白尼就熟悉了古希腊哲学家的学说，确信地球和其他行星都围绕太阳运转这个日心说是正确的。

哥白尼经过长年的观察和计算终于完成了他的伟大著作《天球运行论》。

哥白尼把它的日心说写成匿名的小册子，即《要释》，于1514年以后在专业天文学家中间流传，哥白尼将他的书献给教皇保罗三世，一位较年轻的德国天文学家也是哥白尼门徒的雷蒂库斯（Rheticus）看到了哥白尼的手稿，并做了一个摘要于1540年先行出版。

哥白尼是在他的观点事实上公开以后，才同意公开出版的。

《天体运行论》于1543年5月问世，哥白尼就在看到他的书的当天去世。

2、哥白尼提出日心说的主要原因：其一，托勒密体系越来越复杂。

该体系用均轮—本轮说解释行星运动。

在以后的许多世纪里，观测资料越来越多，只用托勒密的“本轮”不足以解释天体的运行，这就需要增添数量越来越多的“本轮”。

到了哥白尼时代，轮子数已达80多个。

大大背离了毕达哥拉斯派的柏拉图主义所追求的数学上的简单性和完美性。

其二，航海事业的发展，对于精确天文历表的需要越来越迫切。

而一直依据地心说制定的儒略历，随着时间的推移，误差越来越大。

到1582年罗马教皇格里高利十三世宣布改革历法时，日期已经比实际上多了10天（儒略历以365 . 25天为一年，比实际回归年要长0 . 0078天，新历与旧历区别有二：一是去掉了10天，将公元1582年10月5日直接变成15日；二是逢百之年只有被400整除才算闰年）。

哥白尼曾经说过，“敢于想到地球运动”就是因为“地球中心说”不能解释或正确测算回归年的固定长度。

哥白尼的老师诺瓦拉就批评托勒密体系太繁琐，不符合数学和谐的原理。

哥白尼致力于从数学的美学角度重建新的宇宙体系。

按照他们的看法，智慧绝伦的上帝创造的宇宙结构和天体间的秩序，一定具有赏心悦目的简单性和和谐的系统性，因此也一定用简单、协调、优美的几何图形表示出来。

可是，托勒密的宇宙结构太复杂，不能正确地说明简单而有秩序的天体结构，埋没了上帝的智慧；当时的哲学家们也“不能对造物主为我们的美好而有秩序的宇宙机构提出正确的理论”，为此他“感到气愤”，决心对天文学进行根本的改革。

哥白尼批评托勒密体系：“他们家像这样一种艺术家：要画一张人像，从不同的模特身上临摹了手、脚、头和其他部位，然后不成比例地凑合在一起，尽管每个部位都画得极好，结果却很不协调，画出来的不是一个人，而是一个怪物。

”3、哥白尼的新柏拉图主义思想哥白尼在思想上倾向于毕达哥拉斯派，认为天体应该有简单完美的运动，也应该有简单完美的数学描述。

在哥白尼看来，托勒密体系在这一点上还不能算“合格”。

所以他想到如果宇宙的中心是太阳而不是地球，那么对天体运行的理解和描述就可能会简单得多。

哥白尼抛弃了托勒密体系中的均衡点概念，因为那其实是在空间任意设置的数学点，是假象天文学家站在那里可以观测天体的匀速圆周运动，依靠均衡点得到的轨道运动的均匀性是一种假设，实际上就意味着行星运动的速度并不一致。

哥白尼认为，存在着更好的方法，可以使匀速圆周运动和古代的传统更好地统一起来。

哥白尼从罗马诗人维吉尔的名句“我们离港向前航行，陆地和城市后退了”中悟出了运动相对性的道理，他明确认为，假定地球在运动，地球上的人就会感到地球外物体向相反方向运动。

再把太阳看作是上帝存在和超越其他宇宙天体的象征，因为太阳的“稳定比运动更高贵、更神圣”。

太阳位于中央，在这个辉煌无比的殿堂里，它放射的光芒能够同时普照万物，难道还能够把它放在什么另外更好的位置上吗？太阳被称为宇宙之灯、宇宙之心、宇宙的主宰……俨然高踞于王位之上，君临着围绕着它的群星。

4、哥白尼日心说的主要内容哥白尼采用欧几里得几何学的方式，用几条不多的公理假设了日心说，然后在所假定的条件下推导关于行星运动的定理。

他认为，太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳转动，地球不是宇宙的中心，而是一颗普通行星。

地心说中表现出的行星围绕地球运动的一年周期，其实是地球每年绕太阳公转一周的反映。

日心说体系的另一些内容是：※水星、金星、火星、木星、土星和地球一样，都在圆形轨道上匀速率地绕着太阳公转。

（公转周期：水星，88天；金星，9个月；火星，2年；木星，12年；土星，20年。

）※月球是地球的卫星，它在以地球为中心的圆轨道上每月绕地球转一周，并随地球绕太阳公转（因为没有观察到月球的逆行）。

※地球每天自转一周，天穹实际上不转动，只是由于地球的自转才是我们看到了日月星辰每天东升西落的现象。

※恒星和太阳间的距离十分遥远，比日地间的距离要大得多。

哥白尼认为，所有的行星并不是在虚空或在自由空间环绕太阳运行，它们其实都是嵌埋在传统天文学所说的水晶球里。

《天球运行论》所说的天球，就是指携带着这些行星运动的水晶球。

※哥白尼在这里遇到了大难题。

如果地球是被一个固态的水晶球携带着环绕太阳运行，那么，地球的南北轴线就不可能始终变成不变的23.5 °的倾角而对准北极星，而且，那样一来，就不会有四季的变化。

哥白尼为了坚持地球是被水晶球携带着运动这一观点，不得不在假定地球的轴线在作“圆锥”运动。

这样就可以让地球始终对准天上一点，以此解释四季的变化。

不仅如此，哥白尼还让地球的第三种运动比公转周期稍微长一点，以此解释岁差现象。

5、哥白尼日心说的优越性1）日心体系的简单性首先表现在用它来说明行星的留和逆行，而这个问题用地心说体系来解释一直是矛盾重重。

在哥白尼的体系中，行星的留和逆行只是一种视觉现象，是地球和所观测的行星在恒星背景上作相对运动的结果。

采用日心说，困扰了天文学达2000年之久的行星的留和逆行一下子得以解决。

2）日心体系的优越性还体现在解释了水星和金星为什么绝不会离开太阳太远，即它们偏离太阳的角距离各自不会超过28°和48°。

在托勒密体系中是把这种现象作为例外，解释得非常勉强。

而在哥白尼体系中，解释起来就非常自然，因为它们的运行轨道都在地球轨道的里面，所以它们在我们看来就总是不离太阳左右。

3）哥白尼还为行星排定了次序，根据观测到的各行星的位置，通过简单的几何推理，天文学家就可以推算出各个行星到太阳的相对距离和太阳系的相对大小。

哥白尼声称他的宇宙体系比托勒密体系优越，是因为他的体系更简单和完美。

这点在《天体运行论》的第一册中得到了淋漓尽致的体现。

但从第二册开始到第六册中的论述却在简单和完美性方面打了折扣。

哥白尼坚持有用古希腊的观点，认为天体作圆周运动。

这样为了与观察相温和，哥白尼不得不学托勒密的做法，使用小轮和偏心圆达34个之多（地球3个，月球4个，水星7个，金星、火星、木星和土星各5个）。

6、理论的困境按照当时的物理学和天文学知识还无法理解地球在运动这一事实。

哥白尼学说遭受着各种“合理”的责难。

※按照日心说，如果地球是在旋转的话，则会观察恒星视差问题。

但是当时没有被观测到，哥白尼解释为恒星离我们太遥远。

托勒密体系假定恒星球层确定在20000倍地球半径的距离，按照哥白尼的体系，则至少要把恒星球层确定在400000倍地球半径的距离，这对当时的天文学家来说是不可接受的。

※按照日心说，如果地球是在旋转的话，则竖直抛向空中的物体在降落下来之后不会落在原地，因为地球已经偏离了原来的位置，这个论点是有根据的，我们现在知道地球的自旋会产生所谓科里奥利动力；天文学家第谷则提出如果一颗炮弹顺着地球转动的方向发射的话，因为加上了地球旋转的动力，会落到更远的地方，这一点直到伽利略发现了惯性原理和相对性原理才得以解释清楚。

哥白尼用亚里斯多德的理论解释地球为什么会运动。

圆运动是球的本性，因此，地球按照其本性在作旋转；同时地球和其他行星一样，因为各自的水晶球在按其本性作固有的圆运动，才被携带着环绕太阳运行。

物质粒子会自然集聚为球形，所物体不是向宇宙的中心飞去，而是向下落到地上，那只不过是向着地球中心运动而已。

尽管地球同时作日运动和年运动，地上的物体却不会飞离而去，那是地上的物体都在随它们的大地母亲一起参加这两种圆周运动。

哥白尼去世后，日心说在天文学家中逐渐传播劳开来。

天文学家赖因霍尔德根据哥白尼的原理计算得到一套天文表，即普鲁士表，并于1551年发表。

正是根据这套新的天文表，1582年，权威当局实现了历法改革，制订了沿用至今的格列高利历。

7、成为禁书《天球运行论》附有一个并非由哥白尼所写的前言，说日心说未必是真实的情形，它只是提供了一个比较方便的有助于天文学家进行更精确计算的数学工具。