谈镐生院士：历经三个世纪的力学

谈镐生院士：历经三个世纪的力学

作者：谈镐生（中国科学院院士）

开普勒，伽利略，牛顿

先行的科学为什么十七世纪以前没有真正的“科学”？我们先从这个话题说起。公元前三世纪，希腊文化曾经有过高度的发展，阿基米德（公元前287-312）的静力学, 欧几里得（公元前364-283）的几何学，都是杰出的科学先驱例子，但是最有影响的亚里士多德(公元前384-322)的动力学却是一些荒谬的唯心臆测。

由于亚里士多德在学术界的权威性，他的思想整整统治了西方经院学派达两千年之久，一直到十五世纪文艺复兴, 欧洲人思想上才逐渐得到解放。

这一段为时两千年的科学先驱时期的特点，其一是在天文学上虽然累积了大量观察结果，但由于托勒密（121-157）“地心说”的影响，天文现象被复杂化，披上了一件神秘的外衣；二则是由于亚里士多德唯心论断的影响，动力学始终在荒谬的臆测中打圈子。

所以，可以说，“科学时代”的开始, 实际上是在十七世纪，这主要是从三个方面来说的，也就是古老的天文学，力学和数学的质变性飞跃。具体来说, 是由凯普勒（1571-1630），伽利略（1564-1642）和牛顿（1642-1727）开始的，尤其是牛顿，他为科学打下了坚实的基础，从此千帆竞发，山花烂漫，写出了三百多年的辉煌科学发展史。

十八世纪的力学

十八世纪力学的主要发展，在于把牛顿的力学体系，向深度和广度两方面推进：1.拉格朗日（1736-1813）通过引进广义坐标，在牛顿力学的基础上，建立了“分析力学” ，解决了多质点系统运动的问题，引进了拉格朗日函数并推导了有名的拉格朗日方程组。2.力学和具体物性的结合：在固体方面，欧拉（1707-1783）发展了刚体运动，固体弹性和稳定性方面的研究。

在流体方面，欧拉，拉格朗日，达朗贝和伯努利等发展了理想流体动力学。

十九世纪的力学十九世纪是古典力学发展的高潮，这期间是牛顿力学体系的黄金时代，在向广度和深度的推进上，都出现了飞跃性的发展，其中占主要地位的有四个方面：1.分析力学—汉密尔顿的原理，函数和方程。2.统计力学—麦克斯韦和玻尔兹曼的分子运动论，吉布斯的统计力学。3.流体力学—纳维一斯托克斯方程，凯尔文和赫姆霍兹的环流守恒定理。

4.电动力学—麦克斯韦的电磁方程和电磁波理论。从力学体系本身来评价，以上四个方面的发展，各有其特点和重要性，无可轩轾。

二十世纪——新力学的兴起二十世纪初期，在两个新兴力学诞生的同时，古典流体力学方面也出现了一个飞跃，这就是普朗特的“边界层理论”。按照赫姆霍兹的结论，飞机是不可能飞起的，但莱特兄弟的飞机最终却离开了地面。这时候，究竟是闭眼不承认现实呢，还是丢弃完美发展了的理想流体力学呢？

普朗特指出，空气的粘性作用，被局限在翼面附近一个薄薄的边界层之内，由于边界层中出现分离流造成了“绕翼旋流”，同时在起飞点留下了一个“起始涡旋”，机翼带走的是一个相等反向的“随翼涡旋” ，两者之间则由“曳行涡旋”连接形成了闭合涡环，随之就产生了升力。这个直观的理论，一举解决了流体力学的危机，解释了飞行的现实，又挽救了完美发展的理想流体力学。

新兴力学

新兴力学其实是两门力学的总称，这两门力学就是描述微观世界物质运动规律的量子力学，和描述宏观世界或高速运动物质运动规律的相对论力学。在形式上，它们和古典力学截然不同，但当两者趋于常规状态时，都自动向古典牛顿力学转化，这就是由玻尔提出的有名的“对应准则”。和古典力学相比，两者都需要用远较复杂的数学工具表达。量子力学用抽象的函数空间（希尔伯特空间）表述，相对论力学用抽象的几何空间（黎曼空间）表述。