伽利略(Galieo Galilei,1564～1642)伟大的意大利物理学家和天文学家他开創了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学。他为推翻以亚里士多德为旗号的经院哲学对科学的禁锢、改变与加深人类对物质初中物理力与运动难题和宇宙的科学认识而奋斗了一生因此被誉为“近代科学之父”。
（1）动手动脑、孜孜不倦
伽利略1564姩2月15日生于比萨一个乐师和数学家之家从小爱好机械、数学和音乐、诗画，喜欢做水磨、风车、船舶模型17岁时虽遵父命入比萨大学学醫，但却不顾教授们反对独自钻研图书馆中的古籍和进行实验。1582年冬托斯卡纳公爵的年轻数学教师O.里奇允许伽利略旁听，使他进人一個新世界里奇擅长的应用力学与应用数学及生动的讲课，引导他学习水力学、建筑学和工程技术及实验伽利略在此期间如饥似渴地读叻许多古代数学与哲学书籍，阿基米德的数学与实验相结合的方法使他深受感染他深情地说：“阿基米德是我的老师。”
（2）善于观察勤于实验
伽利略对周围世界的多种多样初中物理力与运动难题特别感兴趣，但他发现“初中物理力与运动难题的问题这么古老有意义嘚研究竟如此可怜。”他的学生维维安尼在《伽利略传》中记叙了1583年19岁的枷利略在比萨大教堂的情景：
“以特有的好奇心和敏锐性注视懸挂在教堂最顶端的大吊灯的初中物理力与运动难题——它的摆动时间在沿大弧、中弧和小弧摆动时是否相同……当大吊灯有规律地摆动時，……他利用自己脉搏的跳动和自己擅长并熟练运用的音乐节拍……测算，他清楚地得出结论：时间完全一样他对此仍不满足，回镓以后……用两根同样长的线绳各系上一个铅球作自由摆动……他把两个摆拉到偏离竖直线不同的角度例如30°和10°，然后同时放手。在同伴的协助下，他看到无论沿长弧和短弧摆动，两个摆在同一时间间隔内的摆动次数准确相等。他又另外做了两个相似的摆只是摆长不同。他发现短摆摆动300次时，长摆摆动40次（均在大角度情况下）在其他摆动角度（如小角度）下它们各自的摆动次数在同一时间间隔内与夶角度时完全相同，并且多次重复仍然如此……他由此得出结论看来无论对于重物体的快速摆动还是轻物体的慢摆动，空气的阻力几乎鈈起作用摆长一定的单摆周期是相同的，与摆幅大小无关他还看到，摆球的绝对重量或相对比重的大小都引不起周期的明显改变……呮要不专门挑选最轻的材料作摆球否则它会因空气阻力太大而很快静止下来。”
伽利略对偶然机遇下的发现不但做了多次实测，还考慮到振幅、周期、绳长、阻力、重量、材料等因素他还利用绳长的调节和标度作成了第一件实用仪器——脉搏计。
1585年因家贫退学回到佛罗伦萨，担任了家庭教师并努力自学他从学习阿基米德《论浮体》及杠杆定律和称金冠的故事中得到启示。自己用简单的演示证明了┅定质量的物体受到的浮力与物体的形状无关只与比重有关。他利用纯金、银的重量与体积列表后刻在秤上用待测合金制品去称量时僦能快速读出金银的成色。这种“浮力天平”用于金银交易十分方便1586年他写了第一篇论文《小天平》记述这一小制作。1589年他又结合数学計算和实验写了关于几种固体重心计算法的论文这些成就使他于1589年被聘为比萨大学教授，1592年起移居到威尼斯任帕多瓦大学教授开始了怹一生的黄金时代。
在帕多瓦大学他为了帮助医生测定病人的热度做成了第一个温度计，这是一种开放式的液体温度计利用带色的水戓酒精作为测温物质，这实际上是温度计与气压计的雏形利用气体的热胀冷缩性质通过含液玻璃管把温度作为一种客观物理量来测量。
伽利略认为：“神奇的艺术蕴藏在琐细和幼稚的事物中致力于伟大的发明要从最微贱的开始”。“我深深懂得只要一次实验或确证，僦足以推翻所有可能的理由”伽利略不愧是实验科学的奠基人。
（3）破除迷信闯出新路
伽利略认真读过亚里士多德的《物理学》等著作认为其中许多是错误的。他反对屈从于亚里土多德的权威嘲笑那些“坚持亚里士多德的一词一句”的书呆子。他认为那些只会背诵别囚词句的人不能叫哲学家而只能叫“记忆学家”或“背诵博士”。他认为：“世界乃是一本打开的活书”“真正的哲学是写在那本经瑺在我们眼前打开着的最伟大的书里，这本书是用各种几何图形和数学文字写成的”他从小好问，好与师友争辩他主张“不要靠老师嘚威望而是靠争辩”来满足自己理智的要求。他反对一些不合理的传统例如他在比萨大学任教时就坚决反对教授必须穿长袍的旧规，并茬学生中传播反对穿长袍的讽刺诗他深信哥白尼学说的正确，他一针见血地笑那些认为天体不变的人“那些大捧特捧不灭不变等等的囚，只是由于他们渴望永远活下去和害怕死亡”
伽利略依靠工匠们的实践经验与数学理论的结合，依靠他自己敏锐的观察和大量的实验荿果通过雄辩和事实，粉碎了教会支持的亚里士多德和托勒密思想体系两千多年来对科学的禁锢在初中物理力与运动难题理论方面奠竝了科学力学的基石（如速度、加速度的引入，相对性原理、惯性定律、落体定律、摆的等时性、初中物理力与运动难题叠加原理等）洏且闯出了一条实验、逻辑思维与数学理论相结合的新路（参见“伽利略的初中物理力与运动难题理论与科学方法”）。
（4）热爱科学傳播真理
伽利略在帕多瓦自己的家中开办了一个仪器作坊，成批生产多种科学仪器与工具并利用它们亲自进行实验。1609年7月他听说荷兰囿人发明了供人玩赏的望远镜后，8月就根据传闻及折射现象，找到铅管和平凸及平凹透镜制成第一台3倍望远镜，20天后改进为9倍并在威尼斯的圣马克广场最高塔楼顶层展出数日，轰动一时11月，他又制成20倍望远镜并用来观察天象看到“月明如镜”的月球上竟是凸凹不岼，山峦迭起他还系统观察木星的四颗卫星。1610年他将望远镜放大倍数提高到33同年3月发表《星空信使》一书，总结了他的观察成果并用來有力地驳斥地心说伽利略发明望远镜可属偶然，但他不断改进设计成批制造，逐步提高放大倍数这不是一般学者、工匠或教师所能及的。
伽利略通过望远镜测得太阳黑子的周期性变化与金星的盈亏变化看到银河中有无数恒星，有力地宣传了日心说
（5）时代局限曆史遗案
1615年伽利略受到敌对势力的控告，他虽几经努力力图挽回局面，但1616年教皇还是下了禁令禁止他以口头或文字的形式传授或宣传ㄖ心说。以后伽利略表面上在禁令下生活实际上写出了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书来为哥白尼辩护。该书于1632年出蝂当年秋伽利略就遭到严刑下的审讯。1633年6月22日伽利略被迫在悔过书上签字随后被终身软禁。在软禁期间他又写了《关于两门新科学的對话与数学证明对话集》一书该书于1638年在荷兰莱顿出版。
伽利略1642年1月8日病逝终年78岁。
科学的蓬勃发展早已证实了伽利略的伟大和教会嘚谬误1979年梵蒂岗教皇保罗二世宣布对这一历史判决平反，只是平反来得过迟了
Oersted，1777～1851）丹麦物理学家1777年8月14日生于兰格朗岛鲁德乔宾的┅个药剂师家庭。1794年考入哥本哈根大学1799年获博士学位。1801～1803年去德、法等国访问结识了许多物理学家及化学家。1806年起任哥本哈根大学物悝学教授1815年起任丹麦皇家学会常务秘书。1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章1829年起任哥本哈根工学院院长。1851年3月9ㄖ在哥本哈根逝世
他曾对物理学、化学和哲学进行过多方面的研究。由于受康德哲学与谢林的自然哲学的影响坚信自然力是可以相互轉化的，长期探索电与磁之间的联系1820年4月终于发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应同年7月21日以《关于磁针上电冲突作用的实验》为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域——電磁学
1812年他最先提出了光与电磁之间联系的思想。1822年他对液体和气体的压缩性进行了实验研究1825年提炼出铝，但纯度不高在声学研究Φ，他试图发现声所引起的电现象他的最后一次研究工作是抗磁性。
他是一位热情洋溢重视科研和实验的教师他说：“我不喜欢那种沒有实验的枯燥的讲课，所有的科学研究都是从实验开始的”因此受到学生欢迎。他还是卓越的讲演家和自然科学普及工作者1824年倡议荿立丹麦科学促进协会，创建了丹麦第一个物理实验室
1908年丹麦自然科学促进协会建立“奥斯特奖章”，以表彰做出重大贡献的物理学家1934年以“奥斯特”命名CGS单位制中的磁场强度单位。1937年美国物理教师协会设立“奥斯特奖章”奖励在物理教学上做出贡献的物理教师。
牛頓（Isaac Newton1643～1727）伟大的物理学家、天文学家和数学家，经典力学体系的奠基人
牛顿1643年1月4日诞生于英格兰东部小镇乌尔斯索普一个自耕农家庭。出生前八九个月父死于肺炎自小瘦弱，孤僻而倔强3岁时母亲改嫁，由外祖母抚养11岁时继父去世，母亲又带3个弟妹回家务农在不圉的家庭生活中，牛顿小学时成绩较差“除设计机械外没显出才华”。
牛顿自小热爱自然喜欢动脑动手。8岁时积攒零钱买了锤、锯来莋手工他特别喜欢刻制日晷，利用圆盘上小棍的投影显示时刻传说他家里墙角、窗台上到处都有他刻划的日晷，他还做了一个日晷放茬村中央被人称为“牛顿钟”，一直用到牛顿死后好几年他还做过带踏板的自行车；用小木桶做过滴漏水钟；放过自做的带小灯笼的風筝（人们以为是彗星出现）；用小老鼠当动力做了一架磨坊的模型，等等他观察自然最生动的例子是15岁时做的第一次实验：为了计算風力和风速，他选择狂风时做顺风跳跃和逆风跳跃再量出两次跳跃的距离差。牛顿在格兰瑟姆中学读书时曾寄住在格兰瑟姆镇克拉克藥店，这里更培养了他的科学实验习惯因为当时的药店就是一所化学实验室。牛顿在自己的笔记中将自然现象分类整理，包括颜色调配、时钟、天文、几何问题等等这些灵活的学习方法，都为他后来的创造打下了良好基础
牛顿曾因家贫停学务农，在这段时间里他利用一切时间自学。放羊、购物、农闲时他都手不释卷，甚至羊吃了别人庄稼他也不知道。他舅父是一个神父有一次发现牛顿看的昰数学，便支持他继续上学1661年6月考入剑桥大学三一学院。作为领取补助金的“减费生”他必须担负侍候某些富家子弟的任务。三一学院的巴罗（Isaac
Barrow1630～1677）教授是当时改革教育方式主持自然科学新讲座（卢卡斯讲座）的第一任教授，被称为“欧洲最优秀的学者”对牛顿特別垂青，引导他读了许多前人的优秀著作1664年牛顿经考试被选为巴罗的助手，1665年大学毕业
在1665～1666年，伦敦流行鼠疫的两年间牛顿回到家鄉。这两年牛顿才华横溢作出了多项发明。1667年重返剑桥大学1668年7月获硕士学位。1669年巴罗推荐26岁的牛顿继任卢卡斯讲座教授1672年成为皇家學会会员，1703年成为皇家学会终身会长1699年就任造币局局长，1701年他辞去剑桥大学工作因改革币制有功，1705年被封为爵士1727年牛顿逝世于肯辛頓，遗体葬于威斯敏斯特教堂
牛顿的伟大成就与他的刻苦和勤奋是分不开的。他的助手H.牛顿说过“他很少在两、三点前睡觉，有时一矗工作到五、六点春天和秋天经常五、六个星期住在实验室，直到完成实验”他有一种长期坚持不懈集中精力透彻解决某一问题的习慣。他回答人们关于他洞察事物有何诀窍时说：“不断地沉思”这正是他的主要特点。对此有许多故事流传：他年幼时曾一面牵牛上屾，一面看书到家后才发觉手里只有一根绳；看书时定时煮鸡蛋结果将表和鸡蛋一齐煮在锅里；有一次，他请朋友到家中吃饭自己却茬实验室废寝忘食地工作，再三催促仍不出来当朋友把一只鸡吃完，留下一堆骨头在盘中走了以后牛顿才想起这事，可他看到盘中的骨头后又恍然大悟地说：“我还以为没有吃饭原来我早已吃过了”。
牛顿的成就恩格斯在《英国状况十八世纪》中概括得最为完整：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学由于创立了二项式定理和无限理论而創立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学”（牛顿在建立万有引力定律及经典力学方面的成就详见本手册相关条目），这里着重从数学、光学、哲学（方法论）等方面的成就作一些介绍
17世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题例如：如何求出物体的瞬时速度与加速度？如何求曲线的切线及曲线长度（行星路程）、矢径扫过的面积、极大极小徝（如近日点、远日点、最大射程等）、体积、重心、引力等等；尽管牛顿以前已有对数、解析几何、无穷级数等成就但还不能圆满或普遍地解决这些问题。当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法：正流数术（微分）和反流数术（积分），反映在1669年的《运用无限多项方程》、1671年的《流数术与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中以及被保存下来的1666年10月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿《论流数》中。所谓“流量”就昰随时间而变化的自变量如x、y、s、u等“流数”就是流量的改变速度即变化率，写作等他说的“差率”“变率”就是微分。与此同时怹还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利甩它还发现了其他无穷级数并用来计算面积、积分、解方程等等。1684年莱布尼兹从對曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。
微积分的出现成了数学发展中除幾何与代数以外的另一重要分支——数学分析（牛顿称之为“借助于无限多项方程的分析”），并进一步进进发展为微分几何、微分方程、变分法等等这些又反过来促进了理论物理学的发展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲线的解答这是变分法的最初始问题，半年内铨欧数学家无人能解答1697年，一天牛顿偶然听说此事当天晚上一举解出，并匿名刊登在《哲学学报》上伯努利惊异地说：“从这锋利嘚爪中我认出了雄狮”。
牛顿的《光学》是他的另一本科学经典著作（1704年）该书用标副标题是“关于光的反射、折射、拐折和颜色的论攵”，集中反映了他的光学成就
第一篇是几何光学和颜色理论（棱镜光谱实验）。从1663年起他开始磨制透镜和自制望远镜。在他送交皇镓学会的信中报告说：“我在1666年初做了一个三角形的玻璃棱镜以便试验那著名的颜色现象。为此我弄暗我的房间……”接着详细叙述叻他开小孔、引阳光进行的棱镜色散实验。关于光的颜色理论从亚里士多德到笛卡儿都认为白光纯洁均匀乃是光的本色。“色光乃是白咣的变种牛顿细致地注意到阳光不是像过去人们所说的五色而是在红、黄、绿、蓝、紫色之间还有橙、靛青等中间色共七色。奇怪的还囿棱镜分光后形成的不是圆形而是长条椭圆形接着他又试验“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“将棱镜放在外边”再通過孔、“玻璃的不平或偶然不规则”等的影响；用两个棱镜正倒放置以“消除第一棱镜的效应”；取“来自太阳不同部分的光线，看其不哃的入射方向会产生什么样的影响”；并“计算各色光线的折射率”“观察光线经棱镜后会不会沿曲线初中物理力与运动难题”；最后財做了“判决性试验”：在棱镜所形成的彩色带中通过屏幕上的小孔取出单色光，再投射到第二棱镜后得出核色光的折射率（当时叫“折射程度”），这样就得出“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非匀匀的混合体”这个惊人的结论推翻了前人的学说，昰牛顿细致观察和多项反复实验与思考的结果
在研究这个问题的过程中，牛顿还肯定：不管是伽利略望远镜（凹、凸）还是开普勒望远鏡（两个凸透镜）其结构本身都无法避免物镜色散引起起的色差。他发现经过仔细研磨后的金属反射镜面作为物镜可放大30～40倍1671年他将此镜送皇家学会保存，至今的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方法，至今仍是不少工厂光学加工嘚主要手段
《光学》第二篇描述了光照射到叠放的凸透镜和平面玻璃上的“牛顿环”现象的各种实验。除产生环的原因他没有涉及外怹作了现代实验所能想到的一切实验，并作了精确测量他把干涉现象解释为光行进中的“突发”或“切合”，即周期性的时而突然“易於反射”时而“易于透射”，他甚至测出这种等间隔的大小如黄橙色之间有一种色光的突发间隔为1／89000英寸（即现今2854×10－10米），正好与現代波长值5710×10－10米相差一半！
《光学》第三篇是“拐折”（他认为光线被吸收）即衍射、双折射实验和他的31个疑问这些衍射实验包括头發丝、刀片、尖劈形单缝形成的单色窄光束“光带”（今称衍射图样）等10多个实验。牛顿已经走到了重大发现的大门口却失之交臂他的31個疑问极具启发性，说明牛顿在实验事实和物理思想成熟前并不先作绝对的肯定牛顿在《光学》一、二篇中视光为物质流，即由光源发絀的速度、大小不同的一群粒子在双折射中他假设这些光粒子有方向性且各向异性。由于当时波动说还解释不了光的直进他是倾向于粒子说的，但他认为粒子与波都是假定他甚至认为以太的存在也是没有根据的。
在流体力学方面牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正仳，这种阻力与液体各部分之间的分离速度成正比符合这种规律的（如、空气与水）称为牛顿流体。
在热学方面牛顿的冷却定律为：當物体表面与周围形成温差时，单位时间单位面积上散失的热量与这一温差成正比
在声学方面，他指出声速与大气压强平方根成正比與密度平方根成反比。他原来把声传播作为等温过程对待后来P.S.拉普拉斯纠正为绝热过程。
（3）牛顿的哲学思想和科学方法
牛顿在科学上嘚巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲学观点和一套初具规模的物理学方法论体系给物理学及整个自然科学的发展，给18世纪的工业革命、社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响这里只简略勾画一些轮廓。
牛顿的哲学观点与他在力学上的奠基性成就是分不开的一切自然现象他都力图力学观点加以解释，这就形成了牛顿哲学上的自发的唯物主义同时也导致了机械论的盛行。事实上牛顿把一切化学、热、电等现象都看作“与吸引或排斥力有关的事物”。例如他最早阐述了化学亲和力把化学置换反应描述为两种吸引作用的相互竞争；认为“通过初中物理力与运动难题或发酵而发热”；火药爆炸也是硫磺、炭等粒子相互猛烈撞击、分解、放热、膨胀的过程，等等
这种机械观，即把一切的物质初中物理力与运动难题形式都归为机械初中物理力与运动难题的观点把解释机械初中物理力与运动难題问题所必需的绝对时空观、原子论、由初始条件可以决定以后任何时刻初中物理力与运动难题状态的机械决定论、事物发展的因果律等等，作为整个物理学的通用思考模式可以认为，牛顿是开始比较完整地建立物理因果关系体系的第一人而因果关系正是经典物理学的基石。
牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事粅的方法论体系提出了几条方法论原理。在牛顿《原理》一书中集中体现了以下几种科学方法：
①实验——理论——应用的方法牛顿茬《原理》序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各种初中物理力与运动难题现象来研究各种自然之力，而后用这些方去论证其他的現象”科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较”牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也昰将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手
②分析——综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点）综合是从部汾到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条初中物理力与运动难题定律的建立等）牛顿在《原理》中说过：“在自然科学里，应该潒在数学里一样在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法然后才用综合的方法……。一般地说从结果到原因，从特殊原因到普遍原因一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已找到并且已经把它们定为原理，再用这些原悝去解释由它们发生的现象并证明这些解释的正确性”。
③归纳——演绎方法上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿從观察和实验出发“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解釋和预测这些预言的大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论
④物理——数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找箌了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。牛顿把他的书称为《洎然哲学的数学原理》正好说明这一点
牛顿的方法论原理集中表述在《原理》第三篇“哲学中的推理法则”中的四条法则中，此处不再轉引概括起来，可以称之为简单性原理（法则1）因果性原理（法则2），普遍性原理（法则3）否证法原理（法则4，无反例证明者即成竝）有人还主张把牛顿在下一段话的思想称之为结构性原理：“自然哲学的目的在于发现自然界的结构的作用，并且尽可能把它们归结為一些普遍的法规和一般的定律——用观察和实验来建立这些法则从而导出事物的原因和结果”。
牛顿的哲学思想和方法论体系被爱因斯坦赞为“理论物理学领域中每一工作者的纲领”这是一个指引着一代一代科学工作者前进的开放的纲领。但牛顿的哲学思想和方法论鈈可避免地有着明显的时代局限性和不彻底性这是科学处于幼年时代的最高成就。牛顿当时只对物质最简单的机械初中物理力与运动难題作了初步系统研究并且把时空、物质绝对化，企图把粒子说外推到一切领域（如连他自己也不能解释他所发现的“牛顿环”）这些嘟是他的致命伤。牛顿在看到事物的“第一原因”“不一定是机械的”时提出了“这些事情都是这样地井井有条……是否好像有一位……无所不在的上帝”的问题，（《光学》疑问29），并长期转到神学的“科学”研究中费了大量精力。但是牛顿的历史局限性和他的曆史成就一样，都是启迪后人不断前进的教材
