经典力学是什么？让我们一起看看经典力学的前世今生！|万有引力定律|伽利略|数学|牛顿|经典力学

经典力学，这个名字听起来可能有点严肃，但其实它就像是我们日常生活中的一位老朋友，帮我们解释了为什么球会飞，磁铁会吸，月食会发生。简单来说，经典力学就是用数学的语言来讲述物体怎么动，是什么力让它们动起来的学问。这个领域之所以叫牛顿力学，是因为它的大部分知识都建立在伟大的艾萨克·牛顿的工作上。牛顿的三大运动定律和万有引力定律，就像是这个领域的四大金刚，支撑起了整个理论的框架。

牛顿第一定律告诉我们，如果没啥外力来打扰，静止的东西会一直懒洋洋地待着，运动的东西也会一直活力满满地动下去。第二定律则像个称职的会计师，算出作用在物体上的力和物体的质量及加速度之间的关系。第三定律则像个公正的裁判，告诉我们每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。

而万有引力定律，就像是在说，物体之间的引力就像是它们之间默默进行的一场拔河比赛，它们的质量越大，这场游戏就越激烈；但距离越远，它们之间的拉扯就越弱。

除此之外，还有能量守恒定律和动量守恒定律，能量守恒定律告诉我们能量不能被创造也不能被销毁，而是从一种形式转变为另一种形式；例如，机械能转化为热能。

而动量守恒定律则说明在没有外力（如摩擦力）的情况下，当物体发生碰撞时，碰撞前后的总动量是相同的。

这些构成了我们宏观世界的力学体系，他们的提出标志着现代科学的开端，并且理论和定律在比分子大、比行星小、接近室温，并且速度明显低于光速的条件下，描述物体运动时表现出极高的准确性和普适性。经典力学可以使用数学语言精确表述了物理现象，能够准确预测物体的运动状态，包括天体运动和机械运动等，因此它被视为物理学的“经典”理论。

尽管它是物理学最古老的分支，但“经典力学”这个术语相对较新。在1900年之后不久，一系列数学思维的革命催生了新的研究领域：相对论力学用于非常快速的现象，量子力学用于非常小的现象。1900年之前开发的方程式仍然完全适合描述日常大小和速度的物体。然而，由于这个较老的物理学分支与两个新分支并存，它需要一个新的名字。“经典力学”这个术语被创造出来，松散地标记了一组描述在量子和相对论效应可以忽略不计的尺度上现实的方程式。

1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，描述了物体在外部力作用下的运动。这项工作将数学推理与关于地球表面运动的相对新的想法，以及所有科学探究领域中最古老的领域：天文学统一起来。

美索不达米亚、埃及和印度河流域的古代文明都展示了对太阳、月亮和星星运动的理解；他们甚至可以在公元前18世纪预测日食的日期。正如E.C. Krupp在他的书《古代天空的回声》中所描述的，“星星和行星常常是崇拜的对象，被认为代表他们的神。”这种超自然的解释由于缺乏证据，但观察记录为后代观察者奠定了基础。天体力学因此成为研究天体如何运动的学科。

古希腊人是第一个始终寻求自然（而不是超自然）解释的人。正如查尔斯·辛格在他的书《19世纪前的科学简史》中所写，“像公元前624-545年泰勒斯这样的哲学家拒绝了自然现象的非自然主义解释，并宣称每一个事件都有一个自然原因。”涉及“液体”和“围绕地球的宇宙壳”等无数解释确实是自然主义的，但大多数都大错特错。一套特别顽固的错误想法集中在运动上，几乎2000年来都建立在亚里士多德的工作之上。这项工作，被称为“冲力理论”，将在公元6世纪、12世纪和14世纪进行重大修订。地面力学因此成为研究地球表面物体如何移动和相互作用的学科。

在16世纪的科学舞台上，学者们开始意识到传统的冲力理论在解释某些现象时显得力不从心，尤其是对于那些从弹射器和大炮中发射出的抛射体。根据冲力理论，这些抛射体在空中的飞行应该依赖于它们所携带的冲力，一旦这股力量耗尽，它们便会垂直下落至地面。然而，现实情况远比理论预测的要复杂和精妙：抛射体在空中划过的轨迹实际上是一条精确的曲线。

面对理论与现实的这一偏差，科学家们开始探索新的解释。正如伯纳德·科恩在其著作《新物理学的诞生》中所描述，他们开始思考重力对物体施加的均匀加速度这一概念。这一转变标志着物理学从传统的定性描述向定量分析的飞跃。

伽利略·伽利莱，这位文艺复兴时期的科学巨人，在1638年发表的《关于两种新科学的对话》中，迈出了革命性的一步。他首次用数学的语言提供了一个严谨的证明，展示了在均匀加速度作用下，抛射体会沿着抛物线轨迹运动。这一发现不仅与实际观察结果完美吻合，而且明确指出了地面力学——也就是我们今天所说的经典力学——是可以被数学精确描述的。

伽利略的工作为后来的物理学家们奠定了坚实的基础，使得他们能够用数学的工具去探索和解释自然界的更多奥秘。他的方法论和对自然界深刻的洞察力，为牛顿后来提出万有引力定律和三大运动定律铺平了道路。伽利略的这一成就，不仅是对抛射体运动规律的阐释，更是对整个物理学领域一次深刻的革新，它开启了用数学语言解读宇宙之谜的大门，为现代科学的蓬勃发展奠定了基石。

在16世纪，天体力学领域迎来了一场革命，这场革命将数学与天体运动的观测紧密地联系在了一起。大卫·S·兰德斯在其著作《时间的革命》中详细描述了这一时期的重要进展。第谷·布拉赫，这位具有前瞻性的天文学家，是最早采用能够精确到分钟和秒的时钟来测量时间的人。他不仅使用这些先进的计时工具，还运用了四分仪和六分仪等精密仪器，来精确追踪和记录天体的运动。

布拉赫的观测数据为后来的天文学家提供了宝贵的信息。约翰内斯·开普勒，这位数学和天文学的大师，正是基于布拉赫对火星运动的精确观测数据，提出了著名的开普勒行星运动三定律。这些定律不仅简洁地描述了行星围绕太阳运动的规律，而且极大地推动了天体力学的发展。

开普勒的第一定律，发表于1609年的《新天文学》中，揭示了行星围绕太阳运动的轨迹是椭圆形的，这一发现颠覆了之前普遍接受的圆形轨道模型。这一定律的提出，不仅是对行星运动规律的精确描述，更是对宇宙运作原理深刻理解的体现。开普勒的这些定律成为了天体力学领域的基石，为后来的科学家，包括艾萨克·牛顿在内的伟大头脑，提供了灵感和理论基础。

开普勒的工作标志着人类对宇宙的认识迈出了巨大的一步。他的定律不仅证明了天体运动遵循着数学的规律，而且展示了通过精确的观测和数学分析，人类能够揭示自然界的深层秘密。开普勒的成就，以及布拉赫的观测，共同构成了天体力学与数学结合的典范，为后世的科学探索指明了方向，也为现代天文学和物理学的发展奠定了坚实的基础。

七十年后，牛顿在伽利略和开普勒的工作基础上，展示了天界椭圆运动和地面抛物线运动可以通过一个优雅的数学定律来解释，即他的万有引力定律。此外，他用数学语言描述了运动定律，将其形式化。

利用牛顿定律，科学家们可以使用代数和微积分（也是牛顿共同发明的）来操纵符号数学，以了解尚未观察到的现象。

随着时间的推移，经典力学在18世纪和19世纪得到了蓬勃发展，其影响力远远超出了最初的运动学范畴。它开始触及并解释了光学的神秘光芒、流体的无形流动、热力的传递奥秘，乃至压力的微妙平衡、电与磁的相互作用等众多物理现象。经典力学像一位多才多艺的艺术家，以数学为画笔，物理世界为画布，绘制出一幅幅精妙绝伦的科学图景。

这一时期的科学探索，不仅仅是对自然规律的简单记录，更是对自然界深刻理解的体现。经典力学的原理成为了解锁自然界秘密的钥匙，它的原理和方法，至今仍深深影响着现代科学技术的发展。从宏伟的天体运动到微观的粒子交互，从日常生活中的简单机械到高科技领域的精密仪器，牛顿的遗产无处不在，其影响深远而持久。