牛顿法基本原理精选(九篇)
第1篇：牛顿法基本原理范文
【关键词】牛顿/宇宙论/自然神学/炼金术/科学史
【正文】
今天的宇宙学探讨的问题是：宇宙有着怎样的结构？有着怎样的起源？对于牛顿时代里的一位像牛顿这样的思想家来说，宇宙论则应当回答以下两个问题：上帝如何创造世界？如何支配、统治他所创造的世界？这两组问题具有某种同构性，均由一个宇宙状态论问题与一个宇宙生成论问题构成，但是今天的宇宙学由宇宙状态论而至宇宙生成论，其间完全遵从科学的逻辑联结；而牛顿时代的宇宙论往往是由宇宙生成论而至宇宙状态论，其间的联结规则并不仅仅取决于当时的自然哲学。在这两组问题之间还有一个更明显也更突出的区别：后者多了一位“上帝”，以上帝为创造者。
那么，牛顿究竟以怎样的方式构筑他的宇宙论？今人将宇宙学问题交给科学回答，牛顿将之提交给自然神学。牛顿通过自然神学的综合思考探讨他所面临的宇宙论问题，而他的自然神学原理分别取之于他的神学（上帝信念）、炼金术与物理学；由此而至的牛顿宇宙论所揭示的是一幅活的宇宙图景，区别于通常所谓的“牛顿宇宙”。
一、牛顿的宇宙论与“牛顿宇宙”之区别
一个历史人物、事件、过程或文本可以引起复杂的效应史，理解一个历史人物、事件、过程或文本，意味着要将它置于多重史境下即置于多重不同的历史事实结构中理解；因此，历史家不应在看到一重有意义的历史结构之后，否认其他可能存在的同样有意义的历史结构。解读牛顿，应将对牛顿其人及其思想的考察与对与牛顿相关的效应史考察区分开来。通常所说的“牛顿力学”、“牛顿宇宙”与原版的牛顿思想之间既存在着直接关联，亦存在着重要区别。譬如，关于引力的性质，人们正是从牛顿引力定律出发认为，引力发诸于物体，因而是物体固有的性质；但是牛顿在思想上偏偏不这么看，并且恳求人们不要将这种观点强加给自己。事实上，当人们从字面上阅读牛顿公开发表的论述引力定律的文本，尤其是在他们对牛顿的基本信念缺乏了解的情形下，他们便很容易将引力理解为物体的性质并将这种观点说成是牛顿的。
从某种意义上讲，牛顿的确是那种“注定要被人误解的人”。话语者总是在特定的氛围中为着特定的目的说话，在说话时他总是要受到某种限制，而且话语者在内心里对于“可言”与“不可言”、“能言”与“不能言”也总是有着某种理解。一部《原理》（第一版），几乎被写成了一部理性的史诗，由定义、公理、定理、推论及注释组成的展开形式，即使是在今人眼中，仍透射着现性的光辉。然而，牛顿分明说过，在这本名为《自然哲学之数学原理》的著作中，我“只想研究力的量与数学关系”；“做完这些准备工作之后，我们就更有把握去讨论力的本质、原因和关系。”[1]牛顿对于可言与不可言的理解，无疑与他对实验哲学的理解有关，与他过去在光学问题上独自一人与胡克及全欧洲学者的论战经历有关，也与他独特的神学主张有关。当他这样做时，他也就在无意之间为后世科学划定了字面上可言与不可言的界限。但对牛顿本人来说，他的确渴望通过自然哲学论说上帝，而且他也觉得应该对此问题有所交代，所以，他便撰写了《原理》第二版的“总释”。
《原理》“总释”并非掩饰之词，但过去数百年中总有学者不愿意按照它字面上的意义去理解。牛顿撰写这篇“总释”时的确承受过“能言与不能言”之苦：他绝不能以《原理》所特有的那种最为明晰的方式将他关于上帝的全部主张和盘托出，但他还是在能言的范围内作了最大限度的说明。在神学上，牛顿是一名唯意志论神学论者，这类神学主张上帝的武断意志是世界的终极本源（这是他可以公开的）；而且他在教义上反对三位一体说，信仰早期基督教一神论（阿里乌主义）意义上的上帝（这是他不能公开的）。在“总释”里，牛顿批判了唯理智论神学的上帝主张（如莫尔等剑桥柏拉图派成员的上帝观），这种神学认为上帝是宇宙之灵，只具有自治权而不具有对宇宙的主宰权。牛顿写道：“上帝不是作为宇宙之灵而是作为万物的主宰来支配一切的”，“没有统治，没有庇佑，没有终极原因的上帝，与命运和自然无异。盲目的形而上学（如笛卡儿机械论哲学）的必然性，当然也是永远存在而且处处存在的，但却不能产生出多种多样的事物。而我们随时随地可以见到的各种自然事物，只能来自一个必然存在的存在物的观念和意志。”[2]
从牛顿所给出的描述物体运动的力学公式导出牛顿的上帝信念，在科学史家而言是一种不适当的做法。的确，从牛顿的物理学公式里，可以引出一种广义的宇宙哲学以及一幅相应的宇宙论图景。这幅被后人称为“牛顿宇宙”的宇宙图景所刻画的是一个无限的宇宙，这种星云、星系、星体均匀地分布于无限空间之中且服从牛顿引力定律。绝对空间是一种无限实体，其中盛装万物。这个宇宙必定是无限的，否则按照牛顿引力定律，该宇宙必将崩塌。然而，“牛顿宇宙”概念的形成史只是牛顿物理学思想的一种效应史，后人从牛顿学说中剔除了某些东西，同时又将某些东西引入了牛顿学说，遂有这部效应史。事实上，近代科学兴起于有神论文化背景之中，但自启蒙时代以来，近代科学知识体系背后的有神论世界图景逐渐被替换，代之以泛神论或无神论世界图景，科学家、哲学家均曾贡献于这一伟大的转换。因此，我们所说的这部效应史体现了时代的印记，体现了科学思想的变迁，完全值得史家作认真研究，但我们没有必要将之与对牛顿个人思想的考察混为一谈。
由于时间上的距离，由于心灵之间的差异，我们不可能回到过去并如实重视牛顿的整体思想，但是，时间上的距离并不会抹掉历史的全部印迹，心灵之间还存在着相似的一面，我们还是有可能对牛顿其人及其思想取得某种合乎历史的同时也是合理的理解。重构牛顿的宇宙论思想，我们首先必须寻找一种适当的解读牛顿的方式。我们不能将视线约束在通常所谓的“牛顿的科学”（或者说牛顿的自然哲学）的范围内，因为牛顿并不是在此范围内建构他的宇宙论学说，也因为在牛顿的自然哲学与其自然神学、神学之间存在着内在联系。
对于一名试图对牛顿整体思想与工作取得某种整体理解的历史家来说，割断牛顿整体思想体系中的种种内在联系，孤立地、分别地从牛顿思想的不同方面解析牛顿，则易于发生误解。R.S.威斯特福尔(Westfall)在试图对牛顿作出全面理解时就为我们提供了一个这样的例子。他一面从牛顿的神学（教义学、《圣经》诠释学、神学年代学）解读牛顿，一面从牛顿的科学解读牛顿，所以他便在牛顿那里看到了两位上帝。这两位上帝在本质上是截然对立的，前者是宗教意义上的、人格化了的、凭其武断意志主宰一切的上帝；而后者则是自然神论意义上的上帝——这位上帝创造了自然却不能主宰自然，他自己也受制于他自己所设定的理性律令。所以威斯特福尔声称他看不出有任何迹象表明牛顿能够完成这两位上帝之间的协调工作。但是，牛顿本人实际上从未意识到这种困难。
牛顿认真地说过：“要做到通过事物的现象了解上帝，实在是非自然哲学莫属。”但是，这并不意味着，牛顿要通过自然哲学探讨上帝的本质。对于一名唯意志论神学论者来说，上帝存在是可知的，但上帝的本质是不可知的。上帝存在并主宰着一切，人只能以理智膜拜上帝，通过研究上帝的创造物洞知上帝存在，从世界的异样性与秩序之中领悟到上帝的存在和统治，但人不能由此奢谈上帝的本质。在这种意义上，牛顿承认：我们对于物体的本质一无所知，“对于上帝的本质更是一无所知。”
二、牛顿自然神学的三要素：上帝信念、炼金术哲学与物理学原理
“自然神学”在学术语汇中常用以指介于“哲学（自然哲学）”与“神学”之间的中间领域。[3]就基督教文明而言，“哲学”源于古希腊，而“神学”的基本信念则出自《圣经》。关于西方文明中信仰与理性之间的冲突与互渗历程，本文作者之一曾多次指出，在“哲学”的背后耸立着古希腊人的神——这位神的泛神论世界图景中的神（记为G[，1]），而《圣经》中的上帝则是有神论世界图景中的神（记为G[，2]）；所以，通常所谓的信仰与理性之冲突在更深的意义上可理解为这两位神在本质上的对立与不相容(G[，1]vsG[，2])，一部西方理智史，就是G[，1]与G[，2]的相互作用史（G[，1]附图G[，2]）。基督教思想家的要旨就在于调和这两种相互冲突的思想并使之融为一个协调的体系，他们为之奋斗了两千年，先后建立了许多不同的思想体系，但所有这些体系所取得的成功都是暂时的，它们内部都充满着张力，或迟或早会因之而崩塌陷落。自然神学，作为哲学与神学之间的中间领域，其发展状况（兴盛与枯萎）直接关系着西方思想的整体发展，也直接影响着自然哲学的发展。当自然神学兴盛时，介于自然哲学与神学之间的诸多棘手问题往往得到了某种解决，自然哲学也因之获得较为宽阔的发展空间，所以，在西方思想上多次出现的自然哲学与自然神学协同发展现象不是偶然现象。相反，当自然神学发生萎缩时，自然哲学的生存空间亦因之萎缩。事实上，当17世纪英国科学（自然哲学）获得迅速发展时，自然神学也十分兴盛。英国皇家学会的元勋，如威尔金斯、波义耳等人，在致力于建构他们的自然哲学的同时，也建构了形式完备的自然神学系统；他们通过自然神学阐述其自然哲学的意义、方法，为新型自然哲学辩护，并以之处理介于哲学与神学之间的种种问题（如创世及上帝的支配作用）。[4][5]
在牛顿时代，完全按照机械论哲学构想宇宙生成及宇宙结构已成为一种可能。笛卡儿以物质和运动作为机械哲学的两大原理，提出宇宙涡漩说，认为宇宙中不存在真空，宇宙是一个充满着物质的世界，大大小小的物质涡漩共同排列于宇宙空间中，行星的运动则是由这些涡漩的转动引起的。如果说笛卡儿还为上帝意志的超然作用留下了余地，那么霍布斯则将笛卡儿机械论原理提升至极端，演绎为完整的宇宙论哲学，将上帝从自然王国里驱逐出境。霍布斯的这种做法，在使他自己成为当时神学家与哲学家的公敌的同时，也将笛卡儿哲学中潜含的无神论趋势暴露无遗。皇家学会的早期成员，如威尔金斯、波义耳等人，均反对霍布斯的极端机械论哲学，认为必须坚决回击通过笛卡儿式的机械论哲学在哲学领域里抬头的无神论思想。波义耳曾经在将世界区分为无机界与有机界之后将整个无机世界设想为一个庞大的时钟，但是他同时认为自然中没有一件事物是纯机械的。因为提出这一著名的世界——时钟比喻，波义耳常被后人视为17世纪英国机械论哲学的大师，但是在更深的意义上，波义耳说过，他将整个世界视为一所教堂，将自然哲学家视为这所教堂里的牧师。[6]
与波义耳一样，牛顿从事自然神学研究的主要目的也在于以下两个相关的方面：1)为他自己的自然哲学提供辩护、以自然神学为基础陈述自然哲学方法论；2)探讨上帝创世过程以及上帝的主宰作用。牛顿构想其宇宙论学说，是从论说上帝存在及其至上的权力意志开始，而非从论述机械论者的物质与运动开始。在这种意义上，我们可以认为，牛顿是精神一元论者，他坚信上帝意志是宇宙的终极本源，认为作为受造之物的物质本身不具有任何活性和运动能力，活性与运动能力必然发诸于上帝。但是，牛顿不可能也不愿意象某些哲学家或神学家一样单凭几条先验原理自上而下地演绎出上帝创世过程及上帝支配他所创造的世界的方式（如柏拉图自然神学、笛卡儿－霍布斯宇宙哲学），也不可能、不愿意单以人类理性自下而上地理解上帝及其本质（如中世纪末期的自然神学学说以及这类学说在17世纪英国的直系后裔即赫伯特等人的自然宗教、18世纪初的自然神论）。事实上，在牛顿时代，单凭几条神学原理或是单凭几条哲学原理，均不足以对宇宙生成论及宇宙状态论问题作出完整回答。牛顿正是将神学、自然哲学这两方面的知识结合起来，或者说，将他阅读在自然及《圣经》这两部大书时所形成的全部知识结合起来，构筑了一个统一的形而上学系统，以阐释上帝创世及其主宰作用。
牛顿《原理》“总释”就是以当时的自然神学语言写成的。除“总释”外，牛顿还在《光学》一书附录“疑问”以及他给一些朋友的书信中，公开陈述过自己的自然神学见解。《原理》“总释”与《光学》“疑问”30-31”可视为牛顿自然神学思想的系统表达。
如果说牛顿的上帝信念构成了牛顿在宇宙论方面的全部思想的基点，那么，他的自然哲学则为他理解宇宙的性质与结构提供了具体途径。牛顿关注没有生命的物质之间的作用规律，也同样关注生命、生长与增殖现象，因此，牛顿的自然哲学绝不只是关于冷冰冰的无机世界的哲学。《自然哲学之数学原理》只是牛顿全部自然哲学的一部分。须知，牛顿在探讨太阳系的运动的同时，也探讨物质的内部结构与组成，在揭示宏观物理运动的同时，也试图揭示物质的生成与变化之道。牛顿的炼金术、化学以及光学，均是他认识物质之谜的重要途径，均是其自然哲学的重要组成部分。我们很容易想到，牛顿在探讨宇宙论问题时，必定将其发现的引力作用定律引入他的思考之中；我们也应该想到，他的炼金术活动，也像其物理学研究一样，同样贡献于他的自然神学与宇宙论思考。
关于牛顿炼金术与其物质论之间的关系，多布斯于1982年曾经指出：“过去数十年，一些历史学家一直不愿对牛顿炼金术正眼相看，并对牛顿炼金术一定与其公开阐述对物质理论存在着内在联系这种见解嗤之以鼻。而现在我们知道，牛顿是将炼金术用作一块至关重要的砝码，以填补古代与当时原子论的种种不足之处，这些不足之处涉及内聚性与活性、生命与生长、以及上帝的支配与庇佑。牛顿在炼金术、神学、形而上学以及观测方面的探索，促使他逐渐形成了他对于物质的性质以及同物质相关的种种动力的最后结构。”[7]关于牛顿炼金术的性质与分期研究，尽管我们在许多地方不能同意多布斯的看法，但我们赞同多布斯的这一结论，所要补充的只是：两极相通，牛顿炼金术与其物质理论之间的关联，正映射着它与牛顿宇宙之间的关联。
炼金术活动在欧洲发展至17世纪，由于有众多的江湖炼金术士走街串巷，已开始染上一层不名誉的色彩，但是，正如波义耳在其《怀疑的化学家》中所描述的那样，炼金术中既不乏招摇撞骗之徒，也不乏真正的哲人。真正的炼金术哲学家，如帕拉塞尔苏斯(Paracelsus，1493-1541)、赫尔蒙特(J.B.van Helmont，1577-1644)、史塔克(G.Starkey，1628-1665)等人，他们探讨的正是宇宙间最深奥的问题——物质乃至于整个自然的生成与变化之道。他们不但对炼金术的价值、行动准则与方法论作了全面的论述，而且构建并发展了一整套基于炼金术的宇宙哲学。正如现代学者所认识到的那样，这些炼金术哲学家的学说在当时背景中可以说是一种堪与新兴的机械论哲学相媲美的“化学论哲学”。两者都将矛头直接经院哲学体系，都以取代经院哲学为己任，并且都在历史上产生了广泛而深远的影响；当然，最终在竞争中获胜的是机械论哲学而非“化学论哲学”。[8]
帕拉塞尔苏斯—赫尔蒙特的炼金术传统，如同机械论哲学一样，对于17世纪英国自然哲学的形成与发展产生了重要影响。波义耳、牛顿以及当时的另一些自然哲学家，均深深地介入了炼金术研究。他们认为，真正的炼金术实验，首先是一种毁金术，在这一阶段，炼金术实验成功与否是以是否能真正摧毁天然黄金为判据的；而且，他们还认为，炼金术不但对于证明物质世界的统一性具有重要价值，而且还能以一种不同于机械论哲学的方式描述关于宇宙生成与生长的另一幅图景。波义耳、牛顿等人正是在这种意义上从事炼金术研究，并将之视为自然哲学的基础，同时，他们将炼金术的宇宙论思考引入他们的自然神学之中。
三、牛顿宇宙论：上帝创世、活性原理与惰性原理
人们通常按照以下线索理解牛顿以降的现代宇宙学史：牛顿对太阳系运动的解释——康德星云学说——拉普拉斯宇宙学理论——爱因斯坦宇宙方程——大爆炸理论、当代宇宙学。这是一条基于物理学规律不断进行外推与反演的知识发展线索。那么，牛顿在思考宇宙论问题时是否也进行过某种外推与反演？他又是怀着怎样的目的、基于怎样的原理进行外推与反演并得到了怎样的见解？
1691年底，波义耳去世，遗嘱出资设立一个自然神学讲座，从自然哲学角度颂扬上帝，并反驳无神论、自然神论。本特雷受命为该讲座的第一任主讲人，在撰写题为“反驳无神论”的八个讲道时，他数次致函牛顿并就自己的思路请教于牛顿。牛顿与本特雷于1692年底至1693年初的通信就是在这样的背景下开始的。他们所探讨的有两个主题，其一是以牛顿新近发现的宇宙秩序颂扬上帝，其二是论证世界不能单由纯机械的原因产生。在致本特雷的一封信中，牛顿写道：“根据机械论原理从均匀散布于天空中的物质导出世界的结构这一假说，和我的体系是不相容的，因此，在你来信谈到它以前，我很少考虑这个假说。”[9]而本特雷则声明，他所要反对的也正是这种倾向。当时，牛顿与本特雷的确认真地考察过上述假说。牛顿甚至设想过，对上述假说而言，物质均匀分布于其中的空间必须是无限的，否则所有物质都将落入一有限空间的中心并在那里形成一个巨大的球体。但是，牛顿随即指出，太阳这样的恒星发光而行星却不发光，而发光的物质与不发光的物质如何区分开来并分别聚集在一起形成恒星与行星，这类现象却不能由纯粹的自然原因解释，因而必须将之归于上帝的意图与设计。[10]在考虑太阳系的形成时，牛顿还指出，在设想行星受太阳的引力作用从远处逐渐靠近太阳并转入其运行轨道时，很难从力学角度说明行星如何由指向太阳的径向运动转入轨道运动的。如果太阳系是这样形成的，那么，就必须借助于上帝的直接干预。
在进行宇宙论思考时，牛顿始终恪守自己的上帝信念并引为最高原理。牛顿一生以摧毁笛卡儿宇宙体系为自己的使命。像波义耳等人一样，他最初感到不能认同笛卡儿的哲学原理，即是出于神学上的考虑。笛卡儿从心、物二元论角度解说世界的双重本质，认为物质即广延；牛顿从青年时代起就深感无法接受笛卡儿学说，在他看来，物质是受造的，空间是非创造的，而广延是空间的特性，说物质即广延就等于说物质即空间，就等于说上帝需要创造空间，这样，就连上帝自身的存在也存在着问题：在他创造空间以前，他如何存在？容身于何处？牛顿在一份写于1668年的手稿（现存于剑桥大学图书馆，标号为U.L.C.MS.add.4003。这份手稿开头写有“论流体以及流体中固体的重力与平衡”的字样并因此得名，但这份手稿的绝大部分内容是对笛卡儿关于物质、空间以及上帝的学说的批判）里指出：“空间有着永存性与不易性，它之所以如此，是因为它是发诸于某一永恒的、不易的存在物的某种效应。设若空间并非一直如此，那就是说，上帝曾无处存身。这样，么要说他后来才在他原本并不在的地方创造了空间，要么说他创造了他自身的无所不在，而这两种说法都是荒谬的。尽管我们能够想象空间里空无一物，但我们不能想象空间不存在；这正如尽管我们可以想象没有任何物体延续着，但我们不能想象没有延续。”[11]
关于上帝与时间、空间的关系，牛顿自始至终认为，上帝是全能的、无时不在的、无所不在的，因此，时间、空间也必须是永恒的、无限的，但是，并非凡是无限的和永恒的就是上帝，时间、空间不是上帝本身，而是上帝存在所必然发出的效应。后人常常认为牛顿主张一种无限的实体空间，但牛顿并不认为空间是实体(substance)。因为空间或者说广延，既不能凭其自身而独立存在，亦不能像精神实体一样引起运动或给人以各种感觉。这就是说，空间既不是物质实体即物体(body)，亦不是任何精神实体。[12]因此，绝对空间是上帝存在引发的效应，相对空间则是物体之间的配置关系。人并不能感知绝对空间，但是人可以基于对物体之间的相对位置的感知来理解到：即使没有任何物体占据绝对空间中的位置，位置与位置之间的关系仍然存在。
世界形成于上帝的创世意志，上帝可以凭其意志从空无一物的空间创造出物体。空间可以是空无一物（物体）的，但是其中有空间的各个部分(spaces)，上帝令其中的一些部分失去不可入性，即可以创造出物体。同样地，上帝也可以令物体所占据的空间部分失去不可入性，即可以消灭物体。那么，上帝所创造的世界是无限的还是有限的？牛顿倾向于认为：绝对空间是无限的，而位于其中的世界却很可能是有限的。[11]多年以后，牛顿在其《光学》“疑问31”中重述了这样的看法：“由于空间是无限可分的，而物质并非必然出现于空间的各个部分，所以也可以认为上帝创造出具有不同大小和形状的物质粒子，它们有各种空间比例，且可能有着种种不同的密度与力，也就是说，上帝能够改变各种自然规律，并能在宇宙的某些部分创造出不同种类的世界。”[13]
显然，牛顿设想上帝可以在空间的不同区域创造出不同的粒子、不同的世界并设定不同规律，足以表明他并不打算将他在这个世界上发现的物理学原理推广到整个空间。同样地，牛顿在《原理》“哲学推理规则4”中也以类似的方式表述其归纳原理：“在实验哲学中，我们必须将由现象归纳出的命题视为完全正确的或基本正确的，而不管想象所可能得到的与之相反的种种假说，直到出现了其他的或可排除这些命题、或可使之变得更加精确的现象之时。”[14]这表明牛顿也并不认为在一定时刻归纳出的物理学规律必定在全部时间范围内成立，因为在他看来，上帝是全能的，只要他愿意，他可以改变规律，此时，人就应该通过基于新现象进行新的归纳，找出新的规律。
从这里，我们可以看出，牛顿是完全不能认同自然神论的。如果上帝在创造出原始粒子之后即不再干预世事，听任它们按机械原理运动下去，那么，这个世界必将崩溃并趋于死亡。而且，若没有上帝的引导，原始粒子根本不能运动，不能逐步凝结成物体乃至整个世界，更不能使这个世界上出现芸芸众生，且每一种生物的个体均各有其个体特征。所以，仅仅靠机械原理，绝不可能对世界的生成取得完整的理解。在牛顿深邃的思考中，他预见到纯机械的宇宙终将热寂，因此，他认为世界的总运动是不守恒的，上帝在源源不断为之补充动力，使之运动、生长、繁衍，使之生生不息。也正是在上述意义上，牛顿将炼金术中的"active principles"与他所发现的力学原理一道引入其宇宙论思考之中。（《光学》“疑问31”）
active principles在炼金术上指种种“活性要素”，它们可以是物质的或精神的实体，如“种子”、“精”或如同天使般的种种“精神存在物”，它们控制着种种生命过程：生殖、生长、腐败、死亡等等。牛顿在与passive laws或passive principles成对的意义上使用active principles一词，在此可将它们译作“被动原理”与“主动原理”。牛顿认为：上帝在创世过程中以及在创世以后均使用了这两类原理，正是通过这两类原理，上帝行使其普遍意志与特殊意志。在牛顿看来，惯性力是一种被动原理，可以使物体保持其原有状态；而引力，从形式上看像是一种被动原理（它的大小取决于物体的量），但由于它参与了世界的形成过程，因而迁居于主动原理之中。
牛顿认为：上帝创世是分两次进行的，首先，他创造了坚硬的、同质的、非人力所能破坏的原始粒子，使它们处于运动之中并继续通过主动原理引导它们运动。在引力作用下，这些粒子可以聚集、凝结在一起，形成各种第一凝结物或第一级组成粒子，而第一级组成粒子可进一步凝结上去，逐步形成最大的组成粒子。继之，上帝创造出各种形式的生命，并使各种生命的个体千差万别，同时，使整个世界成为一个活的世界。整个创世过程以及世界在此之后的演化历程，均出于上帝深远的意志，而且上帝始终没有放弃他的创造物，没有放弃对世界的主宰：上帝对自然的超然干预所体现的是其特殊意志，自然规律所体现的则是上帝的普遍意志；而这些规律在长时间里维持不变，这本身即是一种奇迹，即是上帝的一种特殊意志。
【参考文献】
[1] 牛顿著，王克迪译：《自然哲学之数学原理·宇宙体系》，武汉出版社。p.197.
[2] 同上，p.552.
[3] 自然神学(Natural Theology)一词用以指称一学术领域，区别于自然神论(Deism)，后者指上帝在创世之后即不再干预世事这样一种主张。
[4] 袁江洋：论波义耳－牛顿思想体系及其信仰之矢：17世纪英国自然哲学变革是如何发生的？《自然辩证法通讯》，1995年第1期。
[5] 袁江洋：科学史：新的综合，北京大学博士论文。1998.
[6] 袁江洋：探索自然与颂扬上帝：波义耳自然哲学与自然神学思想，《自然辩证法通讯》，1991年第6期。
[7] B.J.T.Dobbs.Newton's Alchemy and His Theory of Matter，ISIS.Vol.73.No.269，1982:p.311.
[8] A.G.狄博斯著，任定成等译，《科学与历史：一个化学论者的再评价》，河北科学技术出版社，2000年。pp.177-140.
[9] The Correspondence of Isaac Newton，vol.Ⅲ，1688-1694，Edited by H.W.Turnbull，Cambridge:The University Press.1961，p.244.
[10] Ibid，p.234.
[11] Unpublished Scientific Papers of Isaac Newton，Edited by A.P.Hall and M.B.Hall.Cambridge:The University Press.1962.pp.137-138.
[12] Ibid.p.132.
第2篇：牛顿法基本原理范文
【关键词】无约束优化；最速下降法；阻尼牛顿法；全局收敛性
一、引言
无约束最优化问题是我们在现代科研过程或工程技术中经常遇到的一类问题。无约束问题的算法大致分成两类：一类在计算过程中要用到目标函数的导数，如最速下降法、牛顿法、共轭梯度法等；另一类只用到目标函数值，又称为直接方法，例如单纯形搜索法、Powell方法等。
本文从最速下降法和阻尼牛顿法出发，扬长避短，试图给出一种比较实用的迭代算法。
二、问题描述
1、最速下降法
(1)算法原理
最速下降法又称为梯度法，是1847年著名数学家Cauchy提出的，它是解析法中最古老的一种，也是最优化方法的基础。
设函数f(x)在Rn上具有一阶连续偏导数。最速下降法的基本思想是：从当前点x(k)出发，取函数在点x(k)处下降最快的方向作为我们的搜索方向d(k)。基于这种思想，我们可以证明，负梯度方向为最速下降方向，即p(k)=d(k)=f(x(k))。则求解该问题的最速下降法的计算步骤如下：
算法1：
①给定初始点x(1)∈Rn，允许误差ε>0，置k=1。
②计算搜索方向d(k)=f(x(k))。
③若d(k)≤ε,则停止计算；否则，从x(k)出发，沿d(k)进行一维搜索，求，使=。
④令x(k+1)=x(k)+(k)迭代，置k=k+1，转步骤②。
(2)收敛性
最速下降法在一定条件下是收敛的。Hesse矩阵2f(x(k))的条件数越小，最速下降法收敛越快；当矩阵的条件数比较大时，锯齿现象的影响尤为严重。因此，在实际运用中，常将最速下降法和其他方法联合应用，在前期使用最速下降法缩小范围，而在接近极小点时，可改用收敛较快的其他方法来精确。
2、阻尼牛顿法
(1)算法原理
设f(x)是Rn上的二阶连续可微函数。牛顿法的迭代方向为：p(k)=s(k)=－H(x(k))-1f(x(k))，其中H(x(k))是f(x)在x(k)点的Hesse矩阵。牛顿法具有二阶收敛速度，但只有当初值取在解的领域时才能收敛，否则算法可能失败；另外牛顿法也不能保证每次函数值都下降，因此在最优化计算中常用阻尼牛顿法。
阻尼牛顿法与原始牛顿法的区别在于增加了沿牛顿方向的一维搜索，因此每次迭代函数值都会有所下降。可以证明，阻尼牛顿法在一定的条件下具有全局收敛性，且为二阶收敛。阻尼牛顿法的计算步骤如下：
算法2：
①给定初始点x(1)∈Rn，允许误差ε>0，置k=1。
②计算f(x(k))，2f(x(k))-1。
③若f(x(k))≤ε,则停止迭代；否则，令s(k)=－2f(x(k))-1f(x(k))。
④从x(k)出发，沿s(k)进行一维搜索，求，使=。
⑤令x(k+1)=x(k)+(k)，置k=k+1，转步骤②。
(2)收敛性
牛顿法的收敛速度是很快的，一般至少二级收敛。但值得注意的是，当初始点远离极小点时，牛顿法可能不收敛。原因之一，牛顿方向p=－2f(x)-1f(x)不一定是下降方向，且得到的点x(k+1)也不一定是沿牛顿方向的最好点或极小点。（关于最好点的相关研究可参考文献[5]）因此我们使用阻尼牛顿法和最速下降法相结合进行算法改造。
三、算法改进
最速下降法是以负梯度方向作为搜索方向，一维搜索得到步长因子；但从全局来看，最速下降法并不是收敛最快的方法，因次，最速下降法一般适用于计算过程中的前期迭代或作为间插步骤。而阻尼牛顿法的收敛速率较快，在充分靠近极小点时，有二次收敛速度，因次，阻尼牛顿法经常用作其他算法的修正。鉴于这两种算法的以上优缺点，我们考虑将这两种算法结合起来，取长补短，以达到既能保证收敛性，又能加快收敛速度的目的。算法改进的总体思路如下：
(1)首先用最速下降法迭代，在大范围内找到一个好的初始点给阻尼牛顿法；
(2)在最优点附近改用阻尼牛顿法，用最速下降法找到的点作为阻尼牛顿法的初始点，提高逼近速度与精度；
基于此思想，得到改进后的算法步骤如下：
算法3：
①给定初始点x(1)∈Rn，允许误差ε>0，置k=1；
②计算d(k)=f(x(k))，检验是否满足收敛性的判别准则：若d(k)≤ε,则停止迭代，点≈x(k)即为极值点；否则进行③；
③从x(k)出发，沿d(k)进行一维搜索，求，使：
=；
④令x(k+1)=x(k)+(k)迭代，置k=k+1；
⑤判断第k+1次与第k次的梯度向量是否正交或接近正交，即判断是否满足正交条件：f(x(k))•f(x(k+1))≤0.1，若没有正交，则进行②；否则进行⑥；
⑥进行牛顿迭代，计算f(x(k))，2f(x(k))-1，若f(x(k))≤ε,则停止迭代；否则进行⑦；
⑦计算s(k)=－2f(x(k))-1f(x(k))；
⑧从x(k)出发，沿s(k)进行一维搜索，求，使
=；
⑨令x(k+1)=x(k)+(k)，置k=k+1，转步骤⑥.
四、实例计算
例：min f(x)=，采用本文改进的算法求解此问题，其运行结果如下：
初始点 最速下降法运行时间 阻尼牛顿法的精度EE 阻尼牛顿法运行时间 f(x)解FXX x的值
在这两个改进算法中，最速下降法的精度不要取得太小，一般取3～5即可，阻尼牛顿法或牛顿法的精度可取任意值。从数值计算结果来看，阻尼牛顿法比牛顿法的改进效果略优；整体而言，先用最速下降法确定最优解的范围，再用阻尼牛顿法迭代精确后，迭代时间明显缩短，在保证收敛性的同时又加快了收敛速度，且最终结果比较理想，符合精度要求。
五、结论
本文改进的算法在一定程度上克服了最速下降法和阻尼牛顿法的缺点，将这两种算法的优势结合了起来，取得了预期的效果；但由于阻尼牛顿法的下降条件是：
即：
这就要求对称正定，但这在实际问题中也是难以保证的。另外，无论是最速下降法还是阻尼牛顿法，它们都依赖于精确的一维搜索求，这需要花费大量的时间。因此，Hesse矩阵2f(x(k))的不正定性和耗时的一维搜索，是本算法仍需继续改进的地方。
参考文献
[1]陈宝林.最优化理论与算法[M].清华大学出版社,2005.
[2]张英平,薛庆平,朱传超.无约束优化的一个全局收敛算法及其收敛速度[J].郑州大学学报,2004,36(4).
[3]杨扬,王保保.变压器局部放电超声定位中的自适应优化算法[J].现代电子技术,2007,30(3).
[4]付文军.求解无约束最优化问题的最速下降法的修正[J].内蒙古大学学报,1995,26(1).
第3篇：牛顿法基本原理范文
一、从全局观点分析力学部分教材
从全局观点分析力学部分教材，揭示物理学的基本规律，有目的地提高学生的思维品质，增强学生的物理思维能力，对此应从以下三个方面认真分析教材．
1．力学教材的基本知识结构
牛顿运动定律是经典力学的基础，也是经典物理的基础之一．动能定理和动量定理及其守恒定律为经典力学的栋梁．现行教材的体系是先讲静力学，后讲运动学，最后讲动力学．把牛顿三定律按三、一、二的顺序安排，第三定律放在静力学中讲授．这种安排符合由易到难、循序渐进的原则．即学习静力学时，有牛顿第三定律作准备知识，学习牛顿第二定律时，有力的合成与分解作先行．通过静力学的教学，要求学生正确理解力的概念．
物体受力分析是力学中的关键，几乎所有的力学问题都要涉及物体的受力分析，所以静力学教学是最重要的基础．
2．物理思维方式
思维是人脑对客观事物进行加工的过程，是人脑的功能，通过表象、概念判断和推理以及其它过程来反映客观现象的能动过程．物理思维就是运用思维的一般规律于物理学习、研究中所体现的具体的一种思维方式．
在教材分析中掌握物理思维结构，就是要掌握怎样运用思维的基本形式（概念、推理、论证等）和思维的基本方法（比较、分类、鉴别、分析、综合、归纳、证明、反驳等）以便能更好地、有目的地培养学生的思维能力．
第一章“力”要重点讲清三种力产生的条件及力的大小和方向，为物体受力分析做好准备．力的三要素，在初中已经讲过，对质点来说不会发生关于力的作用点的问题，而对刚体来说，力的作用效果除了跟力的大小和方向有关外，还跟力的作用点的位置有关．教材中虽然没有明确提出刚体概念，但所说的物体都是指刚体．力的作用点可以沿力的作用线移到刚体内任一点而不改变力的作用效果．因此，与其说力的作用点是一个要素，还不如说力的作用线是一个要素．物体的平衡，用了“平衡”和“固定转动轴的物体”等理想模型方法；“力的分解和合成”用了分析、综合、等效的方法．
第二章“物体的运动”用了理想模型（过程模型）的方法．高中教材以初中教材为基础，先提出质点这个理想化模型，在研究物体在一直线上的运动以后，立即研究物体在一个平面内运动的有关概念、规律和描述方法．运动学是力学的重要组成部分，是学习其它各章的必备知识．对平面运动的速度的合成与分解运用了分析、综合、等效的方法．
第三章“牛顿运动定律”用了经验归纳方法论．虽然第一定律不能用实验直接证明，但由第一定律推导出的一切结论都与实验结果相符合，这就间接地证明了牛顿第一定律的正确性．当今的实验已能近似地验证这个定律，例如用气垫导轨实验，运动物体——滑块在水平方向可以近似地认为不受力，因而它近似地做水平匀速直线运动．随着科学技术的日益发展，牛顿第一定律有可能得到更加严密的证明．牛顿第二定律是通过实验归纳得出的．在功和能，机械能守恒定律，动量、动量守恒这几章中，主要是用了推理的方法．如教材中机械能守恒定律是借助于运动学和动力学的知识推导出来的．但应当明确一点，这是一条实验规律，是实践经验的总结，是客观规律的反映．这此规律能够相互推导，这说明它们之间存在着内在联系．动量定理出自于牛顿第二定律，又异于牛顿第二定律．牛顿第二定律是一个瞬时的关系，而动量定理则说明状态过程，它可以按过程始末状态处理物体的动量变化，而不必涉及过程的细节．如果只考虑两个物体的孤立体系，把牛顿第三定律与牛顿第二定律结合起来，就得到作用前后的总动量不变．我们可以用实验进行检验，牛顿也正是用这个方法验证牛顿第三定律的．
“振动与波”一章研究的主要方法是从一般到特殊的推理过程，运用了动力学和运动学的基本规律，导出满足机械能和机械振动规律的新结论．
3．数学是表达物理学规律最精确的语言
在教学过程中，只有将教材的教学方法、结构搞清楚，才能达到运用数学方法解决物理问题的目的．在“力”这一章中，重点解决什么是矢量和矢量的运算方法问题．对物理矢量必须透彻理解，掌握其数学运算法则——矢量的平行四边形法则．引导学生对“代数和”与“矢量和”进行对比，体会矢量的质的差别，从而自觉地运用矢量运算法则．在“物体的运动”这一章中，先提出质点这个理想化模型，并研究质点动力学中的几个基本概念、位移、速度、加速度等．从数学角度分析这些量之间的函数关系（包括文字叙述、数学公式、函数图象等），再进行运动的合成与分解的矢量运算．
在“牛顿运动定律”这一章中，牛顿运动定律起着承上启下的作用，即能进一步加深对静力学、运动学知识的理解，又能为顺利学习机械能和动量铺平道路．牛顿第二定律的数学表达式，只有以地球和相对地球静止或做匀速直线运动的物体为参照系才是适用的．教材由分析物体只受一个力产生加速度与力的关系，过渡到分析物体受几个力产生加速度，以及加速度与力的关系，从而概括出能适合各种情况的牛顿第二定律的数学表达式ΣF＝ma．在公式中，力与加速度都是矢量，故此式是一个矢量式．牛顿第二定律概括了力的独立性原理（或力的叠加原理），即几个力同时作用在一个物体上所产生的加速度，应等于每个力单独作用时所产生的加速度的叠加——矢量和．在解题中，运用了正交分解法等基础知识．
机械能和动量这两章是在运动学和动力学的基础上，讨论力的空间和时间积累效应，从而引出功和能、冲量和动量等概念．功和能将矢量运算变成了代数运算．教材从力对物体做功引出动能和动量定理，研究了重力、弹力做功的特点，引出势能的概念，得出在只有重力、弹力做功时，机械能守恒．最后，从一般的功能原理阐明功的本质是能量变化的量度作为本章的总结．能的转换和守恒揭示了物理学各部分的内在联系．在讨论动量定理时，应强调牛顿第二定律的关系式是一个瞬时关系，而动量定理则说明状态过程，应用它研究某一过程而不是研究某一瞬时，只有在t0时，才是相等的．实验是讲述动量守恒定律的基础，教材这样处理是考虑到动量守恒定律的产生不是从牛顿运动定律推导得出的，而是一个独立的物理规律．而动量守恒定律的适用范围远远超出牛顿力学的适用范围．对动量守恒定律的数学表达式没有具体给出，目的是避免学生只是死记公式，注重培养学生学会运用物理规律对具体问题进行具体分析的能力．在应用动量守恒定律时，应选用惯性系，物体的动量mv、速度v的大小和方向也与参照系的选取有关．应特别注意计算同一系统中各部分的动量不能用不同的参照系．机械振动和机械波是较复杂的机械运动，它需要力学、圆周运动、运动图象等知识作基础．简谐运动是最简单、最基本的振动，是讲清波的关键．建立振动和波的联系与区别，是突破机械波教学难点的关键．
二、物理教学即要发展学生的智力又要培养学生的能力
物理教学即要发展学生的智力，又要培养学生的能力，而后者较前者更为重要．从物理学本身来看，它研究的各种现象和规律是互相联系的．例如功和能的概念及能的转换和守恒定律，又渗透在各个分科中．教学职能即要从人类知识的总汇中挑选最精华的，运用最科学的方法传授给学生，又要使他们具有独立获取知识和驾驭知识的能力．要重视知识的传授，离开知识的掌握，能力的发展就成为无源之水，无本之木．
1．系统化结构化的教学
在中学物理教学中，贯穿力学的两条主线——动能定理和动量定理、机械能转换和守恒定律及动量守恒定律．这两个定理、两个定律来源于牛顿运动定律，与牛顿三定律一起构成质点动力学的基本规律，是力学部分的重点知识．围绕这两条主线，要深入分析牛顿运动定律，为这两个定理打好基础．动量定理、动能定理是在牛顿定律基础上派生出来的定理或推论，它们提供的表达式与牛顿运动定律等价，可代替牛顿二定律的矢量表达式中的某分量式，而不是什么新的表达式．但是动量守恒定律是自然界最普遍的规律之一，能量守恒和转换定律也是反映自然现象的最重要的规律之一．它们的作用远远超出了机械运动的范围．
2．培养学生的独立实验能力和自学能力
要培养思想活跃，有创新精神和创造能力的人材，必须加强学生的实验能力和自学能力．物理实验是将自然界中各种物理现象在一定条件下，按照一定的物理规律创造一定的条件使它重现．做物理实验，必须满足于一定的条件才能获得预想的结果，如设计实验步骤、选择测量仪器、正确观察现象、完整的读取数据、严格的计算，是做好实验不可缺少的过程．让学生按照上述过程有目的的科学训练，自觉地掌握科学实验的规律，激发学生的学习积极性就能增强学生灵活运用物理知识解决实际问题的能力．
第4篇：牛顿法基本原理范文
（桂平市下湾一中广西桂平537219）
天宫一号参照系S*（或称实验室，下同），纬度为90°的地面参照系S0，纬度非90°的地面参照系S，相对于S匀速平动的参照系SV和相对于S加速运动的参照系S，其上的重力加速度分别为 0、g?0、g?、g?v和g?‘。从S0上看，以上其他四个参照系都是转动参照系。g?V≠g?导致伽利略相对性原理不成立，g?‘≠g?导致牛顿第一、二定律必须修正为牛顿----梁氏定律。于是，我们以牛顿----梁氏定律为唯一基本定律，以其表达式为基本方程和数学基础，创立了适用于任何一个参照系的普适经典力学（可称为牛顿——梁氏力学）。
（1） 转盘上的实验
上述S上有一水平的匀速转动圆盘，转轴过圆盘的中心O。我们只有在O点领域上才能测得质量为m的物体对S系的重力mg?和S系上的重力加速度g?；设想我们从O点往圆盘半径向外移动，则测得该物体的重力为m和该物体所在领域上的重力加速度为，该领域参照系上的水平面与S系上的水平面不平行；当该领域参照系离O点越来越远而使其对S系的线速度几乎达到第一宇宙速度时，则有≈0（微重力情况，微重力就是地球吸引力的一个小小分力），于是该领域参照系就天宫一号参照系等价了。由此可见，改变转动参照系的角速度或线速度，可改变其上的重力加速度。当上述领域参照系与O点之距和该参照系相对于S系的转动角速度均已知时，则中学生也能计算出的大小及其与g?的夹角。
（2）证明
仅受万有引力作用的物体称为自由物体。自由物体相对于参照系的加速度称为该参照系上的重力加速度。我们分别到上述S0、S和上做重力加速度测量实验，则结果分别为g?0、g?和且它们互不相等。我们到伽利略船舱SV上做重力加速度测量实验：当SV相对于S的速度V为平常的船度时，则g?V与g?的差别观察不出来（使伽利略、牛顿和爱因斯坦均误认为有伽利略相对性原理）；当V较大时（例如有第一宇宙速度的1/2），则g?V的g?差别就可以观察出来，于是有g?V≠g?。另外，很容易用加速度相加定理证明g?0≠g?≠g?v≠，可参阅文献［1］。值得指出：将S上的单摆和复摆周期公式中g换成g´，则成为上的单摆和复摆周期公式；将S上的阿基米德原理表达式中g?换成，则成为上的浮力表达式（认识了这个表达式，才能正确解释牛顿水桶实验）。
（3） 伽利略相对性原理不成立
我们可以将S上的情况视为静止情况而将SV上的情况视为恒定速度运动的情况。考虑质量为m的同一质点，对S而言所受合力F?（=mg?+∑F?i其中∑F?i是该质点受到的除万有引力意外的其他作用力）与对SV而言所受合力F?v（=mg?v+∑F?i）并不相同，因此根据我们发现的普适实验方程：
（合力）=（质量）×（加速度）（3-1）
可得相应的实验方程
F=ma?（3-2）
Fv=mav（3-3）
其中a?和a?v分别为质点相对于S和SV的加速度。上述方程不相同，使同一质点对S和对SV的运动不会有任何相同（初始条件相同），因此，伽利略相对性原理不成立，SV与S不是等级啊参照系。伽利略相对性原理不成立，自然使凭空想出来的狭义相对性原理不成立；狭义相对性原理不成立，导致爱因斯坦对洛伦兹变幻的推导不成立；我们用光速不变性原理导出了洛伦兹变换，还导出了两坐标系（参照系）相对加速运动时的时空变换——梁氏变换，还用梁氏变换给出了狭义与广义相对论问题的数学解释（可参阅文献［2］）
（4） 牛顿——梁氏定律
文献［1］从S上的质点动力学基本方程（3-2）式可推导为上的质点动力学基本方程F? ‘=ma?’（4-1）
其中F? ‘=ma? ‘+∑F?i，a? ‘为质点相对于S‘的加速度。上式同（3-2）（3-3）式可视为（3-1）式分别在S’、S和Sv上的显式，它们反映的物理规律就是实验的牛顿——梁氏定律；质点相对于参照系的加速度，与它相对于该参照系而言所受到的合力成正比，与它的质量成反比，加速度方向跟合力方向相同。牛顿——梁氏定律表达式（3-1）可写为
F? 合ma? 合（4-2）
文献［3］［4］的编者没有认识到实验方程（4-1）式，他们误认为实验方程（3-2）式反映的力学定律（误认为是牛顿定律，其实是牛顿——梁氏定律）对系不成立，于是错误地引入假想的惯性力，错误地认为牛顿第一、二定律对转动参照系S系成立。宇宙间可观察的参照系（参照物）都是转动参照系（有加速度的参照系），所有转动参照系都有相应的惯性离心力（根据等效原理）显然够荒唐；另外，我们无法测量出惯性离心力，同样我们无法测量出牵连惯性力和科式惯性力；还有，等效原理违反了物质不灭定律［1］。因此反证等效原理不成立。系上的经典力学问题的唯一正确解答只能应用实验方程（4-1）式。S系上的经典力学问题的解答，文献［3］［4］的编者是不自觉地应用了牛顿——梁氏定律在S上的表达式。王亚平测物体质量的实验，被误认为是根据牛顿定律，其实是根据牛顿——梁氏定律（此时的表达式可表为∑F?i=ma?，a?为该物体对天宫一号的加速度）。我们从（4-2）式可导出动量定理、动量矩定理和动能定理的表达式，于是构成完整的普适经典力学体系。这种体系扬弃了论证不成立，正确论证见文献［2］。
（5） 牛顿——梁氏定律应用举例
例1：刹车时乘客感受到的力是什么力？
例2：求解匀速平动车厢上的单摆运动规律。
上述文献［2］还举了几个关于牛顿——梁氏定律应用之例（其中一例解答了坐在匀速转动圆盘上的人感受到的力，是其所受重力m和转盘正压力N?的合力，爱因斯坦误认为是牵连惯性力）。限于篇幅，文献［2］及本文均无法就文献［3］关于所谓科氏惯性力的例子应用牛顿——梁氏定律作出解答，只能放到梁氏专著《普适经典力学与普适相对论》中。
（6）后语
μ子实验和原子钟环球飞行试验以及光谱线红移，都证明转动参照系上时钟变慢［2］。迈——莫试验和水星近日点运动以及匀速运动圆盘圆周率大于π，都证明转动参照系上的尺子变长［2］（爱因斯坦误认为是变短）。参照系的转动使光线弯曲［2］（加速度所为）。到此可见，我们应该从王亚平实验想到各种转动参照系上的实验，以便寻找科学发现与创新理论。
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参考文献
［1］梁尺峰，建立在实际实验基础上的普适经典力学，第六届中国管理科学大会论文（2013，北京人民大会堂），第五届全国民间科技论坛交流论文（2013，太原）。
［2］梁尺峰，F?´=ma?´与梁氏变换的应用，载于《梁尺峰论文选集》，纪念母校广西师范大学80周年校庆，2012桂林。见梁尺峰博客http：//blog.sina.com.cn/liangchifeng。
［3］北京大学物理系普通物理教研室，《普通物理学》力学部分，北京，人民教育出版社，1961，24-56.
［4］程守洙、江之永等主编，上海市高等工业院校物理学编写组，《普通物理学》第一册，北京，人民教育出版社，1978，54-73.
作者简介：梁尺峰（1942-10），男，广西桂平市人，汉族，1966年毕业于广西师范大学物理系，广西桂平市下湾一中退休教师，改革开放才有机会研究牛顿力学和爱因斯坦相对论以及重力以寻找人生价值，几十篇，写有一本专著——《普适经典力学与普适相对论》（时机成熟才能出版），要用牛顿——梁氏定律改写牛顿力学，要用梁氏变换改写爱因斯坦相对论。
2013年6月20日王亚平在离地球347公里绕地球一周为90分钟的天宫一号做太空实验授课，“在册”弟子6000余万，旁听难以计数。三个问题值得思考：①梁尺峰质疑其中质量测量实验之依据，不是牛顿定律而是牛顿——梁氏定律，希望大家公开评论之。②中学生可动脑估算天宫一号内的微重力加速度g*，然后计算自由落体下落1米所需时间，再计算平抛物体水平移动10米时该物体下降了多少。③设想两只相同的原子钟同时拨零后，一只留在地面上，另一只即刻跟随王亚平升空并进入天宫一号，然后又跟随王亚平回到地面上，这两只钟从分开到相会，哪两只钟变慢了？大学生可动脑推算钟慢的理论预言值（应用梁氏变换），这实验不同于用飞机带原子钟环球飞行实验。
对转动参照系上的相对论实验的思考
附录：
相对于地球质心参照系S0转动的各种参照系上的力学实验的思考：使我们发现转动参照系S上的质点动力学基本方程F? =ma?，不是牛顿第二定律表达式而是牛顿——梁氏定律表达式；使我们发现转动参照系SV上的质点动力学基本方程不是F? =ma?V，而是F?V =ma?V（于是伽利略相对性原理不成立）；使我们发现牛顿——梁氏定律在上的表达式（于是可正确解答上的经典力学问题，包括梁氏水桶实验：一桶水，放进一些细砂，用棒搅动水使之转动，则细砂全集中于桶底中央，分析其中一粒细砂的受力情况及向心运动情况）。
为了给出转动参照系上的时钟变慢及尺子变长的数学解释，为了计算加速度对时间及尺长的影响，我们找到了两坐标系（参照系）相对加速运动时的时空变换式——梁氏变换（含洛伦兹变换和伽利略变换），于是以光速不变性原理为唯一基本原理，以梁氏变换为基本方程和数学基础，创立了适用于相对运动的任何两个参照系的普适相对论（可称为爱式——梁氏相对论）。应用梁氏变换解释狭义与广义相对论问题最好（最简单）。本文 http://
参考文献［1］正确地解答了火车进入隧道的争论，而本文文献［2］对该争论的解答不成立。本文文献［2］因不能计算加速度对时间的影响，所以不能给出双生子佯谬的完全的数学解释（爱因斯坦只能给出乙出比甲更年青的答案，而不能给出数学解释），上文文献［2］不能给出μ子实验的数学解释，上文文献［2］应用转动情况的梁氏变换解释了μ子实验。本文文献［1］给出了洛伦兹变换的推导和加速运动情况的梁氏变换的推导，还给出了钟慢尺缩绝对性原理及其力学机理。
1971年原子钟环球飞行实验可简化为这样一个问题：原子钟甲与静止在赤道上A点的原子钟乙同时拨零后，钟乙即从A点以加速度a竖直上升至高h处，然后向水平方向（向正东或正西）作恒纬度、等高、匀速圆周运动一周，最后从A点正上方以加速度a减速竖直下降至A点恰好停下，钟乙与钟甲相会时，哪只钟慢？上文文献［2］对钟乙作变速平动应用加速平动情况的梁氏变换而对钟乙作匀速圆周运动应用匀速转动情况的梁氏变换，于是得
其中t1和t2分别为钟乙上升时间和下降时间，t为其匀速飞行时间，V为匀速飞行速度，Ω 为地球自转角速度，R为地球半径，乙向东飞时V前取正号而向西飞时V前取负号，∑t为钟甲记录的时间，∑t´为钟乙记录的时间。根据上式得到的理论值（见上文文献［2］）与实验值（见本文文献［3］）基本相符而无矛盾；上文文献［2］就本文文献［3］对该实验的理论值的推算提出了商榷。设想乙环球飞行n周，则上式右边第二项出现系数n。显然，知道了天宫一号S*离地高度和S*绕地运行周数以及运行周期，则可推算S*带原子钟环球飞行实验的理论值。希望大家讨论洛伦兹变换的推导、双生子佯谬的数学解释、μ子实验的数学解释、火车进入隧道的争论之解答、1971年原子钟环球飞行实验的数学解释、天宫一号S*带原子钟环球飞行实验的理论值的推算，……，这将使物理学家从洛伦兹变性的束缚下解放出来，还使爱因斯坦从神坛上走下来，还使物理学获得发展。
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参考文献
［1］梁尺峰，梁氏变换与钟慢尺缩绝对性原理，第六届中国管理科学大学论文（2013，北京人民大会堂），第五届全国民间科技论坛交流论文（2013，太原）。
第5篇：牛顿法基本原理范文
〔中图分类号〕 G633.7〔文献标识码〕 C
〔文章编号〕 1004―0463（2008）08（B）―0049―01
一、牛顿第一定律的形成
1.伽利略、笛卡儿的结论是形成牛顿第一定律的基础。伽利略的理想实验，使他得出这样的推论：当一个物体在一个水平面上运动，没有碰到任何阻碍时，它的运动是匀速的，并将继续进行下去，假若平面是在空间中无限延长的话。之后，笛卡儿对此问题作了进一步补充：如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。伽利略、笛卡儿向世人揭示了物体的运动来自于物体自身，外力不是运动的原因，从而使人们从亚里士多德结论的禁锢中走了出来，开创了动力学的新局面，为牛顿构建动力学理论打下了坚实的基础。
2.惯性等概念的确立是形成牛顿第一定律的关键。如果不仔细研究，人们很有可能将伽利略的结论与牛顿第一定律在理论上等同起来，区别仅是牛顿的叙述语词更加规范而已。其实两者之间存在着一些实质性的差异，伽利略发现了物体自身的这种运动，但他并未深究这种运动的原因，没有提出惯性概念。牛顿在构建动力学理论时，首先他严格定义了当时人们常常混淆的几个基本概念，例如，物质的量（质量）、运动的量（动量）、惯性、外加力、向心力等，在注释中阐述了他的绝对时空观，其次是提出并论证了牛顿三大定律及其推论的意义。
牛顿第一定律形成的关键是牛顿确立了动力学中几个实质性的概念，即质量、惯性和外力。最早人们对于如何研究物体的运动问题，方法不一，伽利略认为，首先要研究物体怎样运动，然后才能研究物体为什么运动。伽利略的目的是对物体怎样运动的说明，当伽利略的推论出现以后，牛顿研究的方向已转向寻求物体为什么运动，以及物体运动变化的原因。进一步的探索，使牛顿确立了外力与惯性的概念，上述两个问题得到解决，动力学有了质的变化，后来又随着牛顿在数学上的极大成功，进一步推动着他论证了牛顿三大定律，牛顿三大定律的建立，标志着动力学理论正式形成。
3.结论。牛顿第一定律是牛顿在伽利略等人结论的基础上，进一步建立了外力、惯性等概念后，理性思维提升的产物。教材在编排上，颠倒了它们的依赖关系，造成学生对牛顿第一定律的理解缺少惯性概念的支撑，同时惯性概念的产生，又脱离了它的具体情境，导致学生对定律的理解不深刻，对惯性概念掌握的不准确。因此，牛顿第一定律的教学，实质上是惯性概念的教学（外力的概念学生已建立），学生只有建立好惯性概念，才能真正理解牛顿第一定律。
二、关于惯性概念教学的建议
1.惯性概念的产生。按照教材编排，惯性概念应在伽利略的推论后，对理想的匀速直线运动作进一步探索的结果。教学过程可分两步：
第一，建议在介绍了伽利略和迪卡尔的结论后，就所描述的静止或匀速直线运动，提出让学生进一步思考的问题：任一时刻观察者看到物体的这个运动从何而来?让学生自己独立探究，并相互讨论，最后得出：物体此时的运动是原来的。从时间上来说，就是与此时相邻的上一时刻的运动。紧接着让学生再去探究原来的或上一时刻的这个运动又是从何而来?通过这样的问题让学生反复探究、思考，最终得出：某时刻物体的这个运动是原来就有的，物体能使运动延续下来，即物体有保持原来运动状态的一种特性。
第二，创设具体的情境与问题（外力作用于物体导致运动状态变化），让学生在分析的基础上得出：有外力作用而改变物体原来的运动状态时，物体自身总表现出“抵制”和“对抗”的特性，即阻碍运动变化，保持原来状态的特性，且用事例说明，这种特性的大小与质量有关，质量是这种特性大小的量度，因此，质量也称“惯性质量”。
第6篇：牛顿法基本原理范文
（桂平市下湾一中广西桂平537219）
【摘要】笔者（梁氏）发现了牛顿——梁氏定律、梁氏变换和钟慢尺缩绝对性原理，并用牛顿——梁氏定律将牛顿力学修正为普适经典力学，用梁氏变换将爱因斯坦相对论修正为普适相对论。梁氏还发现了利用质数表可以将一个正数写成质数之和，于是解答了“1+1”、“1+1+1”和梁氏猜想。牛顿——梁氏定律和梁氏变换导致改写世界科学史及改写世界大中学物理教科书。
关键词 牛顿——梁氏定律：梁氏变换：钟慢尺缩绝对性原理：梁氏理论：梁氏猜想
（1） 中国人的科学梦
在世界大中学自然科学教科书中几乎没有中国人的公式（方程）或定理或定律或原理或理论，共和国诺贝尔科学奖尚未突破，钱学森说共和国培养的学生“还没有哪一个的学术成就，能跟民国时期培养的大师相比”，这就刺痛了大陆中国人的自尊心和自信心。改革开放给大陆中国人机会，创造了经济奇迹，也创造了科学奇迹，中华在振兴。2008年中共中央党校出版社出版的论文集发表了令人瞩目的论文——《中国一个乡村教师站到了爱因斯坦和牛顿肩上》，中国人梁氏要修正平常人看不懂的天书——爱因斯坦相对论，要修正物理学乃至自然科学第一个完整的理论——牛顿力学：第九届中国科学家论坛（2012，北京人民大会堂）确认，梁尺峰改写科学史的划时代的科学发现与创新理论——梁氏两方程一原理与梁氏理论，是2012中国科技创新卓越成果奖。于是，梁氏以论文《牛顿力学和爱因斯坦相对论的修正与梁氏理论》申请2013国家自然科学一等奖（2012该奖空缺），该文见梁尺峰博客（blog.sian.com.cn/liangchfeng）。虽然中国科协两次组织专家审评梁氏理论（2009，2010），并没有明确结论，但是梁氏坚信：历史将证明，梁氏两方程一原理与梁氏理论一定能进入世界大中学科学书并改写世界科学史，具有诺贝尔物理学奖水平，民国的大师学术成就不能跟梁氏相比。
（2）牛顿——梁氏定律
宇宙间找不到惯性系，将牛顿力学和狭义相对论建立在惯性系上是历史性错误，宇宙间找不到受力作用的质点，因此牛顿第一定律不成立（没有物理意义），惯性系不可定义。牛顿力学认为惯性力是假想力，爱因斯坦相对论认为惯性力是真实力，二者必有一错。参照系（参照物）加速运动果真能产生相应的惯性力场（物质），显然违反物质不灾定律，于是反证等效原理不成立（这就证伪了惯性力是真实力）。另外，物理学是实验科学，将不可测量的假想惯性力引入物理学显然是错误的。因此，经反复思考，梁氏发现地面参照系S和相对于S匀速平动的参照系SV以及相对于S加速运动的参照系S’上有互不相同的重力加速度（分别为g?、g?v和g?’），进而发现了适用于任何一个参照系的质点动力学基本定律（称为牛顿第一梁氏定律），发现了伽利略相对性原理和狭义相对性原理不成立。因此，梁氏以牛顿第一梁氏定律为唯一基本定律、以该定律的数学表达式为基本方程和数学基础，创立了适用于任何一个参照系的普适经典力学（称为牛顿一梁氏力学）。
(3)梁氏变换
两坐标系（参照系）之间的相对运动，不但有匀速平动，而且有加速运动（即变速平动、匀速转动和变速转动），因此匀速平动的洛伦兹变换不是最普遍的时空变换（随之洛伦兹协变性没有普遍性，它不是“探索物理规律和建立物理理论的一条强有力的基本准则”），最普遍的时空变换是加速运动时空变换——梁氏变换。梁氏还发现，相对论的钟慢相对性和尺缩相对性均违反哥白尼日心说（这种相对性等于承认地心说与日心说都成立，这就错了），于是梁氏发现了钟慢尺缩绝对性原理。因此，梁氏以光速不变性原理为唯一基本原理，以梁氏变换为基本方程和数学基础，创立了适用于相对运动的任何两个参照系的普适相对论（称为爱氏——梁氏相对论）。
（4）哥德巴赫猜想与梁氏猜想
1742年哥德巴赫向大数学家欧拉提出，任何一个不小于9的奇数都可以写成3个质数之和（称为弱哥德巴赫猜想，也可以称为哥德巴猜想，记为“1+1+”）。欧拉不能解答，同时他提出：任何一个不小于6的偶数都可以写成2个质数之和（称为强哥德巴赫猜想，也可以称为欧拉猜想，记为“1+1”）。2009年梁氏发现，利用N以内的质数表可以将接近2N以内的不小于6的任何一个偶数都写成2个质数之和。2012年梁氏想到了，利用N以内的质数表可以将将接近2N以内的不小于9的任何一个奇数都写成3个质数之和。因此，利用质数表可解答梁氏猜想（也可以称为广义哥德巴赫猜想），任何一个正整数（偶数不小于6而奇数不小于9）都可以写成质数之和（为偶数个质数之和或奇数个质数之和），记为“1+1+1”，“1+1+1+1+1”，……，“1+1”，“1+1+1+1”， ……。梁氏猜想包容“1+1+1”和“1+1”。以上这些猜想的解答，可见梁尺峰博客上的《梁尺峰论文选集》（纪念母校广西师范大学80周年校庆，2012，桂林）。陈景润获国家自然科学一等奖（1978），梁氏的工作比陈景润的工作（证明了“1+2”在大偶数时成立）更上一层数，不给梁氏该奖显然欠公平。
（5）梁氏理论使梁氏永生
普适经典力学和普适相对论总称为梁氏理论，是牛顿力学和爱因斯坦相对论的修正之结果。任何人都无法否定
牛顿——梁氏定律、梁氏变换和钟慢尺缩绝对性原理，因此，梁氏理论不可否定，它是科学振兴中华的一面旗帜，也是实现中国梦的重要部份，它还使梁氏永生。因此，梁氏理论是梁氏人生价值的体现。
改革开放造就了一些物质富豪——千万富豪和亿万富豪，可能仅造就了一个顶级精神富豪——梁尺峰，他拥有世界科学史长河中划时代的里程碑——梁氏理论。许多成功人士生前的光环随生命结束而很快消失，生前占有的东西不能永远属于自己，在世界历史长河中不能留下痕迹。欲了解梁氏理论，请看上述《梁尺峰论文选集》。梁氏唯一一本专著——《普适经典力学与普适相对论》，待牛顿——梁氏定律、梁氏变换和钟慢尺缩绝对性原理获得公认以后，才能出版。到那时侯，记录梁氏故事及其科学奋斗历程的自述——《我的奋斗史》，必将在全世界永远有不少读者。不能证伪梁氏理论而又嘲笑梁氏的人，其实时间证明自己才可笑。诗人臧克家有句诗说；“有的人活着，他已经死人/有的人死人，他还活着”。
（6）后语
第7篇：牛顿法基本原理范文
陈新亮（1970.3-），男，汉族，河北怀来人，河北北方学院艺术学院党委书记，公共管理硕士，社会科学副研究员，主要研究方向大学生思想政治教育管理。
摘要：时空观是关于时间和空间的根本看法和根本观点，是自然观的重要组成部分。在科学史上，每一次重大理论的变革往往伴随着新时空观的诞生。在牛顿力学体系中产生的绝对时空观使人们的思维机械化，世间一切皆在做机械运动。20世纪初，相对论诞生于世，从而赋予了时间和空间以崭新的概念，改变了传统的绝对时空观。相对论从根本上改变了人们对时间和空间的看法：时间和空间是紧密联系的，时间、空间和物质密不可分，时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲。相对论革新了旧的牛顿时空观，对科学和哲学产生了巨大的影响。本文先论述前爱因斯坦的牛顿绝对时空观，再阐述爱因斯坦相对论对时空理论的变革，进而说明爱因斯坦相对论变革时空观对科学和哲学的意义。
关键词：时空观；牛顿的绝对时间观和绝对空间观；相对论
时空观，顾名思义，就是对时间和空间的根本看法和根本观点，它构成了哲学上自然观的重要内容和组成部分。随着科学与社会的发展，人们对于时间和空间的认识也在不断地加深。20世纪初发生了现代物理学革命，在这个激动人心的年代里，爱因斯坦相对论的诞生彻底否定了牛顿经典力学体系的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间所具有的本质属性和它们与物质以及物质运动的关系，引起了时空学说的一次重大变革，形成了新的时空观并产生了深远的影响。目前学者们对于爱因斯坦相对论引起时空观变革这一问题的研究已经取得了重大成果，但是对此问题应当有个简明、清晰的系统阐述。本文预从介绍前爱因斯坦的时空观，重点介绍牛顿的绝对时空观入手，进而阐明爱因斯坦相对论变革时空观的内容和意义。
一、对爱因斯坦时空观的概述
从古至今，无论在中国还是在西方，科学上和哲学上的一个大的课题就是关于时间和空间的问题，人们总是在问时间和空间究竟是什么。中国古代就有这样的说法，古往今来为宙，上下四方为宇。显而易见，在这里，“宙”指的是时间，即过去、当今和未来以及白天与黑夜的更替、春夏秋冬的更迭，而这种时间的观念来自于平日里对自然现象的观察和经验的直觉。“宇”则指的是空间，即上下左右前后、东南西北。时间是无始无终的，空间是无边无际的。在西方，许多先哲也思考了时间和空间的问题。
（一）时空观概述
古希腊哲学家德谟克利特认为空间和时间是没有物质的时空，柏拉图则认为时间是在存在之外的。对时间和空间形成系统认识的人，最早是古希腊的亚里士多德，关于时间的问题，亚里士多德提出时间是描述“运动”的“数”，他指出：“变化总是或快或慢，而时间没有快慢。因为快慢是用时间确定的：所谓快就是时间短而变化大，所谓慢就是时间长而变化小；而时间不能用时间确定，也不用运动变化中已达到的量或已达到的质来确定。”[1] 由此可见时间不是运动，而是描述运动的数。亚里士多德认为大地是球形的，地球是宇宙的中心。物体在宇宙中的位置具有关键的作用，每个物体都有各自的天然位置，只要没有阻挡，它们都会到达各自的天然位置。[2] 在当时教会统治人们思想的社会背景下以及当时的社会和科学发展水平，加之亚里士多德的时空观符合人们当时对自然现象的认识，以至于亚里士多德的时空观对人们的思维造成了很长时间的影响。但是，由于科学技术的进步，哥白尼提出了日心说，彻底否定了地球是宇宙中心的说法。到17世纪，伽利略提出了力学相对性原理，亚里士多德的时空观才被伽利略用明确的语言和简单的物理现象所批驳。紧随其后，牛顿提出了绝对时间观和绝对空间观。之后，康德认为时间和空间意识是人类的先天直观形式，而不是从感觉经验中得来的。当然，人们对于时间和空间性质的认识不仅仅停留在哲学层次上，关于时间和空间问题的思考也不只是哲学家所专有的事情。在科学层次上，科学家们也在不断地探索时间和空间的属性，法国科学家彭加勒认为时间和空间都不是先天的，而是为了某种目的约定的。爱因斯坦相对论时空观主要革新了牛顿的绝对时空观，因此重点介绍一下牛顿的绝对时间观和绝对空间观。
（二）牛顿的绝对时空观
牛顿站在巨人的肩膀上，综合了哥白尼和伽利略等人的科学成就，建立了牛顿经典力学体系，并且给他的经典力学理论引入了绝对时间和绝对空间的概念，创立了绝对时间观和绝对空间观。
牛顿为何要引入绝对时间和绝对空间的概念？我们又该如何理解牛顿所定义的绝对时间和绝对空间，想要弄清这些问题就要从牛顿所建立的经典力学说起了。物体的运动状态及其改变是经典力学讨论的主要对象，而万事万物的运动又都离不开时间和空间，都要在一定的时间和空间中进行。[3] 一切运动都是物体本身位置的变化，这样看来位置就用到了空间的含义，变化则用到了速度，也就是用到了时间的含义，所以牛顿的经典力学体系必定要与一定的时间和空间相联系。然而，描述机械运动又必然不能离开参照系，但是并不是所有的参照系都适用于牛顿定律，我们常常把适用于牛顿定律的参照系称之为惯性参照系。那么惯性参照系到底是什么呢，牛顿经典力学本身的理论框架也不能对此给出确切的说明。因此，为了解决这个问题，牛顿便引入了绝对时间和绝对空间的概念。牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中写道：“绝对的、真正的和数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”[4] 这里的时间，我们可以形象地把它比拟成永远流逝着的水，也可以把它想象成一根无限延长的线，无论哪样，它都与周围的任何环境无关；而这里的空间，我们也可以把它形象地比拟成一个与任何特殊物质无关的、能够容纳万事万物的、静止的大容器。
牛顿把自己定义的这样的时间和空间称为绝对时间和绝对空间，由此便形成了牛顿的绝对时间观和绝对空间观。对于牛顿绝对时空观的基本思想，主要有下列三个方面。
1.同时性是绝对的
在牛顿的绝对时空观中，同时性是绝对的、无条件的，也就是说，在不同地方发生的两件事情，如果对一个惯性参照系来说是同时发生的，那么无论对其它任何惯性参照系来说必定都是同时发生的。所以，对准过的两个钟表，不管把它们放在任何不同的地方，无论它们是否有相对运动产生，钟表总是同步的。在这个方面上，牛顿的绝对时空观似乎是符合我们的生活经验的。
2.时间是绝对的，空间也是绝对的
在这里，时间是绝对的指的是时间间隔的绝对性。也就是说，如果一个房间的时钟走了十分钟，那么世界上任何时钟都走了十分钟，无论它们在何种运动状态下。而空间也是绝对的指的是空间距离的绝对性。比如说，一根笔的长度，当以某一个参照系测量它是十厘米时，那么从别的参照系测量它时，它也是十厘米，而与参照系的运动状态无关。
3.时间和空间是各自独立，互不相关的并且与物质及其运动无关
按照牛顿绝对时间和绝对空间的观点，时间和空间各不相关，而且时间和空间是脱离物质运动而存在的，时间和空间具有绝对性，这也就是说，时间和空间只是单独的存在，这种存在不受周围任何事物的影响。
牛顿的绝对时间观和绝对空间观是符合我们的生活经验的，并且适用于当时的科学实验，因而人们很容易理解和接受这种观点。随着科学的进步，到19世纪末，麦克斯韦电磁理论发展起来，牛顿的绝对时空观显现出它自身的局限性，牛顿绝对时空观只适用于物体在宏观低速下的运动规律，而对于在微观高速下的运动则无能为力。正是在这种背景下，发生了现代物理学革命，相对论出现在人们眼前。爱因斯坦相对论革新了牛顿的时空理论，创建了新的时空学说。
二、爱因斯坦相对论对时空观的变革
历史上每一次新的时空理论的产生总是离不开科学的发展。19世纪末，当时的物理学界普遍认为物理学的大厦已经落成，正在他们展望物理学的美好前景时，物理学晴朗的天空上却被两朵乌云所笼罩，即“以太漂移的零结果”和“黑体辐射”。由此爆发了现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学。爱因斯坦曾说“相对论同时间和空间的理论有密切的关系”[5]。爱因斯坦相对论研究的是关于时间、空间和物质、运动之间的内在联系，由狭义相对论和广义相对论组成。而新的时空观正是以相对论为理论依据的，它认为时间和空间相互影响，彼此不可分离，形成一个四维时空统一体，时间和空间受物质及其运动的影响。从某些方面来说，新的时空理论也就是爱因斯坦的相对论，正是狭义相对论告诉了人们时间和空间与物质运动的密切关系，而广义相对论又进一步告诉了人们时间和空间的性质与物质本身的存在及其分布密不可分。[6]
（一） 狭义相对论对时空理论的革新
自从光的波动说复活以来，物理学家们开始对“以太”问题进行激烈的探讨，后来著名的迈克尔逊—莫雷实验的零结果彻底否定了“以太”的存在，但是这种结果却使更多的物理学家困惑不解。为了更好的解决迈克尔逊—莫雷实验的困惑，1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》一文，放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间概念，提出了光速不变原理和相对性原理这两个基本前提假设，宣告了狭义相对论的诞生，从而形成了新的爱因斯坦时空观。
为了更好的理解爱因斯坦狭义相对论对时空观作了哪些方面的革新，也就是爱因斯坦新的时空观是怎样的，我们首先要来说明一下光速不变原理和相对性原理，因为这两个原理是狭义相对论得以成立的基本前提假设。光速不变原理，指的是不论光的观察者运动与否，光速在真空中都是一样的、不变的，即都是一个常数c；相对性原理，指的是自然规律在所有惯性参照系中，都是一样的、不变的。[7] 只要抛弃牛顿绝对时间的概念，这两条基本原理就能够彼此相容，这样两个惯性参照系之间的时间和空间变换就满足洛仑兹变换。爱因斯坦狭义相对论对时空理论的革新以及爱因斯坦时空的重要性质就包含在这个变换中，主要有下列三个方面。
1.同时性是相对的
依照光速不变原理，狭义相对论认为不同地方的两件事情，在某一惯性参照系中来看，它们是同时发生的，然而相对于这一惯性参照系运动的其它任一惯性参照系来看，它们就不是同时发生的。因而同时性是相对的，时间与物质运动有关。这里需要注意的是，如果发生在同一个地点或者说是同一个点的两个事件，其同时性就是绝对的，与参照系的运动和选择无关。
2. 时间是相对的，空间也是相对的
与牛顿的时空理论不同，爱因斯坦狭义相对论的时空观认为时间间隔是相对的，也就是说，某一个过程中延续的时间在不同的惯性参照系中所测量的结果是不一样的，这是由同时性是相对的自然而然推导出的结果。最能说明这一点的便是大家熟知的运动的时钟会变慢，即时间延缓效应，它主要说的是对于每一位观察者来说，都有他们自己的时间测度，如果在天空中有一个高速飞驰的时钟，那么它对于地面上静止不动的观察者而言，钟的时间走的慢了，并且时钟飞驰运动得速度越快，钟的时间走得就越慢，这就反映了时间是相对的。
空间也不是牛顿时空理论中所认为的那样是绝对的，空间也是相对的，长度的相对性就证明了空间是相对的。也就是说，同样的一把尺子，根据所选择的惯性参照系，它们的长度是不一样的。假如A尺子是运动的，速度近于光速时，那么B尺子就会看到A尺子缩短了。[8] 这就是著名的运动的尺子要缩短，即空间收缩效应。这个效应表示空间的大小是相对的。
这两个时间和空间效应都是相对论的一种效应，它主要归结于时间和空间所具有的基本属性，这与牛顿的绝对时空观是不同的。但是这些效应又是很难被日常生活中的我们所理解的，因为这些效应都是在速度接近光速的高速运动过程中产生的，而我们通常生活在低速运动中。
3. 时间和空间是紧密相联的，并且与物质运动密不可分
在牛顿绝对时空观中，时间均匀流逝，不受任何外在环境影响，空间则是个与任何事物无关的、静止不动的容器。而爱因斯坦狭义相对论的时空学说认为时间和空间不能各自独立存在，时间与空间是紧密联系的。一个物体的长宽高表明它的空间，可却是以时间为尺度的；太阳所在位置的不同则表明时间的不同。时间和空间与物质运动更是不可分开的，时间和空间的性质要通过物质运动表现出来。时间和空间是运动着的物质的存在方式，时间是物质运动的连续，空间则是物质运动的延伸。离开物质运动而独立存在的时间和空间是毫无意义的。
（二）广义相对论对时空理论的革新
爱因斯坦狭义相对论的创建，引发了时空理论的变革，但他随之发现这种狭义相对论时空观与牛顿的万有引力定律是不相容的，于是，他又开始研究引力问题。1916年，爱因斯坦以惯性质量与引力质量相等为基础，提出了著名的等效原理和广义协变原理，创立了广义相对论。广义相对论把引力看成一个弯曲的时空，而不再把引力看成是一种力。等效原理和广义协变原理构成了广义相对论的主要内容，等效原理说的是，一个运动在含有引力场的惯性系中和在加速度系统中是完全相同的，即存在引力场的惯性系等效于加速度的非惯性系；广义协变原理是把相对性原理从惯性系推广到了非惯性系，即在任何参照系中，自然界的规律都是相同的，与我们所选择的参照系无关。
依据广义相对论，空间是一个服从黎曼几何的弯曲空间，空间弯曲的程度取决于物质本身在空间的分布。物质分布越密集的地方，引力场的强度就越大，时空弯曲得也就越厉害。因而，广义相对论告诉人们，时间和空间的性质与物质本身的分布也是紧密相关的。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动”[9]。时间和空间与物质息息相关，时间、空间和物质构成了一个有机整体。这就是广义相对论对时空理论所作的进一步变革。
总之，爱因斯坦相对论革新了旧的牛顿力学的时空观，建立起了爱因斯坦相对论的时空观，是时空理论上的一次史无前例的巨大变革。正是爱因斯坦相对论改变了人们以往对时间和空间的理解。狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是欧几里得的平直时空，狭义相对论的时空观使人们认识到时空都不是绝对的而是相对的，时空不能脱离彼此而独立存在，时空和物质运动也是密不可分的；而广义相对论则适用于一切参考系，它的时空背景是黎曼几何的弯曲空间，广义相对论的时空观使人们进一步认识到时间和空间的性质还与物质本身的分布有关，物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动，从而说明了时间—空间与物质的统一性。无论怎样，爱因斯坦相对论所引起的时空观变革都产生了深远的影响，都具有无可比拟的意义。
三、爱因斯坦相对论变革时空观的意义
19世纪末20世纪初，在物理学史上，那是一个既光明又黑暗的时期，但就是这样的一个时期，却发生了一场影响深远的现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学，使之成为了一个激动人心的年代。[10] 爱因斯坦相对论对时空理论所作的变革无论是在当时还是在日后，都对科学和哲学产生了不可磨灭的影响，意义巨大。
（一）在科学上，推动了物理学和科学技术的发展
时空观的变革与科学尤其是物理学的发展是相辅相成的，物理学的发展推动了人们对时间和空间性质的认识，而每一次时空理论的新变革又都是物理学进一步发展的基本前提和主要标志。爱因斯坦相对论对时空观所作的变革无疑是巨大的，它推进了现代物理学革命，为现代物理学的发展奠定了理论基石，从而推动了科学技术的发展。[11] 可以说，爱因斯坦相对论时空观的出现是世纪之交中的创举之一。
在爱因斯坦狭义相对论时空观中，不仅否定了牛顿经典力学体系中关于时间和空间的概念及其之间的关系，还赋予了质量和能量及其之间的关系以全新的含义。质量并不是绝对不变的，物体在运动速度近于光速时，质量就会接近无穷大；质能关系式则告诉人们质量和能量也不是单独存在的，而是一个质能统一体，质量守恒定律与能量守恒定律是融合在一起的，这就为原子核物理学的发展和应用开辟了新天地。爱因斯坦广义相对论时空观使人们开始对宇宙时空产生了浓厚的兴趣，是人们关于天文学中时空理论的一次大变革。所有这些变革都毫无疑问的促进了自然科学的发展。
（二）在哲学上，丰富和发展了辩证唯物主义时空观
爱因斯坦相对论对时空理论的变革不只是对物理学和科学有重大意义，并且在哲学方面也具有无法比拟的影响，可以说，爱因斯坦相对论时空观本身就具有哲学的意味。
爱因斯坦相对论时空观认为时间和空间之间是互相关联的，时间和空间作为客观存在是绝对的，但同时又是相对的。物质本身以及物质运动与时间和空间是不可分割的，离开任意一方谈论彼此都是没有意义的。这就说明了时间、空间和物质三者之间存在的联系，揭示了时空是运动着的物质的存在方式，改变了人们以往对时空与物质关系的认识，从而有力的批判了机械唯物主义中把时间和空间与物质及其运动割裂开来的形而上学时空观。[12] 爱因斯坦相对论对时空观的变革进一步丰富和发展了辩证唯物主义时空观。
爱因斯坦相对论对时空观的变革还提高了人们的认识能力，使人们的思维方式发生了深刻的变化。爱因斯坦曾说：“世界上可能只有12个人能够看懂相对论，但是世界上却有几十亿人借此明白没有什么是绝对的”[13]。从此人们开始认识到：对于同样的一个事物，如果不同的人从不同的角度来看，就会产生不同的结果，任何事物都不是绝对的。所以我们要用相对的眼光来看问题，而不能用绝对的眼光来看问题。世界上任何事物都不是绝对存在的，它们都是相对存在的。“长”相对于“短”而存在，“大”则是相对于“小”而言的。因此，我们不能再用牛顿绝对时空观中的机械思维来思考问题，而要以爱因斯坦相对论时空观所揭示的哲学思维来思考问题。
综上所述，通过对爱因斯坦相对论变革时空观的思考，我们不难发现，无论是在科学上，还是在哲学上，爱因斯坦相对时空观都有巨大的推动作用，它对人类社会产生了深远的影响。正是爱因斯坦相对论对时空观的变革将我们带入了一个不一样的时空世界，这个世界不再是牛顿所描述的绝对时间和绝对空间的世界，在这里我们要学会用更加开放的思维和眼光来看待它。爱因斯坦相对论时空观取代旧的牛顿时空观，不管是在科学上还是哲学上都是时空理论的一次巨大的变革。然而，任何事物都不是绝对的，当然也就不存在绝对真理，随着科学的不断发展进步，不久的将来一定会产生新的时空观，使时空世界更加绚丽多彩。（作者单位：1. 天津大学；2. 河北北方学院艺术学院）
参考文献：
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第8篇：牛顿法基本原理范文
说他有权势并不仅是官大，主要还是贡献大。如果17世纪就有诺贝尔奖的话，牛顿老师至少能连续垄断4届物理学奖（分光计、力学体系的构建、反射望远镜、万有引力），同时为了表彰他在炼金方面的造诣，再奉送他一届化学奖。而且这孙子鼓捣出了流数术，所以菲尔兹数学奖也要给他。要知道，他的这些发现基本都是在26岁以前获得的，30岁以后牛顿就开始玩票了，成天琢磨上帝和炼金，以及怎样把同行莱布尼茨搞臭，捎带手的把以前的发现整理成书。所以你能想象到他在当时的欧洲是如何的一呼万应，敢跟他叫板的只有莱布尼茨和大主教贝克莱了。牛老师死的时候，英国的贵族以给他扶柩为荣，欧洲的名流蜂拥至伦敦。来自法国的文科生伏尔泰在国葬现场大受刺激，回去就写了首诗，嫉妒之情溢于言表。
牛顿老师的一生是天才的一生，战斗的一生，也是孤独的一生。一辈子没有朋友，也没有结过婚，到死都是。当然他肯定不会孤独，因为科学的世界里乐趣无限，连连。出乎世俗想象的是，远胜于那几秒寒颤之后无边的空虚与落寞。
牛顿老师茕茕孑立、形影相吊的原因是多方面的。首先他生性孤傲，自恃高才，瞅谁都是傻逼。同时在他眼里人是不分男女的，只有傻逼和巨傻逼两种，所以他对女色没兴趣也就可以理解了。曾有婚介中心给他介绍过几个名媛，拾掇拾掇都是当王妃的坯子，但一见面就受不了他的牛逼烘烘和不知所云。
另一方面是外在的，不光他不愿意交朋友，也没有人真正想跟牛顿当朋友，结交他的人大都各怀目的。人们对他毕竟只有敬畏和仰慕，并不真的喜欢他。这道理其实很浅显，绝大部分人都热衷于跟比自己傻的人待着，很少有人愿意在人精的身边衬托自己的二逼。所以不少人都喜欢小动物和小孩子，就是因为这些东西够傻，他们在这些东西身上能获得安全感与主宰感。不少姑娘一见到小猫小狗小人儿就会迫不及待的搂抱，然后就是很嗲的说好可爱哦，要知道有时候可爱和憨态可掬的潜台词就是弱智，同理，喜欢小孩的也是因其单纯缺心眼与不谙世事。如果遇到一个小天才，3岁就会心算三位数乘法或者知道傻逼二字的正确写法，她们一定会骇破了胆。所以那些喜欢养猫狗的女士们别再标榜自己有爱心了，你们其实非常缺德。
大家不喜欢牛顿的另一个原因是他性格暴戾乖张。长年在他身边的人回忆说，牛顿在人前只笑过两回，其中一次还是嘲笑：有人问他，欧几里得的《几何原本》那么老朽，不知道还有什么价值。牛顿闻听放声大笑。而且他人品太差，跟谁都打架。众所周知他从小就有校园暴力的记录，胖子同学不小心踩了他的风车，他抬手就把胖子打哭了，我们的教科书居然说这是他有志气的表现。长大了不以拳脚论高下，他就雇用大骂莱布尼茨，甚至不惜化名亲自去骂，人品至此真是无以复加。莱布尼茨若不是脸皮厚早就跟纳什一样疯了，而且牛顿肯定会拍个片子叫《丑陋心灵》继续恶心人家。
关于牛顿的另一个谎言是他的谦虚，证据就是牛顿老师说过两段著名的话，一段是“我之所以站的高，因为我是站在巨人肩膀上”，另一段是“相对于科学，我只是在海边捡石头的小孩”。这确实很有迷惑性，我第一次听说时感动的直冒鼻涕泡。但任何话语都是有语境的，巨人肩膀那一句的语境是这样的：胡克其实早就发现了万有引力定律并推导出了正确的公式，但由于数学不好，他只能勉强解释行星绕日的圆周运动，而且他没有认识到支配天体运行的力量其实是普遍存在的，是“万有”的。所以科学界对胡克的成果不太重视。后来数学狂人牛顿用微积分极其圆满地解决了这个问题并把他提出的力学三条基本定律成功推广到星系空间，改变了自从亚里士多德以来公认的天地不一的旧观点，被科学界奉为伟大的发现。于是胡克大怒，指责牛顿剽窃了自己的成果。牛顿尖酸刻薄地回敬道：是啊，我他妈还真是站在巨人的肩膀上呢！这本是一句反语，至少不是真的想客气一下，但后人出于塑造完人的目的，只保留了孤立的原话而去掉了语境，变成了一句彻头彻尾的谦辞。
同样的情况出现在另一段话上：牛顿晚年因为树敌过多，来自欧洲大陆比如法德的一些新锐科学家质问他：“牛顿你丫牛逼什么啊？”牛顿此时完全地展现了他科学界大宗师的风度与水平，借助与孩子对话的机会潇洒地回敬道：“我没有什么牛逼的。我只是一个在海边独自玩耍的小孩，偶尔会为捡到几个美丽的石头而欣喜若狂，却对面前浩瀚的真理大海无所察觉。”几十年的官场毕竟不是白混的，牛老师甩片儿汤话的水平已经到了信手拈来闲庭信步宠辱不惊的境界。
牛顿老师人品差，不谦虚，没朋友，按现在的说法这是典型的高智商低情商，事业不会成功。要知道牛顿是个遗腹子和早产儿，出生时体重不到5斤，没吃过配方的奶粉。亲娘改嫁后跟文盲姥姥度过无聊的童年，没有任何的早期智力开发和学前启蒙，7岁上学以前脑子里空空如也，牛妈妈对他的期望仅仅是认识点字然后回家务农。但是牛顿上中学后已经熟练掌握了拉丁语希腊语西班牙语和英语，然后被推荐进了剑桥，20出头就当了卢卡斯教席的终身教授。
晚年的牛顿除了升官发财再无其他骄傲之处，而且官迷心窍，没退休一直干到85岁寿终。当然他并没闲着，写了150万字的神学著作跟上帝猛掏心窝子，同时坚定投身化学事业，在家里盖了窑子，拿出年轻时搞物理的劲头玩命试验。但这次他的出发点就错了，总是希望从黄铜和煤渣中提炼出黄金。要知道化学反应只能改变分子并不能改变原子，能给原子做变性手术的只能是核反应。他违背了化学定律里的物质不灭原则，所以虾米了。
最后，看看牛老师的悼词，咱们共同学习下：
伊萨克·牛顿爵士，
安葬在这里。
他以超乎常人的智力，
第一个证明了行星的运动与形状，
彗星的轨道与海洋的潮汐；
他孜孜不倦地研究，
光线的各种不同的折射角，
颜色所产生的种种性质。
让人类欢呼，
曾经存在过这样一位，
第9篇：牛顿法基本原理范文
关键词： 牛顿第一定律 伽利略 匀速直线运动 惯性
牛顿第一定律选自人教版必修一第四章第一节，放在运动学和力学内容之后，教材安排合理，知识点紧凑，但是很多教师在讲这节内容时对牛顿第一定律的起源讲解得比较少，因此学生对相关科学家的贡献了解得非常少。要想深刻理解牛顿第一定律的内容，就必须了解亚里士多德、伽利略、笛卡尔和牛顿这几位科学家做出的贡献，接下来沿着历史足迹重现这个物理思想的形成过程。
1.引路者―亚里士多德
在了解亚里士多德的贡献之前，我们先了解一下亚里士多德这个人。亚里士多德是古希腊哲学家、科学家和教育学家，他是柏拉图的学生、亚历山大大帝的老师。他一生勤奋致学，写下了大量著作，研究的领域非常广泛，包括物理学、诗歌（包括戏剧）、音乐、生物学、动物学、逻辑学等，堪称古希腊的百科全书。
在物理学中亚里士多德的成就很多，但是最常被提到的却是他所犯的错误。在研究自由落体运动时，根据生活经验，他认为重的物体比轻的物体下落的速度快，最终被伽利略。他在研究力和运动之间的关系时，提出假设“凡是运动的物体，一定有推动者在推着它运动”。当看到一个物体在运动，必然有一个物体在推动它，当没有推力时，它就会停止移动。如风过树摆，风停树静，这些日常生活现象很好地符合他的观点，于是他在日常观察基础上经过思考之后得出结论――力是维持物体运动的原因。虽然他的观点最终被伽利略，但是他所做的贡献是不可磨灭的，他的贡献在于他把运动和力结合起来。
2.探路者―伽利略
当时亚里士多德的学说与基督教教义结合，这样的结合让他的学说成为权威，两千多年来一直没有人质疑他的观点，直到伽利略用著名的斜面理想实验了他的观点。伽利略认为将人们引入歧途的是摩擦力，在日常生活运动中，摩擦是难以避免的。他注意到当小球沿水平面运动时，由于摩擦力的作用，球最终会停下来。他发现表面越光滑，球会运动得越远，于是，他推断：若没有摩擦力，球将永远运动下去。
伽利略为了证明他的思想，设计了著名的斜面理想实验，实验过程如下：
第一步：让小球从斜面静止开始向下运动，小球将会冲上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将冲上原来的高度；
第二步：减小第二个斜面的倾角，小球仍然会达到同一个高度，但是小球在斜面上运动的距离要远一些。继续减小斜面的倾角，小球达到同一个高度时运动的距离就会更远；
第三步：如果将第二个斜面放平，球会到达多远的位置？
在第一步和第二步的基础上，很容易得出结论：球将永远运动下去，不需要力推动。他指出力并不是维持物体运动的原因。伽利略构想的理想实验（又称假想实验）是以可靠的事实为基础的，把实验与逻辑推理和谐地结合在一起，这种科学探究方法有力地推动了科学发展和进步。
3.探路者―笛卡尔
笛卡尔是与伽利略同时代的法国著名科学家，相对于亚里士多德和伽利略，很多学生对笛卡尔的贡献了解得更少，很多老师讲解时一笔带过，学生认为笛卡尔的思想和伽利略的思想相似，并没有什么发展，这是不对的。
笛卡尔指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来又不偏离原来的方向。笛卡儿最早认识到惯性定律是解决力学问题的关键所在，最早把惯性定律作为原理加以确立，这对后来牛顿的综合工作有极其深远的影响。笛卡尔想象力丰富，他的许多观点都具有启发性，笛卡尔的贡献就在于他是第一个认识到力是改变物体运动状态的原因的。
4.铺路者―牛顿
“如果说我比别人看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩上”，这句话大家耳熟能详，这是著名的科学家牛顿说过的话。牛顿在伽利略和笛卡尔工作的基础上，在隔了一代人之后，在《自然哲学的数学原理》一书中定义了力和惯性的概念，把物体运动的原因加以概括和提炼，提出了牛顿第一定律，这也是牛顿三大定律中最基本的定律。他认为一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种运动状态。把物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性，所以牛顿第一定律也叫惯性定律。牛顿之所以能够成功，是因为他站在巨人的肩膀上，勤奋学习，不断发现新知识。
这些科学家的贡献是巨大的，牛顿第一定律不断地发展，逐渐地完善，是几代人共同不懈努力的结果，一个规律的发现并不是一帆风顺的，一开始的认识可能是错误的，需要人类不断探索才能发现真理。这些科学家在科学研究过程中是极其艰难的，需要付出大量精力和心血，才能发现现象背后的真理。通过对物理学历史发展过程的考察，有助于学生了解科学家认识和发现物理定理、定律的基本方法，从而“以史为鉴”，培养学生以科学家认识世界的方式认识世界。
参考文献：