從近代物理創立過程看“李約瑟難題”
——文科物理一則案例教學

李加定

(華南理工大學廣州學院物理實驗中心 廣東 廣州 510800)

從近代物理創立過程看“李約瑟難題”
——文科物理一則案例教學

李加定

(華南理工大學廣州學院物理實驗中心 廣東 廣州 510800)

挑選出哥白尼、開普勒、伽利略、笛卡爾、牛頓等數個具有代表性的事例，來探尋“李約瑟難題”，即我國近代科學落后于西方背后的深層原因.以案例教學的形式加深學生對物理初創過程中歷史知識的理解，從而重視理性主義，提高科學素養.這有利于后續文科物理課程的開展.

文科物理 李約瑟難題 案例教學

1 引言

目前，我國眾多高校開設了文科物理類課程，在教學過程中一般都會談及物理學發展史.追根溯源，近代自然科學從物理學開端，其中一個讓教師和學生都深思和共鳴的問題：我國古代擁有“資產階級發展必要前提”的“四大發明”，但是“為什么作為一個整體的現代科學沒有發生在中國，而是發生在西方歐美……”，這是著名的“李約瑟難題”[1].在著名的文科物理教材《文科物理——物理思想與人文精神的融合》[2]一書中開篇就引人入勝，關于這個問題已有近百年的爭論，亦有比較趨于一致的結論，例如制度、觀念、思維方式等方面[3].在文科物理教學開篇就引入這一有趣且有意義的話題，容易引發學生思考，提高他們對課程的學習興趣.作為文科物理教學，關注的不是各個學派對這個問題的答案，而是希望從經典力學創立、物理學科初建這一歷程來看待這個問題，基于具體的物理歷史事件和人物，給學生一番帶有物理色彩的感悟和思考.

2 案例教學

近代物理創立過程中，西方科學家將古希臘時期的自然科學思想和成果重新加以研究并開拓創新出近代科學.回顧歷史，近代自然科學最早是從天文學開始的[4]，即由哥白尼的日心說拉開序幕.14世紀中下葉到16世紀末的“文藝復興時期”，馬丁·路德的宗教改革使人文主義思想在歐洲傳播，科學革命正同步進行，這一時期的科學家把古希臘時期古賢先哲的著作和思想發掘出來重新加以研究，一方面力求還原其本來面目，另外一方面，又拒絕承認古代權威，研究成果在歐洲高等學府間傳播，在爭論中不斷發展，直到牛頓建立起經典力學，標志著近代科學的創立.作為案例教學，期望學生能深入了解這一物理歷史過程，從而來回答心中的“李約瑟難題”.為此布置如下一道開放式作業：

在文藝復興時期，近代科技創立的過程中，西方的科學家如何將古希臘和古羅馬時期的一些科學問題重新加以研究，批判、吸收，并使之得以發展，逐步創立了近代科學.

(1)至少列舉5個以上這樣的事例.

(2)以上述事例為基礎，談談李約瑟難題的原因.

(3)個人對此的感受和啟發.

下面是從學生作業中挑選出的5個具有代表性的事例.

事例1：揭開現代自然科學序幕的哥白尼

哥白尼首先向統治歐洲近1 500年的地心說發難，提出日心說.古希臘的亞里士多德最先提出地心說思想，認為天體自己不會運動，都是由原動天的第一推動者(即上帝)推動其他諸星圍繞地球旋轉.亞歷山大學院的另外一個天文學家托勒密進一步改進和完善了地心說，使之與天文觀測符合，被教會所利用，成為人們心中根深蒂固的觀念.哥白尼對古希臘的自認哲學著作做過不少研究，了解古希臘天文學家阿利斯塔克(Aristarchus)的“日心說”思想，而且他贊成畢達哥拉斯學派宇宙是和諧的，可以用數學關系表達宇宙規律的基本思想，在他的《天體運行論》第一卷中寫道：“終于，我在古希臘的一些著作中發現了地球運動的觀點.這就啟發我也來運用這種觀點.……我終于發現，如果認為地球和行星都圍繞太陽運動，一切就變得簡單而清楚了.”很顯然，揭開近代自然科學序幕的哥白尼受到了古希臘學者思想和著作的啟發.

事例2：開普勒將數學引入天文學

將數學引入天文學使得天文學變成一門精確科學，成為近代科學的開路先鋒.開普勒利用圓周運動來解釋火星軌道時，與老師第谷的觀測值總有8分的偏差不能消除.他堅信老師嚴謹和精確的觀測，牢記老師的忠告“一定要尊重觀測事實”，運用自己信服的哥白尼日心說，發揮自己數學上的特長，記起古希臘幾何學家阿波羅尼研究過的圓錐曲線——橢圓.正是這一靈感，使得開普勒邁出關鍵的一步：火星軌道是橢圓而不是圓，才能消除8分的偏差，接著將這一認識推廣到所有行星，才有了后面的行星運動三大定律[4].不可否認，杰出的數學才華，以及來自古希臘畢達哥拉斯宇宙存在優美數學秩序的觀念和阿波羅尼的圓錐曲線方程給了他幫助.

事例3：伽利略對自由落體運動的研究

愛因斯坦曾說過：“伽利略的發現以及他所用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端.”[6]伽利略開創了科學實驗的方法，并將實驗觀察測量與理論思維(假設、演繹、推理)相結合，使得物理學的建立取得突破性進展，并深遠地響應其他學科的發展.在伽利略時代，占統治地位的是古希臘亞里士多德的學說，關于自由落體運動，亞里士多德認為重物下落得快，這引起后人的思考與觀察，在伽利略之前就有人對亞里士多德的觀點產生質疑，有人做過實驗，似乎并不能表明重球比輕球下落快，至少不像亞里士多德所預期那樣的差別：質量大一倍，下落也快一倍.也有人用思想實驗，從邏輯上反駁亞里士多德，綁在一起的兩個物體比其中一個重物或輕物的質量大，下落比兩者快，而另外一方面重物會拖著輕物下落，速度將介于重物和輕物單獨下落的速度之間，從而形成矛盾.這些都對伽利略產生過影響，雖然不曾有證據顯示他在比薩斜塔做過兩個小球同時落地的實驗，但他做過小球沿斜面下滾的實驗是確信無疑的.伽利略從古希臘的科學家阿基米德浮力定律出發，不同質量的球在水中、空氣中因阻力不同而下落不一致，然后用極限的觀點認為，如果完全排除空氣阻力，所有物體下落一樣快.通過對小球沿斜面運動的研究，發現加速度與質量無關，自由落體運動只是斜面完全豎起來的特殊情況.在這個過程，亞里士多德提出的觀點雖然錯誤，但是很重要，能引發后人的思考和對自然界本質問題的探索.阿基米德等人在數學定律、邏輯演算、思維演繹方面積累和所形成的文化傳統都是物理大廈建立過程中重要的推手.

事例4：伽利略對慣性定律的研究

伽利略另一項重要貢獻是提出慣性定律，也就是后來常說的牛頓第一定律：物體在不受外力的作用下將保持慣性運動狀態不變.這一思想早在古希臘時期就有人提出，德謨克利特(公元前460年到公元前371年)和伊壁鳩魯(公元前342年到公元前270年)都有這樣的猜想[6].牛頓曾就兩者的思想寫道，“所有那些古人都知道第一定律(即慣性定律)，他們歸之于原子在虛空中做直線運動，因為沒有阻力，運動快而永恒.”[7]而后來的亞里士多德卻斷言，力是維持物體運動狀態的原因，并在歐洲長期占統治地位，正是因為前人的爭論和不同學說，伽利略獨立思考，運用自己研究斜面運動的成果，發揮思想實驗的威力，得出結論：維持運動不需要力，改變運動才需要力，靜止和勻速直線運動都屬于慣性運動.并由此認為天上行星繞太陽運動也屬于慣性運動，這些思想對后續牛頓的研究都有莫大的幫助.

事例5：迪卡爾在物理、數學方面的卓越貢獻

笛卡爾是一位偉大的數學家、物理學家和哲學家.他在物理方面發展了伽利略運動相對性的理論，他在《哲學原理》中第一次比較完整地表述了慣性定律：只要物體開始運動，就將繼續以同一速度并沿著同一直線方向運動，直到遇到某種外來原因造成的阻礙或偏離為止.這里他強調了伽利略沒有明確表述的慣性運動的直線性，這為牛頓力學三大定律的提出作出了積極的貢獻.笛卡爾在數學上最重要的貢獻是創建了解析幾何，在笛卡爾時代，代數還是個新鮮事物，由東方引入，幾何學思維在數學家的頭腦中占有統治地位，笛卡爾看到了幾何學的不足，他建立直角坐標系，將幾何與代數合為一家，由此數學更深地引入物理，使得更精確的測量和分析在物理中更加常見，推動了物理向前發展.

牛頓有一句名言，“如果說我比其他人看得更遠一點的話，那是因為我站在巨人的肩膀上.”[8]這里不言而喻，是指哥白尼、開普勒、伽利略、笛卡爾等人.牛頓繼承前人的成果，不迷信權威，敢于追求真理，他的筆記中有亞里士多德“吾愛吾師，吾更愛真理”箴言.在他的著作《自然哲學的數學原理》中繼承著古希臘畢達哥拉斯學派的簡單性原理和統一性原理，為近代科學革命奠定了基礎，至此，物理作為一門獨立的學科創立起來，并深刻影響其他學科.

根據布置的作業，學生們圍繞上述事例來探討“李約瑟難題”，并發表自己的見解，在這里將一些有代表性的感悟挑選出來.

近代科學產生于歐洲，而不是中國、印度或日本.哥白尼、開普勒、笛卡爾、伽利略和牛頓這些卓越人物所起的作用至關重要，這并非偶然，有其內在的歷史原因，他們都認真地學習過古希臘時期所流傳下來的數學和物理知識——如歐幾里得幾何，以及希臘的理性主義思想.牛頓的《數學原理》一書，就是按照類似于歐幾里得 “幾何學”的形式寫成，類似這樣的典范效應深刻地影響著西方的科學發展.只要有幾個基本的物理原理和一定的條件，事物發展的過程和最終結果就能夠推演出來，在歐洲人的眼中這是很自然的事情，在同時期的中國人眼中卻并不一定這么認為，在近代科學誕生前，我們從未擁有像西方那樣的數學理論體系和理性的演繹思想體系，雖然我們在技術上曾經領先過西方，而這方面的缺失為日后落后于西方埋下了一個重要隱憂.

在古希臘的畢達哥拉斯數學學派、歐幾里得幾何學派、亞里士多德物理學派思想燦爛時期，我國也處在先秦諸子百家爭鳴、思想大放光彩時期，唯獨沒有類似歐幾里得幾何學這樣的思想，雖然有重視技術的墨家，但是沒有出現以數學為基礎有嚴密邏輯體系的思想和著作得以傳承下來，為什么會出現這種情況呢？超出本文討論的范圍，但這作為一個歷史事實，或許是近代科學未能誕生在我國的一個重要因素，值得引發我們的思考.

從古希臘時期就在西方形成對事物本質認識不斷探索的風尚也是值得我們深思的地方.最初的歐幾里得幾何學也不是奔著實際應用而去創立的，物體運動快慢的問題對講究實用主義的中國人來說很難提起興趣.亞里士多德提出的觀點雖然在今天看起來不對，但是他的“吾愛吾師，吾更愛真理”卻激勵后人去質疑和反駁他，從而促進科學的發展.而我國古代知識分子認為先賢已經將世界研究透徹，后人只需接受和繼承，這顯然不利于科學的發展.對事物的起源和運動發展本質規律的探索是人學習的內在動力，在今天大力弘揚全民創新更應該得到提倡.

近代科學未能誕生在我國與近代的落后被動挨打是有差別的，前者不是后者的全部引發因素，其例證為近代科學未誕生在日本，但是日本通過社會變革迎頭趕上社會潮流.本文更加關注的是近代科學未產生在我國的因素，我們通過前面敘述可以看到古希臘文明在數學和物理方面的卓越成就，以及所形成的理性主義文化扎根于西方社會，才有文藝復興后的科學革命，西方在古希臘哲學家的思想和著作哺育下所形成的理性主義文化是近代科學創立的歷史沉淀.明末時期,當歐幾里得的《幾何原本》由徐光啟和利瑪竇翻譯引入我國，當時社會在文化、制度等各個方面沒做好準備，追趕都還來不及，更談不上創建近代科學.自然哲學中的理性主義思想根植于人們的意識需要長時間的歷史積累，這對我們今天的教育有重要的借鑒意義.

3 教學效果

通過課堂引入這一話題，激發學生討論，課后布置作業，學生通過查找資料，更多地去了解物理初創的過程，掌握一些關鍵人物以及他們的思想，這有利于學生加深科學歷史知識，提升自身的科學素養；在探索實踐中意識到我們的文化中缺乏像古希臘那樣的理性主義，引起他們在日后學習中的注意，重視理論對實踐的指導作用，比如從哥白尼到牛頓他們的成功源于信仰自然哲學思想.重視數學和物理的學習，重視數學與專業學科的滲透.學習文科物理的學生日后不一定成為物理學家或工程師，他們更加偏向于社會協調、導向、宣傳等工作，了解這些有助于提高科學素養，為社會創造一個重視科學、重視理論、重視創新的社會氛圍而貢獻自我的力量.

1 李約瑟.中國科學技術史.北京:科學出版社, 2003

2 倪光炯,王炎森.文科物理——物理思想與人文精神的融合. 北京:高等教育出版社, 2015

3 楊振寧.《易經》對中華文化的影響.自然雜志,2005(1):1～3

4 趙崢.物理學與人類文明十六講.北京:高等教育出版社,2008

5 Hobson A. 物理學的概念與文化素養. 秦克誠,劉培森,周國榮，譯.北京:高等教育出版社,2008

6 愛因斯坦 A,英費爾德 L.物理學的進化.周肇威，譯.長沙:湖南教育出版社,2007

7 塞耶.牛頓自然哲學著作選.王福山，譯.上海:上海譯文出版社,2001

8 格雷克J.牛頓傳.吳崢，譯.北京:高等教育出版社,2001

9 劉麗敏,李長江,劉曉來.大學文科物理教學探討.物理與工程,2004,14(1):33

SeeingtheJoseph Needham ProblemintheCreationProcessofModernPhysics——ACaseTeachingArtsPhysics

LiJiading

(PhysicsExperimentCenter,GuangzhouCollegeofSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510800)

In order to explore the “Needham Question” during physics teaching in the liberal arts, arranged an assignment to students. From the creation process of modern physics, modern science is formed from natural sciences of ancient Greece thought and innovation achievements, We choose a few representative examples just like Copernicus, Kepler, Galileo, Descartes, and Newton, and so on. According these examples to seek the “Needham Question” and the reason behind the backward of modern science in China. Through these cases teaching to enhance students understand of the physical start-up process of historical knowledge; and make them pay attention to rationalism and scientific literacy. which it is conductive to carry out following arts physical teaching course.

arts physical teaching；Joseph Needham problem；case teaching

2016-08-30)