力学是什么?为力学正名!

作者:快彩平台网站 | 2020-02-08 21:39

  此文的目的就是为力学正名,但单靠自己从头说起也不容易,好在已有许多权威人士和大家著述论及,我把它们采撷出来,稍加点评,以供共享,通过抛砖引玉,激发大家发表见解的热情。

  “力学是一门应用性很强的基础科学,是研究力与运动规律的学科。力学建立在牛顿力学和经典力学的基础上,主要涉及宏观运动,目前已扩展至微纳观层次。”

  ——国家自然科学基金委员会:《力学学科发展研究报告》北京:科学出版社,2007,p.1。

  这份发展报告由我国几十位力学英才集体撰写,历时一年半,经过充分调研,倾听了诸多资深力学家的意见,写得言简意赅,相当出色。这里给出的力学的定义抓住了力学的基本内涵和特点,最值得注意的是开宗明义的说法:“力学是一门应用性很强的基础科学”,既强调了它的基础性,又强调了它的应用性。缺点是,叙述还不够充分(要看下文才进一步明确);还有个微疵:“牛顿力学和经典力学”并列不妥,因为后者涵盖前者。

  “力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有许多层次,从宇宙体系,宏观的天体和物体,细观的颗粒、纤维、晶体,到微观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学科的相互渗透,有时也涉及宇观或细观甚至微观层次中的对象以及有关的规律。机械运动亦即力学运动是物质在时间、空间中的位置变化,包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等,而平衡或静止,则是其中的一种特殊情况。机械运动是物质运动的最基本的形式。物质运动其它形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部运动和化学运动等,机械运动不能脱离其它运动形式而独立存在,只是在研究力学问题时突出地考虑机械运动这种形式罢了;如果其它运动形式对机械运动有较大影响或者需要考虑它们之间的相互作用,便会在力学同其它学科之间形成交叉学科或边缘学科。力是物质间的一种相互作用,机械运动状态的变化是有这种相互作用引起的。静止和运动状态不变,都意味着各作用力在某种意义上的平衡。力学,可以说是力和(机械)运动的学科。”

  ——钱令希、钱伟长、郑哲敏、林同骥、朱照宣:《力学》,中国大百科全书(力学),北京•上海:中国大百科全书出版社,1985,p.1

  这段叙述是中国大百科全书(力学卷)的开场白,由五位资深力学家撰写,有权威性。这是笔者迄今见到的关于力学内涵和特点的最深刻、最完整的描述。其中指出,力学是研究物质机械运动规律的科学,而且以宏观对象为主;特别对机械运动的形式作了全面概括,将变形也包括在内。也提到了机械运动与其它运动形式的相互作用和交叉性力学的形成和发展,但是,关于交叉的观点有点绝对,例如,流体力学中,机械运动与热运动密不可分,考虑二者的一般的相互作用不能列入交叉之类(超高温的情况另当别论);再如,按现今的观点,多场(包括温度场、电磁场等)的弹塑性力学,也不纳入交叉性学科。

  “力学原是物理学的一个分支。物理科学的建立则是从力学开始的。在物理科学中,人们曾用纯粹力学理论结合机械运动以外的各种形式的运动,如热、电磁、光、分子和原子内部的运动等。当物理学摆脱了这种机械(力学)的自然观而获得健康发展时,力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化,逐渐从物理学中独立出来。20世纪初,相对论指出,牛顿力学不适用于速度接近于光速或者宇宙尺度内的物体运动;20年代,量子论指出牛顿力学不适用于微观世界。这反映了人们对力学的深化,即认识到物质在不同层次上的机械运动的规律是不同的。通常理解的力学只以研究宏观的机械运动为主,因而许多带“力学”名称的学科如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等在习惯上被称为是物理学的分支,而不属于力学的范围。但由于历史上的原因,力学和物理学仍有着特殊的亲缘关系,特别是在以上各“力学”分支和牛顿力学之间,许多概念、方法、理论都有不少相似之处。

  力学与数学在发展中始终相互推动,相互促进。一种力学理论往往和一个数学分支相伴产生,如运动基本定律与微积分,运动方程的求解和常微分方程,弹性力学及流体力学的基本方程和数学分析理论,天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等。有人甚至认为力学是一门应用数学。但是力学和物理学一样,还有需要实验基础的一面,而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系,两者有各自的研究对象。

  力学同物理学、数学等学科一样,是一门基础科学,它所阐明的规律带有普遍的性质。

  力学又是一门技术科学,它是许多工程技术的理论基础,又在广泛应用中不断得到发展。当工程学还只分民用工程学(即土木工程学)和军事工程学两大分支时,力学已在这两个分支中起举足轻重的作用。工程学越分越细,各个分支中许多关键性的进展都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等问题的解决。力学与工程学的结合促使工程力学各个分支的形成和发展。现在,无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等,还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医药工程等都或多或少有工程力学的活动场地。力学作为一门技术科学,并不能代替工程学,只指出工程技术中解决力学问题的途径,而工程学则从更综合的角度考虑具体任务的完成。同样地,工程力学也不能代替力学,因为力学还有探索自然界一般规律的任务。

  力学既是基础科学又是技术科学这种二重性,有时也难免会引起侧重基础一面和侧重应用研究一面的力学家之间的不同看法。但这种二重性也使力学家感到自豪,他们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。”

  ——钱令希、钱伟长、郑哲敏、林同骥、朱照宣:《力学》,中国大百科全书(力学),北京•上海:中国大百科全书出版社,1985,pp. 2~3

  这些叙述承接前一段,从力学的发展史角度,全面正确地描述了力学与物理学、数学的关系,指出了力学从物理学独立出来的过程和现实;值得注意的是:这里强调了“力学同物理学、数学等学科一样,是一门基础科学,它所阐明的规律带有普遍的性质。”同时,又阐述了力学作为基础科学和技术科学的二重性,点明了两者的关系,也指出了工程力学与工程学、工程力学与基础力学的区别,并如实反映了力学界由于侧重面的不同而存在的岐见(事实上五位作者的侧重面就有不同)。令人鼓舞的是,他们指出,力学界应该为这种二重性而感到自豪。其实,物理学、化学、生物学等也具有这种二重性。

  “在自然科学的历史发展中最先发展起来的是关于简单的位置移动的理论,即天体的和地上物体的力学。”

  ——M. von 劳厄:物理学史,范岱年等译,商务印书馆,1978,p.17

  “力学是关于运动的科学,我们说它的任务是:以完备而又假定的方式描述自然界中发生的运动。”(基尔霍夫:《力学讲义》,1874)

  ——M. von 劳厄:物理学史,范岱年等译,商务印书馆,1978,p.20

  力学起源于工具、工艺的改进,同时也是人类追求认识自然界客观运动的普遍规律的必然归宿。

  在力学研究上,从古代开始,就有两种传统。如牛顿所说,一方面是理性的或理论的,另一方面是应用的,可见理论力学与应用力学的分工,早在牛顿时代就有了。

  对力学的研究对象,有一个逐步拓宽的过程。早期着重于重力、平衡即静力学,后来着重于运动,即动力学。到了牛顿,对力学有了最一般的认识,将力同运动相联系,而且这里运动是最一般意义的运动,它包含一切变化。

  数学是同力学密不可分的,牛顿将几何学看作力学,达•芬奇将力学看作数学,而邓玉函将数、度、力三学看为亲密三兄弟不可分离。力学同数学从古以来一直紧密联系,它们是人类认识客观事物运动的质与量的两个不可分的侧面。”

  这段叙述从力学史的角度对力学的起源、分类、发展过程及其与数学的关系作了精辟的概括,尤其是第二点中指出,力学的理论力学与应用力学的分工古已有之,也就是说,力学既有基础性,又有应用性,这是一个无法抹煞的历史事实和现实存在。

  钱伟长先生一贯旗帜鲜明地坚持力学既是一门基础学科,又是一门技术学科,而且身体力行地进行了成功的实践,取得了丰硕成果。

  事实上,主要的学科,如数学、力学、物理、化学,都是有它们的双重性的:即它们既有基础性的一面,又有应用性的一面。从强调基础性的一面看,它们既可以成为基础学科;从强调应用的一面看,它们又可以称为技术学科。”

  要讨论力学和它是不是基础学科——就是它有没有基础性的一面,首先要明确力学的定义:

  形象化地说,有一个Π结构(物理科学的结构):物理科学是一根梁,力学和数学是它的两根支柱。”

  ——谈镐生:关于力学学科的基础性和现代化(原载力学进展。1978,8(1):130~134,见《谈镐生文集》,北京:科学出版社,2006,pp.407-409

  如前所述,谈镐生先生是上个世纪七八十年代为力学学科争回基础学科地位的大功臣,上面摘引的是他在论战中提出的主要论点,旗帜鲜明,立论恢弘。他的文章全方位地论证了力学学科的基础性,以及基础性与应用性并存现象在基础性自然科学学科中的普遍性。他还认为,数理化天地生力这七个学科中,当中的五个都可归为物理科学,而数学是所有学科的基础,力学是所有物理科学的基础,形成Π结构,我很欣赏这一观点。

  “力学是物理学的一个部门。研究宏观物体机械运动规律及其应用的学科。古代通过在机械、建筑、军事等方面的实践和天文、物理现象的观察,已对力学有了研究。17世纪以来,以牛顿运动定律为基础总结成了牛顿力学体系。根据所研究物体的性质,可分为质点力学、质点组力学、刚体力学和连续介质力学;根据运动性质又可分为运动学、动力学和静力学。力学是许多工程技术问题的重要基础,并已发展成为许多应用力学分支,如固体力学、物理力学等。20世纪初,在研究高速(可与光速相比拟)运动物体的运动规律(此时牛顿力学不再适用)时,建立了相对论力学。一般把牛顿力学和相对论力学称为经典力学。对于微观粒子如电子、核子等,经典力学往往不适用,而须用‘量子力学’。”

  这是可见到的所有辞书中叙述得最差劲的关于力学的词条,会产生种种误导,偏偏《辞海》的社会影响又很大!首先,未点明力学已独立于物理学这一现状;整个叙述显得不科学;对力学的分类不合理;可笑的是把固体力学、物理力学列为应用力学分支(再无其它例子),忽略了他们的基础性。这个词条像是本科生编出来的。查阅了《辞海》的所有编写人,找不到一位我认识的力学家(数学家有好多位,包括我的一位同学),这大概是该词条质量低劣的原因。


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