本书简明扼要地介绍了伽利略之后的物理学是如何一步步发展起来的，试图表明某种观念在改变整个科学结构方面可能具有的穿透力和深刻影响。

本书适合普通读者、（研究科学、哲学或历史的）大中学生、历史学家、哲学家以及任何愿意领略科学的勃勃生机和冒险经历的读者阅读。我希望，‘通过了解科学革命如何达到高峰，牛顿力学和天体力学如何逐步产生，也能使科学家感到愉快和受益。

本书的目的主要不是介绍通俗的科学史，也不是向一般读者展示新近的科学史研究成果，而是为了从一个侧面探讨那场发生在16、17世纪的伟大的科学革命，澄清近代科学的性质和发展的某些基本方面。

本书是一部经典的科学史著作。它从地球运动的假设所引起的物理学问题出发，讲述了哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿等人在创立新物理学过程中面临的问题和作出的贡献，揭示了物理科学的整体性，从一个侧面讨论了16、17世纪的科学革命。

本书是作者为非科学领域的大学生所写的著作，旨在改进物理教学。曾被译为十几种文字，内容通俗易懂，适合大中学生以及所有对科学史有兴趣的读者阅读。

前言

第一章 地动物理学

 落到何处

 两种回答

 需要一门新物理学

第二章 旧物理学

 亚里士多德的常识物理学

 物体的“自然”运动

 “不朽的”天界

 运动的因素

 空气中的落体运动

 地球不可能运动

第三章 地球和宇宙

 哥白尼与近代科学的诞生

 同心球体系

 托勒密与本轮均轮体系

 哥白尼的革新

 哥白尼与托勒密

 哥白尼宇宙的问题

第四章 探索宇宙深处

 新物理学的演进

 仂Ⅱ利略

 望远镜：巨大的飞跃

 月球景象

 地球反照

 繁星满天

 木星的证据

 新的世界

第五章 通向惯性物理学

 匀速直线运动

 火车烟囱和运动的船

 伽利略的运动科学

 伽利略的先驱

 表述惯性定律

 伽利略的困难与成就：惯性定律

第六章 开普勒的天体音乐

 椭圆与开普勒的宇宙

 三定律

 开普勒与哥白尼派

 开普勒的成就

第七章 宏伟的设计——新物理学

 牛顿的预见

 《自然哲学的数学原理》

 惯性定律的最终表述

 “宇宙体系”

 神来之笔：万有引力

 各方面的成就

 关于牛顿第二定律两种形式的补充注释

附录1 伽利略与望远镜

附录2 伽利略“看到”天上有什么

附录3 伽利略的自由落体实验

附录4 伽利略运动科学的实验基础

附录5 伽利略是否认为匀加速运动的速度与距离成正比

附录6 假说一演绎方法

附录7 伽利略与中世纪运动科学

附录8 开普勒、笛卡尔和伽桑狄论惯性

附录9 伽利略对抛物线路径的发现

附录10 伽利略运动科学的主要发现概述

附录11 胡克对牛顿的功劳：对曲线轨道运动的分析

附录12 行星与彗星的惯性

附录13 对由平方反比律导出椭圆行星轨道的证明

附录14 牛顿与苹果：牛顿发现v2／r定律

附录15 牛顿论“引力”质量与“惯性”质量

附录16 牛顿提出万有引力的步骤

进一步阅读建议

索引

伽利略的运动科学

我们的玩具火车实验说明了伽利略运动学工作的三个主要方面。首先是惯性原理，这虽然是伽利略努力的方向，但我们在本书最后一章中将会看到，直到天才的牛顿才给了它最终的现代表述；其次，小球在相等时段下落距离的照片表明了他的匀加速度运动原理；最后，由火车向前运动时的小球下降速度等同火车于静止时小球的下降速度，我们可以看到，它例证了伽利略著名的速度矢量独立性和叠加原理。

我们将逐一考察这三个主题，先讨论伽利略关于加速运动的一般研究，然后是他论述惯性的工作，最后是他对复杂运动的分析。

伽利略在研究落体问题时，曾经做过落体实验，最著名的就是他年轻时在塔顶上释放物体。我们不知道那座塔是著名的比萨斜塔还是其他的塔，他所保存的记录只告诉我们，他是从某座塔上释放物体的。后来，他的传记作家维维亚尼（Viviani）讲述了一个传奇故事。维维亚尼是在伽利略的暮年认识他的，根据维维亚尼的说法，伽利略为了反驳亚里士多德而登上比萨斜塔，“当时还有许多其他教师、哲学家和学生在场”。他“通过重复实验”证明，“同样构成但重量不同的物体通过相同介质时，其速度并不像亚里士多德所说的与它们的重量成正比，而是以相同速度运动……”由于再也不找到其他资料来证实这一公众演示，特别是在口耳相传的过程中，其臆想色彩越来越浓重，学者们对此都抱有怀疑态度。我们不知道这是维维亚尼的杜撰，还是年迈健忘的伽利略的确告诉过他。但事实是，实验结果并不符合伽利略本人给出的结果，因为我们前面曾经提到，伽利略非常谨慎地指出，重量不同的物体其速度也略有不同，较重的物体会比较轻的物体提前一些触到地面。

如果做这种实验，只可能证明亚里士多德是错误的。在伽利略的时代，仅在某一方面证明亚里士多德是错的并不算是伟大的成就。早在数十年前，拉穆斯（Pierre de la Ram6e：或Ramus）就提出亚里士多德的物理学完全不合乎科学法则。亚里士多德运动定律的不恰当至少在400年前就已经为人所知，并且自那时起已经有相当多的批评。因此，在塔顶（不论是在比萨斜塔还是在别的塔）所做的实验虽然再度有力打击了亚里士多德，但都不能使伽利略得到正确的新落体定律，而表述出这一定律恰恰是他最伟大的成就之一（参见附录4）。

要想深入理解伽利略的发现，必须认识到抽象思维的重要性，认识到伽利略对它的运用。对于科学来说，完善的抽象思维是比望远镜更具革命性的工具。伽利略表明了抽象如何能够与经验世界相关联，如何由对“事物本性”的思考推导出与直接观察有关的定律。在这一过程中，实验对伽利略有至关重要的意义。我们最近知道，这在很大程度上要归功于德雷克的天才研究。现在我们概括一下伽利略在《关于两门新科学的谈话》中思想过程的主要阶段。

伽利略说：

在自然界中，也许没有什么东西比运动更古老了；关于运动，哲学家们写的书数量既不少，部头也不小。尽管如此，我……发现了运动的许多性质，它们是值得知道的，而且迄今还不曾有人注意过，更不要说演示了。

伽利略认识到，在他之前曾有人注意到下落重物的自然运动是连续加速的，但他说自己的成就是发现了“这种加速所依照的比例”。他很自豪自己第一次认识到，“从静止开始下落的物体在相等时段内经过的距离彼此成从1开始的奇数关系”。他还证明“炮弹或抛射体”并不仅仅描出某种曲线路径，这一路径实际上是抛物线。

在讨论伽利略关于运动的思考时，我们有两种非常不同的选择。一种是通过他的手稿、通信和其他材料追溯其思想发展；另一种则是总结他在《关于两门新科学的谈话》中公开发表的陈述。前一种方案必定是尝试性的，因为这部分取决于对包含着数据图表而没有任何评注或说明的某些手稿的解释（参见附录4）；这是一些私人记录，对它们的解读从20世纪70年代才开始。而第二种方案，即公开发表的记录，则包含着伽利略希望我们学习的内容。在运动领域，从伽利略革命性的新运动学到近代动力学，推动科学发展的实际上正是这些公开发表的说法。我们把伽利略的学科称为运动学，是因为它在很大程度上是对匀加速运动的研究，而没有过多地考虑力，而动力学研究的则是产生或改变运动的作用于物体的力，以及将力与力所引起的运动变化相关联的定律。虽然伽利略知道，加速源于力的作用（例如物体的重力使下落加速），但他并未关注这部分主题。不过，由于伽利略的确在某些特殊的重要情形中考虑了力和运动，我们也许应当把他的学科称为运动学和某些动力学。牛顿认为，伽利略已经知道并且利用了他的三条“运动公理或定律”的前两条，此三定律是最基本的动力学原理。

伽利略首先讨论了匀速运动定律，在匀速运动中，距离与时间成正比，因此速度保持恒定。然后他又讨论了加速运动。在伽利略看来，首要问题是“找出并澄清一个最符合自然现象的定义”。虽然“任何人都可以发明一种任意类型的运动并讨论其性质”，但“既然自然已经赋予下落的重物某种特殊的加速”，因此他“决定探究其性质”，以保证他所使用的加速运动的定义能够与“自然加速运动的本质”相符合。伽利略还说，“在研究自然加速运动时”，“我们仿佛被亲手领着去追随自然本身在其所有其他作品中的习惯和进程”，“在运作这一切时，她习惯于使用那些最平常、最简单和最容易的手段。”伽利略在这里援引了一条著名的原理，它实际上可以追溯到亚里士多德，即自然总是以最简单或最经济的方式运作。伽利略说：

当我观察一块由静止落下的石头……不断获得新的速度增量时，为什么我不应该相信这样的增长是以一种特别简单而在每个人看来都是显而易见的方式发生的呢？我们现在仔细考察一下这个问题就会发现，没有比永远以同样方式重复进行的增加或增长更为简单的了。

最简单的变化即变化本身是恒定的。根据自然的简单性原则，伽利略说，如果在每一个相继的时段内都有相等的速度增量，那么这显然就是最简单的加速运动。此后不久，伽利略又让辛普里丘（亚里士多德派）提出了另一种不同见解，认为落体的“速度增加与距离成正比”。读者在评判时，一定会承认它与伽利略的加速运动定义同样“简单”。

P70-73

《新物理学的诞生》适合普通读者、（研究科学、哲学或历史的）大中学生、历史学家、哲学家以及任何愿意领略科学的勃勃生机和冒险经历的读者阅读。我希望，通过了解科学革命如何达到高峰，牛顿力学和天体力学如何逐步产生，也能使科学家感到愉快和受益。

本书的目的主要不是介绍通俗的科学史，也不是向一般读者展示新近的科学史研究成果，而是为了从一个侧面探讨那场发生在16、17世纪的伟大的科学革命，澄清近代科学的性质和发展的某些基本方面。一个重要主题是，物理科学环环相扣的结构如何影响了运动科学的形成。我们一再看到，自17世纪以来，物理科学任何一部分的重大调整必定会引起通盘改变；另一个结论是，孤立地或完全凭借自身去检验或证明科学命题一般来说是不可能的，每一项检验毋宁说是对相关命题外加整个物理科学体系的确证。

近代科学一直在发生变化，这种动态性是它的主要性质或独特性质。不幸的是，初等教科书和一般科学著作都强调逻辑呈现，这使得学生和读者很难真正理解这种动态性。因此，本书的另一个主要目的是试图表明，某一种观念在改变整个科学结构方面可能具有怎样的穿透力和深刻影响。

本书不是一部科学的历史，而是关于科学发展中一个重要片段的历史短论，它并没有详细讨论近代动力学或天文学兴起的所有方面。例如，我们只是顺便提及第谷对观测天文学的革新、开普勒的运动概念以及对运动原因的看法。笛卡尔的思想体系，包括基于涡旋的宇宙体系，则完全没有涉及。在许多方面，笛卡尔科学代表着17世纪新科学最具革命性的部分。完整的历史叙述还必须包括惠更斯、胡克等重要人物。

我要感谢巴黎高等研究实践学院和普林斯顿高等研究院的亚历山大·柯瓦雷（Alexandre Koyre）对我思想的启发，他是在学术研究中运用历史概念分析的大师。梅杰瑞·霍普·尼科尔森（Maiorie Hope Nicolson，哥伦比亚大学）使我们认识到“新天文学”特别是伽利略的望远镜发现的重大思想意义。在十多年的时间里，我曾经有幸与马歇尔·克拉盖特（Marshall Clagett，威斯康星大学；普林斯顿高等研究院）、约翰·默多克（John E.Murdoch，哈佛大学）和爱德华·格兰特（Edward Grant）讨论了中世纪科学的许多问题，使我受益匪浅。在近四十年的时间里，爱德华·罗森（Edward Rosen，纽约城市学院）的批评及其学术贡献使我得益甚多。后来，我又从诺埃尔·斯维尔德罗（Noel Swerdlow，芝加哥大学）那里获得了对哥白尼科学的新的洞见。我还从阿尔伯特·范·海尔登（Albert Van：Helden，莱斯大学）那里了解到关于望远镜的历史及其早期应用的许多内容。特别要感谢斯蒂尔曼·德雷克（Stillman Drake），他多年来一直慷慨惠允我阅读他尚未发表的伽利略研究，回答我的问题，并对本书的打字稿进行了认真审读，先是25年前的第一版，现在是这个修订版。

《新物理学的诞生》的第一版献给我的女儿Frances B.Cohen博士，当时是为一套科学研究丛书所写。这套丛书是物理科学研究委员会所倡议的，旨在以新的方式促进物理学的教学、研究和理解。委员会主席最初是麻省理工学院的Jerrold Zachatjas，后来是Francis L.Friedman。该委员会的成员（尤其是Brlice Kingsbury）大大方便了本书第一版的写作；编辑John H.Durston特别为我着想，使我在写书过程中省去不少时间与精力。美国杰出摄影家Berenice Abbott专为此书拍摄了插图6和插图7，对此我十分欣慰。

第一版已经多次重印，曾被译为丹麦文、芬兰文、法文、德文、希伯来文、意大利文、日文、波兰文、西班牙文、瑞典文和土耳其文。最近的意大利文译本做了重大修订（包括爱德华·罗森提醒我注意的一些修正）。现在，时隔25年后，根据科学史特别是关于伽利略和牛顿的最新发展和发现，我又对正文做了许多修订，补充了许多新材料。但还有一些材料如果加入，可能会导致内容严重失衡，从而打乱原书的章法节奏。因此，我们把这些材料放在带有编号的附录中（在正文中有所提及），它们就学术界的某些关键议题作了扩充，对于对近代物理科学形成的某些重要阶段做出公允判断至关重要。

除了附录，这两版的最大区别体现在对伽利略的处理上。第一版问世后，我们已经得知（首先感谢托马斯·塞特尔[Thomas B.Settle]大胆再现了伽利略的一项著名实验），伽利略描述的实验实际上能够给出他所宣称的结果，学术界的观点也随之产生了重大转变。大家不再认为伽利略描述的仅仅是“思想实验”，这些实验他既没有做过，也不可能按照他所描述的方式做，而是开始将伽利略视为实验大师。其次，由于德雷克的学术努力，我们已经认识到，实验对于伽利略表述和验证运动原理的基本思想至关重要。

我非常高兴诺顿出版公司能出版这个新版。感谢公司的副总EdwinBarber对我的著作感兴趣。得知仍然有一个真正“老资格的”出版商珍爱书籍和作者，真是让人欣慰。

I·伯纳德·科恩

哈佛大学

坎布里奇，马塞诸塞州

1984年9月18日