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牛顿力学的成就与局限性

## 牛顿力学的成就与局限性
17世纪，牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人研究成果的基础上，把天体运动规律和地面上的实验研究成果加以综合，通过归纳与演绎、综合与分析的方法，总结出一套普遍适用的力学运动规律——牛顿运动定律和万有引力定律，建立了完整的牛顿力学体系，并提出了与之相对应的绝对时空观。

**绝对时空观**

通过前面的学习，我们知道，要描述一个物体的运动，必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的．

**讨论与交流** 如图 5-1-1 所示，在匀速直线前进的车厢顶部，有一个白色小球和一个黑色小球同时开始自由落下。甲同学相对于车厢保持静止，而乙同学相对于地面保持静止，则：
（1）白球相对于甲同学做的是什么运动？
（2）白球相对于乙同学做的是什么运动？
（3）白球相对于黑球做的是什么运动？

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在上述三种参考系中，白球的运动都能够应用牛顿运动定律来描述吗？

对于相对地面做匀速直线运动的甲同学和静止的乙同学，白球分别做的是自由落体运动和平拖运动，都能够用牛顿运动定律进行描述；而对于黑球而言，同样做自由落体运动的白球虽然受到重力作用，却处于静止状态，并不能用牛顿运动定律来描述．

在牛顿力学体系中，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就被称为**惯性参考系**（inertial frame），所有相对于惯性参考系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性参考系．而牛顿运动定律不成立的参考系则称为**非惯性参考系**（non－inertial frame）。

在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形式，这一结论被称为伽利略相对性原理（Galilean principle of relativity）。例如，在图5－1－1中，不管是甲同学还是乙同学所在的惯性参考系中，计算小球下落时间的公式和结论都是相同的．确定或找到一个使牛顿运动定律成立的惯性参考系，成为牛顿力学体系自洽完备的关键．于是，牛顿引入了与任何事物都不相关的绝对空间和绝对时间。

牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中写道：＂绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定自身均匀地流逝着，而与一切外界事物无关。绝对空间的自身特性与任何外界事物无关，它处处均匀，永不移动．＂这就是牛顿的绝对时空观．

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 按照这种观点，时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响．这种时空观是对低速状态下的经验总结，与人们在日常生活中对时间和空间的感受是相符的。例如，不管我们是在阅读、运动、听课还是在休息，时间都在默默流逝，并不会因我们日常的行为而改变它流逝的快慢。我国唐代诗人李白的名句＂夫天地者，万物之逆旅也；光阴者，百代之过客也＂，可以说是对绝对空间和绝对时间的形象比喻。

### 牛顿力学的成就

牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运动统一起来，从力学上证明了自然界多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。

牛顿力学的建立首次告诉人们，一个以现象观察和实验研究为基础的自然科学理论体系，其思想观点应是明确透彻的，其体系结构应是严密完备、自洽和谐的，其数学表达应是严格、定量、可以操作的。这种理论不仅能够在一定范围内揭示事物的本质和规律，作出定量的解释、推断和预言，而且理论本身的是非真伪、成立条件、适用范围等也都可以定量地检验和界定。这是一切自然科学理论应有的基本特征，牛顿伟大贡献的精髓正在于此．

实践证明，从地面上的各种物体的运动到天体的运动，从大气的流动到地壳的变动，从自行车到汽车、火车、船舶（如图 5－1－3 所示）、飞机等交通工具的运动，从击打乒乓球（如图 5－1－4 所示）到发射导弹、人造卫星和宇宙飞船——所有这些都遵循牛顿力学的规律．因此，牛顿力学在科学技术发展和社会经济建设中一直起着重要的作用，推动着航空、航天、舰船、车辆、机械、土木、水利和能源等各行各业不断进步，促进着社会不断发展．

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 ## 牛顿力学的局限性和适用范围
由于牛顿力学在理论和实践中的巨大成功，在 18 世纪出现了试图把力学规律和它对自然现象的描述方法推广到一切自然研究活动中去的机械自然观。这种观念，对近代自然科学的发展产生了深刻而广泛的影响，大多数物理学家都把牛顿力学看作其他自然科学的基础。其实，牛顿力学只是人类长期对自然运动规律探索的一个发展阶段，和其他理论一样，有其自身的局限性和适用范围．

首先，牛顿力学的应用受到物体运动速度大小的限制．研究表明，对于运动速度为 $10^4 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ 数量级的人造卫星，用牛顿力学研究它们的运动规律，所得结果与实际情况基本一致．当物体运动速度达到 $3 \times 10^7 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ 时，牛顿力学的计算结果与实验结果之间大概相差 $1 \%$ ；若物体运动速度达到 $2.9 \times 10^8 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ 时，牛顿力学的计算结果与实验结果的偏差可以达到 15 倍．因此，当物体运动的速率接近于真空中的光速时（如图5－1－5所示），牛顿力学就不再适用了．

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 其次，牛顿运动定律不适用于微观领域物质结构和能量不连续的现象． 19 世纪和 20 世纪之交，X 射线、电子和天然放射性的发现，使物理学的研究由宏观领域进人微观领域．特别是 20 世纪初量子力学的建立，使人类对自然界有了新的认识．例如，量子力学的研究表明，微观粒子既表现为粒子性又表现为波动性，粒子的能量等物理量只能取分立的数值，粒子的速度和位置具有不确定性，粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述等（如图5－1－6所示）。微观领域的运动规律在很多情况下已无法用牛顿力学来描述。

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再者，牛顿运动定律和万有引力定律对于受到强引力作用的物体的运动也不适用．

因此，牛顿力学只适用于低速（远小于光速）、宏观（人类可感知尺度）、弱引力场 （如地球附近）和计量精度要求不高（如全球定位系统需要用相对论进行修正）的情况。
 
超出以上范围，牛顿力学将不再适用，而需要用到相对论、量子力学等理论．现代物理学的发展，并没有使牛顿力学失去存在的价值，牛顿力学仍将在它的适用范围内大放光彩，而人类对自然界的探索正是这样不断地向前发展．

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