力學是什麼?為力學正名!

此文的目的就是為力學正名,但單靠自己從頭說起也不容易,好在已有許多權威人士和大家著述論及,我把它們採擷出來,稍加點評,以供共享,通過拋磚引玉,激發大家發表見解的熱情。

1

“力學是一門應用性很強的基礎科學,是研究力與運動規律的學科。力學建立在牛頓力學和經典力學的基礎上,主要涉及宏觀運動,目前已擴展至微納觀層次。”

——國家自然科學基金委員會:《力學學科發展研究報告》北京:科學出版社,2007,p.1。

評述:

這份發展報告由我國幾十位力學英才集體撰寫,歷時一年半,經過充分調研,傾聽了諸多資深力學家的意見,寫得言簡意賅,相當出色。這裡給出的力學的定義抓住了力學的基本內涵和特點,最值得注意的是開宗明義的說法:“力學是一門應用性很強的基礎科學”,既強調了它的基礎性,又強調了它的應用性。缺點是,敘述還不夠充分(要看下文才進一步明確);還有個微疵:“牛頓力學和經典力學”並列不妥,因為後者涵蓋前者。

2

“力學是研究物質機械運動規律的科學。自然界物質有許多層次,從宇宙體系,宏觀的天體和物體,細觀的顆粒、纖維、晶體,到微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學以研究天然的或人工的宏觀對象為主。但由於學科的相互滲透,有時也涉及宇觀或細觀甚至微觀層次中的對象以及有關的規律。機械運動亦即力學運動是物質在時間、空間中的位置變化,包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等,而平衡或靜止,則是其中的一種特殊情況。機械運動是物質運動的最基本的形式。物質運動其它形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內部運動和化學運動等,機械運動不能脫離其它運動形式而獨立存在,只是在研究力學問題時突出地考慮機械運動這種形式罷了;如果其它運動形式對機械運動有較大影響或者需要考慮它們之間的相互作用,便會在力學同其它學科之間形成交叉學科或邊緣學科。力是物質間的一種相互作用,機械運動狀態的變化是有這種相互作用引起的。靜止和運動狀態不變,都意味著各作用力在某種意義上的平衡。力學,可以說是力和(機械)運動的學科。”

——錢令希、錢偉長、鄭哲敏、林同驥、朱照宣:《力學》,中國大百科全書(力學),北京•上海:中國大百科全書出版社,1985,p.1

評述:

這段敘述是中國大百科全書(力學卷)的開場白,由五位資深力學家撰寫,有權威性。這是筆者迄今見到的關於力學內涵和特點的最深刻、最完整的描述。其中指出,力學是研究物質機械運動規律的科學,而且以宏觀對象為主;特別對機械運動的形式作了全面概括,將變形也包括在內。也提到了機械運動與其它運動形式的相互作用和交叉性力學的形成和發展,但是,關於交叉的觀點有點絕對,例如,流體力學中,機械運動與熱運動密不可分,考慮二者的一般的相互作用不能列入交叉之類(超高溫的情況另當別論);再如,按現今的觀點,多場(包括溫度場、電磁場等)的彈塑性力學,也不納入交叉性學科。

3

“力學原是物理學的一個分支。物理科學的建立則是從力學開始的。在物理科學中,人們曾用純粹力學理論結合機械運動以外的各種形式的運動,如熱、電磁、光、分子和原子內部的運動等。當物理學擺脫了這種機械(力學)的自然觀而獲得健康發展時,力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化,逐漸從物理學中獨立出來。20世紀初,相對論指出,牛頓力學不適用於速度接近於光速或者宇宙尺度內的物體運動;20年代,量子論指出牛頓力學不適用於微觀世界。這反映了人們對力學的深化,即認識到物質在不同層次上的機械運動的規律是不同的。通常理解的力學只以研究宏觀的機械運動為主,因而許多帶“力學”名稱的學科如熱力學、統計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等在習慣上被稱為是物理學的分支,而不屬於力學的範圍。但由於歷史上的原因,力學和物理學仍有著特殊的親緣關係,特別是在以上各“力學”分支和牛頓力學之間,許多概念、方法、理論都有不少相似之處。

力學與數學在發展中始終相互推動,相互促進。一種力學理論往往和一個數學分支相伴產生,如運動基本定律與微積分,運動方程的求解和常微分方程,彈性力學及流體力學的基本方程和數學分析理論,天體力學中運動穩定性和微分方程定性理論等。有人甚至認為力學是一門應用數學。但是力學和物理學一樣,還有需要實驗基礎的一面,而數學尋求的是比力學更帶普遍性的數學關係,兩者有各自的研究對象。

力學同物理學、數學等學科一樣,是一門基礎科學,它所闡明的規律帶有普遍的性質。

力學又是一門技術科學,它是許多工程技術的理論基礎,又在廣泛應用中不斷得到發展。當工程學還只分民用工程學(即土木工程學)和軍事工程學兩大分支時,力學已在這兩個分支中起舉足輕重的作用。工程學越分越細,各個分支中許多關鍵性的進展都有賴於力學中有關運動規律、強度、剛度等問題的解決。力學與工程學的結合促使工程力學各個分支的形成和發展。現在,無論是歷史較久的土木工程、建築工程、水利工程、機械工程、船舶工程等,還是後起的航空工程、航天工程、核技術工程、生物醫藥工程等都或多或少有工程力學的活動場地。力學作為一門技術科學,並不能代替工程學,只指出工程技術中解決力學問題的途徑,而工程學則從更綜合的角度考慮具體任務的完成。同樣地,工程力學也不能代替力學,因為力學還有探索自然界一般規律的任務。

力學既是基礎科學又是技術科學這種二重性,有時也難免會引起側重基礎一面和側重應用研究一面的力學家之間的不同看法。但這種二重性也使力學家感到自豪,他們為溝通人類認識自然和改造自然兩個方面作出了貢獻。”

——錢令希、錢偉長、鄭哲敏、林同驥、朱照宣:《力學》,中國大百科全書(力學),北京•上海:中國大百科全書出版社,1985,pp. 2~3

評述:

這些敘述承接前一段,從力學的發展史角度,全面正確地描述了力學與物理學、數學的關係,指出了力學從物理學獨立出來的過程和現實;值得注意的是:這裡強調了“力學同物理學、數學等學科一樣,是一門基礎科學,它所闡明的規律帶有普遍的性質。”同時,又闡述了力學作為基礎科學和技術科學的二重性,點明瞭兩者的關係,也指出了工程力學與工程學、工程力學與基礎力學的區別,並如實反映了力學界由於側重面的不同而存在的岐見(事實上五位作者的側重面就有不同)。令人鼓舞的是,他們指出,力學界應該為這種二重性而感到自豪。其實,物理學、化學、生物學等也具有這種二重性。

4

“在自然科學的歷史發展中最先發展起來的是關於簡單的位置移動的理論,即天體的和地上物體的力學。”

——恩格斯:自然辯證法,北京:北京人民出版社,1971,p.53

“力學是最早開始的一門科學。”

——M. von 勞厄:物理學史,範岱年等譯,商務印書館,1978,p.17

評述:

力學人應為這一事實而自豪。

5

“力學是關於運動的科學,我們說它的任務是:以完備而又假定的方式描述自然界中發生的運動。”(基爾霍夫:《力學講義》,1874)

——M. von 勞厄:物理學史,範岱年等譯,商務印書館,1978,p.20

評述:

這一經典說法充分揭示了力學的基礎科學的特徵。

6

“從我們以上摘錄的論述,可以歸納出以下幾點關於力學的認識:

力學起源於工具、工藝的改進,同時也是人類追求認識自然界客觀運動的普遍規律的必然歸宿。

在力學研究上,從古代開始,就有兩種傳統。如牛頓所說,一方面是理性的或理論的,另一方面是應用的,可見理論力學與應用力學的分工,早在牛頓時代就有了。

對力學的研究對象,有一個逐步拓寬的過程。早期著重於重力、平衡即靜力學,後來著重於運動,即動力學。到了牛頓,對力學有了最一般的認識,將力同運動相聯繫,而且這裡運動是最一般意義的運動,它包含一切變化。

數學是同力學密不可分的,牛頓將幾何學看作力學,達•芬奇將力學看作數學,而鄧玉函將數、度、力三學看為親密三兄弟不可分離。力學同數學從古以來一直緊密聯繫,它們是人類認識客觀事物運動的質與量的兩個不可分的側面。”

——武際可:力學史,重慶:重慶出版社,2000,pp.5~6.

評述:

這段敘述從力學史的角度對力學的起源、分類、發展過程及其與數學的關係作了精闢的概括,尤其是第二點中指出,力學的理論力學與應用力學的分工古已有之,也就是說,力學既有基礎性,又有應用性,這是一個無法抹煞的歷史事實和現實存在。

7

“力學既是應用性很強的技術科學,更是一個深藏玄機的基礎學科。”

——錢偉長:《談鎬生文集》序,北京:科學出版社,2006

評述:

錢偉長先生一貫旗幟鮮明地堅持力學既是一門基礎學科,又是一門技術學科,而且身體力行地進行了成功的實踐,取得了豐碩成果。

8

"'基礎'相對於'應用'來說才有其具體意義的。

'基礎'的意義有幾個方面:

作為其它學科的基礎;

從應用面廣(即到處用到)的意義上的基礎;

不是和生產直接相聯繫的意義上的基礎性。

事實上,主要的學科,如數學、力學、物理、化學,都是有它們的雙重性的:即它們既有基礎性的一面,又有應用性的一面。從強調基礎性的一面看,它們既可以成為基礎學科;從強調應用的一面看,它們又可以稱為技術學科。”

"要討論力學和它是不是基礎學科——就是它有沒有基礎性的一面,首先要明確力學的定義:

力學是研究物質機械運動規律的科學。

力學是物理科學的共同基礎,數學是所有學科的共同工具。

形象化地說,有一個Π結構(物理科學的結構):物理科學是一根梁,力學和數學是它的兩根支柱。”

——談鎬生:關於力學學科的基礎性和現代化(原載力學進展。1978,8(1):130~134,見《談鎬生文集》,北京:科學出版社,2006,pp.407-409

評述:

如前所述,談鎬生先生是上個世紀七八十年代為力學學科爭回基礎學科地位的大功臣,上面摘引的是他在論戰中提出的主要論點,旗幟鮮明,立論恢弘。他的文章全方位地論證了力學學科的基礎性,以及基礎性與應用性並存現象在基礎性自然科學學科中的普遍性。他還認為,數理化天地生力這七個學科中,當中的五個都可歸為物理科學,而數學是所有學科的基礎,力學是所有物理科學的基礎,形成Π結構,我很欣賞這一觀點。

9

“力學是物理學的一個部門。研究宏觀物體機械運動規律及其應用的學科。古代通過在機械、建築、軍事等方面的實踐和天文、物理現象的觀察,已對力學有了研究。17世紀以來,以牛頓運動定律為基礎總結成了牛頓力學體系。根據所研究物體的性質,可分為質點力學、質點組力學、剛體力學和連續介質力學;根據運動性質又可分為運動學、動力學和靜力學。力學是許多工程技術問題的重要基礎,並已發展成為許多應用力學分支,如固體力學、物理力學等。20世紀初,在研究高速(可與光速相比擬)運動物體的運動規律(此時牛頓力學不再適用)時,建立了相對論力學。一般把牛頓力學和相對論力學稱為經典力學。對於微觀粒子如電子、核子等,經典力學往往不適用,而須用‘量子力學’。”

——《辭海》編委會:《辭海》,上海辭書出版社,1994,p.530

評述:

這是可見到的所有辭書中敘述得最差勁的關於力學的詞條,會產生種種誤導,偏偏《辭海》的社會影響又很大!首先,未點明力學已獨立於物理學這一現狀;整個敘述顯得不科學;對力學的分類不合理;可笑的是把固體力學、物理力學列為應用力學分支(再無其它例子),忽略了他們的基礎性。這個詞條像是本科生編出來的。查閱了《辭海》的所有編寫人,找不到一位我認識的力學家(數學家有好多位,包括我的一位同學),這大概是該詞條質量低劣的原因。


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