牛顿在讲什么
02 牛顿八条定义
废话不说,读书就要开始翻书去读,前一篇只是叙述一下应该怎么读牛顿。现在,我们开始读牛顿。哲学上说物质,那就是理性的说物质、运动、状态的各种本质性质或外延表象性质,比如存在性,客观性之类。
既然牛顿要用数学分析自然哲学,那就是直接开始说物质、运动、状态的数学度量性质(也就是用数学度量物质的内涵(物质的本质)或者外延性质,所有的外延性质总和就是物质的表象性质)。
物质是什么?那是哲学的事,不是数学的事,所以我们不去定义物质,而是定义物质的数学度量性质,所以牛顿开宗明义,直白的定义物质的八大度量概念。
八个定义:物质的度量,运动的度量,惯性,外力,向心力的绝对量,向心力的加速度量,向心力的运动量。
第一条定义:(The quantity of matter is the measure of the same,arising from its density and bulk conjunctly)物质的量(质量),是物质的度量,由密度和体积得到。
The quantity of matter:物质的量。不过在物理学里有两个表示” 物质的量”的概念,一个是mass(质量)一个是molar-mass(摩尔质量)。一般表达为:物质的质量,和物质的摩尔质量。
在《自然哲学的数学原理》中,物质的量表示的是质量(quantity of matter=mass),为了避免混淆,以后以“物质质量”替代表述。
《自然哲学的数学原理》的物质质量,并不是现代定义,这是“古代定义”。在当时并没有明确的“物理性质”的概念,也没有对物质进行“物理”性质归类。我们现在说,这是“物理性质”,那是“化学性质”,是已经严格化了的自然哲学的分析归类。在牛顿那个时代,并没有在哲学上进行这么严密的性质分类,所以也就没有说从“物理”上对物质进行性质定义,所以牛顿第一定义只是当时一个“计算性”定义,但并不影响牛顿后续推理。
那么起码也要说一说现代的物质质量定义。
广义的说“物质”是一个很麻烦的事,既然不定义物质,只分析其性质,将物质的各种可以被发现的性质进行“标签管理”,安放到不同的性质容器内,比如物质本身的度量性,运动性等。
不过这里我们先关注物质的“物理度量性”,“物理度量性”我们现在也不定义,那么现在“物理度量性”实际上没有内容,是个空类,那就要往里面放东西。
给“物理度量性”填充的第一个内容是惯性。惯性又是什么,现在没必要细说,这会没完没了的讲下去,后面牛顿会定义它。还是老办法,不定义惯性,先填充内容,用内容的总和抽象出惯性的外延。
现在结合物质的(物体是物质具象化的一个外在具体形式(直觉上的处理对象))惯性,我们可以定义一个比较“现代性”的概念:惯性质量,是衡量物质(更具体的是物体)的惯性的一个量,那就是说,惯性质量就是用来计算惯性的量(他们就是一致的)。这是为了区别另一种物理度量性“引力”的“引力质量”所定义的物质的质量。
在《自然哲学的数学原理》中,质量就是指惯性质量(也可以说是运动学和力学定义的质量,运动学和力学是后面的事)。
这是建立在古今比较学意义上的对牛顿第一个定义的解读。
第二个定义:(The quantity of motion is the measure of the same,arising from its velocity and the quantity of matter conjunctly)运动的量就是对运动的度量,由速度和物质的量共同获得。
The quantity of motion:运动的量,momentum 动量。
显然说的就是现代意义的“动量”定义,这是对“物理度量性”填充的第二个内容:运动的度量,动量。
牛顿在这里并没有定义“速度”,现代概念里的速度则是“运动”的“物理度量性”:快慢和方向,是对“运动”数学化的结果,这是一种说明性定义,严格定义速度需要很多前置概念。如果要继续延伸速度的计算定义,则需要说明时间,空间,位置,连续性等很多相关概念,就是速度的微积分算式定义。
在牛顿时代对于牛顿来说,速度是不需要定义的,是显然直接使用的,也说明牛顿的理论体系还是以物理直观为主,体系上仿欧几里德叙述。
第三个定义:(vis insita,or innate force of matter,is a power of resisting,by which every body,as much as in it lies,endeavours to persevere in its present state,whether it be of rest,or of moving uniformly forward in aright line.),或者物体固有的力,是一种起抵抗作用的力,它存在于每一个物体之中,大小与该物体相当,并使之保持现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动(惯性力the force of inertia)。
这就是牛顿定义的惯性(inertia)。这没什么可说的。
定义四:(An impressd force is an action exerted upon a body,in order to change its state,either of rest,or of moving uniformly forward in a right line.)外力是一种对物体的推动作用,使其改变静止的或者匀速直线运动的状态(外力)。
impressd force:强迫力,冲击力,外力.
上面定义了惯性,这里定义惯性被改变的原因,就是外力。
剩下的四个定义,对于现代来说并不是很重要,只是向心力在当时的研究比较前沿,涉及到微积分的建立以及向心运动的分析,所以牛顿很重视。牛顿这里给出的是向心力的大小、方向、向心加速度的计算方式(比例结果的就是计算方式)。
定义五:向心力使物体受到指向一个中心点的吸引、或推斥或任何倾向于该点的作用(向心力)。
定义六:以向心力的绝对度量量度向心力,它正比于中心导致向心力产生并通过周围空间传递的作用源的性能。
定义七:以向心力的加速度度量量度向心力,它正比向心力在给定时间里所产生的速度部分。
定义八:以向心力的运动度量量度向心力,它正比于向心力在给定时间里产生的运动部分。
牛顿的前四个定义显然是非常重要的,在牛顿时代,质量不是中心概念,所以现在看起来很奇怪,居然是用密度和体积,去定义质量。而现代则是用质量(物体本身)和体积(物体的空间性质)去定义密度。因为牛顿时代并没有定制质量单位标准,就是“质量测量原器”。质量概念本身不需要原器,但是要进行精确测量,必然需要一个“质量单位”,就是“单位一”的质量。
如果两个概念的单位是一样的,那么这两个概念就是同一个概念,运动与质量的概念肯定是不同的,所以对于运动要定义另一个运动的“单位一”。动量定义中,质量已经有了“单位一”,而速度没有定义“单位一”,这就需要使用速度的算式定义“单位一”。这就要分别定义空间度量的“单位一”和是时间度量的“单位一”。如果把某个物体的速度,比如光速定义为“单位一”,再联合另一个“单位一”,比如时间测量的“单位一”,则可以定义空间测量的“单位一”。
牛顿怎么看待“时间”“空间”的,那是后面的四个补充定义,补充定义反而影响了物理学深远。
现代物理学的七大基本概念及其单位定义:空间(米/m)时间(秒/S)电流(安/A)质量(千克/KG)物质的量(摩尔/mol)温度(开尔文/K)光照强度(坎德拉/cd).