【物理学】古典宇宙观

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【物理学】古典宇宙观

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 一、导论

 
神话与科学
 
物理学是一门很古老的学科，所以我们要想讲物理学的思维，就要从起端开始讲，起端是哪呢？大多数中国人都听过这个故事“共工怒触不周山”。它讲的故事是：共工水神跟颛顼部落打仗，打输了发怒之后头触不周山，而不周山是擎天的一棵大柱子，结果山一倒，天崩了，水往下流，把颛顼部落给淹了。这时，女娲娘娘只得炼石补天，据说是把海里的巨龟的腿锯下来补的这个不周山，才把天撑住。
 
对于同样一个故事、同样一个现象、同样一件事情，我们以前可能有很多不同的解读，还比如说是西方的诺亚方舟与大洪水。但是，我们现在怎么解读这件事情呢？
 
前年Science上有一篇中国的一个课题组做的一篇文章，大概说的是：在黄河基石峡西段附近，有一个地质的遗迹的土壤很奇异，他们推断是，在这个位置上由于地震产生了一个大坝，而这个大坝非常高，大概是介于胡佛大坝和三峡大坝之间的那么一个高度。巧合的是，那个时候正好是冰河期的结束，水量猛然增大，且越来越大，于是这个大坝就在强烈的冲击下溃坝了，最终形成了一次大洪水。
 
 
 
当然这个现象只是地址考古学家他们的一个解释。另外，在黄河的上游、中游、下游，我们都发现了不同的人类遗址，比如说齐家文化、二里头文化等等，在这个大坝溃坝的这段时间里，考古学家们都发现了与这些历史遗迹相应的一些特质。
 
以前西方人一直质疑中国夏朝的存在，现在有科学证据表明，夏朝文化很可能是真实存在的。并且，这个证据不是一个孤立的证据，在黄河沿岸的很多历史遗迹中都能找到相应的夏朝文化的特征。因此，此证据的可信度就更高了。
 
反推回来，我们又回到“共工怒触不周山”这个神话，这还可能是由于：共工作为负责治水的领袖，一直尽职尽责。但很可能是因为颛顼部落的首领之争，本来就气氛紧张、各方面压力很大，结果又遇上了一个大洪水，因此就把脏水泼到了共工的头上，说是共工触发的洪水。但是，现在我们对当时的历史现象，还有这个神话的成因，有了一个科学的、符合逻辑的这么一个解释。
 
所以说，科学为什么会产生？因为认识世界和改造世界是人类的两种基本活动，这是马克思主义世界观的基本的思路。
 
科学的标准
 
科学是人类认识世界的众多方式的一种，除此之外，还有宗教、哲学、神话等等，但为什么科学能够如此的成功？科学能够吸引到人们的注意力，能够让人们愿意去支持它，是由于科学有一个标准叫可解释、可重复、可预测。这个东西大家看一看是不是符合这么一个规律？
 
比如说神话，神话为什么不符合这个标准？它解释现象的方式是：那边下了雨，我们就说龙王打喷嚏了；水来了，我们就说有一个水神发怒了，把天河给引下来了。
 
但是，如果我给你一个完全相同的条件，你能不能把这个事情重复过来？在神话当中，可能这个比较困难，很难再去找来共工，让他去撞不周山。但科学是可以通过实验，或者是通过观测类似的自然现象而进行的重复。如果重复发生后原因不会发生变化，此种原因才能得到科学的支持。
 
最后，可预测，这个是至关重要的。为什么神话不能使生产力得到很大的提高？因为神话不具有预测的功能，在神话中下雨是由于龙王爷打喷嚏，那么下次下雨是什么时候呢？这是随机的、偶然的、无从考究的。
 
但现在科学不一样，我们的天气预报可以做的很准，其预测可以做到以小时为量级，甚至在某些小地区还能按分钟为量级进行预测。他们是通过科学的一些参数，比如当地的湿度、当地的空气颗粒浓度等来进行预测。
 
物理学的价值观
 
物理学是科学当中的一个重要的分支。为什么大家研究自然哲学、研究科学哲学等，都会将物理学作为一个研究对象？这是因为物理学是自然科学中发展最久、最系统完善的学科，它是由定律、实验、数学、逻辑思维等一起搭建起来的牢固体系。
 
既然物理学的研究很重要，那么它的价值观在哪里？物理学研究从未满足于把观察事实归之于定律和按一定的秩序去排列定律。比如，我们永远不满足于牛顿定律、万有引力定律、热力学定律等的发现，在此基础上会进一步深挖，找出牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律、热力学第零定律、第一定律、第二定律、第三定律等。总的来说，物理学的价值观在于深挖，其目标在于追求所有物理规律的普遍特性，而不止是物理学当中某一个分支，比如力学、电磁学、热学、光学等，各有其特点，我们想找出这些不同学科之间的共同的东西，即其底层规律。而从适用性的角度来说，物理学有它自己的范式，它的范式最单纯最客观。范式这个概念是由Thomas Kuhn于1970年代提出的，它是一个共同体成员所共享的信仰、价值、技术等等的集合。简而言之，范式等于思想加上解决问题的技术手段。比如，物理学的范式就是物理学思想，即对自然认识的世界观加上解决物理学问题的手段，比如实验、数学等等。
 
因此，最单纯最客观的物理学范式是可以嫁接到其他学科、其他领域的范式当中的，比如在最客观的范式基础上，加入其他领域的一些主观的东西，是不是能使得各位的范式更加丰满。就此而言，解决问题的时候，你就有了更广的维度、更大的力量。
 
其次，物理学也有对美的追求，美一定是简单的。比如，爱因斯坦的E=MC?? ，只用一个宇宙间的物理常数C（光速），就把质量和能量连接起来。
 
简单性以及科学美是始终贯穿在物理学发展历程中的科学原则和态度，我们现在列出物理学发展当中，最重要的三个人的名言：
 
第一、亚里士多德：“在用很少就可以完成的地方却用了很多是无谓的”。
 
第二、牛顿：“除了那些真实而有效的原因之外，不需要更多的其他原因；自然界不作无效的努力，只要少做一点就成了，多做反而无益；因为自然界喜欢简单化，不爱用什么多余的原因来夸耀自己”。
 
第三、马克思普朗克（量子之父）：“只要物理学存在，其最迫切的目的就是将迄今所观察到的或者将来必然观察到的所有自然现象都归纳到唯一的简单原理之中。所谓唯一的原理必须是能够计算和推测由现在的过程到过去的，特别是将来的过程的原理”。
 
所以，我们可以看到，从古典物理学的代表人物亚里士多德，到经典物理学的牛顿，再到我们现在量子物理学的马克思普朗克，这些走在时代前沿的物理学家，他们一直保持着是同样的一个想法，就是用简单、唯一的定律去解决这个自然界所有的现象。
 
我们接下来不由的又在想，有没有一个简单的、唯一的一个原则能够解释宇宙所有问题，比如物理学、社会学、哲学、人文等各种各样的问题，有没有呢？ 这个其实我想，这也是创新院一直在探究的这么一个原则。为什么想让大家来感受各个领域，尤其是基础学科，它的一些思想，不止是单一的学科的知识，更多的是这个学科的思想性的东西。是不是能找到共同的内核，能够帮助大家来解决各自领域当中的问题，或者是提升大家对这个自然界的认知呢？这是我们希望能够做到的，我相信也是创新院希望能够做到的。
 
二、古典宇宙观
 
古希腊神话
 
古典宇宙观是从神话发展来的疑。为什么神话是开端呢？如下图所示，三幅图中的三种人有各自所处的自然环境，我们可以很有逻辑性的、很直观的想到这三种人对地球、自然、宇宙的认识将是截然不同的。因此，在远古的时候，人们对于世界的认识是极为受到他所处的环境的局限的。他们各自看到的世界是不一样的。那么，他们对这个世界的解释，可能就会有不同了。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
但是，他们也会有一些相同的地方，比如说天圆地方，因为他们看到的天都是同一片天，看到的地大概是同样的地。根据史料记载，那个时候的人们对世界的认识如下图所示。顶上是一层天，然后有一个大壳保护着人类，底下则是地府，然后我们人类生活在中间层。
 
 
 
而如下图所示的解释更有意思，他们认为地球是由一群大象托着的，并且大象是踩在了龟背上面。有时候会地震，可能是因为大龟在动。因为在那个时候，人们觉得只有大象才托得起地球这么重的物体。
 
所以，奥地利的哲学家Edgar Zilsel说，“人类似乎非常想以人类社会的形式去解释自然。”这个就是我们过去神话的起源，我们用我们自己平时生活的样子、用我们能看到东西的样子来解释我们这个世界。因此，虽然中外有不同的神话，但基本上都是人，比如东方的玉皇大帝、王母娘娘、弥勒佛和西方的宙斯、阿波罗的容貌都是人形。
 
我们用古希腊的神话来举几个例子，他们会把自然现象想成拟人化的神在做什么事情。比如，狂风暴雨是由于宙斯消化不良；庄稼收成不好是由于天神发怒了；地震是由于海神波塞冬在用三叉戟敲击地面。
 
这些神在他们看来就是人，但是区别在哪儿呢？区别在于神有高超的法力和支配自然的能力，以及很长的寿命。实质上，这些正是那时候的人们想要具有的能力。所以，人们都是用自己想象的、合乎自己逻辑的，以及自己看到的东西来塑造自己想象中的神界。
 
那么同样，我们可以看到接下来在古典物理学发展的过程当中，其道理也是一样的。这里包括两部分，一部分是人们看不到的世界，它取决于人类自己的想象；另一部分是人们能看到的世界，人们用，自己当时能够理解的逻辑去解释能看到的这些东西。然后。又把这些能看到的东西外推，推广到了解释看不到的现象当中。所以，这两点相结合，就形成了古代神话向古典物理学的转化。
 
古希腊自然哲学先驱：泰勒斯
 
发展到后面，希腊神话这个体系越来越丰满，编了各种各样的故事，但是有时这些故事会有相互矛盾的地方，或者越解释越复杂，于是就有人提出来不满意了。这个人是谁呢？非常厉害，他是古希腊自然哲学先驱--泰勒斯（约公元前624~公元前546年）。你很难想像生活在那么早的年代的人们竟然能够有这么准确、这么深邃的思想，泰勒斯就是其中一个，他出生于爱奥尼亚的米利都城，是希腊最早的哲学学派-米利都学派的创始人。泰勒斯是西方思想上第一个有名字留下来的思想家，被称为科学和哲学之祖。
 
那泰勒斯最大的贡献是什么呢？他带领人们从神话往理性思维走了第一步，或者说爬了第一步。
 
 
 
在哲学方面，泰勒斯拒绝通过使用合乎超自然或神话来解释世界。这可能是因为，当时神话的解释编的越来越多，导致神话体系越来越大，以至于产生了一些问题，比如自相矛盾之类。他试图借助经验考察和理性思维来解释世界，他是古希腊第一个提出了什么是万物本原这个哲学问题的人。泰勒斯认为地震不是波塞冬造成的，他认为地震是因为如下图所示的地球漂在海上。对泰勒斯而言，这是很容易联系想到的，因为米利都就位于地中海旁边，他经常看到船在海上漂，其实这就是他自己生活当中观察到的现象，泰勒斯再将其外推到看不见的宇宙。
 
接下来，泰勒斯把几何学和他的哲学思想观念相结合，认为这个世界应该用几何学来解释，而不应该用神话来阐明。于是，泰勒斯之后的研究者，开始提出提出宇宙起源和世界构成，不是来源于神创造的，而是由物质组成的主张。这时，西方文明开始脱离了神话时期，进入到理性思维的时代。
 
古典自然哲学之集大成者：亚里士多德
 
进入到理性思维的时代，出现了一位真正的大家--亚里士多德（公元前384年-公元前322年），他是古典自然哲学的集大成者。他吸收了泰勒斯、柏拉图等人的思想，形成了一个相对完整的世界观。亚里士多德的思想影响了西方世界大概2000多年，跟我们的孔子是一个量级的。
 
 
 
亚里士多德认为地球位于宇宙的中心，周围包裹的是一层一层的球壳，而最外层是神的位置。亚里士多德多次批评前人把神话带到了探究知识的领域，他很喜欢泰勒斯不用这种超自然和神话解释自然的理论。亚里士多德认为把神话带进认知领域，无益于我们的知识获得。但是，奇怪的是，在亚里士多德的理论体系中，还保留了一些习以为常的神话相关的要素。进而，我们可以看到，就连当时最有智慧的人，也很难去区分我们生活观念当中哪些是从以前的旧思想、习以为常得来的，哪些是来源于真实经验获得。所以，从这些课的学习当中，是不是会看到我们现在生活工作当中会不会有类似的东西，你明明觉得这个事情“就是这样的”，但是实际上它并不是一个真实的经验获得的。
 
亚里士多德的宇宙观是：第一，地球位于宇宙的中心，并且地球是静止的球体，无公转也无自转。当然那时候，他们也没有公转、自转的说法。地球位于中心切静止的观点完全是从以前的思想得来的，但这和他的经验不违背。想一下我们小时候在外面乘凉看天上的星星，我们会觉得地球在动吗？当然不会。
 
第二，月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星绕着地球转。为什么只有这些行星，是因为因为当时没有那么多行星，就这么几颗吗？这其实是由于当时我们完全依靠肉眼观察，我们看不到这么多行星，晚上就只能看见这几颗行星。
 
第三，月亮跟地球之间叫月下区域，它指的是人间，是人类活动的区域。这个区域里面有什么呢？有万物。但是万物是由四种元素构成的（万物本源）：土、水、气、火。因此，月下区域有四种基本元素：
 
? ? ? 土（earth）? ? 水（water）
 
? ? ? 气（air）? ? ? ? 火（fire）
 
 
 
而在超月区域有一种基本元素：以太（ether）。
 
并且，每种基本元素有其本质和运动趋势：
 
（1）土本性向着宇宙中心运动
 
（2）水元素本性向着宇宙中心运动，但趋势不如土元素
 
（3）气元素本性向着水以上、火以下的地带
 
（4）火元素本性远离宇宙中心
 
（5）以太本性是正圆运动
 
（6）天堂是完美的，所以是完美的正圆运行轨迹
 
（7）自然界厌恶真空
 
比如，为什么拿一个球一松手就会掉到地上，而水烧开了后水汽会往上跑。同时，正在移动的物体将自然地趋于静止，而静止的物体将维持静止。比如，人推车，人一松手车为什么就停下来了。这些都非常的贴近生活。
 
最后，所有的变化都可归为自然的或暴力的。自然变化的诱因指的是物体固有的性质或构成；暴力变化指的是指物体的变化违背了其本性，这其实暴力变化的一个原因是作用力。比如，土为什么能停止往下落，就是因为我给了它一个作用力不让它落，但实际上它的本性是往下落。
 
总的来说，现在我们看亚里士多德的这些思想里面，其实有很大一部分是哲学性和概念性的事实。这和经验性事实是不一样的，它们并没有经过证明。
 
那这个时候我们看到的古典物理学等于什么呢？观察+思辨，这是非常准确的一个总结。这时的自然科学知识，基本上是属于对现象的描述。亚里士多德实质上是目的论的思想。即依据目标、目的或功能做出诠释。
 
那在这个基础上，自然科学家的工作是什么？分门别类各种物体，认识其目的和本质天性。你不需要找规律，规律就是：不同的元素各有其特性。你找到某一物品自然的位置，就能够找到它的自然属性，你不需要有任何其它的创造性的东西。
 
亚里士多德的这个思想流传盛广，但当时他这些思想，并不能给当时的生产力和社会发展带来太多的支撑作用、推进作用。这是因为他只是对这些东西进行解释，帮助大家去理解某些东西，并没有任何创新，没有预测这种功能。
 
地心说：托勒密
 
 
 
接下来要说的这个人叫托勒密（公元100年-公元170年左右），地心说的提出者。大家看下面这张照片，可以清楚的看到当时托勒密去做观察，他用肉眼去看星星的移动，拿着一个很粗糙的工具--尺子，去大概衡量星星的位置。这个就注定了当时观察的水平是很有限的，精度很差。
 
但是托勒密在亚里士多德思想的指导下，对当时的天文学有很大的推动作用。为什么呢？因为他当时发现亚里士多德的理论，已经不符合一些新的观察结果了。比如，火星的逆行和水星的逆行、水星和金星从不远离太阳、火星、木星、土星最明亮的时候和其逆行密切相关，逆行同一时段最亮。怎么解释？根据亚里士多德的理论体系，正圆匀速运动解释不了呀，现在大家能想到怎么解释吗？如果我没有学这个的话，我也很难想像当时的人， 2000多年前的这些人，怎么就能够把这些东西用当时极少的数学工具解决的。那当时他们是怎么想的呢？
 
 
 
你不是正圆吗？我不设置一个正圆，我多添加一个正圆，这就是一个运动叠加的过程。我们可以从下面这幅图感受一下。比如，岸边有一个人在驻足观看，而船在行驶过程中，如果船的桅杆上的水手的望远镜掉下来了，在船上的水手看到的正好掉了桅杆下面。但是岸上这个人看到的，却不是望远镜直接掉下来了，而是抛物线下降。为什么呢？因为船本身有一个速度，叠加上它垂直下降的速度就形成了一个抛物线。现在我们知道应该这么来解释，但是当时的人们不知道，他们仍然能
 
够用这种思想来圆环套圆环就很了不起了。
 
 
 
可以从下图看一看这是怎样的过程。左边蓝色的小环和大环分别是本轮和偏轮，红色圆环则是两个正圆等速运动的叠加。根据本轮和偏轮两个圆环直径大小的不同和转的速度不同，会形成不同的轨迹，可以是简单、稀疏的轨迹，还可以是复杂、密集的轨迹。甚至我还可以在圆环上面再套圆环，本轮上再加本轮。所以，当时人们把地球放在离圆心偏一点点的位置，使用圆环叠加圆环，竟然比较符合当时粗糙的观察结果。
 
 
 
这样一来，这个模型大家就相信了。为什么会相信？因为这与我看到的东西是一致的，能解释。下图是一个托勒密模型的图，地球在宇宙的中心，所有运动轨迹全是正圆，并且全部都是等速运动，月亮和太阳均围着地球转。托勒密体系在历史上首次提供了解释并预测天文观测的能力。
 
日心说：哥白尼
 
随着地理大发现的推进，天文学出现了巨大的变革--日心说，它的的提出者是哥白尼（1473年～1543年）。他的核心思想是：地球只保持了静止，但实际上并不处于宇宙中心。行星并不是围绕地球做匀速正圆运行。
 
 
 
因为当时，受新柏拉图主义的哲学思想影响，哥白尼认为太阳代表了最大的良，太阳带给了我们光和热，因此太阳应该是核心，所以就有了日心说。日心说让太阳跑到了中心这是哥白尼的伟大贡献，这种思想，给人们一个很大的启发。但是，哥白尼的模型保留了正圆运动，也就必须使用本轮-均轮体系，且并不比托勒密的模型更简单。
 
天文观测先驱：第谷
 
物理学中另外一位重要的人叫第谷（1546年-1601年），他在日心说的完善的过程中，是跟哥白尼能够放在同样重要位置的一个人。但第谷其实是一个地心说的忠实拥护者，他的主要工作是观测。有人说他是有史以来，一直到今天，最好的肉眼天文观测者。在当时皇帝的资助下，第谷修建了当时最好的天文地，他能够把这个观测数据精度提高到三十分之一度。
 
 
 
这些极为精确的数据，相较于之前天文学粗糙的数据来说，给后期日心说的发展提供了最坚实的基础。实验和数据精度的进步，会给整个的科学带来极大的推动。第谷也提出了一个简单的理论体系，地球还是位于宇宙的中心，太阳和月亮围着地球转，其它所有的行星都围着太阳转，这其实是一个折衷。
 
天文发现的更新者：伽利略
 
我们再来看另外一个人，这是从古典物理学到经典物理学的承上启下的一个人--伽利略（1564年-1642年），他在很多领域都有巨大的贡献。而他在天文学的发展中的主要贡献则是--望远镜。以前都是靠用肉眼观察宇宙，他则在别人的基础上不断的改进，把光学望远镜做到了理论上最大的倍数，并且他用这个望远镜自己亲自做实验，去观察宇宙。伽利略看到了一些更新的天文现象，这些现象直接促使了后面日心说的成功。这些现象包括什么呢？第一是月亮表面的形貌。请大家注意伽利略使用的是当年粗糙的望远镜。下图并不能通过伽利略的望远镜直接观测到，而是他要结合自己的思考、不断的调整位置。而且伽利略能看到的这些东西，当时是远远超过他之前的想象的。比如，月亮上为什么会有山和阴影。所以，这也体现出伽利略的伟大。
 
 
 
第二是木星的卫星。伽利略看到有几个卫星在围绕着木星在转，而不绕着宇宙中心转。
 
第三是土星环。伽利略能隐约看到有这么一条带-土星环。
 
第四是金星的相位。伽利略也看到正如月球会经历相位的变化，金星被阳光照射了的可见半球也会出现盈亏现象。
 
第五是太阳黑子。伽利略还看到太阳上有一些耀斑--太阳黑子。
 
 
 
这些现象一经推出，使当时的整个社会产生了动荡，因为直击当时人内心的核心的想法。地球不完美了，天上的行星和地球是差不多的。
 
行星运转定律：开普勒
 
 
 
开普勒（1571年～1630年），又是一位物理学的集大成者，他是第谷的助手，但非常幸运，他不是一个坚定的地心说拥护者，所以他后期能够比较从容的接受了日心说。而且第谷去世之后，开普勒拿到了第谷最权威、在之后几百年都是最好的天文观测资料。他据此提出了开普勒定律，但这个定律的提出也不是一蹴而就的，他经过了不断反复的验证。第谷实验观测的数据和当时的理论不符合，怎么办？开普勒百分之百确信第谷的观测数据是正确的，因此他对现有的模型进行修正。开普勒不断的调整偏心点的位置、圆的半径，但都还是不符合。最后，他没办法只得将运行轨迹和运行速度由正圆匀速变为椭圆变速，结果完美吻合了第谷的观测数据。
 
那我们看一看开普勒的三条定律。第一，每个行星都在一个椭圆轨道上运动，太阳处于这个椭圆两个焦点之一；第二，连接太阳和行星的矢径在相等时间内扫过相等面积；第三，任何两个行星运转一周的时间平方之比等于它们与太阳平均距离的立方之比。
 
这三条定律都很简单，每个行星都只有一条轨道，不需要圆环套圆环太麻烦了。这个时候开始，人们终于摆脱了之前的古典宇宙观，开始走到了下一步经典物理时代。
 
三、小结
 
那我们在结束古典宇宙观之前呢，我们总结一下古典宇宙观的核心。
 
首先是神创造了世界，然后发展到地球是宇宙的中心、地球保持静止、超月区域是完美的，属于神、宇宙的运行是有目的的、组成世界的元素各有其本质。这其实就是一个世外桃源的形象。一个山清水秀的地球，有很多行星围绕着它转，而在外面有天界在周围保护我们，这是多么一个小而舒适的地方。在这里面地球是特殊的，人类也是特殊的。因此，所有的东西都能够得到很好的解释，都有其自然目的。
 
古典宇宙观最重要的一点是不再简单地解释成神律，而是要进一步探究“律”是什么。并且古典宇宙观会告诉你这个律是什么，并不一定要超自然，这些律都是你在平时生活中能够观测到的东西。因此，古典宇宙观等于观察+思辨，观察是很粗糙的观察，思辨也是没有办法抛弃以前神话残留的思辨。但是，古典宇宙观非常的重要，它是这么一个阶段：它把人们第一次从神话这个阶段带到了理性思维的这个阶段。
 
思辨是物理学当中不可或缺的，但是这种思辨如果没有一个可靠的观测结果来支撑的话，那尤其你还加入了很多哲学性的、概念性的东西，这些并不是来自于经验的。而且你又不能够很好把这些东西抽象出来的时候，你会发现你得到的东西往往是错的。
 
刚才我们看到最早托勒密就靠一个有刻度的尺测度宇宙。这些精度大大限制了当时自然科学的发展，也限制了这种思辨的正确性和它的可靠性。而从伽利略开始，实验终于走到了一个主要的位置上，或者说它应该有的位置上。并且，新现象的发现推动了古典宇宙观的崩塌。如果地球不再是宇宙的中心，那土元素还怎么往宇宙中心去下落呢？那么，土元素的自然属性就要完全变化了。此时，再加上当时人们对宗教和社会等级的不满。这时，就从思想上特别需要有新的理论、新的思想来指导，同样在科学上也急需新的科学来填补真空。
 
这样，科学、思想、社会政治等等这些方面结合到一起，就给人类社会的变革带来了一个巨大的推动力，将其推到了一个非常繁荣的时代，也就是我们所说的经典物理时代。
 
 

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