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    牛頓(Isaac Newton)

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    引言

    物理學最重要的物理量“力”的單位是牛頓,足見牛頓對物理界的貢獻之大。但牛頓對科學的貢獻,遠遠超出你的想象……

    牛頓

    牛頓是提出了二項式定理和無限理論,在此基礎上創建了近代數學。

    牛頓是微積分的創始人之一。另一位創始人是德國的萊布尼茲。微積分的基礎牛頓-萊布尼茲公式便由此而來。

    牛頓探究了力的本性,并在此基礎上創立了力學。

    牛頓總結出了牛頓運動三大定律。

    牛頓闡明了動量角動量守恒原理。

    牛頓發明了反射式望遠鏡,奠定了現代大型光學天文望遠鏡的基礎。

    牛頓發現了萬有引力定律。

    牛頓實驗了光的色散,證明普通的光是由七色組成的。

    牛頓測定了不同顏色的光的折射率。

    牛頓創立了天文學。

    牛頓留下了50多萬字的煉金術手稿和100多萬字的神學手稿。

    牛頓簡介

    伊薩克·牛頓(Isaac Newton)1643年1月4日出生在英國,是世界近代科學技術史上偉大的物理學家、天文學家和數學家。

    牛頓

    牛頓先生在物理學界的地位迄今無人能夠比肩。在2005年,英國皇家學會進行了一場“誰是科學史上最有影響力的人”的民意調查,牛頓被認為比阿爾伯特·愛因斯坦更具影響力。

    伊薩克·牛頓在1687年7月5日發表的不朽著作《自然哲學的數學原理》里用數學方法闡明了宇宙中最基本的法則:萬有引力定律和三大運動定律。這四條定律構成了一個統一的物理體系,被認為是“人類智慧史上最偉大的一個成就”。

    除了牛頓三大運動定律外,牛頓還闡明了動量角動量守恒之原理。

    在光學上,他發明了反射式望遠鏡。牛頓讓一束太陽光通過三棱鏡,結果陽光被分解成了赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色。這是一個重大發現,它證明普通的光是由七色組成的。牛頓還用一個凸透鏡把七色光合成了白光,更加證實了這一點。牛頓還進一步測定了不同顏色的光的折射率,從而發現了不同色光的折射角度,是按著赤、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序加大,物質的色彩是由不同顏色的光在不同物體上有不同的折射率造成的。

    他由于發現了萬有引力定律創立了天文學。牛頓立即把上述光學的發現用到制造望遠鏡上,一舉制成了不帶顏色的折射望遠鏡,奠定了現代大型光學天文望遠鏡的基礎。

    他還系統地表述了冷卻定律,并研究了音速。

    在數學上牛頓在數學界造詣極深,著有《二項式定理》和《微積分》。牛頓還和萊布尼茨各自獨立地發明了微積分。牛頓與戈特弗里德·萊布尼茨分享了發展出微積分學的榮譽,包括著名的牛頓·萊布尼茲公式。他還證明了廣義二項式定理,提出了“牛頓法”以趨近函數的零點,并為冪級數的研究作出了貢獻。微分的發展為經典力學注入了蒸蒸日盛的生命力,是研究現代經典力學的主要數學工具。

    牛頓與萬有引力定律

    牛頓在開普勒行星三大運動定律的基礎上提出了注明的萬有引力定律。

     

    牛頓的普適萬有引力定律表示如下:任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。

    牛頓的萬有引力定律在人類歷史上第一次把天上的運動和地上的運動統一起來,為日心說提供了有力的理論支持,使得自然科學的研究最終掙脫了宗教的枷鎖。

    牛頓與牛頓運動定律

    物理學的重要枝干經典力學就是以牛頓運動定律為基礎,如下的牛頓運動定律:

    (1)牛頓第一定律:如果物體處于靜止狀態,或呈勻速直線運動狀態,只要沒外力作用,物體將保持靜止狀態,或呈等速直線運動之狀態。牛頓第一定律又稱為慣性定律。

    (2)牛頓第二定律:物體的加速度,與所受的合外力成正比。加速度的方向與合外力的方向相同。即F合=ma;其中,a是加速度,F合是合外力,m是質量。

    (3)牛頓第三定律:兩個物體的相互作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上,同時出現或消失。

    牛頓的經典力學與其他物理學枝干

    經典力學推翻了絕對空間的概念:即在不同空間發生的事件是絕然不同的。例如,靜掛在移動的火車車廂內的時鐘,對于站在車廂外的觀察者來說是呈移動狀態的。但是,經典力學仍然確認時間是絕對不變的,這也為愛因斯坦的“聰明絕世”打下了伏筆。

    牛頓(Newton)

    由伽利略和牛頓等人發展出來的力學,著重于分析位移、速度、加速度、力等等矢量間的關系,又稱為矢量力學。它是工程和日常生活中最常用的表述方式,但并不是唯一的表述方式:約瑟夫·拉格朗日、威廉·哈密頓、卡爾·雅可比等發展了經典力學的新的表述形式,即所謂分析力學。分析力學所建立的框架是近代物理(英語:modern physics)的基礎,如量子場論、廣義相對論、量子引力等。

    微分幾何的發展為經典力學注入了蒸蒸日盛的生命力,是研究現代經典力學的主要數學工具。在日常經驗范圍中,采用經典力學可以計算出精確的結果。但是,在接近光速的高速度或強大重力場的系統中,經典力學已被相對論力學取代;在小距離尺度系統中又被量子力學取代;在同時具有上述兩種特性的系統中則被相對論性量子場論取代。雖然如此,經典力學仍舊是非常有用的;它比上述理論便于理解且易于應用。

    經典力學在大部分場合都非常準確。經典力學可用于描述人體尺寸物體的運動(例如陀螺和棒球),許多天體(如行星和星系)的運動,以及一些微尺度物體(如有機分子)。雖然經典力學和其他“經典”理論(如經典電磁學和熱力學)大致相容,在十九世紀末,還是發現出有些只有現代物理才能解釋的不一致性。特別是,經典非相對論電動力學預言光波傳播于以太內的速度是常數,經典力學無法解釋這預測,因而導致了狹義相對論的發展。這些問題在王尚物理博客中都有總結。經典力學和經典熱力學的結合又導出吉布斯佯謬(熵不具有良好定義)和紫外災難(在頻率趨向于無窮大時,黑體輻射的理論結果和實驗數據無法吻合)。為解決這些問題的努力造成了量子力學的發展。

    少年牛頓

    1643年1月4日,在英格蘭林肯郡小鎮沃爾索浦的一個自耕農家庭里,牛頓誕生了。牛頓是一個早產兒,出生時只有三磅重,接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位名垂千古的科學巨人,并且竟活到了84歲的高齡。

    牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時,母親改嫁給一個牧師,把牛頓留在外祖母身邊撫養。11歲時,母親的后夫去世,母親帶著和后爸所生的一子二女回到牛頓身邊。牛頓自幼沉默寡言、性格倔強,這種習性可能來自他的家庭處境。

    大約從五歲開始,牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓并不是神童,他資質平常、成績一般,但他喜歡讀書,喜歡看一些介紹各種簡單機械模型制作方法的讀物,并從中受到啟發,自己動手制作些奇奇怪怪的小玩意,如風車、木鐘、折疊式提燈等等。

    傳說小牛頓把風車的機械原理摸透后,自己制造了一架磨坊的模型,他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上,然后在輪子的前面放上一粒玉米,剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米,就不斷的跑動,于是輪子不停的轉動;又一次他放風箏時,在繩子上懸掛著小燈,夜間村人看去驚疑是彗星出現;他還制造了一個小水鐘。每天早晨,小水鐘會自動滴水到他的臉上,催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻,尤其喜歡刻日晷,家里墻角、窗臺上到處安放著他刻畫的日晷,用以驗看日影的移動。

    牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為一個農民,但牛頓本人卻無意于此,而酷愛讀書。隨著年歲的增大,牛頓越發愛好讀書,喜歡沉思,做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時,曾經寄宿在一位藥劑師家里,使他受到了化學試驗的熏陶。

    牛頓在中學時代學習成績并不出眾,只是愛好讀書,對自然現象有好奇心,例如顏色、日影四季的移動,尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記,又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發明、小試驗。

    當時英國社會滲透基督教新思想,牛頓家里有兩位都以神父為職業的親戚,這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環境和活動中,還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異于常人的兒童。

    后來迫于生活,母親讓牛頓停學在家務農,贍養家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷,以至經常忘了干活。每次,母親叫他同傭人一道上市場,熟悉做交易的生意經時,他便懇求傭人一個人上街,自己則躲在樹叢后看書。有一次,牛頓的舅父起了疑心,就跟蹤牛頓上市鎮去,發現他的外甥伸著腿,躺在草地上,正在聚精會神地鉆研一個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父,于是舅父勸服了母親讓牛頓復學,并鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校,如饑似渴地汲取著書本上的營養。

    牛頓的求學生涯

    1661年,19歲的牛頓以減費生的身份進入劍橋大學三一學院,靠為學院做雜務的收入支付學費,1664年成為獎學金獲得者,1665年獲學士學位。

    17世紀中葉,劍橋大學的教育制度還滲透著濃厚的中世紀經院哲學的氣味,當牛頓進入劍橋時,那里還在傳授一些經院式課程,如邏輯、古文、語法、古代史、神學等等。兩年后三一學院出現了新氣象,盧卡斯創設了一個獨辟蹊徑的講座,規定講授自然科學知識,如地理、物理、天文和數學課程。

    講座的第一任教授伊薩克·巴羅是個博學的科學家。這位學者獨具慧眼,看出了牛頓具有深邃的觀察力、敏銳的理解力。于是將自己的數學知識,包括計算曲線圖形面積的方法,全部傳授給牛頓,并把牛頓引向了近代自然科學的研究領域。

    在這段學習過程中,牛頓掌握了算術、三角,讀了開普勒的《光學》,笛卡爾的《幾何學》和《哲學原理》,伽利略的《兩大世界體系的對話》,胡克的《顯微圖集》,還有皇家學會的歷史和早期的哲學學報等。

    牛頓在巴羅門下的這段時間,是他學習的關鍵時期。巴羅比牛頓大12歲,精于數學和光學,他對牛頓的才華極為贊賞,認為牛頓的數學才華超過自己。后來,牛頓在回憶時說道:“巴羅博士當時講授關于運動學的課程,也許正是這些課程促使我去研究這方面的問題。”

    當時,牛頓在數學上很大程度是依靠自學。他學習了歐幾里得的《幾何原本》、笛卡爾的《幾何學》、沃利斯的《無窮算術》、巴羅的《數學講義》及韋達等許多數學家的著作。其中,對牛頓具有決定性影響的要數笛卡兒的《幾何學》和沃利斯的《無窮算術》,它們將牛頓迅速引導到當時數學最前沿:解析幾何與微積分。1664年,牛頓被選為巴羅的助手,第二年,劍橋大學評議會通過了授予牛頓大學學士學位的決定。

    1665~1666年嚴重的鼠疫席卷了倫敦,劍橋離倫敦不遠,為恐波及,學校因此而停課,牛頓于1665年6月離校返鄉。

    由于牛頓在劍橋受到數學和自然科學的熏陶和培養,對探索自然現象產生濃厚的興趣,家鄉安靜的環境又使得他的思想展翅飛翔。1665~1666年這段短暫的時光成為牛頓科學生涯中的黃金歲月,他在自然科學領域內思潮奔騰,才華迸發,思考前人從未思考過的問題,踏進了前人沒有涉及的領域,創建了前所未有的驚人業績。

    1665年初,牛頓創立級數近似法,以及把任意冪的二項式化為一個級數的規則;同年11月,創立正流數法(微分);次年1月,用三棱鏡研究顏色理論;5月,開始研究反流數法(積分)。這一年內,牛頓開始想到研究重力問題,并想把重力理論推廣到月球的運動軌道上去。他還從開普勒定律中推導出使行星保持在它們的軌道上的力必定與它們到旋轉中心的距離平方成反比。牛頓見蘋果落地而悟出地球引力的傳說,說的也是此時發生的軼事。

    總之,在家鄉居住的兩年中,牛頓以比此后任何時候更為旺盛的精力從事科學創造,并關心自然哲學問題。他的三大成就:微積分、萬有引力、光學分析的思想都是在這時孕育成形的。可以說此時的牛頓已經開始著手描繪他一生大多數科學創造的藍圖。文中大部分資料源于高中物理網(www.q6113.com),特此說明。

    1667年復活節后不久,牛頓返回到劍橋大學,10月1日被選為三一學院的仲院侶(初級院委),翌年3月16日獲得碩士學位,同時成為正院侶(高級院委)。1669年10月27日,巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職,26歲的牛頓晉升為數學教授,并擔任盧卡斯講座的教授。巴羅為牛頓的科學生涯打通了道路,如果沒有牛頓的舅父和巴羅的幫助,牛頓這匹千里馬可能就不會馳騁在科學的大道上。巴羅讓賢,這在科學史上一直被傳為佳話

    牛頓的晚年癡迷于神學

    晚年的牛頓在倫敦過著堂皇的生活,1705年他被安妮女王封為貴族。此時的牛頓非常富有,被普遍認為是生存著的最偉大的科學家。他擔任英國皇家學會會長,在他任職的二十四年時間里,他以鐵拳統治著學會。沒有他的同意,任何人都不能被選舉。

    牛頓(Newton)

    晚年的牛頓開始致力于對神學的研究,他否定哲學的指導作用,虔誠地相信上帝,埋頭于寫以神學為題材的著作。當他遇到難以解釋的天體運動時,竟提出了“神的第一推動力”的謬論。他說“上帝統治萬物,我們是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。

    1727年3月20日,偉大艾薩克·牛頓逝世。同其他很多杰出的英國人一樣,他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著:讓人們歡呼這樣一位多么偉大的人類榮耀曾經在世界上存在。

    牛頓大事件時間表

    1642年 8月,英國內戰爆發,戰爭持續到1649年。
    1643年 1月4日,伊薩克·牛頓出生于英國烏爾斯索普,母親是漢納·牛頓。他的父親3個月前就去世了。
    1655年 牛頓12歲,開始上格蘭瑟姆文法學校。
    1661年 6月牛頓18歲,進入劍橋大學。
    1664年 春天,牛頓21歲,開始進行光的實驗。
    1665年 牛頓拿到文學士學位,并開始發展他自己的高等數學。
    倫敦流行大鼠疫,并擴散到其他城市。牛頓離開劍橋,回到伍爾斯索普。
    1666年 牛頓在引力定律方面取得了重大突破。
    1667年 3月,牛頓返回劍橋大學。6個月內,他被推選為三一學院的研究員。
    1669年 7月,牛頓的作品《分析論》開始發行。
    10月,牛頓被任命為劍橋大學盧卡西講座的數學教授,年僅26歲,是擔任該職位的最年輕的人
    1670—1671年 牛頓研制出他的反射望遠鏡。
    1672年 牛頓應邀參加皇家學會,這是一個由資深科學家組成的團體。
    2月,牛頓向學會遞交了他的入會后的第一篇論文。
    1679年 6月,牛頓的母親去世。
    1684年 牛頓開始撰寫他的《自然哲學的數學原理》,該書通稱為《原理》。
    1686年 4月28日,《原理》一書的摘要在皇家學會宣讀。該書被視為科學界的經典作品。
    1689年 牛頓被推選為劍橋大學代表,參加英國“國會會議”。
    1693—1696年 牛頓患了一種奇怪的病。
    1696年 3月,牛頓病體康復,接受皇家造幣廠的監造員一職。
    1699年 12月,47歲的牛頓被任命為皇家造幣廠廠長
    1701年 牛頓被選為代表劍橋大學的英國下議院議員。
    1703年 11月30日,牛頓被選為皇家學會主席。
    1704年 牛頓有關光的研究的著作《光學》出版。
    1705年 牛頓被安妮女王封為爵士。他是第一位獲此殊榮的科學家
    1727年 3月30日,牛頓爵士逝世,享年84歲。

    愛因斯坦對牛頓的評價

    頂尖的物理學家對同行的評價最具有權威性,我們來看看愛因斯坦是如何評價牛頓的吧。

    1942年愛因斯坦為紀念牛頓誕生300周年而寫的文章,對牛頓的一生作如下的評價“只有把他的一生看作為永恒真理而斗爭的舞臺上一幕才能理解他”。對牛頓的評價,此贊語最恰當不過的了。

    愛因斯坦指出:“牛頓是第一個成功地找到了一個用公式清楚表述物理學問的,他用數學的思維,邏輯地、定量地演繹出范圍很廣的現象,并且同經驗相符合。”“在牛頓之前還沒有什么實際的結果支持那種認為物理因果關系有完整鏈條的信念。”

    本文作者:王尚。原創首發于2012年07月21日。
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