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第6章 牛顿

牛顿(1642-1727年),是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家,生于林肯郡。提出了万有引力定律以及牛顿运动定律,被誉为人类历史上最伟大的科学家之一。

一、牛顿的生平

1642年12月25日,在英格兰林肯郡小镇沃尔索浦的一个自耕农家庭里,牛顿诞生了。牛顿从小命运坎坷,他是一个早产儿,出生时只有3磅重,接生婆和他的亲人都担心他能否活下来。牛顿还是一个遗腹子,他出生前三个月父亲便去世了。在他两岁时,母亲改嫁给一个牧师,把牛顿留在外祖母身边抚养。大约从5岁开始,牛顿被送到公立学校读书。童年时代的牛顿并不是神童,他资质平常,成绩一般,但他喜欢读书,喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物,并从中受到启发,自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意,如风车、木钟、折叠式提灯等等。

1656年,牛顿11岁时,继父去世,母亲带着和继父所生的一子二女回到牛顿身边。

牛顿12岁时进了离家不远的格兰瑟姆中学。他在格兰瑟姆中学读书时,曾经寄宿在一位药剂师家里,使他受到了化学试验的熏陶。这时,母亲让他辍学,希望他能成为一位农民,但牛顿本人却酷爱读书。

1661年,19岁的牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,靠为学院做杂务的收入支付学费。1664年,牛顿被选为巴罗的助手,还成为奖学金获得者,1665年获学士学位。进入剑桥大学后,牛顿迅速地掌握了当时的科学和数学知识,很快就开始进行独立的研究工作。在这段学习过程中,牛顿掌握了算术、三角,读了开普勒的《光学》,笛卡儿的《几何学》和《哲学原理》,伽利略的《两大世界体系的对话》,胡克的《显微图集》,还有皇家学会的历史和早期的哲学学报等。

1665-1666年严重的鼠疫席卷了伦敦,剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校因此而停课,牛顿于1665年6月离校返乡。

1665年初,牛顿创立级数近似法,以及把任意幂的二项式化为一个级数的规则;同年11月,创立正流数法(微分);次年1月,用三棱镜研究颜色理论;5月,开始研究反流数法(积分)。这一年内,牛顿开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球的运动轨道上去。他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比。

1666年,牛顿在家乡躲避瘟疫的时候,曾思考过引力问题。牛顿曾因见到树上的苹果落地而引起深思,引力的概念进入他的脑海。他的结论是,物体都互相吸引,地球上所有物质对苹果的吸引力的合力是向着地心的,因此苹果才向着地心落下。

1668年,牛顿设计并真正制造出了第一台反射望远镜,如今大多数天文台都使用这类望远镜。牛顿29岁时把他的这些发现及其许多其他光学试验结果呈交给英国皇家学会。牛顿公布的第一个发现是有关光的性质的一项突破性的贡献。他经过一系列认真的试验,发现普通光是彩虹所有的不同色光的混合光。他还对光的反射和折射定律的结果做了认真的分析。

1669年,牛顿年仅27岁,就担任了剑桥的数学教授。

1672年,牛顿当选为英国皇家学会会员。

1685—1687年,在天文学家哈雷的鼓励和赞助下,牛顿发表了他的伟大著作《自然哲学的数学原理》(人们通常只称作《原理》),在该书中他提出了万有引力定律和运动定律,并说明如何利用这些定律来准确预测行星绕日的运动。牛顿的这一壮举圆满地解决了动力天文学的主要问题,即准确预测星体和行星的位置和运动。

1703年,牛顿当选为英国皇家学会会长。

1727年3月27日,牛顿这颗巨星陨落了,他安葬在西敏寺大教堂,是被赐予这种荣誉的第一位科学家。

牛顿

二、牛顿的科学成就

牛顿对热力学(对热的研究)和声学(对声的研究)都做出了重大的贡献:1687年出版了科学名著《自然哲学的教学原理》,他用数学解释了哥白尼学说和天体运动的现象。阐明了运动三大定律和万有引力定律等。他提出了“力”、“质量”和“动量”的明确定义,并把它们与伽利略所提出的加速度联系起来。总结了机械运动的基本定律,从而创立了经典力学体系,这是人类对自然的认识的一次飞跃。

牛顿不仅对于力学,在其他方面也有很大贡献。在数学方面,牛顿创立了“牛顿二项式定理”,提出了“流数法”(即现在的微分法),并和莱布尼茨同时创立了微积分学,开辟了数学上的一个新纪元。

在天文学方面,1672年牛顿创制了反射望远镜,观察了行星的运动,解释了潮汐现象,指出潮汐的大小不但同朔望月有关,而且与太阳的引力也有关系;另外,牛顿从理论上推测出地球不是球体,而是两极稍扁、赤道略鼓,并由此说明了岁差现象等。

在物理学上,牛顿基于伽利略、开普勒等人的工作,建立了三条运动基本定律和万有引力定律,并建立了经典力学的理论体系。1666年通过三棱镜对日光的分析,发现了白光是由不同颜色的光构成,成为光谱分析的基础,并制作了牛顿色盘。1675年观察到光的一种干涉图样,称为牛顿环。他创立了光的“微粒说”,在一定程度上反映了光的本性,并于1704年出版了《光学》一书。

牛顿有句名言“如果说我比别人看得远一些的话,那只是因为我站在巨人的肩上”。在临终时,他还留下这样的遗言:“我不知道世人将如何看我,但是,就我自己看来,我好像不过是一个在海滨玩耍的小孩,不时地为找到一个比通常更光滑的卵石或更好看的贝壳而感到高兴,但是,有待探索的真理的海洋正展现在我的面前。”

牛顿对人类的贡献是巨大的,正如恩格斯所说:“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学;由于进行了光的分解,而创立了科学的光学;由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学;由于认识了力的本质,而创立了科学的力学。”

人们为了纪念牛顿,特地用他的名字来命名力的单位,简称“牛”。国际天文学联合会更是把662号小行星命名为牛顿小行星。

牛顿第一定律指物体具有保持原来运动状态的性质,也被称为惯性定理:在不受外力或所受外力为零的状态下,物体总保持匀速运动或静止。

牛顿第二定律:物体的加速度跟所受外力的合力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向与合力的方向相同,写成公式就是F合=ma。

牛顿第三定律:两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反,作用在一条直线上。

1楼昵称:开心果

应该怎样评价牛顿在科学界的重要地位呢?

2楼昵称:妞妞

我们翻阅一部科学百科全书的索引,就会看到提到牛顿及其定律和发现的条目比任何其他一个科学家都要多(也许多二到三倍)。

3楼昵称:豆豆

与牛顿进行过唇枪齿剑之争的莱布尼兹,这样写道:“有史以来,到牛顿所处的时代,他在数学领域所做的工作占了整个的绝大部分。”

4楼昵称:草根

伟大的德国科学家拉普拉斯写道:“《原理》一书比任何其他天才的作品都出类拔萃。”拉格朗日也常说牛顿是曾经出现过的最伟大的天才。

5楼昵称:冷风吹儿

厄恩斯特·马赫在1901年写道:“自从牛顿时代以来,所取得的一切成就都是牛顿力学在演绎上、形式上和数学上的进展。”这也许说出了牛顿的伟大成就的关键所在:他发现科学是一门由孤立的事实和定律构成的杂学,它能描述一些现象,但只能预测几种现象,他为我们留下了一个统一的定律体系,这个体系能解释大量的物理现象,能用来做准确的预测。

牛顿每天除抽出少量的时间锻炼身体外,大部分时间是在书房里度过的。一次,在书房中,他一边思考着问题,一边在煮鸡蛋。突然,锅里的水沸腾了,赶忙掀锅一看,“啊!”他惊叫起来,锅里煮的却是一块怀表。原来他考虑问题时竟心不在焉地随手把怀表当做鸡蛋放在锅里了。

还有一次,牛顿邀请一位朋友到他家吃午饭。他研究科学入了迷,把这件事忘掉了。他的佣人照例只准备了牛顿一个人吃的午饭。临近中午,客人应邀而来。客人看见牛顿正在埋头计算问题,桌上、床上摆着稿纸、书籍。看到这种情形,客人没有打搅牛顿,见桌上摆着饭菜,以为是给他准备的,便坐下吃了起来。吃完后就悄悄地走了。当牛顿把题计算完了,走到餐桌旁准备吃午饭时,看见盘子里吃过的鸡骨头,恍然大悟地说:“我以为我没有吃饭呢,原来已经吃了。”

牛顿对科学极度的专心、忘我研究的精神值得我们学习。

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