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第32章 牛顿

科学巨人(1642—1727)

近代最伟大的科学家,成就涉及生数学、光学、力学等多方面。最著名业的是发现了万有引力定律和出版了划胃时代的巨著《自然哲学的数学原理》。

有人说科学家在做任何事都是有板有眼、一丝不苟的,牛顿就有这样的一个例子。有一次朋友知道牛顿喜欢动物,便送他一只波斯猫和一只德国牧羊犬,牛顿相当高兴,为了让这两只动物方便在他的庭院里进出,牛顿便在庭院的围墙上挖了两个洞,而且还一大一小,有人问他说:

“先生,你为什么要挖两个洞呢?”

牛顿正经地说:“为什么要挖两个洞?难道狗走猫洞过得去吗?”

不知该说牛顿太过一板一眼,还是说这样正经的态度促使他在科学的研究有所成就啊。

也因牛顿对科学的认真态度,发生了一个小故事,有次他正在思索一个问题而废寝忘食,连早餐都没办法去吃,他的管家帮他烧了一锅水煮着鸡蛋,牛顿因为不想让人打扰,就叫他的管家把东西放着先离开,他自己会煮,管家跟牛顿说:“先生,鸡蛋只要煮四分钟就可以吃了。”说完,就离开书房了。

过了一小时,管家要去收东西,他发现牛顿的这锅水还是在煮着,不过锅里不是鸡蛋,而是牛顿的怀表,而鸡蛋还搁在牛顿的书桌上。

1642年12月25日是圣诞节,这一天,艾萨克·牛顿在英国乌尔索普一个农民家庭里诞生了,牛顿还没有出世时,父亲就去世了,生活艰难可想而知,3岁那一年,由于生活所迫,母亲改嫁他人。于是,牛顿只好跟随着姥姥过日子。

6岁时,牛顿进学校去读书。在学校里牛顿的成绩并不是很好,经常受到老师和同学们的蔑视,因此他母亲几次劝他退学。幸亏姥姥坚信牛顿是一个头脑聪明的孩子,所以才使得牛顿没有失去学习的机会。

17岁的那一年,牛顿终于以优异的成绩考上了剑桥大学。然而,家里没有钱供他读书,他东凑西借仍然凑不齐学费,没办法他只好向一个贵族乞求资助,那个贵族虽然答应给他资助,可条件是牛顿必须在大学第一年里去他们家做男仆,这个条件有点屈辱,但因为太过贫穷,牛顿只好答应。

1665年毕业后,由于恩师的举荐,牛顿被留在大学研究室。这年6月,一场瘟疫席卷英国,剑桥大学被迫放假,把教师和学生全都打发回家,这其中包括刚刚获得学士学位的牛顿。在林肯郡避瘟疫的一年里,牛顿开始了他最伟大的历程。

17世纪时,科学尚处于幼年阶段。关于物体怎样运动,为什么这样运动,并没有正确的力学理论或概念。科学家几乎不了解光以及它的运动,而像化学和医学这样的学科更多是建立在巫术而非科学的基础上。因此,没有人真正了解为什么行星和月球沿着它们的轨道运行,这一切在1666年夏末的一个傍晚发生了变化。当牛顿夹着一本书走进母亲家的花园里,坐在一棵树下开始思考时,历史上一只最著名的苹果落了下来,正巧打在这位23岁的年轻人头上,正是受这只苹果的启发,牛顿找到了解开这些不可思议的谜题的钥匙——万有引力理论。

也许牛顿应该感谢在家乡避瘟疫的这段日子,他一生中的几项主要贡献:万有引力定律、经典力学、微积分和光学等基本都萌发于1665年至1666年间,历史学家将这充满新发现的一年称为“神奇年”。

1667年,牛顿重返剑桥大学=一学院,在巴罗教授的指导下继续从事数学研究,次年获硕士学位。1669年,26岁的牛顿接替其恩师出任卢卡斯教学讲座教授。此后十年,他的主要研究工作转向光学方面,提出了微粒说,奠定了几何光学的主要基础。与此同时,他又潜心研究化学家波义耳的著作,建立了一种新的物质理论。

1671年,已是英国剑桥大学三一学院数学教授的牛顿,在自己的光学分析理论基础上研制出了他的反射望远镜。而在此之前,全欧洲的天文学家都在用伽利略的折射望远镜来研究月球和太阳系中的其他行星。后来的事实证明,牛顿的望远镜不但与伽利略的完全不同,而且效果更好。牛顿用它给査理二世表演,然后把这架望远镜献给了伦敦的皇家学会。一年后,该学会推选牛顿为其正式会员。

入会后不久,牛顿发表了他的第一篇论文《关于光和色的新理论》。

在这篇论文中,他不仅总结了在光学方面所进行过的实验结果.更为重要的是提出了光的“微粒说”。而当时的英国皇家学会会长胡克则主张“波动说”,胡克认为自己是光学上的权威,他不同意牛顿的理论,坚持自己的观点,甚至于不能接受牛顿所提出的东西,并不惜终生与之不共戴天。显然,这位天才引起了同行的妒忌。

1682年,牛顿在计算月球绕地球运动的周期时,用万有引力将地球上日常可见的重力和天体运动的引力统一起来,纠正了自亚里士多德以来在这个问题上的错误观念。两年后,他又与雷恩、哈雷和胡克研讨行星运动的轨道问题,取得重大突破。在此基础上,牛顿于1687年出版了《自然哲学的数学原理》一书。这部划时代的巨著阐述了物体运动的三大定律,论证了万有引力的存在以及天体运动的规律,从而创立了经典力学体系。此书的问世在社会上引起了轰动,牛顿名声大震,1689年被选为英国国会议员,1703年当选英国皇家学会会长。1704年,牛顿又出版了他的《光学》,详细介绍了他所做的有关光的研究,包括以“牛顿环”而称着于世的光的干涉现象,及光的微粒说等。这是又一次漂亮的反击,而这次他的宿敌几年前已经去世的胡克已经无法再破坏人们对牛顿的赞扬了,世人再次目睹了这位伟人的天赋。

由于健康原因,牛顿在1693年辞去了剑桥大学教授的职位。两年后,他被委以国家币制改革重任。当时英国币制混乱,牛顿运用他的冶金知识铸新币,解决了货币困难,1699年获得广英国造币局局长这一年俸很高的终身职务。1727年3月,这位85岁高龄的老人在出席英国皇家学会例会以后一病不起,3月20日在伦敦溘然长逝。

如果说物理学在伽利略时代还仅像个小孩,那么经过了牛顿的目光,一夕之间,就长大成人了。从那时代起,科学思维发生了根本性的变化,再也不是原来的样子了。他的力学定律被用于科学的所有领域——从设计汽车和船舶到预测宇宙飞船飞往月球的轨道,从制造飞机引擎到制作符合空气动力学原理的滑雪板。他的引力理论,被用来解释行星怎样环绕太阳运行;他的光学理论帮助了科学家和工程师设计出更好的望远镜、显微镜、眼镜和照相机;他在光学中的发现导致了诸如电视机和激光的发明。借助这些理论,后来的物理学家可以把牛顿的思想运用在我们今天所使用的机器和工具之中。

牛顿的贡献

牛顿一生有着众多伟大的贡献。他通过计算得出,1680年的彗星是以太阳为焦点作抛物线运动,它对太阳的向心力也是服从距离平方反比定律的。1695年哈雷假定这颗1680年彗星的轨道是绕着太阳运行的一个扁而长的椭圆形。哈雷与牛顿对此重作计算,终于以科学的方法弄清了彗星的运动规律。

牛顿在《自然科学的数学原理》一书中论述了他在数学上的伟大创造即微积分术,并且应用这个创造去解决天体运动以及其他相关物理问题。

以牛顿命名的力学是经典物理学和天文学的基础,也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。这一成就,使以牛顿为代表的机械论的自然观在整个自然科学领域中取得了长达200年的统治地位。

17世纪,牛顿用引力理论和运动三定律把天上行星和它们的卫星运动规律同地上重力下坠的现象统一起来,实现了天上人间的统一,这是牛顿在自然哲学上的伟大贡献。

但是成功后的牛顿暴露出些缺点。如作为国会议员,牛顿逐渐疏远给他带来巨大成就的科学,不时表示出对以他为代表的领域的厌恶。同时,他把大量的时间花费在了和同则代的著名科学家如胡克、莱布尼兹等进行科学优先权的争论上。在他任英国皇家学会会长的24年时间里,以铁拳统治着学会,没有他的同意,任何人都不能被选举。晚年的牛顿开始致力于对神学的研究,他否定哲学的指导作用,虔诚地相信上帝,埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时,竟提出了“神的第一推动力”的谬论,说“上帝统治万物,我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他。”

牛顿对科学的认真研究,赢得世人对他赞许,而他也是一个真性情的人,毫不做作,针对是非而评判之,虽然得罪了人,却也珍惜老友感情;而且还相当谦虚,不争功诿过,这实在是难得一见的科学家呀。

作为大学教授,牛顿常常忙得不修边幅,往往领带不结,袜带不系好,马裤也不扣,莸走进了大学餐厅。有一次,他:在向一位姑娘求婚时思想又开了小差,他脑海里只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指,错误地把它当成通烟斗的通条,硬往烟斗里塞,痛得姑娘大叫,离他而去。牛顿也因此终生未娶。

牛顿晚年作为造币厂的厂长,被人指责为狡诈刻薄,还有人指责他在国会中过分活跃。但也有人说牛顿在国会中其实很少讲话,只听他大声讲过一句话:把窗帘拉上”。在晚年,牛顿有时也表现出一定的谦虚。