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第36章 近代物理界的国王——英国物理学家牛顿

牛顿(1643—1727),英国物理学家、数学家、天文学家。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述,奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点。

1642年的圣诞节早晨,在英格兰林肯郡的一所石砌农舍里,诞生了一个异常虚弱的早产婴儿。两个助产婆当时就悲观地断言,这个瘦小婴儿活不到第二天。然而,他居然活过了85个年头。后来证明;那个早年靠一种特制皮领辅托的“瘦得可怜的小脑壳”,容纳的竟是一个世界卓越的科学家的大脑,他的名字叫牛顿。

他用一个苹果找到了万有引力理论

牛顿的父亲在其出生前几周去世,母亲是一个普普通通的农妇。

牛顿的天资是逐渐形成的。起初,他在学校里常常是班上差生,直到与一名比他学习好的男生打架,牛顿才开始努力学习,18岁时他考进了剑桥大学的三一学院。

在著名数学家巴罗教授的精心指导下,牛顿刻苦攻读数学、物理学、天文学等课程,接受了哥白尼、开普勒、伽利略、笛卡儿的自然科学理论和研究方法,从而为他的科学发明奠定了扎实的理论基础。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。

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,历史上一个最著名的苹果落了下来,正巧打在这位23岁的年轻人头上,正是受这个苹果的启发,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”。

他让物理学由小孩子长成大人

1667年,牛顿重返剑桥大学三一学院,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。牛顿用它给查理二世表演,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巨大轰动,牛顿名声大噪,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》,详细介绍了他所作的有关光的研究,包括以“牛顿环”而著称于世的光的干涉现象及光的微粒说等。

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年获得了英国造币局局长这一年俸很高的终生职务。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。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。

名人逸闻——站在巨人的肩上

牛顿的研究领域非常广泛,他除了在数学、光学、力学等方面作出卓越贡献外,还花费了大量精力进行化学实验。他常常6个星期一直留在实验室里,不分昼夜地工作。他在化学上花费的时间并不少,却几乎没有取得什么显著的成就。为什么同样一个伟大的牛顿,在不同的领域取得的成就竟那么不一样呢?

其中一个原因就是各个学科处在不同的发展阶段。在力学和天文学方面,有伽利略、开普勒、胡克等人的努力,牛顿有可能用已经准备好的材料,建立起一座宏伟壮丽的力学大厦。正像他自己所说的那样,“如果说我看得远,那是因为我站在巨人的肩膀上”。而在化学方面,因为正确的道路还没有开辟出来,牛顿没法走到可以砍伐材料的地方。

牛顿在临终前对自己的生活道路是这样总结的:“我不知道在别人看来,我是什么样的人;但在我自己看来,我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩,为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜,而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋,却全然没有发现。”

这当然是牛顿的谦逊。