- 第8節(jié) 17世紀最有影響力的科學家——牛頓
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牛頓是英國偉大的物理學家、數(shù)學家、天文學家和自然哲學家。
1642年12月25日,他生于英格蘭林肯郡伍爾索普的一個農(nóng)村家庭,恰與伽利略的去世是同年。
牛頓是遺腹子,又是早產(chǎn)兒,先天不足,出生時體重只有3磅,差點兒夭折。他兩歲時母親改嫁,靠外祖母撫養(yǎng)。
牛頓12歲進金格斯中學上學。那時他喜歡自己設(shè)計風箏、風車等玩意。他制作的一架精巧的風車,別出心裁,內(nèi)放老鼠一只,名曰“老鼠開磨坊”,連大人看了都贊不絕口。1656年牛頓的繼父去世,母親讓牛頓停學務(wù)農(nóng),但他學習入迷,經(jīng)常因看書思考而誤活。在舅舅的關(guān)懷下,1661年,他進入劍橋大學三一學院學習,得到著名數(shù)學家巴羅的賞識和指導。他先后鉆研了開普勒的《光學》,歐幾里得的《幾何學原本》等名著。1665年大學畢業(yè),成績平平。這年夏天倫敦發(fā)生鼠疫,牛頓暫時離開劍橋,回到伍爾索普鄉(xiāng)下待了18個月。這18個月竟為牛頓一生科學的重大發(fā)現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。1667年牛頓返回劍橋大學,進三一學院攻讀研究生,1668年獲得碩士學位。次年巴羅教授主動讓賢,并推薦牛頓繼任“盧卡斯自然科學講座”的數(shù)學教授。時年牛頓27歲,從此在劍橋一待就是30年。1672年牛頓入選英國皇家學會會員;1689年當選為英國國會議員;1696年出任皇家造幣廠廠長;1703年當選為皇家學會會長;1705年英國女王加封牛頓為“艾薩克爵士”。
牛頓是17世紀最偉大的科學巨匠,他的成就遍及物理學、數(shù)學、天體力學的各個領(lǐng)域。
牛頓在物理學上最主要的成就是發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,綜合并表述了經(jīng)典力學的3個基本定律——慣性定律、力與加速度成正比定律、作用力和反作用力定律,引入了質(zhì)量、動量、力、加速度、向心力等基本概念,從而樹立了經(jīng)典力學的公理體系,完成了物理學發(fā)展史上的第一次大綜合,建立了自然科學發(fā)展史上的里程碑。其重要標志是他于1687年所發(fā)表的《自然哲學的數(shù)學原理》(簡稱《原理》)這一巨著。
在光學上,他做了用棱鏡把白光分解為七色光(色散)的實驗研究,發(fā)現(xiàn)了色差;研究了光的干涉和衍射現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán);制造了以凹面反射鏡替代透鏡的“牛頓望遠鏡”。
1704年他出版了光學專著,闡述了自己在光學研究方面的成果。
在數(shù)學上,牛頓與德國的萊布尼茨各自獨立創(chuàng)建了“微積分學”;他還建立了牛頓二項式定理。
牛頓在聲學、熱學、流體力學等方面也有不少研究成果和貢獻。
牛頓的偉大世人皆知。那么牛頓是怎樣取得這些偉大成就的呢?他在科學研究方法上給世人留下了什么遺產(chǎn)呢?
牛頓取得如此偉大成就的原因在于時代、勤奮和方法3個要素。
牛頓所處的歷史時代是自然科學大綜合、大飛躍的時代。牛頓的《原理》可以說綜合了自亞里士多德以后的關(guān)于物理學方面的所有知識,它是人類社會科學知識“積分”(知識的綜合)的結(jié)果。而在這之前,伽利略和開普勒已經(jīng)在地上和天上這兩個領(lǐng)域內(nèi),實現(xiàn)了局部的“積分”。原子物理學創(chuàng)始人盧瑟福說得好:“事物的本質(zhì)不是任何一個人突然發(fā)現(xiàn)的,科學是循序漸進的,每個人都要依靠前人的工作……科學家不是依靠個人的思想,而是依靠千萬人的集體智慧!迸nD的成功恰恰是體現(xiàn)了這一點。具體些說,沒有伽利略“地上三定律”及其他科學家的成果,就沒有牛頓的“三定律”;沒有開普勒的“天上三定律”和其他科學家的成果,也就沒有牛頓的“萬有引力定律”。1676年牛頓在給朋友的信中說:“如果我比別人看得遠些,那是因為我站在巨人的肩膀上。”這既是謙虛,也是事實,這巨人就是伽利略、開普勒和笛卡兒等前輩科學家。
但是,牛頓同時代的一流科學家也為數(shù)不少,也都站在巨人的肩膀上,為什么唯獨他能看得遠呢?這自然與牛頓自身條件相關(guān),也就是他的刻苦和勤奮。英國天文學家哈雷曾問牛頓:“為什么你能有那么多發(fā)現(xiàn),而別人卻不能?”牛頓回答說:“我解決問題不靠什么靈機一動、豁然開朗,而是靠不斷地冥思苦想,直到解決為止!边@確實是真情。牛頓在科學研究上的專注精神,令人贊嘆!在思考問題和進行實驗時,他經(jīng)常廢寢忘食,忘了約會,忘了朋友,甚至忘了自己和情人,鬧出不少笑話。他一生中只在青年時談過一次戀愛。一次在與情人相會時,他忽然想起無窮量的二項式,精神變得恍恍然,竟把姑娘的手指當通條,往煙斗中塞,待姑娘痛得大叫時,他才清醒過來。這樁戀事也就因此告吹。由此可見,牛頓對科學研究已達到如癡如醉的境界了。
在科學研究的方法上,牛頓同樣綜合了前人的精華,并且有自己的發(fā)展,使科學研究方法又向前推進一步。例如,實驗的方法、數(shù)學的方法、邏輯推理方法(也是思維方法)、用公理體系來建立科學體系的方法、哲學方法(科學思想或基本原則)以及它們的綜合應(yīng)用,在牛頓的科學研究中都有應(yīng)用和發(fā)展。
1727年3月31日,牛頓因腎結(jié)石癥,醫(yī)治無效,在倫敦去世,終年86歲。他死后被安葬在威斯敏斯特大教堂之內(nèi),與英國的先賢們安葬在一起。后人為紀念他,將力的單位定名為牛頓。英國著名詩人A波普為他寫了一個碑銘,鑲嵌在牛頓出生的房屋的墻壁上:
道法自然,久藏玄冥;天降牛頓,萬物生明。
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