大科学家牛顿

牛顿（Newton，Sir lsaac） 英国物理学家和数学家。1642年12月25日生于林肯郡的伍尔索普； 1727年3月20日卒于伦敦。

照儒略历计算，牛顿是圣诞节出生的；可是按格里历（即现用的阳历）计算，牛顿生于1643年1月4日。牛顿，这个许多人认为是有史以来的最伟大的天才，幼年时却颇为不幸。他是个遗腹子，又是早产儿（生于伽利略”去世的那年），并差点儿夭亡。三年后母亲改嫁，把他留给了外祖父母。（继父在他还上小学的时候就死了。）在学校里，牛顿是个古怪的孩子，就喜欢自己设计、自己动手，做凤筝、日规、滴漏之类器物。他对周围的一切充满好奇，但并不显得特别聪明。十来岁时，他在学习上好象还相当迟钝，后来却明显地超过了班上的小霸王一一也恰恰是班里学习的第一名…

十六世纪五十年代后期，家里叫他停学，到他母亲的农场上去帮忙。他显然是天下最蹩脚的农夫。他的舅父是剑桥大学三一学院的，发现了这个年青人的学识，极力主张送他到剑桥大学去读书。1660年这事兑现，历65年牛顿毕业，成绩并不突出。伦敦闹鼠疫时，为了躲避，他又回到母亲的农场。那时他已经研究出了数学的二项式定理一一一种按简单规则把二个函数之和的方幂展开成为多项式的方法。同时，他还在摸索后来发展成为微积分的一些初步思想。

在他母亲的农场上，发生了一件重大的事情。牛顿看到一个苹果落在地上，便开始捉摸，这种将苹果往下拉的力会不会也在控制着月球。当时，已被提出半个世纪的开普勒定律逐渐被承认了。牛顿就用这些定律来思索苹果与月亮。（苹果的故事常被人认为是虚构的，但牛顿自己说这是真事。）从古代一直到中世纪，人们都信奉亚里士多德的哲学，认为天上万物和地上万物，各自遵循一种自然法则，两者并不相同；与运动有关的法则更是如此。因此，

认为同一个力既控制月球又控制苹果就是一个大胆的设想。牛顿推导出物体的下落速度改变率与重力的大小成正比，而重力大小与距地心距离的平方成反比。（这就是有名的“平方反比”律).在比较苹果与月亮的下落速率时，牛顿必须找出月亮与地心的距离比苹果与地心距离大多少倍；换句话说，用地球半径来衡量时，月亮有多远。考虑了在月亮那里的地球引力比地球表面上引力弱多少之后，牛顿便算出了月球的下落速度变化率所应有的数值。结果算出的数值只不过是实际观察到的数值的八分之七。牛顿非常失望。差异大得使他的理论好象是一文不值。 一有些人把此差异解释为牛顿所采用的地球半径数值大小的缘故，如果是这个原因，他就会算出地球引力随距离减小得过快了点，自然就会得出一个比实际下落速度变化率略小的数值。所谓月球下落实际上就是月球轨道偏离直线的量。这个量足以保持月球能持续地在自己的轨道中运行但无论如何也不会使月球更接近地球。）另一些人认为，牛顿不能肯定用计算与地心距离的方法来确定重力大小的方法一定正确，因而退缩了。能将地球这个大球体视为只从其中心吸引月球吗？对这一点，直到他创立微积分这个数学工具以后才敢重新肯定。这第二个原因的可能性要大得多。然而，不管是什么原囵，牛顿把重力问题搁置了十五年。

同期，即1665年至1666年——牛顿做了惊人的光学实验。这也许是由于读了波义耳关于色彩的著作，因而激起了对光学的兴趣——开普勒的光学著作已经引起牛顿的兴趣。牛顿让一束光线由囱帘上的隙缝射入一个黑房间，再通过一个棱镜射到一个屏上。这束光被折射，但其不同成分折射的程度不同，投到屏上的光束不止是变宽的光点，而是一条以熟悉的彩虹顺序成红、橙、黄、绿、蓝、紫排列的彩色光带。有人可能会认为，这些颜色是棱镜产生的，可是牛顿证实它们存在于白光本身，白光仅仅是这些色光的合成色。证明办法是让虹带即“光谱”通过反向放直的第二个棱镜，以便这些色光重新结合。果然，屏上出现了一个白光点。如果把第二个棱镜放得只能让一种色光通过，根据置放的方向和角度的不同情况，映出的色光带也可能加宽，也可能变窄，但它始终是单色。（谁也不知道牛顿没有报道光谱中有暗线条的确切原因。而他在做某些实验时，肯定是应当看到几条暗线的。由于他的视力不够敏锐，有些实验是让一个助手做的。可能这位助手看到了一些暗线，但认为无报道的必要。不管情况如何，这恰恰是极其重要的发现，但还得留待一个半世纪之后由沃拉斯顿和夫琅和费去研究。）牛顿的棱镜实验使他一举成名。

1667年他回到剑桥，一直住了三十年。1669年牛顿的数学老师辞职，由牛顿补缺，这样27岁的牛顿就当上了剑桥大学的卢卡斯数学教授（这个职位是一个姓卢卡斯的人出资设立的，故而命名。）根据英国政府的一项特殊决定，牛顿不信教也可以任此职务。他一年大约只需作八次演讲（很差的演讲）。其余时间就用来研究和思考。1672年牛顿被选入皇家学会，并立即向学会报告了他的色与光的实验——遂与胡克立即发生了冲突，胡克也用光和棱镜做过一些实验，但又象他平素的做法一样，只有一些夹七夹八的肤浅解释，而没有过什么象样的结论。尽管如此，他仍立即攻击牛顿，终生与之不共戴天，这显然是出于妒忌。

尽管牛顿是人间产生的最伟大的天才，在其它方面，牛顿却是一个可怜的怪人。他一辈子独身，除了年青时有突一段乏味的浪漫史，好象他从来就没有任何留意女人的表示。牛顿总是在全神贯注地思考问题，他对周围的一切无动于衷，那副心不在焉的神情实在可笑。他还对批评格外敏感，反应也十分幼稚。有许多次，他竟然决定宁可不再发表科学著作，也不愿受批评。1673年，他一时不快，竟非向皇家学会辞职不可，辞呈虽未被接受，但他与学会的关系却从此冷淡起来。牛顿仇视批评也造成他象胡克那样好争辩，不过方式隐晦一些罢了。他自己不出面，而让他的朋友首当其冲、公开交锋，他在暗中怂恿，表面上却既不袒护哪个人，也不支持任何一方的观点。

牛顿和莱市尼兹几乎同时独自创立了微积分。许多年中，这似乎并没有影响他们的友谊。但当两个人名气大了之后，有些人却以“爱国主义”代替了友谊观念。牛顿照例迟迟才发表，这就不必要地把事情槁乱了。微积分到底是英国人发现的还是德国人发现的，似乎成了争论的焦点，一场围绕着两个人中是谁剽窃谁的论战开础了。其实，谁也没有剽窃。两个人都是足以发现微积分的第一流天才，更何况数学的这一门类早就在孕育之中半个世纪前费马就几乎发现了它。尽管如此，争论一直在继续，牛顿还在暗中怂恿其追随者开战。微积分是科学研究中不可缺少的工具，但英国数学家却顽固地继续使用牛顿采用的符号法，无视方便得多的莱布尼兹表示法。这样，他们就把自己隔绝在欧洲大陆的数学成就之外，致使英国的数学落后达一世纪之久。

牛顿的色与光的实验，导致他去推理光的本质。有些科学家认为，光和声一样，是一种波浪式的周期性运动。持此见解的人有无处不在的胡克，另一个是惠更斯·。然而，在牛顿看来，光线沿直线运动并投射明显阴影的事实是无可非议的。声是一种波，可以绕过障碍，因此人在犄角旮旯里也能听到。光则不然，没有反射镜你转个弯就看不见了。因此，牛顿赞同德谟克利特”的见解，认为光是一束从发光体运动到眼睛的微粒流。这种光的微粒说决非是无懈可击的定论。格里马尔迪·曾证明光线在越过障碍时确实有很小的一点弯中这用微粒就难以解释。后来，巴托林”又发现了光的双折射现象，那就更难解释了。牛顿企图解决这些问题便提出了一些在当时无法理解的深奥想法。有趣的是现代的光学学说在某些方面真地又回到了牛顿当时的想法上。可惜的是，牛顿的信徒们当时却去掉了牛顿想法的深奥部分，而把他的理论删改成…光是高速运动的微粒”这一简单的结论。由于牛顿的声望，这种说法在与波动说的争论中占了一个世纪的上风。（就象亚里士多德一样，在十八世纪，甚至进入十九世纪，牛顿的名声有时真是举足轻重。）牛顿认为，光线通过棱镜或透镜后必然会生成光谱。正由于这个原因，当时的折射望远镜已经不能再发展了。增大体积以提高放大倍数也无济干事。光线通过透镜后会在天体成象的周围形成杂乱的彩色光轮，使细节模糊不清一这种现象叫“色差”。牛顿因此于1668年发明了一架反射式望远镜，用旋转抛物镜面反射的办法会聚光线，而不是用透镜折顿，而在实践上却不如牛顿。这架反射式望远镜与折射式望远镜曾比，有两个长处：第一：在牛顿的装置里，光线实通过镜片，而是由其表面反射回去，因此不存在镜片吸收光线的问题；罕二：反射镜的采用消除了色差现象。＝ 反射式望远镜是一大进展。牛顿的第一架反射式望远镜长六英寸，直径一英寸，只是一个玩具，但它却能放k＋到四＋f6。1671年，牛顿又造了一架大一些的，长九英寸，直径二英寸。他用它给查理二世表演，而后献给皇家学会，皇家学会趁此时机增选牛顿为成员。这架望远镜现在仍保存在皇家学会。胡克马上按照J·格雷戈里的稍有不同的设计造了一架，但不及牛顿的这一架。

现代最大的望远镜是反射式的。然而牛顿还是错了。制造无色差的折射望远镜是可能的，牛顿去世不久，多朗德”就造出一架。

十六世纪八十年代是牛顿一生中的黄金时期。1684年，胡克遇见雷恩”和哈雷“时，以一种令人讨厌的肯定P气吹嘘说，他已经研究出天体运动的规律。雷恩对胡克的说法不感兴趣，并悬赏征求解决这个问题的人。哈雷是牛顿的朋友，就带着这个问题去找牛顿。问他：星体之间若有与距离的平方值成反比的引力存在，行星会怎样运动。牛顿立刻（答道：“按椭圆轨道运动。”一“你怎么知道的？…“唉，我作过计算。”于是牛顿便讲述他在：666这l个瘟疫年内所作的理论推测。哈雷欣喜若狂，鼓励牛顿再试试。这时情况不向了。牛顿知道了皮卡尔”业已求出的儿较精确的地球半径值。此外，他创立的微积分已使他能算出（在一定的密度条件下）来自球体不同部位的引力的总效果，就好象整个球体的所有引力都来自球心一样。一牛顿又重复进行自己过去的计算，这次越算越觉得答案会蓝确。面对这种成功的可能，（据1A）牛顿兴奋得算下下去，只好让一位朋友替他继续算下去。为了详尽地阐述所有的这一切，牛顿着手写下本书，18个月后写成，于1687年出版，书名叫《自然哲学文。该书被公thfo有史以来最伟大的科学著作。譬如，与牛顿脾气差不多，不肯轻易赞誉另“人的拉普拉斯、便是这样认为的。尽管牛顿已经发明了微积丸他在这本书里仍用考式的几何论方法证明命题。这是最后一本用古希腊风格写的科学巨著。在这本书中，牛顿把伽利略的研究成果归纳为运。动的三大定律。第一是惯性定律：任何物体在不受外力的作用时，静止的保持静止，运动的则保持匀速直线运动。这第一条定律确证了布里丹”在三百年前提出的看法，从此再不必去设想天体的运动是由于天使或神灵的不断推动。它们的运由于一旦受到第一次推动以后，外层空间中再没有外力去阻止它们继续运动下 去。（但是，第＝次推动是如何产生的，们牛顿死后仍然 讨论了将近三百年。） 第二条运动定律利用质量和加速度给力下了定 义。这一定律首次清楚地区别开物体的质直（表示物体 对加速应的阻力，也即对物体所具有的惯性的直度）与 物体的重量（表示物体本身与另一个物体、通常为地球 之间的引力大小）。 最后，著名的第三运动定律指出，对每了个作用力 来说，都存在一个大小相等、方向曾反的反作用力。因为这条定律决定了火箭的特性，所以经常是我们这个时代中新闻的来源。牛顿研究了运动物体们真空中以及们有阻力的介质中的情况。这后一种研究，正是现代航空学的前身。 根据这三条定律，牛顿便可以推出地球和月亮之间引力的规律。他证明了引力与两者的质量乘积成正比，与两者中心之间的距离的平方成反比。引入一个常数，这种比例关系就能化成一个等式。从而得出一个著名的方程：“ F士缈 J”其中， 1，i＝与M2分别为地球和月亮的质量，d是其中心之间的距离，C为引力常数，尸则为两者之间的引力。 牛顿那如神的直觉，还使牛顿认为这一引力定律应适用于宇宙间任何两个物体之间。于是，他的方程便成了万有引力定律。突了一个世纪后，卡文迪许·才确定了C值，从而得出地球的质直数值；但牛顿曾猜测突地球的质量值，然后又据此估算出木星和土垦的质量。这些估计值都曾当准确。 万有引力定律的无比威力很快就显示出来。它能解释当时所知道的天体的一切的运动。它说明了开普勒的全部定律。它揭示了二分点岁差的成因。行星运动的各种不规则现象，则原来是除了太阳对它们的巨大引力之外，彼此之间还有较弱引力的缘故（摄动）。它甚侄还可以解释月球运动中的复杂变化。（这是开普勒未曾分析清楚的，也是牛顿一直承认使他头痛的唯一问题。）牛顿还们自己的书里画过一张图，说明引力对人造卫星（这是如今的名称）运动的控制方式。 虽然牛顿的巨著初版只印了二千五百册，但它却颇受欢迎，其价值立即被许多科学家所承认。它标志着一个半世纪前由哥自尼”开创的科学革命已发展到顶瓜。牛顿使科学革命脱出回于单纯的测量、计算、公武之类的状况，理论哲＊家再不会因为科学革命与古人伟大的宇宙学说不能和提并论而噎之以鼻了。 牛顿赶上并超过了最卓越的希腊学者。《原理》展示了宇宙的整个体系，它比任何古代学者的设想都更为优美、更有启发性。牛顿体系是从极少数极简单的：系列设想开础，通过极清晰极动人的一条数学途径发展而成的，保守派们很难有与之抗衡的勇气和信心。它使欧洲学者们肃然起敬、钦佩万分。例如，惠更斯便专程去英国会见作者。 牛顿开创了理性时代。们这个时代里，学者们希望通过对现象的仔细观察得出若干确定的原理）再凭借巧妙地运用数学，一切问题便可统统得到解答。后来的，这种希望看来未必能完全实现；但至少们十八世纪，人们体会到了一种以前从未体验突的，而且从此再也体验不到的新的智力自信，并因而感到极为乐观。： 然而，牛顿著作的出版并不是一帆风顺的。负责出版的皇家学会缺乏资金，而胡克又强词夺理地要求优先权，指出他们六年前就对此题目给牛顿写过一封信。中顿气恼至极，最后被迫（这对气量狭窄的牛顿来说真是很不容易的）加进一小段文字，提及书中有些结论是顿克、雷恩和哈雷以前曾经推出突的，又由他本人做了进一步的研究。即使如此，由以善记日记出名的佩皮斯主持的皇家学会，不愿使学会卷入到这种讨厌的争论去，就取消了出版协议。 幸亏哈雷是个有钱的人，他承担支付出版的一切字用，并安排插图、校对校样，工作十分勤勉，这就使胡克无话可说，也安慰了动辄生气的牛顿。这本书一问世，科学家们纷纷聚到这面新旗帜下来。D格雷戈里”一最先发明反射式望远镜的J，格雷戈里”的侄子一一便是其中的一位。 但是，连续的争论给牛顿带来了巨大的伤害，精神高度集中的脑力劳动摧残了他的健康。（哈雷曾问突牛顿为什么他能有那么多发现，而别人却不能。牛顿回答说，他解决问题不靠什么灵机一动、豁然开朗，而是靠不断的冥思苦想，直到解决为止。这确实是真的一那果脑子会出汗，牛顿一定早被这样的汗水浸透了。另外，牛顿憎恶娱乐，一次竟为哈雷开了一句玩笑，而责怪了一们数学和物理学方面的成就还不够似的，他还不惜花费很多时间，尤其们晚年，去徒劳地寻找制造）金子的诀窍。（他热衷干将贱金属变成黄金，还写了五十万言的化学著作，但都没有什么价值。）他还无休止地思索神学问题并就圣经中最玄虚的章节写了一百五十万字的考证文章。 象开普勒一样，牛顿曾计算突“开天辟地”的年代。结论是天地万物始于公元前三千五百年左右，与开普勒计算的结果曾比，地球年轻了五百年。又突了一个世纪，到了赫顿”的时代，科学才摆脱圣经编年的束缚。 显然，牛顿至死都持“唯一神教派”的观点，但他守口如瓶。因为，他要是公开不信人们所崇拜的救世主那稣基督，就不能们剑桥立足。 1692年，牛顿忙碌的大脑终于衰竭了。他患了精神崩溃症，休息了将近两年。据一个著名的故事传说，牛顿的病是因为他的狗戴蒙德碰翻了蜡烛，烧毁了他经年积累的计算材料而加剧的。可怜的牛顿悲叹道“唉、戴蒙德）戴蒙德，你可知道你闯下了大祸。”（这个动人的故事未必是真事，就连牛顿是否养突狗都值得怀疑。＞ 从那以后，牛顿再也没能恢复如初，可是还抵得上十个常人。譬如， 1696年，j个瑞士数学家挑战性地要欧洲学者解决两个问题。牛顿看到这两个问题后，第二天，就匿各寄去了答案。挑战者一眼就看穿了，说：“我认出了狮子的利爪。”1716年牛顿75岁的时候，莱布尼兹提出了一个问题，目的就是想难住牛顿。牛顿一个下午就将问题解决了。 1687年，牛顿不动声色地但却有效地捍卫了剑桥大学的权利，不受不得人心的詹姆士二世的侵犯。结果，在詹姆士被推翻而流亡之后，牛顿于1689年当选为国会的议员。他担任议员数年，却从不发言。有一次他站了起来，议会厅顿时鸦雀无声，恭候这位伟人发言。但牛顿只说了句应把窗子关上，因为有穿堂凤。 由于朋友们的努力， 1696年委派他当造市厂的总监， 1699年又晋升为总裁。这就使他身居负责造市的要职，薪俸优厚；因此死后能留下一笔三万英镑以上的遗产。这两个职务们当时被看成很大的荣誉，只有牛顿才当之无愧。不突，这可是好心办了坏事。因为这些职务中止了牛顿的科学工作，只能将它视为极大的犯罪。牛顿辞去了教授职务，以他全付精力和智慧从事新职，改善了造市厂的操作工艺，成了伪造者闻风丧胆的人。牛顿任命他的朋友哈雷作他的下属。

1703年，牛顿当选为皇家学会的主席（应注意这是们胡克死后），以后年年当选，直到逝世。牛顿一直小心地等到胡克死后，才在1704年写了《光学》一书，总结了他对光的研究成果。这本书不象《原理》，是用英文写的，但不久就被译成拉丁文，以便英国之外的欧洲人也能阅读。1705年牛顿被安妮女王封为爵士。 牛顿从30岁起头发就花白了，但他的身体到老还很健康。80岁时牙齿还一颗不缺；耳也不聋，眼也不花，记忆力还很好。虽然如此，他们造市厂的职务却消耗了这些旺盛的精力，妨碍他写作《原理》的第二版，直到1713年才开始着手。 牛顿在世时所受的尊敬是他以前的科学家（也许除了阿基米德”）或他以后的科学家（也许除了爱因斯但’）中无人可比的。他死后安葬们威斯敏斯特大教堂之内，与英国的英雄们安葬们一起。当时法国大文豪伏尔泰”正们英国访问，他羡慕地评论说，英国纪念一位数学家就象其它国家纪念国王一样隆重。牛顿墓碑上的拉丁刃铭的最后一句是：“他是人类的真正骄做，让我们为之欢呼吧！”尽管如此，民族偏见的影响使牛顿体系们国外的推广仍然遇到了一些阻力。突了一代人的时间，才取得最后胜利。 牛顿具有谦虚的美德（既使不是真谦虚，他也很能作出谦虚的样子。）他有两句名言是大家所熟知的。1676年们给胡克的一封信中，他写到：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”据说他还讲过：“我不知道世人对我怎么看；但们我自己看来就好象只是一个们海滨嬉戏的孩子，不时地为比别人找到一块光滑的卵石或一只更美丽的贝壳而感到高兴，而我面前的浩瀚的真理海洋，却还完全是个谜。… 可是，牛顿同时代的其他人也站在同样一些巨人的肩上，也同一个海滨游戏的孩子，却唯独只有牛顿一个人能看得较远，并找到更加光滑的卵石。 对牛顿详述至此，看来还是引用两段诗作收尾的好。

一首是蒲柏写的著名诗句：

大自然和它的规律，

隐匿们黑暗中，

上帝说，“让牛顿出世！”

一切便部分明。

一首是华滋华斯们凝视牛顿的半身塑像时吟出的

诗句：

这大理石标志的心灵，

们奇妙的思维之海上永远航行，

永远，永远，

独自向前。