科学家的故事:17世纪最有影响力的科学家——牛顿

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适合年龄:6岁以上

难易程度:中级

牛顿是英国伟大的物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家。1642年12月25日,他生于英格兰林肯郡伍尔索普的一个农村家庭,恰与伽利略的去世是同年。

牛顿是遗腹子,又是早产儿,先天不足,出生时体重只有3磅,差点儿天折。他两岁时母亲改嫁,靠外祖母抚养。

牛顿12岁进金格斯中学上学。那时他喜欢自己设计风筝、风车等玩意。他制作的一架精巧的风车,别出心裁,内放老鼠一只,名曰“老鼠开磨坊”,连大人看了都赞不绝口。1656年牛顿的继父去世,母亲让牛顿停学务农,但他学习入迷,经常因看书思考而误活。在舅舅的关怀下,1661年,他进入剑桥大学三一学院学习,得到著名数学家巴罗的赏识和指导。他先后钻研了开普勒的《光学》,欧几里得的《几何学原本》等名著。1665年大学毕业,成绩平平。这年夏天伦敦发生鼠疫,牛顿暂时离开剑桥,回到伍尔索普乡下待了18个月。这18个月竞为牛顿一生科学的重大发现奠定了坚实的基础。1667年牛顿返回剑桥大学,进三一学院攻读研究生,1668年获得硕士学位。次年巴罗教授主动让贤,并推荐牛顿继任“卢卡斯自然科学讲座”的数学教授。时年牛顿27岁,从此在剑桥一待就是30年。1672年牛顿入选英国皇家学会会员;1689年当选为英国国会议员;1696年出任皇家造币厂厂长;1703年当选为皇家学会会长;1705年英国女王加封牛顿为“艾萨克爵士”。

牛顿是17世纪最伟大的科学巨匠,他的成就遍及物理学、数学、天体力学的各个领域。

牛顿在物理学上最主要的成就是发现了万有引力定律,综合并表述了经典力学的3个基本定律-惯性定律、力与加速度成正比定律、作用力和反作用力定律,引人了质量、动量、力、加速度、向心力等基本概念,从而树立了经典力学的公理体系,完成了物理学发展史上的第一次大综合,建立了自然科学发展史上的里程碑。其重要标志是他于1687年所发表的《自然哲学的数学原理》(简称《原理》)这一巨著。

在光学上,他做了用棱镜把白光分解为七色光(色散)的实验研究,发现了色差;研究了光的干涉和衍射现象,发现了牛顿环;制造了以凹面反射镜替代透镜的“牛顿望远镜"。1704年他出版了光学专著,阐述了自己在光学研究方面的成果。

在数学上,牛顿与德国的莱布尼获各自独立创建了“微积分学”;他还建立了牛顿二项式定理。

牛顿在声学、热学、流体力学等方面也有不少研究成果和贡献。

牛顿的伟大世人皆知。那么牛顿是怎样取得这些伟大成就的呢?他在科学研究方法上给世人留下了什么遗产呢?

牛顿取得如此伟大成就的原因在于时代、勤奋和方法3个要素。

牛顿所处的历史时代是自然科学大综合、大飞跃的时代。牛顿的《原理》可以说综合了自亚里士多德以后的关于物理学方面的所有知识,它是人类社会科学知识“积分”(知识的综合)的结果。而在这之前,伽利略和开普勒已经在地上和天上这两个领域内,实现了局部的“积分”。原子物理学创始人卢瑟福说得好:

“事物的本质不是任何一个人突然发现的,科学是循序渐进的,每个人都要依靠前人的工作……科学家不是依靠个人的思想,而是依靠千万人的集体智慧。”牛顿的成功恰恰是体现了这一点。具体些说,没有伽利略“地上三定律”及其他科学家的成果,就没有牛顿的“三定律”;没有开普勒的“天上三定律”和其他科学家的成果,也就没有牛顿的“万有引力定律"。1676年牛顿在给朋友的信中说:“如果我比别人看得远些,那是因为我站在巨人的肩膀上。”这既是谦虚,也是事实,这巨人就是伽利略、开普勒和笛卡儿等前辈科学家。

但是,牛顿同时代的一流科学家也为数不少,也都站在巨人的肩膀上,为什么唯独他能看得远呢?这自然与牛顿自身条件相关,也就是他的刻苦和勤奋。英国天文学家哈雷曾问牛顿:“为什么你能有那么多发现,而别人却不能?"牛顿回答说:“我解决问题不靠什么灵机一动、豁然开朗,而是靠不断地冥思苦想,直到解决为止。”这确实是真情。牛顿在科学研究上的专注精神,令人赞叹!在思考问题和进行实验时,他经常废寝忘食,忘了约会,忘了朋友,甚至忘了自己和情人,周出不少笑话。他一生中只在青年时谈过一次恋爱。一次在与情人相会时,他忽然想起无穷量的二项式,精神变得恍恍然,竟把姑娘的手指当通条,往烟斗中塞,待姑娘痛得大叫时,他才清醒过来。这桩恋事也就因此告吹。由此可见,牛顿对科学研究已达到如痴如醉的境界了。在科学研究的方法上,牛顿同样综合了前人的精华,并且有自己的发展,使科学研究方法又向前推进一步。例如,实验的方法、数学的方法、逻辑推理方法(也是思维方法)、用公理体系来建立科学体系的方法、哲学方法(科学思想或基本原则)以及它们的综合应用,在牛顿的科学研究中都有应用和发展。

1727年3月31日,牛顿因肾结石症,医治无效,在伦敦去世,终年86岁。他死后被安葬在威斯敏斯特大教堂之内,与英国的先贤们安葬在一起。后人为纪念他,将力的单位定名为牛顿。英国著名诗人A.波普为他写了一个碑铭,镶嵌在牛顿出生的房屋的墙壁上:道法自然,久戴玄冥;天降牛顿,万物生明。

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